Developing cost-effective data acquisition systems by using mems accelerometers and geophone sensors

Abstract

Son yıllarda yapı sağlığı izleme sistemleri ve deprem gözlemlerinde pratik ve etkili çözümlerin kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Bunun nedeni, teknolojideki ilerlemelerle mümkün olan uygun maliyetli ve kurulumu kolay cihazların sayılarının giderek artmasıdır. Bu çalışmanın amacı, Deprem Mühendisliği uygulamalarında kullanılabilecek, yapısal titreşimleri ve yer hareketlerini kaydedebilecek, uygun maliyetli, açık kaynaklı veri toplama cihazı geliştirmektir. Yapısal titreşimler ve kuvvetli yer hareketleri gibi farklı uygulamalar için ölçüm yapabilmek için geniş bir dinamik aralık gereklidir. Bu nedenle, 20-bit ve 24-bit sayısallaştırıcıya sahip MEMS ivmeölçer sensörü ve jeofon sensörü kullanılarak Raspberry Pi 4 minibilgisayar üzerinde çalışan iki farklı cihaz geliştirilmiştir. Cihazlar internet erişimine sahiptir, böylece NTP sunucusundan zamanlarını senkronize edebilir ve depolanan MiniSEED dosyalarını veritabanlarına gönderebilirler. Genişbant GURALP 5TDE ivmeölçeri referans sensör olarak kullanılarak cihazların offset, frekans tepkisi ve gürültü testleri gerçekleştirilmiştir. Üç farklı yapı üzerinden zorlanmış titreşim ve ortam titreşim testleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler ile yapıların modal parametreleri geliştirilen açık kaynaklı yazılım ile analiz edilmiştir. Guralp referans sensörü ile karşılaştırıldığında yapıların hesaplanan modal frekansları maksimum %1, tepe ivme değerleri %7 farklılık göstermektedir.

In recent years, the use of practical and effective solutions has become more widespread in earthquake observation and structural health monitoring systems. This is due to the increasing availability of cost-effective and easy-to-install devices, which became possible with advances in technology. The aim of this study is to develop a cost-effective, standalone, open-source data acquisition device that is capable of measuring structural vibrations and ground motions which can be used in Earthquake Engineering applications. In order to conduct measurements for different applications such as structural vibrations and strong ground motions, a high dynamic range is required. Therefore, two different devices are developed by using a MEMS accelerometer sensor with 20-bit and geophone sensor with 24-bit digitizers running on a Raspberry Pi 4 single-board minicomputer. Devices have internet access thus they can synchronize their time from an NTP server and send stored MiniSEED files to databases. The devices are evaluated by offset, frequency response and noise tests with broadband GURALP 5TDE strong motion accelerometer as a reference device. Forced and ambient vibration tests are performed on three residential buildings. Modal parameters of the buildings subjected to ground motions and ambient vibrations are analyzed by a developed open-source software. In comparison to the Guralp reference sensor, the computed modal frequencies of buildings show a maximum difference of 1%, whereas the peak acceleration values deviate 7%.