24
Paroscientific Poster Presentation EarthScope 2007 National Meeting Paroscientific, Inc. 4500 148th Ave. N.E. Redmond, WA 98052 http://www.paroscientific.com Tel: (425) 883-8700 Fax: (425) 867-5407 E-Mail:[email protected]

Paroscientific Poster Presentation EarthScope 2007 ... - CONTINUED/EarthScope 2007 Poster... · response curve. In the QSMS design, the effective springs are the crystals, which are

  • Upload
    lamdieu

  • View
    218

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Paroscientific Poster Presentation EarthScope 2007 National Meeting

Paroscientific, Inc. 4500 148th Ave. N.E. Redmond, WA 98052 http://www.paroscientific.com

Tel: (425) 883-8700 Fax: (425) 867-5407

E-Mail:[email protected]

Mitigating Seismic Noise Caused by Atmospheric Pressure Changes With Collocated, High-resolution, Broadband Barometers

Local atmospheric pressure fluctuations are significant sources of noise in seismic data. Pressure changes associated with common atmospheric phenomena such as frontal passages, jet-stream passages, boundary-layer convection, and gravity waves can deform the ground that surrounds a seismometer to cause significant horizontal tilt noise. Other atmospheric influences include the gravitational effects of a variable weight of the column of air above the seismometer, vertical ground deformations, and possible buoyancy effects. The reconstruction and elimination, in real time or post facto, of these atmospheric effects requires the monitoring of local pressure changes with collocated high-resolution, broadband barometers. The pressure-induced noise can be deterministically removed from the seismometer, strainmeter, and tiltmeter data to substantially increase the overall performance of an entire sensor network such as EARTHSCOPE. High-resolution barometers can also improve the analysis of the Earth’s free oscillations by measuring and correcting for atmospheric effects. The enhanced instrumentation can also provide multi-use, cross-disciplinary benefits for the atmospheric sciences community including Infrasound Studies, GPS-Meteorology, Airport Applications, and Hazardous Material Detection. We present and describe a state-of-the-art, high-resolution, broadband barometer and wind-insensitive pressure port that are well suited for the mitigation of seismic noise caused by pressure changes as well as atmospheric applications.

Table of Contents Chart Number

Mitigation of Pressure-induced Seismic Noise 1 Summary from W. Zurn and E. Wielandt, “On the minimum of vertical seismic noise near 3 mHz” 2 Abstract from Holger Steffen, “The importance of instrument location on barometric pressure-induced noise”

and Abstract from H. Steffen, S. Kuhlmannb, T. Jahrc, & C. Kronerc, “Numerical modelling of the barometric pressure-induced noise in horizontal components for the observatories Moxa and Schiltach”

Free Oscillations of the Earth 3 Summary from K. Nishida, Y. Fukao, S. Watada, N. Kobayashi, M. Tahira, N. Suda & K. Nawa, “ Array

observation of background atmospheric waves in the seismic band from 1 mHz to 0.5 Hz” Atmospheric Applications for Broadband Barometers

4 Abstract from Eric Calais & J. Bernard Minster, “GPS, earthquakes, the ionosphere, and the Space Shuttle” 5 Hazardous Material Detection & Airport Applications 6 GPS Meteorology & Infrasonic Applications

Resonant Quartz Sensor 7 Construction & Operation 8 Barometer Performance 9 High Performance Pressure Port

Quartz Strong Motion Sensor 10 QSMS Design and Performance

AtmoScope 11 Interdisciplinary Research Using Broadband Barometers Collocated with EarthScope Seismometers

��������������� ������������������

��������������������������������������������

����������������� ���

����������� ��������������������������������������������������������� ��!"###�$�%��&�����'(����"(���)�*���+,��-�.�+���"������+/� 0���������&�'�.������������������&�����������1,���������2 #�2#3�����������'(����"(���)�*����/�-��.�����+���"��������+/�����������������

������

���� ��������������������� �������������������� ���������������������� ��������������������������������������������!"�������##������������������������������ ��������� �������������������$���������%������������������������������������������� ����������&����� �������������������������������������������'��� ��������� ��������������������������������������$�������� ����������������&��� ����������������������� ��������������������

(�������������� ��������� ������������� ����� ���������)���������������#���������*�����#��#�������������������� ������������������� ����������������������&������������%����������������������������������������� � ���������������������������� ��������������������� ����������&������������ �������������� ���������������������������������+�������������� �����������������#�������)�������������������*��,�����#��������� ���������������������������&���������������������������� �)-� �� ���������*����������������������������� � ����&�������������+�������� ������������������������������������������������%����������������

