火山和火山活動(dòng)讓我們著迷。通過(guò)更加規(guī)律，傳感器被用于收集和分析數(shù)據(jù)，從而可以創(chuàng)建準(zhǔn)確的火山活動(dòng)預(yù)測(cè)。例如，考慮一些最近的報(bào)紙頭條新聞：“美國(guó)宇航局阿姆斯特朗領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)測(cè)試火山灰對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，”和“海底傳感器記錄可能的水下火山爆發(fā)”，以及“用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)火山爆發(fā)” “傳感器具有足夠的能力，可靠性，準(zhǔn)確性，并且基于傳感器融合提供的數(shù)據(jù)，足以應(yīng)對(duì)如此大量的數(shù)據(jù)。

估計(jì)全世界大約有1,500個(gè)潛在活躍的火山 - 它們能夠造成很大的破壞，即使它可能并不明顯。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的數(shù)據(jù)，在過(guò)去15年中，80多架商用飛機(jī)在飛行中和機(jī)場(chǎng)遇到了火山灰。這些遭遇中的七次導(dǎo)致飛機(jī)失去噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，幾乎導(dǎo)致碰撞。

為了進(jìn)一步調(diào)查這些事件背后的原因，自2011年以來(lái)，美國(guó)宇航局與第412空軍試飛部，空軍研究實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)邦航空管理局（FAA），波音研究所和波音研究所合作。技術(shù)，普惠和惠特尼，通用電氣航空和勞斯萊斯Liberty Works通過(guò)實(shí)施車(chē)輛集成推進(jìn)研究（VIPR）項(xiàng)目來(lái)測(cè)試和評(píng)估新的發(fā)動(dòng)機(jī)健康管理技術(shù)。

傳感器現(xiàn)在用于測(cè)試飛機(jī)可以處理的火山灰量。通過(guò)使用空軍研究實(shí)驗(yàn)室提供的C-17和兩臺(tái)F117發(fā)動(dòng)機(jī)，目前的測(cè)試階段將將更多的Mount Mazama火山灰引入其中一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，以評(píng)估健康監(jiān)測(cè)傳感器及其相關(guān)軟件的運(yùn)行情況可以檢測(cè)并報(bào)告問(wèn)題。根據(jù)負(fù)責(zé)挑戰(zhàn)的VIPR項(xiàng)目的主要調(diào)查員，“我們正在研究能夠在開(kāi)始階段識(shí)別飛機(jī)進(jìn)入故障的技術(shù)，我們希望能夠識(shí)別和診斷它們，以及它們?nèi)绾螌㈦S著時(shí)間的推移而改變，“美國(guó)宇航局格倫研究中心的John Lekki和VIPR原理調(diào)查員說(shuō)。 Lekki表示，調(diào)查小組將使用來(lái)自整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，排放和光纖溫度傳感器等多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別和診斷問(wèn)題。

除了空氣傳播危險(xiǎn)，海底傳感器也是如此。記錄水下火山的噴發(fā)和潛在的噴發(fā)。舉例來(lái)說(shuō)，華盛頓大學(xué)的深海天文臺(tái)和俄勒岡州海岸火山噴發(fā) 1 。學(xué)生們?nèi)旌蚬ぷ?，幫助?zhuān)業(yè)的深海機(jī)器人 2 更換傳感器和平臺(tái)進(jìn)行年度維護(hù)，并幫助科學(xué)家和工程師檢查其他儀器，包括高清攝像機(jī)

作為研究的一部分，地震活動(dòng)是由八個(gè)地震儀記錄的，這些地震儀在火山口周?chē)?000英尺的底部測(cè)量每秒200次的震動(dòng)。海上山。測(cè)量包括火山口的高度，頂部水的壓力，以及潮汐和波浪的影響的去除，以便準(zhǔn)確地計(jì)算位置。

不僅可以在火山地震之前測(cè)量地震變化，還可以用它們來(lái)測(cè)量地震后海底景觀(guān)的變化。現(xiàn)在，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)也被用于檢測(cè)地震，如圖1所示。

圖1：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于監(jiān)測(cè)活火山上的地震數(shù)據(jù)。 （由哈佛大學(xué)提供，Matt Welsh和其他人提供的插圖）

工作中的傳感器

用于此類(lèi)科學(xué)目的的傳感器涵蓋從運(yùn)動(dòng)跟蹤到壓力傳感器，慣性測(cè)量單元的各個(gè)領(lǐng)域那些專(zhuān)門(mén)為地震監(jiān)測(cè)而創(chuàng)建的人。以下是一些傳感器，它們代表那些用于測(cè)量甚至預(yù)測(cè)強(qiáng)大的火山何時(shí)爆發(fā)的傳感器。

運(yùn)動(dòng)跟蹤在火山和地震測(cè)量應(yīng)用中起著重要作用。例如，InvenSense MPU-9250是一個(gè)多芯片模塊，由兩個(gè)集成在單個(gè)QFN封裝中的芯片組成。一個(gè)模具包含一個(gè)3軸陀螺儀和一個(gè)3軸加速度計(jì)。另一個(gè)模具包含來(lái)自Asahi Kasei Microdevices（AKM）Corporation的AK8963 3軸磁力計(jì)。總而言之，MPU-9250（圖2）是一款9軸設(shè)備，包括支持高級(jí)運(yùn)動(dòng)處理的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP）引擎; DMP從主處理器卸載運(yùn)動(dòng)處理算法的計(jì)算。 DMP從加速度計(jì)，陀螺儀，磁力計(jì)和其他第三方傳感器獲取數(shù)據(jù)，并處理數(shù)據(jù)。結(jié)果數(shù)據(jù)可以從DMP的寄存器中讀取，也可以在FIFO中緩沖。 DMP可以訪(fǎng)問(wèn)MPU的一個(gè)外部引腳，可用于產(chǎn)生中斷。

