ES2913295A1 - Un sistema de detección sísmico - Google Patents

Abstract

Un sistema de detección sísmico en un único dispositivo, que comprende un primer contenedor poliédrico 3D interno (12), un dispositivo sensor nanogenerador de energía triboeléctrica TENG (13) adosado por una primera superficie exterior (21) a una primera superficie exterior del primer contenedor poliédrico 3D interno (12) y por una segunda superficie exterior del sensor TENG (13) está adosado a una primera superficie exterior de una masa inercial, una segunda superficie exterior de la masa inercial (14) está acoplada mecánicamente a un primer extremo de un resorte y un segundo extremo del resorte (15) está acoplado mecánicamente a una primera superficie interior de un segundo contenedor poliédrico 3D exterior (16). El resorte (15) comprime a la masa inercial (14) y el segundo contenedor poliédrico 3D exterior (16) envuelve protegiendo exteriormente a una primera cadena de deformación formada por el primer contenedor poliédrico 3D interno (12), el sensor TENG (13), la masa inercial (14) y el resorte (15).

Description

Un sistema de detección sísmico

Objeto

La presente invención se refiere a un sistema sensor para detectar ondas sísmicas de distintos tipos generadas por movimientos del terreno, terremotos, que pueden surgir en cualquier punto del mundo y generar correspondientes señales de aviso.

Estado de la técnica

La vibración es una de las fuentes de energía mecánica que se manifiesta en diversos aspectos de la vida cotidiana como pueden ser los vehículos de transporte en movimiento, los edificios altos bajo el efecto de viento, la tierra cuando bajo el efecto de movimientos sísmicos. Las vibraciones generadas son de un espectro amplio, con direcciones, amplitudes y frecuencias diversas.

Para el estudio de movimientos sísmicos se aprovecha esta energía mecánica y mediante ciertos dispositivos se consigue transformar la energía vibrante en señales eléctricas que pueden ser transformadas en magnitudes físicas para su análisis. Actualmente la energía vibrante se transforma en energía eléctrica para generar dichas señales eléctricas producidas durante un seísmo mediante diversos transductores como, por ejemplo, resistivos, capacitivos, piezoeléctricos y electromagnéticos entre otros.

Otros sensores empleados para monitorizar los seísmos incluyen los sistemas GPS y los sistemas MEMs, sistemas microelectromecánicos. Los sensores GPS pueden monitorizar los movimientos del suelo de baja frecuencia, pero no pueden medir con alta precisión frecuencias superiores a varios Hz. Por otro lado, los sensores sísmicos basados en sistemas MEMs pueden detectar frecuencias desde 0,5 Hz hasta cientos de Hz, pero fallan en la detección de señales de baja frecuencia, menores de 0,5 Hz.

Otros, como los que utilizan fibra óptica, tienen el inconveniente de su posible rotura a lo largo de su gran longitud y los más convencionales como los sismógrafos miden bien en dirección Z, pero no dan información sobre las direcciones X e Y. La dimensionalidad en las 3 direcciones del espacio es típica de los sensores sísmicos más modernos basados en sistemas MEMs.

Se conoce el uso de sistemas de TENGs de forma conjunta como sistemas electromecánicos para la generación de energía a partir de vibraciones. En algunos de estos tipos de sistemas se incorpora un sistema electromagnético colocado encima de un sistema de TENGs, de tal forma que al producirse vibraciones unos elementos de imán sueltos en el sistema electromagnético producen energía y, al moverse estos elementos de imán sueltos encima del sistema de TENGs, el movimiento produce un efecto de compresión y extensión cuya carga generada se recoge por unos electrodos que salen por ambas caras de los TENGs generando así energía. Estos tipos de sistemas están diseñados para producir energía vibratoria en todas las direcciones y también podrían implementarse como sistemas de detección de seísmos en tres dimensiones. La principal desventaja de este tipo de sistemas es que, al comprender elementos sueltos, la robustez del sistema disminuye. Además, la precisión de las lecturas de señales sísmicas también se podrían ver afectada por el comportamiento de dichos elementos sueltos.

El documento de Inkyum Kim et Al. "Levitating oscillator-based triboelectric nanogenerator for harvesting from rotational motion and sensing seismic oscillation. Nanoenergy", 2019. Vol 72., describe un sensor sísmico autoalimentado utilizando una tecnología de impresión tridimensional para los sensores TENG. Además, describe un programa informático que visualiza la capacidad de detección del dispositivo con señales por encima de 1 V.

