利用传感器对活动火山进行监测

火山和火山活动让我们着迷。通过更加规律，传感器被用于收集和分析数据，从而可以创建准确的火山活动预测。例如，考虑一些最近的报纸头条新闻：“美国宇航局阿姆斯特朗领导团队测试火山灰对飞机发动机的影响，”和“海底传感器记录可能的水下火山爆发”，以及“用无线传感器网络监测火山爆发” “传感器具有足够的能力，可靠性，准确性，并且基于传感器融合提供的数据，足以应对如此大量的数据。

估计全世界大约有1,500个潜在活跃的火山 - 它们能够造成很大的破坏，即使它可能并不明显。根据美国地质调查局（USGS）的数据，在过去15年中，80多架商用飞机在飞行中和机场遇到了火山灰。这些遭遇中的七次导致飞机失去喷气发动机动力，几乎导致碰撞。

为了进一步调查这些事件背后的原因，自2011年以来，美国宇航局与第412空军试飞部，空军研究实验室，联邦航空管理局（FAA），波音研究所和波音研究所合作。技术，普惠和惠特尼，通用电气航空和劳斯莱斯Liberty Works通过实施车辆集成推进研究（VIPR）项目来测试和评估新的发动机健康管理技术。

传感器现在用于测试飞机可以处理的火山灰量。通过使用空军研究实验室提供的C-17和两台F117发动机，目前的测试阶段将将更多的Mount Mazama火山灰引入其中一个发动机，以评估健康监测传感器及其相关软件的运行情况可以检测并报告问题。根据负责挑战的VIPR项目的主要调查员，“我们正在研究能够在开始阶段识别飞机进入故障的技术，我们希望能够识别和诊断它们，以及它们如何将随着时间的推移而改变，“美国宇航局格伦研究中心的John Lekki和VIPR原理调查员说。 Lekki表示，调查小组将使用来自整个发动机的振动，排放和光纤温度传感器等多个传感器的数据来识别和诊断问题。

除了空气传播危险，海底传感器也是如此。记录水下火山的喷发和潜在的喷发。举例来说，华盛顿大学的深海天文台和俄勒冈州海岸火山喷发 1 。学生们全天候工作，帮助专业的深海机器人 2 更换传感器和平台进行年度维护，并帮助科学家和工程师检查其他仪器，包括高清摄像机

作为研究的一部分，地震活动是由八个地震仪记录的，这些地震仪在火山口周围和3000英尺的底部测量每秒200次的震动。海上山。测量包括火山口的高度，顶部水的压力，以及潮汐和波浪的影响的去除，以便准确地计算位置。

不仅可以在火山地震之前测量地震变化，还可以用它们来测量地震后海底景观的变化。现在，无线传感器网络也被用于检测地震，如图1所示。

图1：无线传感器网络可用于监测活火山上的地震数据。 （由哈佛大学提供，Matt Welsh和其他人提供的插图）

工作中的传感器

用于此类科学目的的传感器涵盖从运动跟踪到压力传感器，惯性测量单元的各个领域那些专门为地震监测而创建的人。以下是一些传感器，它们代表那些用于测量甚至预测强大的火山何时爆发的传感器。

运动跟踪在火山和地震测量应用中起着重要作用。例如，InvenSense MPU-9250是一个多芯片模块，由两个集成在单个QFN封装中的芯片组成。一个模具包含一个3轴陀螺仪和一个3轴加速度计。另一个模具包含来自Asahi Kasei Microdevices（AKM）Corporation的AK8963 3轴磁力计。总而言之，MPU-9250（图2）是一款9轴设备，包括支持高级运动处理的数字运动处理器（DMP）引擎; DMP从主处理器卸载运动处理算法的计算。 DMP从加速度计，陀螺仪，磁力计和其他第三方传感器获取数据，并处理数据。结果数据可以从DMP的寄存器中读取，也可以在FIFO中缓冲。 DMP可以访问MPU的一个外部引脚，可用于产生中断。

图2：MPU-9250框图。 （由InvenSense提供）

通常，InvenSense报告称，运动处理算法应以高速运行，通常在200 Hz左右，以便以低延迟提供准确的结果。即使应用程序以更低的速率更新，也需要这样做;例如，低功率用户界面可以像5 Hz一样缓慢更新，但运动处理仍应以200 Hz运行。 DMP可用作工具，以最大限度地降低功耗，简化时序，简化软件架构，并在主机处理器上节省宝贵的MIPS，以用于应用程序中的其他用途。

MPU直接提供完整的9轴MotionFusion输出。它设计用于在其辅助I 2 C端口上与多个非惯性数字传感器（如压力传感器）连接，并具有三个用于数字化的16位模数转换器（ADC）陀螺仪输出，三个用于数字化加速度计输出的16位ADC，以及三个用于数字化磁力计输出的16位ADC。对于快速和慢速运动的精确跟踪，该器件具有用户可编程陀螺仪，满量程范围为±250，±500，±1000和±2000°/秒（dps），用户可编程加速度计满量程范围为±2g，±4g，±8g和±16g，磁力计的满量程范围为±4800μT。

霍尼韦尔6-D Motion Variant 6DF-1N6-C2-HWL惯性测量单元（IMU）传感器（图3）设计用于从耐用的单个设备提供运动，位置和导航感应。使用MEMS技术，它可以感知三个垂直轴（波动，起伏，摇摆）和围绕三个垂直轴（滚动，俯仰，偏航）的旋转运动的平移运动。

图3：霍尼韦尔6DF IMU可从单个设备提供运动，位置和导航感应。 （霍尼韦尔提供）

6 DF（六自由度）系列IMU测量其所连接的目标的运动，并使用行业标准CAN SAEJ1939将数据传送到设备的控制模块通信协议。 6DF-1N6-C2-HWL有两种版本，可承受振动和恶劣环境，可在恶劣环境中实现最佳性能，同时精度降低很少。铝制外壳可保护设备免受因石块，灰尘，污垢和湿气造成的损坏，可在恶劣的室外环境中使用。它还具有耐腐蚀性，可最大限度地减少对恶化的敏感性，这在盐水环境中经常会发生。

德州仪器DAC1280IPW（图4）是一款低失真数模转换器，非常适合地震监测。它提供来自比特流输入的高精度输出信号。该器件在小型封装中实现了非常高的线性度，而功耗仅为18 mW。该器件与该公司的ADS1281和ADS1282 ADC一起，创建了一个测试和测量系统，可满足地震监测设备的严格要求。

图4：DAC1280框图。 （德州仪器公司提供）

在地震监测系统中，DAC1280IPW中的三个增益控制引脚将输出范围设置为从0 dB到-36 db（±2.5 V至±0.039 V差分）的6 dB步长。衰减范围与ADS1282的增益相匹配，可在所有增益下进行测试。 DAC使用参考电压和偏置电阻来设置满量程输出。可以调节电阻以精确调整DAC满量程。 SYNC引脚将输入数据采样与CLK相位对齐。断电引脚在不使用时会关闭设备。 DAC1280采用小型16引脚TSSOP封装，工作在-40°C至+ 85°C温度范围，最高工作温度为+ 125°C。

运动和热观测是用于火山监测和监测正在进行的火山活动的许多实地技术之一。例如，Mount St. Helens原位传感器网络的每个节点都配备了一个地震仪来检测地震，一个GPS接收器用于精确定位并测量小的地面变形，一个次声传感器用于探测火山爆发。本文研究了一些非常适合用于火山监测的传感器，并讨论了这些传感器如何投入使用。