'���������������� ������������������# ������������$������������������������ ������ ����������������������������������������������������� ������ ����������������������$�������.����������������������������� �� ���������#��������������������"���� �������������������#����� ������������������ ����������� �����%��� ��������� �/��������������������#�������#��������������������� �������������� ������������ ��������� �����+���%���������������������������������������� � ����&��������������#������������������������������&������'��� ������� ������������ ��������������������������������#����� ����&��������������������� ��&�����������&������� ���������������#�����������������-��#������������������������������������������������������������������������������������"���� ���� ���������������������� � ����&��������������#����������-� �� ������������ ������������������������������'����������"���� ������������� �������������������� ������������� ������������%������������������������������ ������������������������� ����������������$���������������������������##���������������������� �������� ��������������������������������������������0������������� ��#������������������������������� ������������������� ��������"���� ���������������������� ������ ��#�������������������� ��������������%������������������� ����#����������� ������������������� ��#�����������������������������������&� ���� ���&� ����������� ���������������.�������� ����#������ ������������������ ����� �&� ����� �� ��� $��������� �� ����#� ���� ������ ��� �� ��� ������������ ���������� ��� ���� ��#� ������ �������� ���

����1��������� ����)���2*3������������������������ �����������������������!"4��������� ������� �.����������� �5�6�)�*���728�96���:5��5555;0�5��9/�7�<��������56=�&

���������� ��������������� �������������� ������������ ��������������������� ����������������������������������������������������������������������� ��������!����"��#

���� ����"�����$����������%���%���������������%����&���%&��%�����"�"�����������"�������%���"��������������'��"�(�����"������������������#)���'��%��������%������'��*��'+��������������������%�$��$�������*,���'�������"������'������-�������.&���,���#�/��.0���������%������%�$'������"������"��������&�'��%�����������-�%�����������������%��1����,�������'��$'#�������������"��'����"�����$����������%���%�������2�''��'��$�����������*��"���"�%�����'����.���"$'���)����'��������$���������'���������'��'���)�������"$��������%�������������������%���,��������������$�������%�������'����3'����������'�2��������"$������������������$���4��2�'�����%�����������"����%��'���������'��%���������'��"������%���"$�������*��'���"$����������������%�%������#��2'��'�"�-�����%��������%���"����'��&�������������$������ ���%%��������"�������������&������"�%���%�������������������������������&��%��2��

��������3'���"$��������������"��������������&���"���5�$����������%���%������������������������������ 4���4�������6�

����� ������������������������� ������������ �������������������� ������������������������������������ ���� �

������������7�'�"���&��3��8�'����9��7�������� �����������$'#������������:��������,����#����������4���;�������������"��#&�<��&��)� ���������:$$���%��������������4�6;;������,�������"��#�� �������������������������%���'���'���������,����#�8��������� �8��������"��#

����

����"�����$����������%���%���������������%����&���%&��%�����"�"��������������'��"�(�����"������������������#�����'��%�������%#�'��*��'+��������������)�������"$������������"�"�������%�����������"���������������#�����%����%�������%���#�'��"����$'#�������������"��'����"���%���%�,���$������&�����%������"�'�%������������%�������'���&���,���������5��/�.=0���%���'����'�/��.0�����"��#������'���$��$����'����%�"���������������*��"���/�*0�"�%������&�'��&���,���������%�'����,�����#�'�,��&����%�,���$�%�� ��'����"$�����������������'�����#�������%��%�'��"�%��������"�%���%�2�'������%��������������������������������#��$$�#����#$������"��$'�����$�����������������%�"��������������&�%����%�� �����&���'�2��'���������������$��%���������������������'�������"���+�������,��������%�$'�������"����������,�#�����������'�,����������������������'�������"���+�������3'����������&����%�������������#�������%������"���2�'�'���&���,�%�%�����"$��,��'����%�����%������&���,�%�$'���"���������%���&���"�����$�����������%���������"$�����$����>���������'��%�,���$"����������&�������������������'"����&���"�����$����������%���%����������'���)�������"$������

?�&�������@�8������������%#��"�����,�������������4�A�?*9 :<� ���*B��$�������;���?�&�����������@����!���6�.�����@�*���,���

�������������� ������������ ������������������ ������������� ����������������������

