感測器在活火山監測中起著關鍵作用

火山和火山活動使我們著迷。有了更大的規律性，感測器被用來收集和分析數據，從而創造準確的火山活動預報。例如，最近的一些報紙標題:「美國宇航局阿姆斯特朗帶領團隊測試火山灰對飛機引擎的影響，」和「海底感測器記錄可能的水下火山噴發」，以及「通過無線感測器網路監測火山爆發」。感測器具有足夠的能力、可靠、準確，而且基於感測器提供的數據，足夠強大，能夠處理如此海量的數據。

　　估計大約有1500個潛在的活火山，而且它們能夠造成很大的破壞，即使在可能不明顯的地方。根據美國地質調查局(USGS)的數據，在過去的15年里，超過80架商用飛機在飛行和機場遭遇火山灰。其中的七次碰撞造成了飛機引擎動力損失，幾乎導致飛機墜毀。

　　進一步調查這些事件背後的原因,自2011年以來,美國國家航空航天局與第412空軍測試機翼,空軍研究實驗室,美國聯邦航空管理局(FAA),波音公司研究與技術,普拉特和惠特尼公司通用電氣航空、自由和勞斯萊斯工作通過測試和評估新的發動機健康管理技術的實現車輛綜合推進研究(VIPR)項目。

　　現在，感測器被用來測試飛機所能處理的火山灰數量。使用一個c - 17和兩個F117引擎提供的空軍研究實驗室,當前階段的測試將介紹關於馬札馬火山增加大量的火山灰的引擎來評估健康監測感測器及其相關軟體可以檢測和報告一個問題。根據原則調查員VIPR項目工作的挑戰,「我們看技術,能夠識別飛機進入錯誤的開始階段,我們希望能夠識別和診斷,以及它們將如何隨時間發生變化,」約翰說Lekki美國宇航局格倫研究中心的調查員VIPR原則。Lekki指出，調查小組將使用來自多個感測器的數據，包括振動、排放、以及整個發動機的光纖溫度感測器，以識別和診斷問題。

　　除了空中的危險，海底感測器還記錄著火山爆發和潛在的火山爆發。例如，華盛頓大學的深海觀測站和俄勒岡州海岸附近的火山爆發。學生們晝夜不停地工作，幫助專業的深海機器人更換感測器和平台，進行年度維修，並幫助科學家和工程師檢查其他儀器，包括高清攝像機和深海水和DNA採樣器。

　　作為研究的一部分，地震活動被8個地震儀記錄下來，這些地震儀測量的震動頻率高達每秒200次，圍繞著火山口和3000英尺高的海山。測量結果包括破火山口的高度、頭頂的水壓力以及潮汐和波浪的影響，以便精確計算位置。

　　地震不僅可以在地震前測量，還可以用來測量地震後海底景觀的變化。現在，無線感測器網路也被用來檢測地震，如圖1所示。

　　無線感測器網路在火山上監測地震數據的圖像。

　　圖1:一個無線感測器網路可以用來監測活火山的地震數據。

感測器在工作

　　用於科學目的的感測器從運動跟蹤到壓力感測器，從慣性測量單元到專門用於地震監測的感測器。下面是一些感測器，它們是用來測量甚至預測什麼時候一個強大的火山爆發的。

　　運動跟蹤在火山地震和地震測量中起著重要的作用。例如，InvenSense MPU-9250是一個多晶元模塊，由兩個晶元組成，集成到一個QFN包中。其中一個模具有一個三軸陀螺儀和一個三軸加速度計。另一種晶元是Asahi Kasei Microdevices (AKM)公司的AK8963三軸磁強計。總的來說，MPU-9250(圖2)是一個9軸設備，包括一個支持高級運動處理的數字運動處理器(DMP)引擎;DMP從主機處理器中卸載動作處理演算法。DMP從加速度計、陀螺儀、磁力儀和額外的第三方感測器獲取數據，並處理數據。生成的數據可以從DMP的寄存器中讀取，也可以在FIFO中進行緩衝。DMP可以訪問MPU的一個外部引腳，它可以用來生成中斷。

