Equipo [SMS: Sistema de Monitoreo Sísmico (Detección por haz láser)] Camila Alanis García , Diana Sophia Guerra García , Jocelyn Maite Sánchez Rivera
SMS es un dispositivo diseñado para detección de ondas sísmicas gracias a principios de óptica y electrónica. Utiliza una estructura de suspensión pendular la cual reacciona ante la aceleración de una plataforma de ensayo. La detección es por medio de un haz láser emitido desde el péndulo hacia una matriz de fotorresistencias (LDR). Se clasifica la magnitud del movimiento en tres niveles: leve, intermedio y severo, activando diodos leds según el rango de desplazamiento detectado. El circuito está conectado a un microcontrolador Arduino que a su vez manda la señal a un ordenador donde la señal se procesa en tiempo real. La plataforma de ensayos cuenta con un sistema de rodamiento. El sistema se puede desplazar en una dirección por un sistema de biela – manivela, permitiendo la simulación de aceleraciones en una dirección, facilitando la realización de pruebas para la detección de ondas sísmicas sin depender de factores externos.
SMS is a device designed to detect seismic waves based on principles of optics and electronics. The system uses a pendulum suspension structure that reacts to the acceleration of a test platform. Detection is achieved by means of a laser beam emitted from the pendulum toward an array of photoresistors (LDRs). The magnitude of the movement is classified into three levels: mild, intermediate, and severe, activating LED diodes according to the detected displacement range. The circuit is connected to an Arduino microcontroller, which in turn sends the signal to a computer where the signal is processed in real time. The test platform features a bearing system. The system can move in one direction through a crank-connecting rod mechanism, enabling the simulation of accelerations in a single direction, thus facilitating tests for seismic wave detection without relying on external factors.
Ni tepostli kinehnehuilia olinilis ika se láser huan sensors. Kixelohua eyi tlamantli: pitsactsin, tlahko huan chicahuac. Nochi machiyotl yohui ipan se Arduino huan computadora. Ika se biela-manivela, ni plataforma moolinia sekan pampa ma moitá kenijkatsa kamanamanaka tlalli maske amo tleno pano tlatempa.
Los terremotos son fenómenos geológicos naturales producidos por un movimiento rápido y repentino de un gran volumen de roca. La sacudida y destrucción causada por los terremotos (figura 1) son consecuencia de la ruptura y deslizamiento a lo largo de fracturas de la corteza terrestre denominadas fallas. El origen de un terremoto se produce a profundidades entre 5 y 700 km, en el hipocentro. El punto de la superficie que se encuentra directamente encima del foco se denomina epicentro. Durante los terremotos, se libera energía en forma de ondas sísmicas, una forma de energía elástica que provoca vibraciones en el material que las transmite.
Figura 1. Hotel Regis tras el sismo del 19 de septiembre de 1985 en la Ciudad de México. De “Archivo Marco Antonio Cruz” por Marco Antonio Cruz, septiembre de 1985, Ciudad de México [1].
Láser (figura 2): por su acrónimo en inglés “light amplification by stimulated emission of radiation”, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación, es una fuente luminosa que produce un haz de luz altamente coherente y muy aproximadamente monocromática, debido a una emisión de muchos átomos en conjunto.
Figura 2. Láser tipo puntero.
Diodo (figura 3): válvula de vacío que contiene dos elementos: un cátodo y una placa o ánodo. El metal que constituye el cátodo se calienta y emite electrones. Los electrones forman una niebla que rodea el cátodo. Los electrones tienen carga eléctrica negativa; si la placa está cargada positivamente, atrae los electrones provenientes del cátodo.
Figura 3. Diodo led. La terminal más larga corresponde al ánodo, la más corta al cátodo.
Transistor (figura 4): aparato que cumple casi todas las funciones de una válvula de vacío convencional. Se utilizan para amplificar señales eléctricas y controlar su camino. Se crearon para explorar el comportamiento de los electrones en sólidos. La transitividad tiene lugar a través del cuerpo del semiconductor, y no simplemente a lo largo de su superficie.
Figura 4. Transistor BC547.