�������������� ��������������������������������� �����������������������

� ����������� ������� ������������ �������������������������������������������� !�������"���� ��������� ��������������!�#���������$��%$$����������&���������� ��������������������'��� �(����#���������)������&������**%�%$*$��������*+�������"����!����"������'��� ��,������� �����'�#� ���'��� ��,���������$+�!�#���!�"���������������&�"���� ��-���������.������/������!�0�1��2��1��)���#�(���������3/���,��+���0�1�2��1�������������

�������

������ ��� !�����������"���"�#�� ���!��#$%������"� ���"�� ��������������%���������� ���������&"�������"�����!��������������� �"����'����"�#�� ���'������"�!!�������'�������!���(�����������!!����"����������'���������������)*$��$����� �� �������'���������"����!�+���� ������������,-���"��������������%!����#�. ��/�"����!������������"���!�#����������������%"��#��'��� ��0**��������!�����)$��"����� � ���%!��#���"��������������%������'����,**,���"�����,**1��� ���������������)$2�'��. ��"�$�� �� ������%�"������,$2�'��. ��"�3�!�������%�"����������"���������������'�� ����������������"�����'����)��+/����*�0�+/�������� �����������%�������" � ����'�������� ���������

�� �%������'����"����"����������%!���� ��������� ���������"�������4)5��"�#�� ���������!�#� ����� ����� �!!��#'����������������'��. ��"����'����)����0��+/�������%��� �!�"�����'��� ��0*��6��4,5��"�#�� ���"� ���"�� ����� �!��#'����������������'��. ��"����'����*�*)����*�)�+/�������'��. ��"�$��%�������%���� �!�"�����'��� ��7**��6����*�)�+/������ �-**��6����*�*)�+/����415���"���������� �!!��#�'������ �������'��. ��"����'����*�)����*�0�+/�������%���� �!�"�����'��� �10*��6��

������!�#� ����� ���4)5���������� �������������"��%������'�����%����"�� �� !��"�����������!� ���'��. ��"����#���8���#����'��. ��"��������������"��%�����������"��������!��#��������������0**���������������9"�#�� ���"� ���"�� ��4,5������"!����� !� �������������&�������������������� ! ������������������"������/�� ����� ##����������%�����!�����#��������� �������#��������"��������415���

�����!���!���������&"��������������#��"���� ������������"���!���#����������%������%�"����'�������"� ���"�� ��������"��%����������������"��%�"���������������������� �� �������'��������������%�"��!���%������� � !!������!�����"��#��"�����!������� ���!��������"��������������"���#�����������"�������������"���������� ��������"���������#����

: �!�"����;�<��%����"!�=� ��!�����������!�>�! ���)?,���� ��7@�%%��-,7$-7*��: �!�"�����2��;�*A6,**0����#��;�<=��8����"��B�%���#��;4"5�,**0�C8�

��� ���!!���� ��������"����

������������� ���������������������������

�������������������������������������������������� ������ �������������������

���������������� �������������������������������

�������

������������������ ����������������� �������������������������� ���������������������������������� ��������������������� ���������������� ����������������������� ��������������������� �������������������� ���������������������������� ����������������������������������������������������������� �������������������������������� ������������������ �����������������������������������������!�������"������������������ ����������������������������������� ������������������� ������� �����#������������������������������ ��������������� �������������������������� ����� ������������������������$�����%&��%''(����)�&��*��������������������������+,-�� ����������������#������������������������ ���������������������� ��������������������������������������./�������� ���������������%/������� ���������������� �������������������+��������� �������������%,������� ���������������������������������������������������+��������������������� ������������������������������� �� ������������������������������������������������������� �� ��������������0��������� ����������������%1/���������������������

���������2� ������������!������ �������#����������3������%/,��#�����.+(�� ��%)&+%-%�� ����������4��2�/%5%''-

67������������ ����������������������+��������������������� ���������������������������������� �������������������������������������������������������������������������� ���������������������8��������������������������������������������������������������� ���������������������������������������������������������������9.//����(//���:���;��������������������������������������������������������������������� ���������������� �����������������.���������<

!������ �����"�� ������������#������$��������������������������� �������"��������������$���"��������#�%

!����"�����8�������� ��������4� ������!���=�8���� ������������� ������>���������

������������� ���������������������������

������������� �� ����������������������� ��������� �������������� ������������ �� ��������� �� ��������

������������������������������� ���������������������������������������������������������������

���������������� � ������� �������� ������

��������������������������������� � ������ ���� ��� ��!�� �������

"��#����������������������������������������� ���� ������������

$ ��% �������$�&�"��������������� ���������� ���������������������� ��� ��%������� ������������

"�������������"���������� �������������������������� ������� ����������� ������ ����������� �������� ����

'("���&����� ������������������������������� ��)* ���� ������� ������������������������������ ��� ���� � ��������� � � ������ � ����������������

��� ������� � � ����������� ��������� �����������������������������������*�������)��� ���#��������������� ����� ������������� ���������� �������� � ������������������ �� ����������� � ��� � ��� �������� �� ������ +�� ��� ���� � ��� ���������� ������,������� ���� ������������������ �� ����������� ������� �� ����������������������������� ������������� ��� ������ ���+�� �� ���������������������� �,� �������� ��������������� ������������� ��� ���������� � �������� ��� ���������������%������������ ������������������� ���������������

�������������

����������� �������� ��������������������� ����������������� ���������������������������������������������������������� �� ������������ ������������������ ������������ �������������������������������������������������������������������� �������������������������� � ������������������ �������������� �������� ������������ ������ ������ ������������������������� ����������������������������������� �!������ ������ �"����� ������������������ �������������������������������#���������� ������� �����������������������������������������������������$��������������������� ������ �����%� ����������� �� �����������������������������������������������������������&��������������������� ������������������ �������������� ������������������ ������������������������� ������������������������ ���� ������!��"������!#$%�����&�!����� �'(�)*#*#'����+��&&&� �����������������������������������������

��������������������

���������������������������������������������� �������������������������������������������������

'������ ����� ������������� ���������������������� ������������������������������������������������� ����(�)���������������� ��� ���������������*�� �������� ���� �� ����������������������� ��������������������������+����������� ����� ���������������(�)���������� ���������������������&��������������� ��������������������������������������� ��� � ���& ������ & � ���& ����& �������� ���� ����� ���� ��� ���� ����& � �� � ����� ��� ��� ��� ������

,���������&'�����-� ��./��/+000�123)����������&����45*�5��

6���������������������������������������� � ���� ����������������������������7�������������������� ����������������� ���� �����������������&����������������� ���������������&��������������� �������� �������������������8����&��������������������������� ��������� �� �������������� ��� � ������

(�)��� ������������������� ���������������������������������������� ������������������������������������ ��������������������������� ���������������������������������+������������������� �6����9�����+�69 ���:��� ���(�)*���� �� ������������� ������������������������������ ����������0����7�������������������������������������� �����������

������������������� ��������������������������������������������������������������(�)��� ����1�;1/ �������� *����(�)������������������������� �������� ���������������������������������������������������(�)���������

����������������������������� ��&�������� �� ��&�������������������������������������� ��������������������������� �� ���������������������<������������ ��<���������������<���<�������������<���<�� ������������������������������ ����������������������������������� ���������������������������������������������������������� �� ������+������������������� �6����9�����+�69 ������� �� �������������� ��������� ���

�������������� �������������������������������

�������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������������� ���������������������������������������������������������������������

��������!�������������������������������������������������������� ���������������"����������������������������������"��������������������������#�� ��������"����������������������������������������������������!�������������$���"����������$����%��������������������������������������������������������������"����������������������������������������������������������!�������������

&������ ���%�����'�������$� ������� ��� ���� ���$� ���'�����������������������������������������(�����')������������*��!�����������"������������������������� ����������������+������������������������������������ �������������������������������������������������#�����������������$���!�������������������$�����������������������������,�����������"����������������������"�������������������������������������������������������������� �����������'������$��������������������������"����������������������������������������������-��������������������������������� �����������������������������������������������"����������������������

����������������������������������"���� �����������'�'������������������������������������������������������"�������������������������������������������������������������������������������������������������������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������"��������"��������������������������������!��������������������������

��� ����������� ������ ��������� �� �������� �������������%��� �����#������ ���������� ���� ������������ ���� ������� �� ��%������� ���������� ���� ��������� ��������� ���������������� ������ &����� �������������������������������������� ����� ��� ������������$� ���� ���� ��� !��� �����������������������!�������������������� ��� �����������������

.������������ �������������������������������������������������������������$��������������������%�������������������������������������������/0�����������������������������������������"�������������������������"�������������������������������+/1����23��������������������������������"������������������������������������"������11���������������������������������� ��� ����+� ��$� "�� ������ ��� ��� ��������� ������

�������� ����� ����������� �����

�������������������

������������������� ��������������

��������� ������ ������������������������������������������������ ������ ���������������������������������������������������� ������������

�������������������������������������������������� �������� �� ������ �� ������ ����� ��� �� ������������������������������������������������������� ���� ������� ������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������ ������� ��� ����� ���������� ���������� ����������������������������������������������������� ������������������ ������������������� �!�������������������� ������ ������� �� ��������������������������� ��������

"���������������������������������������������#���������������������������$��������������������� ������� �������������������� �������������������������������������������������������� ��� � ����� ���� ��� �#������ ���� ������� �� �������������������������

������� ������������������������������������������ ���������������������������������� ������������������������������������������������������� ��� ������� �� �������� ��� ������������ ���������������������������������� ������������������������ ���������� ��������������� ��������� �������������������������%�������������������������&��������� ���������������������&������� ������'()�&$�*����� ������ ����� ������ ���� ������ ������� �������������#� �����&)�� ���������������������������

"����+����������,�����

������������� ������������

����

����

����

����� ����� ����� ����� ����� ���� ����! ����" ����# ����$

�������������%����&���������'���������%�&

������������������ �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ��������������������������������������������������������������� !���������������� ����������������

������������� �������

� � � � � � � � � � � � � � � � �� � � � � � � � � � � � � " � � �# ! � � � $ # � � � � % � � � � � � & � ' �( � � � � � � � )% � � * � � ! � � + , %�� � - � . # ! / � � � 0 1 � 2 � �� � � � � - � � � � � � 3 � � � � � � � � � � � � � �) � � � � � � - � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��������������������� �������

������

��������4��.56%/

,���������������$�����

7��������

��������4��.+)/

�(�������8����9������,���

: "�����������������������

: %������������������������������������

: ��������������������������������

: 6�������������������������������������

: "��������������������������� ����

: ';��������<����������������

Quartz Strong Motion Sensor (QSMS): Design and Performance Dr. Theo Schaad, VP-Director of Research Quartz Sensors, Inc. (QSI), Redmond, WA 29 January 2007 Abstract Quartz Sensors, Inc. has developed a small, low-power, and inherently digital triaxial strong motion sensor for seismic applications. At a full scale of ±3 g’s, sensitivities of 14 nano-g’s have been measured, equivalent to a dynamic range of 166 dB. Development of the Quartz Strong Motion Sensor The fundamental principle of a new type of triaxial accelerometer was first disclosed in US Patent 6,826,960 (Schaad, Paros – Triaxial Acceleration Sensor, issued Dec. 7, 2004). In one of the preferred embodiments, the device consists of a single inertial mass that is held by 6 crystals in a statically determinate structure. Each crystal is a vibrating double-ended quartz tuning fork whose frequency of oscillation is a measure of the acceleration-induced force applied by the inertial mass. The 6 crystals are arranged in essentially orthogonal directions, such that there are two sets of outputs available. Each set gives the three coordinates of the acceleration vector. In the presence of earth’s gravity, the resultant vector provides the magnitude and direction of earth’s g field. One set of vector components suffices for such a measurement, with the second set available for redundancy, added precision, or rejection of certain common-mode errors. This report describes new development work to optimize the design of previous triaxial accelerometer designs having much higher full-scale ranges for seismic applications. The natural full scale for such a device would be ±1 g (10 m/s2). To demonstrate performance, materials and parts were chosen that were readily available, resulting in a ±3 g device. It should be understood that the results of the feasibility tests show the general capabilities of the device and that further improvements are possible. One of the most important characteristics of the new device is high resolution—i.e. sensitivity to small seismic disturbances, or equivalently, high dynamic range as related to full scale. Current strong motion sensors are generally limited to a dynamic range of less than 140 dB. However, the inherent capabilities of vibrating quartz sensors are generally in excess of 160 dB. At a full scale of ±1 g, this allows for measurements at the 10 nano-g level without clipping at strong motion levels. An important parameter in the design of accelerometers is the resonance pole of the suspended inertial mass with the mechanism (e.g., supporting springs, flexures, or equivalent electrical springs in feedback systems). In conventional designs, the springs are relatively soft to make the device sensitive to long-period motion. This can lead to a resonance pole close to the measurement bandwidth making it difficult to establish a flat response curve. In the QSMS design, the effective springs are the crystals, which are very stiff in the sensitive direction. Indeed, total full-scale movement is only a few microns. The resonance pole of the 3 g device is at 700 Hz and the response curve is completely flat in the bandwidth of interest. The device is an open-loop device without magnets, force coils and feedback circuits.