圖2：MPU-9250框圖。 （由InvenSense提供）

通常，InvenSense報(bào)告稱(chēng)，運(yùn)動(dòng)處理算法應(yīng)以高速運(yùn)行，通常在200 Hz左右，以便以低延遲提供準(zhǔn)確的結(jié)果。即使應(yīng)用程序以更低的速率更新，也需要這樣做;例如，低功率用戶(hù)界面可以像5 Hz一樣緩慢更新，但運(yùn)動(dòng)處理仍應(yīng)以200 Hz運(yùn)行。 DMP可用作工具，以最大限度地降低功耗，簡(jiǎn)化時(shí)序，簡(jiǎn)化軟件架構(gòu)，并在主機(jī)處理器上節(jié)省寶貴的MIPS，以用于應(yīng)用程序中的其他用途。

MPU直接提供完整的9軸MotionFusion輸出。它設(shè)計(jì)用于在其輔助I 2 C端口上與多個(gè)非慣性數(shù)字傳感器（如壓力傳感器）連接，并具有三個(gè)用于數(shù)字化的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）陀螺儀輸出，三個(gè)用于數(shù)字化加速度計(jì)輸出的16位ADC，以及三個(gè)用于數(shù)字化磁力計(jì)輸出的16位ADC。對(duì)于快速和慢速運(yùn)動(dòng)的精確跟蹤，該器件具有用戶(hù)可編程陀螺儀，滿(mǎn)量程范圍為±250，±500，±1000和±2000°/秒（dps），用戶(hù)可編程加速度計(jì)滿(mǎn)量程范圍為±2g，±4g，±8g和±16g，磁力計(jì)的滿(mǎn)量程范圍為±4800μT。

霍尼韋爾6-D Motion Variant 6DF-1N6-C2-HWL慣性測(cè)量單元（IMU）傳感器（圖3）設(shè)計(jì)用于從耐用的單個(gè)設(shè)備提供運(yùn)動(dòng)，位置和導(dǎo)航感應(yīng)。使用MEMS技術(shù)，它可以感知三個(gè)垂直軸（波動(dòng)，起伏，搖擺）和圍繞三個(gè)垂直軸（滾動(dòng)，俯仰，偏航）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的平移運(yùn)動(dòng)。

圖3：霍尼韋爾6DF IMU可從單個(gè)設(shè)備提供運(yùn)動(dòng)，位置和導(dǎo)航感應(yīng)。 （霍尼韋爾提供）

6 DF（六自由度）系列IMU測(cè)量其所連接的目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，并使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CAN SAEJ1939將數(shù)據(jù)傳送到設(shè)備的控制模塊通信協(xié)議。 6DF-1N6-C2-HWL有兩種版本，可承受振動(dòng)和惡劣環(huán)境，可在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)最佳性能，同時(shí)精度降低很少。鋁制外殼可保護(hù)設(shè)備免受因石塊，灰塵，污垢和濕氣造成的損壞，可在惡劣的室外環(huán)境中使用。它還具有耐腐蝕性，可最大限度地減少對(duì)惡化的敏感性，這在鹽水環(huán)境中經(jīng)常會(huì)發(fā)生。

德州儀器DAC1280IPW（圖4）是一款低失真數(shù)模轉(zhuǎn)換器，非常適合地震監(jiān)測(cè)。它提供來(lái)自比特流輸入的高精度輸出信號(hào)。該器件在小型封裝中實(shí)現(xiàn)了非常高的線(xiàn)性度，而功耗僅為18 mW。該器件與該公司的ADS1281和ADS1282 ADC一起，創(chuàng)建了一個(gè)測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)，可滿(mǎn)足地震監(jiān)測(cè)設(shè)備的嚴(yán)格要求。

圖4：DAC1280框圖。 （德州儀器公司提供）

在地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，DAC1280IPW中的三個(gè)增益控制引腳將輸出范圍設(shè)置為從0 dB到-36 db（±2.5 V至±0.039 V差分）的6 dB步長(zhǎng)。衰減范圍與ADS1282的增益相匹配，可在所有增益下進(jìn)行測(cè)試。 DAC使用參考電壓和偏置電阻來(lái)設(shè)置滿(mǎn)量程輸出。可以調(diào)節(jié)電阻以精確調(diào)整DAC滿(mǎn)量程。 SYNC引腳將輸入數(shù)據(jù)采樣與CLK相位對(duì)齊。斷電引腳在不使用時(shí)會(huì)關(guān)閉設(shè)備。 DAC1280采用小型16引腳TSSOP封裝，工作在-40°C至+ 85°C溫度范圍，最高工作溫度為+ 125°C。

運(yùn)動(dòng)和熱觀(guān)測(cè)是用于火山監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)正在進(jìn)行的火山活動(dòng)的許多實(shí)地技術(shù)之一。例如，Mount St. Helens原位傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配備了一個(gè)地震儀來(lái)檢測(cè)地震，一個(gè)GPS接收器用于精確定位并測(cè)量小的地面變形，一個(gè)次聲傳感器用于探測(cè)火山爆發(fā)。本文研究了一些非常適合用于火山監(jiān)測(cè)的傳感器，并討論了這些傳感器如何投入使用。