El documento de Venkateswaran et Al. "Fe²O³ magnetic particles derived triboelectric-electromagnetic hybrid generator for zero-power consuming seismic detection", Nano energy. 2019. Vol 64., describe un dispositivo generador de energía hibrido hecho con partículas magnéticas que actúan sobre la inducción de nanogeneradores triboeléctricos TENG y electromagnéticos EMG. El dispositivo se empleó para comprobar el funcionamiento a tiempo real de sensores sísmicos sin fuentes de energía externa.

Sumario

La presente invención busca resolver uno o más de los inconvenientes expuestos anteriormente mediante un sistema de detección sísmico tal como se define en las reivindicaciones.

El sistema de detección sísmico está diseñado y fabricado como un sistema electromecánico integrado en una única pieza, que activa la respuesta eléctrica de al menos un dispositivo sensor nanogenerador de energía triboeléctrico, TENG, cuando es sometido a vibraciones con un amplio rango de frecuencias, desde 20Hz hasta 500Hz, y producidas por movimientos del suelo causados por terremotos de diferentes magnitudes. El sistema de detección sísmico incorpora el efecto triboeléctrico en la generación de energía para así generar señales de datos que son analizables para la detección y la monitorización de fenómenos sísmicos.

Las características geométricas del sistema de detección sísmico que comprende una pluralidad de brazos o cadenas de deformación TENG en al menos tres, 3, direcciones de orientación espacial hacen posible la detección de ondas sísmicas en las tres direcciones del espacio: X, Y y Z por medio de la proyección en los ejes y reconstrucción de las ondas detectadas por el sistema de detección sísmico y provenientes de un mismo evento sísmico.

También podrían usarse más direcciones en cuyo caso se obtendría más información en la reconstrucción de la onda vibrante que se propaga.

En el caso de que se pongan dos o más sensores TENGs en la misma dirección se podrán realizar coincidencias y determinar si las ondas detectadas son la misma o diferentes. También puede servir para calcular las velocidades de la onda mediante el desfase temporal encontrado entre un detector y otro.

El hecho de que cada uno de estos eventos producidos sean registrados y monitorizados al mismo tiempo en una pluralidad de diferentes ubicaciones del sistema de detección sísmico permite monitorizar la propagación de las ondas sísmicas desde el epicentro de un terremoto hasta el lugar donde la medida se está llevando a cabo, así como calcular el tiempo necesario para evacuar una localización específica que se pueda encontrar en peligro.

El sistema de detección sísmico integrado en un único dispositivo está basado en la respuesta eléctrica de al menos dos brazos o cadenas de deformación que comprenden un sensor TENG, una masa inercial y un resorte conectados en cascada, respectivamente, y fijados entre una superficie de un primer contenedor poliédrico tridimensional 3D interno y de un segundo contenedor poliédrico tridimensional 3D exterior, siendo estos fabricados de un material tal como un metal y/o un material polímero mecánicamente resistente o similar. Además, el sistema de detección sísmico está adaptado para detectar y cuantificar diferentes magnitudes físicas medidas por las al menos dos cadenas de deformación tales como velocidad, aceleración, fuerza, desplazamiento, frecuencia, de las ondas sísmicas, etc., que son características físicas que caracterizan cada una de las oscilaciones del suelo u onda sísmica de un terremoto.

La carcasa del segundo contenedor poliédrico tridimensional 3D exterior que protege al menos a la unidad de control y la interfaz radio entrada-salida y a los sensores TENGs, están fabricados con un material tal como un material polímero del tipo PLA, GLX, PGL, etc., resistente a las condiciones ambientales extremas como puede ser el caso en el que el sistema de detección sísmico se sitúa debajo del agua. Asimismo, la carcasa del segundo contenedor poliédrico tridimensional 3D exterior está fabricada con un material retardante del fuego, o también metálico, del tipo metal inoxidable si el sensor TENG alcanza temperaturas elevadas como cuando el sistema de detección sísmico montado de una única pieza está situado dentro de un volcán, en un lugar cercano a un cráter de un volcán activos e incluso rodeado de magma o de fuego, en el suelo oceánico debajo o en el interior de centrales nucleares, por ejemplo. En este caso la antena de la cadena electrónica de comunicaciones saldría de la carcasa metálica por un orificio sellado o la misma carcasa metálica podría usarse de antena.