General Design Considerations

Fig. 1: Diagonal cross-section of the strong-motion accelerometer QSMS1 The overall size of the device is shown in Fig. 1. The proof mass is supported from a frame that also holds mechanical stops to protect the device from overload. This particular sensor (QSMS1) is housed in a cylindrical can with an outer diameter of 1.4 inches and a length of 1.7 inches. The interior is evacuated, which not only protects the vibrating quartz crystals from contamination, but also makes the proof mass insensitive to buoyancy effects and atmospheric influences. There are three hermetic feed-throughs per end-cap that each hold two wires leading to the crystals, which are driven Piezo-electrically by an oscillator circuit on the outside of the evacuation chamber. Temperature probes, again based on quartz crystals that change frequency with temperature, are attached to the end-caps. Two electronics boards with four oscillators each are attached at either end of the device, capable of independently providing the outputs of one of the two g-vectors, together with a measurement of the sensor temperature. The input voltage per board is nominal 5 V with a current of 6 mA. Feasibility of even less power consumption at 3 mW per board has been shown, but was not implemented on this first device. Each board has four signal output wires with ground each providing an amplified 4 V square-wave of the crystal frequencies. Care was taken to power the device equally from both sides to avoid temperature gradients. Also, the entire device was placed in an aluminum block of dimension 2.25 x 2.5 x 3.5 (inches) to add electrical shielding, thermal mass, and to ensure uniform temperature.

Calibration Analogous to vibrating strings, that vary their pitch (frequency) quadratically with applied tension, the quartz crystals change their frequency (or, inversely, the period) quadratically with applied load from gravity. A modeling equation of the form a = C x * (1 – D x) with x = (1 – T0

2/T2) describes the relationship very well, wherein a is the single-axis acceleration output, C is the scale factor, D is a small higher-order correction term, T0 is the crystal period without load (at zero-g), and T is the crystal period. Each crystal has individual calibration coefficients. The nominal values for the QSMS test model are C=17 (local g’s), D=0.03, and T0=28 microseconds. The period changes roughly by 0.8 micro-seconds per g, but, of course, the full calculation must be carried to the numeric range required (i.e., to double-precision). Another convenient gravity unit is a millionth of a g (micro-g), which is roughly 1 ps (pico-second) of period output. The first step in assuring that the device works properly is a flip of ±1 g in all directions, checking for the nominal 0.8 micro-second per g sensitivity scale factor, and observing that the output is stable at the vertical positions (typically a few pico-seconds or micro-g’s if the temperature is not stabilized yet). Since the accelerometer is a true triaxial device, a simultaneous calibration of all channels is much more powerful than measuring each channel individually. Basically, the combined output of the three coordinates gives the exact magnitude and direction of the full g-vector, thus the calibration reference can be known exactly, at least in an iterative fashion. The actual crystals are not exactly along orthogonal axes. It can be shown that a matrix operation can align the sensor output to Cartesian coordinates. If the device were perfectly aligned, the matrix would be the identity matrix. For small misalignments, the matrix is of the form: 1 mxy mxz M = mxy 1 myz mxz myz 1 Once the alignment matrix is calibrated, it stays constant for the device. The off-diagonal elements are typically of order 0.01. In a combined calibration to determine all 9 calibration coefficients (of the one g-vector) and 3 matrix elements, there are 12 unknowns. A practical calibration consists of a tumble test of placing the triax in all 6 polar positions plus at the half-positions between the poles (12 additional positions). This operation was performed manually on a calibration bench several times with typical residuals of 50 micro-g’s. These residuals could be linearity errors, but the most likely source is the measurement uncertainty of measuring the device in an open lab environment. Improvements are likely in a thermally controlled oven with automatic positioning. In addition, there is a residual temperature coefficient for each output. By design, the temperature sensitivities are low by virtue of the low temperature sensitivity of quartz

crystals and by low reactive spring rates in the cross directions. In addition, the frame and proof mass materials were carefully chosen to minimize temperature effects. For optimal performance at levels exceeding 1 part per million of full scale, the residual temperature sensitivities are modeled and dynamically corrected. The most accurate way of measuring the temperature coefficients is performing the calibration tumble test at different temperatures. Again, this is best done in a controlled temperature environment with automatic positioning. For now, the tumble tests were performed manually while the room temperatures were adjusted between 12 and 24 deg C. The temperature sensitivities were different for each channel with typical values of 100 ps (pico-seconds) per deg C. The intended operational temperature range of this strong-motion accelerometer is 0 to 40 deg C. It is clear that for the highest sensitivities, i.e., in an earthquake vault or ocean bottom seismometer installation, the dynamic temperature correction must be measured to order 0.1 mK (milli-Kelvin). (In the seismic tests of Jan 13, A. Muschinski showed by spectral analysis that the temperature noise floor was at 0.07 mK for periods up to 8 minutes even in an open lab environment.) Overload Protection The device employs mechanical stops for overload protection. Reasonable expectations were ratios of overload to full scale of a factor of 60, equivalent to 200 g’s. The stop positions were measured by loading the proof mass with heavy weights after the placement of mechanical stops.