　　英維思MPU-9250方框圖圖像。

　 　圖2:MPU-9250方框圖。

　　通常情況下，根據InvenSense的報告，動作處理演算法應該以很高的速度運行，通常在200hz左右，以便提供低延遲的精確結果。即使應用程序的更新速度較低，這也是必需的;例如，一個低功耗的用戶界面可能會以5赫茲的速度更新，但是移動處理仍然需要200赫茲。DMP可以作為一種工具，以最小化權力、簡化時間、簡化軟體體系結構，並將有價值的MIPS保存到應用程序的其他用途上。

　　MPU直接提供完整的9軸MotionFusion輸出。它的設計目的是與多個非慣性數字感測器(如壓力感測器)在其輔助的I2C埠上進行交互，它具有3個16位模擬數字轉換器(adc)，用於數字化陀螺儀輸出，3個16位的adc對加速度計輸出進行數字化，以及3個16位的adc，用於數字化磁力儀輸出。精密跟蹤的快速和慢速運動,部分有一個用戶可編程的陀螺儀全面範圍±250±500±1000±2000°/秒(dps),一個用戶可編程的加速度計全面範圍±2 g,±4 g,±8 g,和±16 g,磁強計與全面的±4800μT。

　　霍尼韋爾6-D運動變型6DF-1N6-C2-HWL慣性測量單元的感測器(圖3)設計用於在一個耐用的單一設備中提供運動、位置和導航感應。利用MEMS技術，可以在三個垂直軸(橫搖、垂盪、搖擺)和旋轉運動三個垂直軸(滾動、俯仰、偏航)中感知平移運動。

　　霍尼韋爾6DF IMU圖像。

　 　圖3:Honeywell 6DF IMU提供了來自一個設備的運動、位置和導航感應。

　　6df(六自由度)系列IMU測量目標的運動，並將數據傳送到設備的控制模塊中，使用行業標準的SAEJ1939通信協議。在兩個版本中，6DF-1N6-C2-HWL可以容忍振動和惡劣的環境，允許在惡劣的環境中進行最佳的性能，並有少量的精度降低。它的鋁外殼保護裝置免受石頭、灰塵、污垢和濕度的破壞，允許在惡劣的室外環境中使用。它也耐腐蝕，以減少對變質的易感性，這通常在鹽水環境中是有經驗的。

　　德州儀器DAC1280IPW(圖4)是一種適用於地震監測的低失真數字-模擬轉換器。它提供了一個高準確度的輸出信號從一個比特流輸入。該裝置在一個小的包中達到很高的線性度，而耗散僅為18mw。該設備與公司ADS1281和ADS1282 adc一起，創建了一個測試和測量系統，滿足了地震監測設備的嚴格要求。

　　德州儀器的圖像，DAC1280框圖。

　 　圖4:DAC1280框圖。

　　在地震監測系統三個增益控制針DAC1280IPW設置輸出範圍從0分貝在6 dB步驟-36分貝(±2.5±0.039 V微分)。衰減範圍與ADS1282的增益匹配，用於測試所有增益。DAC使用參考電壓和偏壓電阻來設置全尺寸輸出。電阻器可調整為微調DAC的全尺寸。同步針將輸入數據採樣校準到CLK階段。當不使用時，電源向下的針會關閉設備。DAC1280可用在一個小,16-pin TSSOP包和完全指定操作超過-40°C + 85°C的溫度範圍的最高工作溫度+ 125°C。

　　運動和熱觀測是用於火山監測和監測正在進行的火山活動的許多地面技術之一。例如，聖赫倫斯山內感測器網路的每個節點都配備了地震檢波器來探測地震，一個GPS接收器可以精確定位並測量小的地面變形和一個紅外感測器來探測火山爆發。這篇文章研究了一些非常適合用於火山監測的感測器，並討論了這些感測器是如何工作的。