Celda Fotoconductora (figura 5): basa su funcionamiento en que la resistencia eléctrica de determinadas sustancias varía de acuerdo con la intensidad de la luz que recibe. Están compuestas por sulfuro de cadmio o seleniuro de cadmio. Este tipo de célula sirve para espectroscopía de alta velocidad y en la detección de la radiación infrarroja.
Figura 5. Fotorresistencia (LDR)
Resistencia (figura 6): oposición considerable al flujo de corriente. Todo material ofrece alguna oposición al flujo de corriente, ya sea grande o pequeña, y a está oposición se le llama resistencia.
Figura 6. Resistencia de 1k ohm.
Arduino (figura 7): plataforma para diseñar prototipos electrónicos de hardware libre y de placa única, con un microcontrolador Atmel AVR, programable básicamente en C/C++. Tiene como objetivo crear herramientas accesibles, de bajo costo y fáciles de usar por principiantes. Se puede conectar a un ordenador vía USB.
Figura 7. Microcontrolador Arduino nano.
México es uno de los países con más actividad sísmica a nivel mundial. Por eso, la posibilidad de hacer frente a los movimientos sísmicos es una necesidad básica. SMS se encarga de proveer la necesidad de desarrollar sistemas de bajo costo que permitan la detección temprana de actividad sísmica e instrumentos de rechazo de vibraciones estructurales. Utilizando tecnología accesible, se pueden proporcionar instrumentos de prevención de desastres para ser utilizados en escuelas, casas de familias vulnerables.
El acceso a los equipos de detención sísmica queda restringido a las entidades de investigación e instituciones gubernamentales. Es decir, es necesario desarrollar dispositivos de costo reducido, y con hardware libre para centros educativos de forma que, no sólo se puedan estudiar los fenómenos, sino que sean una alternativa para el procesamiento de los datos digitales en tiempo real.
Al incidir un haz láser proyectado desde un péndulo hacia una fotorresistencia se detectarán los desplazamientos axiales generados por una mesa de ensayo que simula pulsos de varios tipos de ondas sísmicas, asociado a un divisor de tensión y un microcontrolador Arduino permitirá identificar las variaciones de voltaje producto de la oscilación, de forma que se activan alertas visuales y el procesamiento de los datos digitales en tiempo real.
Diseñar e implementar un prototipo de Sistema de Monitoreo Sísmico (SMS) asociado a una plataforma de movimiento axial, para detectar, visualizar y registrar eventos sísmicos asociados a la implementación de sistemas electromecánicos y Circuitos Electrónicos de estado sólido.
El primer dispositivo de monitoreo sísmico con evidencia es del año 132 d. C. y creado por Zhang Heng, el cual empleaba un péndulo de inercia que indicaba la dirección de un temblor de tierra.
Sistemas Mecánicos y Analógicos
En sus primeras etapas para la detección se utilizaron péndulos de gran masa acoplados a plumillas registradoras que llevaban a cabo el registro del movimiento sobre tambores de papel que giraban. Si bien eran factibles, no trataban datos en tiempo real y requerían un mantenimiento intensivo.
Sensores Electrónicos Modernos
Los acelerómetros de sistemas microelectromecánicos son los sensores electrónicos que en la actualidad se emplean. Estos sensores miden la aceleración a lo largo de tres ejes. Son precisos, pero su utilización requiere un alto conocimiento de programación además de señales digitales para eliminar el ruido electrónico.
Dispositivos de Detección Óptica
El uso de los principios ópticos para eliminar la fricción mecánica ha sido documentado por diversos autores como Wielandt (2012). Sin embargo, los equipos existentes tienen diseños relativamente complejos y costosos. El proyecto SMS se sitúa en este nivel, lo que realmente lo caracteriza es que simplifica la arquitectura mediante la utilización de una matriz de fotorresistencias (LDR) y un circuito de estado sólido utilizando transistores BC547.
Diseño y Determinación Mecánica
Cálculo de la Transmisión: Se desarrollo un mecanismo formado por un sistema biela-manivela (figura 8) que permite transformar el movimiento de rotación de un motor eléctrico de alimentación de 9V de corriente continua en movimiento de desplazamiento lineal. Se implementó una manivela con un radio de 1.5cm que hace un desplazamiento lineal de 3cm usando la fórmula C = 2r, donde C = Distancia recorrida lineal y r = radio de la manivela.