Q3x1 Load Test

-10.2

-6.8

-3.4

0.0

3.4

6.8

10.2

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Applied g's

Indi

cate

d g'

s

No StopA1A2B1B2C1C2

Fig 2: Mechanical stop positions

The load test was carried out to 50 g’s and the overall shock protection can be inferred by extrapolation. The crystals can withstand three times full scale. Extrapolated values of 200 g’s are reasonable. It should be noted that the device is completely free at ±1 g’s, an even more important characteristics than the exact placement of stops. Dynamic Range vs. Bandwidth A stability test was performed from Saturday Jan 13 at noon to Sunday Jan 14 at noon to understand the dynamic range at periods ranging from 10 seconds to several hours. The measurement setup consisted of the following: The QSMS1 test model was placed in the vertical position in an insulated box for added temperature insulation. The two oscillator boards were powered by a regulated power supply at 5 V. One set of three orthogonal acceleration outputs, together with a temperature crystal period were fed into a modified version of a Digiquartz Intelligent Board. The advantages and current limitations of this board in regard to the overall system’s design will be discussed further below. The standard Digiquartz interface consists of a single-channel frequency counter with a processor that allows numeric calculations and interface to a serial connection with a computer port. The dynamic range of the standard (unmodified) board is about 120 dB at 1 second, limiting at 140 dB at 10 second integration time. The new modified version of the board allows simultaneous measurements for three acceleration channels plus one temperature channel. Using one interface for several channels considerably cuts the power consumption for the system. The modified board currently uses 0.1 Watts of power. In addition, the math precision was upgraded to double-precision to meet requirements above 140 dB range. The frequency counter is based on a start-stop period measurement with a moderately high-speed clock (14.5 MHz with an option to double or quadruple the speed). There are commercially available frequency counters that have a larger dynamic range both at shorter and longer times. At shorter times, the resolution can be improved with an interpolating measurement scheme between the start-stop intervals. At longer times, the temperature stability of the reference counter clock becomes important. To that end, we used the temperature measurement from the modified Digiquartz board and measured the 1 g output of the second (redundant) g vector (Z2 channel) with the best counter that was at our immediate disposal, an HP Universal Counter, Model 53131A, 225 MHz, with the -010 HS Oven control option for the reference clock. For this measurement, we set the HP counter integration interval to 10 seconds (which is actually 10.176 seconds in real sampling time). We then adjusted the data acquisition of the modified Digiquartz interface board to the same sampling time. The data between the two counter systems was collected asynchronously with a laptop computer and time-stamped to the nearest second. In a post-analysis, it was possible to interpolate the temperature signal to the exact time of the Z2 frequency measurement. Preliminary Results The time-series of the 24-hour measurement is shown in Fig. 3. The temperature of the laboratory changed by about 1 deg C overnight. About 95 % of the acceleration Z2 signal was correlated with the temperature signal (about 100 ps per deg C – see

discussion above about the temperature coefficient). This part was removed linearly and the temperature-corrected signal is shown as the blue line. It is clear that the width of the signal is much more narrow than either the intermediate wiggles or the long-term trend. This is a simple way of saying that the dynamic range of this first measurement is not the same over different time periods. The very long-term trend was reduced by dividing the data set into 8 intervals of 1024 data points each (nearly 3 hours per subset). Each interval was linearly detrended. The pieced-together residuals are shown in Fig. 3 as a yellow line. From the time-series, we observed that the temperature resolution was better than 0.1 mK. The point-to-point resolution of the Z2 acceleration output was 14 nano-g’s (at a bandwidth of 20 seconds or 0.05 Hz), and the standard deviation of a 3 hour detrended interval was between 30 and 60 nano-g’s. Note that the wiggles of typically 30 minutes seen Saturday afternoon are clearly residual sensitivities to the heating cycle of the building.