El dispositivo sensor TENG es fabricable con diferentes materiales según las condiciones ambientales en las que esté situado el sistema de detección sísmico. Por ejemplo, si el sensor TENG tiene que detectar pulsos de alta resolución o de muy alta frecuencia, el sensor TENG se fabrica con PVA y 10% en peso de PPA-PEI. En el caso de alta humedad, bastaría con proteger al sistema de detección sísmico, en concreto, la carcasa del segundo contenedor poliédrico tridimensional 3D exterior con un material plástico tal como un material plástico PET pues las capas internas del sensor TENG, al estar presionadas, no sufren el efecto de la humedad o del agua y en último caso los materiales del sensor TENG pueden hacerse también resistentes a la humedad.

El sistema de detección sísmico integrado en un único dispositivo detecta al menos las antedichas magnitudes físicas por medio del efecto triboeléctrico mediante con el que se genera una cantidad de energía eléctrica debida a la fricción o contacto directo entre dos capas con distinta electronegatividad del sensor TENG.

El sistema de detección sísmico integrado en un único dispositivo comprende un primer contenedor poliédrico 3D interno de al menos cinco caras y un segundo contenedor poliédrico 3D exterior, que protege al sistema de detección sísmico a modo de carcasa, un sensor TENG, que está anclado por una primera superficie, a una primera superficie exterior del primer contenedor poliédrico 3D interno y por una segunda superficie opuesta a la primera superficie del sensor TENG a una primera superficie de una masa inercial. La masa inercial está anclada por una segunda superficie opuesta a la primera superficie de la masa inercial a un primer extremo del resorte, que comprime simultáneamente a la masa inercial, y al sensor TENG. Un segundo extremo opuesto al primer extremo del resorte está anclado a una primera superficie interior del segundo contenedor poliédrico 3D exterior o carcasa, protegiendo el interior del volumen poliédrico. La masa inercial es paralela a la de la primera y segunda superficie del sensor TENG.

Resumiendo, el sistema de detección sísmico comprende una pluralidad de cadenas de deformación, formadas por el sensor nano-generador de energía triboeléctrica TENG, la masa inercial y el resorte, cada una de las cadenas de deformación corresponde a dirección de orientación del sistema de detección sísmico, que hacen posible la detección de ondas sísmicas en las tres direcciones del espacio, según los ejes X, Y y Z, por medio de la proyección de ondas detectadas provenientes de un mismo evento en tales ejes y además poder ser reconstruidas si hay más sensores TENGs en cada misma dirección.

Por lo tanto, el sistema de detección sísmico comprende una cadena de deformación por cada superficie exterior del primer contenedor poliédrico 3D interno y, consecuentemente, el segundo contenedor poliédrico 3D exterior comprende al menos un número de superficies interiores igual o superior al número de superficies exteriores del primer contenedor poliédrico 3D interno, siendo el segundo contenedor poliédrico 3D exterior y el primer contenedor poliédrico 3D interno cuerpos de revolución concéntricos al tener el mismo centro geométrico.

El sensor TENG comprende dos terminales eléctricos de salida que están conectados a los correspondientes terminales eléctricos de una unidad de control, donde la unidad de control está alojada dentro del primer contenedor poliédrico 3D interno. Alternativamente, la unidad de control está alojada exteriormente al primer contenedor poliédrico 3D interno.

En una alternativa de realización, el sensor TENG funciona con un solo electrodo y el otro electrodo distinto del anterior está conectado a tierra de tal forma que un único electro porta la información vibrante.

Alternativamente, el sensor TENG funciona como un emisor inalámbrico con un corto alcance, donde el electrodo del sensor TENG está conectado a una tira conductora que sale hacia el exterior de la carcasa del segundo contenedor poliédrico tridimensional 3D exterior del sistema de detección sísmico.

La unidad de control está configurada para recibir señales de datos capturadas por el al menos un sensor TENG y suministrar señales de datos a una interfaz radio de entrada-salida, por ejemplo, una interfaz inalámbrica de entrada-salida para transmitir las señales de datos hacia una unidad central de procesamiento a través de una red de telecomunicaciones. La interfaz radio de entrada salida está alojada también dentro del primer contenedor poliédrico 3D interno como la unidad de control. Alternativamente, la interfaz radio de entrada-salida está alojada exteriormente al primer contenedor poliédrico 3D interno.

El sistema de detección sísmico comprende una fuente de alimentación de energía eléctrica que alimenta con energía eléctrica a la unidad de control y a la interfaz radio de entrada salida. La fuente de alimentación de energía eléctrica está alojada también dentro o, alternativamente, fuera del primer contenedor poliédrico 3D interno. La fuente de energía eléctrica es del tipo batería o similar.