Figura 8. Transmisión del motor al sistema biela – manivela.
Cálculo de la longitud del Péndulo (figura 9): Se consideró una longitud del hilo que respondiera de forma rápida a cambios de dirección en la mesa vibratoria sin generar el efecto “latigazo” que pueda desajustar el láser.
Figura 9. Sistema de suspensión pendular y localización del emisor de haz láser.
Construcción del Soporte: La estructura se construyó en madera. Se implementó el rodamiento mediante ruedas para reducir la fricción a la hora de transferir la energía del mecanismo biela-manivela (figura 10).
Figura 10. Rodamiento mediante ruedas conectado al sistema biela – manivela.
Sistema de Detección:
Emisor de señal: Se usó un láser que se incorporó en la base del péndulo (ver figura 9). Para la colocación se usó un nivel de burbuja con el objetivo de que, en reposo, el haz del láser incida exactamente en el centro del circuito receptor.
Circuito de estado sólido (figura 11): Elegimos transistor como interruptor. Cada fotorresistencia (LDR) se conecta a la base de un transistor BC547. Cuando el láser incide sobre la LDR, su resistencia baja drásticamente lo que permite el paso de corriente a la base del transistor. El transistor se satura y permite el paso de corriente que enciende – apaga el led de visualización.
Figura 11. Diseño del circuito electrónico para la detección del haz láser.
Control lógico y tratamiento de la información: La matriz está conectada a una placa microcontroladora Arduino que se programó utilizando el IDE de Arduino. El microcontrolador recibe información de la matriz mediante interrupciones o mediante escaneo de alta velocidad. El sistema lee el estado de los pines en el estado encendido/apagado de los leds.
Clasificación de Eventos:
Figura 12. Microcontrolador y circuito. Los leds visualizan la intensidad del sismo.
El sistema biela-manivela con 3 cm de carrera lineal genera una oscilación armónica con trayectoria estable que permite barrer completamente la matriz con el haz del lazo láser manteniendo la alineación. El uso de transistores BC547 permite transformar la variación analógica de las LDR en señales digitales muy claras y bien delimitadas. Esto permitió eliminar los “falsos positivos” por la presencia de luz ambiente. El sistema logró activar correctamente los indicadores visuales LEDs de acuerdo con el desplazamiento en leve, moderado y severo.
Figura 13. Modelo funcional vista 1.
Figura 14. Modelo funcional vista 2.
Figura 15. Modelo funcional. Protoboard, láser incidente y circuito de estado solido.
Se diseño e implemento un prototipo de Sistema de Monitoreo Sísmico para detecta, visualizar y registrar eventos sísmicos. Se construyo un circuito de estado sólido analógico de detección laser utilizando un transistor BC547 y una fotorresistencia. Se implemento un algoritmo en Arduino IDE para convertir las señales detectadas en datos digitales. Se construyo una plataforma de ensayo con desplazamiento en una dirección controlado, la cual simulo patrones de ondas sísmicas. Se evaluó y determino una correcta eficacia como sensor frente a diferentes intensidades de movimiento generadas por la plataforma de ensayo.
[1] Cruz, M. A. (1985). Hotel Regis tras el sismo de 1985 [Fotografía]. Archivo Marco Antonio Cruz.
[2] Ciencias de la Tierra. Una introducción a la geología física, Décima edición Edward J. Tarbuck, Frederick K. Lutgens, Dennis Tasa
[3] Enciclopedia de las ciencias: Vol. 9. Ciencias humanas II, tecnología I. (1981). Editorial Cumbre.
[4] Van Valkenburgh, Nooger & Neville, Inc. (Ed. rev.). (1983). Electricidad básica 1. CECSA.
[5] Udías, A. (2021). Historia de la sismología. Editorial Universidad de Sevilla / Editorial Universidad de Cantabria.
[6] Walker, B. (2012). Earthquake: The History of Seismology. Cambridge University Press.
[7]Havskov, J., & Alguacil, G. (2016). Instrumentation in Earthquake Seismology. Springer Nature.
[8] Blum, J. (2013). Exploring Arduino (1a ed.). Wiley.
[9] M.N. Rudden. Measurement of wavelenght using a metal grating. School of Physics of Newcastle, 78-80.
