طراحي و ساخت لرزه نگار ماره اي

Designing and constructing of a seismometer based on the moiré technique

در اين مقاله طراحي و ساخت يك لرزه نگار تك مولفه اي ارائه ميشود. در اين لرزهنگار براي دريافت پالس هاي لرزه اي از سيستم جرم - فنر و براي ثبت پالس هاي لرزه اي از تكنيك ماره استفاده مي شود. با استفاده از دو فنر مشابه كه از يك سو به بدنه دستگاه متصل اند، جرم مربوطه از بالا و پايين مهار و بطور قائم نگه داشته ميشود. در مركز جرمِ آويزان يك روزنه تعبيه شده كه بر سطح آن يك عدد توري نصب ميشود. توري دومي به بدنه ي دستگاه نصب است. اين دو توري بدون آنكه تماس فيزيكي با هم داشته باشند در مقابل هم قرار ميگيرند بنحوي كه صفحه توريها بر هم مماساند و خطوط آنها زاويه ي كوچكي با هم مي سازند. در دو سمت توريها به ترتيب يك عدد ديود نور گسيل و يك عدد آشكارساز نوري در مقابل هم قرار ميگيرند. در اثر اعمال لرزه نوعي به بدنه دستگاه، توري متصل به بدنه دستگاه جابجا ميشود اما جرم و توري متصل به آن جا مي ماند. جابجايي نسبي دو توري باعث جابجايي بزرگتري در نقش ماره ميشود. در اثر عبور فريزهاي ماره از مقابل آشكار ساز، توان نور دريافت شده توسط آن تغيير ميكند. با محاسبه توان طيفي سري زماني افت و خيزهاي توان ثبت شده ميتوان پالس لرزه اي را آشكار كرد. همچنين فركانس پالس لرزه اي، فركانس فضايي فريزهاي ماره و فركانس تشديد لرزه نگار از توان طيفي تعيين ميشوند. مقدار ولتاز خروجي اين لرزه نگار با توجه به نوع آشكارساز و توان ديود نور گسيل قابل تنظيم است. در اين لرزه نگار بسادگي با تغيير زاويه مابين خطوط توريها و يا تغيير گام آنها حساسيت را مي توان تغيير داد. اين لرزه نگار به دليل خاصيت بزرگ نمايي تكنيك ماره قابليت آشكار كردن جابجايي هاي كوچك از مرتبه چند ميكرومتر را دارد. فركانس تشديد اين لرزهنگار 10 هرتز است كه براي لرزه نگاري اكتشافي مناسب است.

We have built a new vertical seismometer based on the moiré technique. This instrument consists of a springsuspended mass whose position is monitored using the moiré technique. We use a pair of similar gratings, one fixed to the suspended mass and the other fixed to the seismometer frame. The gratings are installed close to each other with no physical contact, with the planes of the gratings parallel to each other and the lines of gratings making a small angle with one another. A moiré pattern is formed due to superimposing of the grating structures. A narrow beam of a 1 mW LED passes through the moiré pattern and the light beam power is detected by a sensor. Upon shaking, the second grating is displaced with respect to the first one, and as a result the moiré fringes move with a magnification of more than ten times. The detector records the time series of the power fluctuations. From the power spectrum of the time series, frequency of the impulse is determined. Also from the time series the seismometer mass displacement is determined. In comparisons with a conventional seismometer of the same design and natural frequency, our devise is much more sensitive to motions and in terms of both noise and signal fidelity, the moiré technique approach is quite reliable.