Z2 Channel Residuals

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

1/13/07 9:36 1/13/07 14:24 1/13/07 19:12 1/14/07 0:00 1/14/07 4:48 1/14/07 9:36 1/14/07 14:24

Time

mic

ro-g

's

17.2

17.4

17.6

17.8

18.0

18.2

18.4

18.6

Temp detrendedlinear detrendTemperature

Fig 3: Time-series of the temperature and Z2 channel output between Sat Jan 13 at noon and Sun Jan 14 at noon. The Z2 channel output is shown in micro-g’s after dynamic temperature correction and as a piece-wise linearly detrended signal. A more complete picture of dynamic range versus bandwidth can be obtained with a spectral analysis. We would like to acknowledge the help of A. Muschinski at the University of Massachusetts at Amherst in providing us with the two plots shown below. The temperature spectrum of Fig. 4 shows a flat spectral density (uncorrelated white noise) at frequencies above 0.002 Hz (corresponding to time scales shorter than about 8 min). The noise spectral density is about 2.5E-7 K2Hz-1, which leads to an uncorrelated noise standard deviation of 0.07 mK over a bandwidth of 0.05 Hz (corresponding to a sampling period of 10 seconds). This observation is interesting as it points out that the

insulation of the QSMS1 device in a thermal block and added protection in a box enabled stable measurements to a bandwidth of about 500 seconds. As will be shown, the acceleration output was not nearly as stable, and it is becoming clear that the temperature noise of the external frequency counter is a limiting factor in making long-term measurements. It is clear that the best results can be obtained in a vault with minimal temperature variations and that both the counter reference clock and the accelerometer must be shielded, preferably with the same time constant.

Fig 4: Spectral density of the temperature signal The resonance period spectrum of Fig. 5 shows a mostly flat spectral density at frequencies above about 0.01 Hz (corresponding to time scales shorter than about 100 seconds). The acceleration spectrum does not become as flat as the temperature spectrum. However, if one interprets the average spectral level at frequencies above 0.01 Hz (corresponding to time scales shorter than about 2 min) as noise and takes 1E-2 µg2Hz-1 as a representative noise floor, then one arrives at an uncorrelated noise standard deviation of about 20 nano-g’s, again assuming the same bandwidth of 0.05 Hz. This result agrees with the point-to-point resolution of the time-series of 14 nano-g’s uncorrelated noise. Hence, the dynamic range at 0.05 to 0.01 Hz is 166 dB. It is interesting to note that a similar measurement with a single-axis vibrating quartz accelerometer was reported with a dynamic range of 160 dB at day-long intervals (B.Norling – Precision Gravity Measurement Utilizing Accelerex Vibrating Beam

Accelerometer Technology; 1990 IEEE PLANS Conference, p.509). To achieve higher stability over longer time periods, the experimental conditions must be improved. For instance, the accelerometer must be held in a seismically stable position (not in a box on a desk top), the temperature must be stable both for the device and for the frequency counter, and the reference counter clock must be held stable to 1 part in a billion.

Fig 5: Spectral density of the Z2 acceleration channel For periods shorter than 10 seconds, the dynamic range is mostly determined by the capabilities of the frequency counter, and at some level, the electrical noise of the output signal. The current oscillator noise jitter is typically 25 nano-seconds. In a simple start-stop frequency counter, the jitter of the frequency signal contributes both at the start and stop of the measurement, e.g., for a total of √2 * 25 ns= 35 ns. Hence, in a 10 second interval, the period resolution is 3.5 parts per billion, or about 0.1 ps (pico-second) of the base period. This number is an order of magnitude below the capabilities of an interpolating counter as used with the Z2 channel. Still, noise reductions of the oscillator board are feasible, especially, since the larger size of the QSMS design allows better separation and shielding of adjacent channels.

It should be noted that the system of measuring acceleration with quartz frequency standards involves the comparison between a reference counting crystal and the crystals that measure acceleration. All exhibit some temperature sensitivity that can be reduced by proper thermal packaging or dynamic correction with a temperature signal. The most efficient layout is probably one where the reference clock is situated in close proximity to the temperature probe inside the accelerometer. Any change in temperature then would then be measured with the same time constant and could be detrended simultaneously. This can be achieved with a further modification to our interface board to compensate for the counting clock’s residual temperature sensitivity. Summary An intrinsically digital, triaxial strong motion sensor with a full scale of ±3 g’s was developed with a dynamic range of 166 dB (to 14 nano-g’s) using readily available readout electronics. The dynamic range is at least an order of magnitude higher than existing products. The linearity up to 1 g was calibrated to 10-5 of full scale. Other advantages include small size, low power, shock protection, and a suitable temperature range for oceanographic and seismic vault installations. Further improvements in resolution and dynamic range can come from improved thermal shielding, lower oscillator noise, better counting methods, and use of a stabilized reference clock. An additional 6 dB lowering of the threshold sensitivity can come from lowering the full-scale range to ±1.5 g’s.