Por lo tanto, el sistema de detección sísmico puede trabajar sin una fuente de alimentación de energía eléctrica o batería externa al propio sistema de detección sísmico, siendo capaz de detectar oscilaciones de 5 a 10 segundos de diferente rango de frecuencia, hasta 300 Hz para TENGs con PDMS como capa positiva, y amplitud tanto en entornos normales como en ambientes hostiles, con condiciones extremas de alta temperatura como en fuegos o explosiones dentro de los volcanes o zonas cercanas al cráter del volcán, presión, i.e. en el espacio, y/o humedad, en la superficies oceánicas, y, además, monitoriza los pulsos eléctricos generados por el golpeo de las cadenas de deformación de TENGs que, a su vez, son producidos por las vibraciones del suelo. El sistema de detección sísmico es fabricable con distintos tipos de materiales tal como son los materiales de polímeros con compuestos químicos retardadores de llama para que puedan resistir las llamas entre otros.

El sistema de detección sísmico comprende una pluralidad de dispositivos sensores de deformación del tipo nanogenerador de energía triboeléctrica TENG que utiliza el efecto triboeléctrico para detectar con alta sensibilidad movimientos y vibraciones. Los datos de deformación medidos por el sensor TENG son almacenados y transmitidos hacia la unidad central de procesamiento a través de la red de telecomunicaciones. Consecuentemente, las interfaces radio de entrada-salida, i.e. interfaz inalámbrica de entradasalida, del sensor TENG y de la unidad central de procesamiento establecen un canal radio para transmitir y recibir señales de datos y proporcionar como una salida una señal de aviso.

Por lo tanto, el sistema de detección sísmico está adaptado para detectar ondas sísmicas de distintos tipos generadas por movimientos del terreno, terremotos, que pueden surgir en cualquier punto del mundo.

El sistema de detección sísmico es de bajo coste y funciona en entornos con condiciones ambientales adversas y permite monitorizar y predecir las posibles catástrofes que puedan producir terremotos de media y alta magnitud al igual que poder detectar los movimientos rápidos de alta frecuencia.

El bajo coste del sistema de detección sísmico integrado en una pieza puede colocarse en una amplia variedad de localizaciones tal como una estantería de una casa o enterrado en el suelo de zonas montañosas con alta actividad sísmica. El sistema de detección sísmico proporciona una señal de aviso que permite avisar a la población que se encuentra cercana al sistema de detección sísmico, proporcionando datos de la magnitud que puede tener un seísmo cercano a esta población y, además, la distancia que hay de las ondas sísmicas detectadas al epicentro y como resultado, el tiempo de respuesta que la población tiene para actuar.

El sistema de detección sísmico incorpora dentro de la carcasa del primer contenedor poliédrico 3D interno la unidad de control que permite registrar la actividad sísmica de los lugares donde se encuentra asentado el sistema de detección sísmico que registra, actualiza y monitoriza, a tiempo real, la actividad sísmica del lugar donde está localizado.

Breve descripción de las figuras

La Fig. 1A muestra en una vista en perspectiva una realización de un sistema de detección sísmico integrado en un único dispositivo;

La FIG 1B muestra en una vista en perspectiva una realización alternativa del sistema de detección sísmico integrado en un único dispositivo;

La Fig. 2 muestra en una vista en perspectiva un dispositivo sensor nanogenerador de energía triboeléctrica TENG del sistema de detección sísmico integrado;

La Fig. 3 muestra en un esquema el sensor TENG conectado a una unidad de control conectada a una interfaz radio de entrada-salida alimentados desde una fuente de suministro de energía eléctrica;

La Fig. 4 muestra en un diagrama una señal de datos capturada por el sensor TENG y recibida por la unidad de control y, una señal de datos desfasada temporalmente con respecto a la señal de datos capturada, suministrada desde la unidad de control hacia la interfaz radio de entrada-salida para transmitirla sobre una red de telecomunicaciones hacia una unidad de central de procesamiento;

La Fig. 5 muestra en un diagrama esquemático una pluralidad de sensores TENG con la red de telecomunicaciones inalámbrica LoRA;

La Fig. 6 muestra en un diagrama diferentes magnitudes físicas capturadas por el sensor TENG y transformadas por la unidad de central de procesamiento al ejecutar un algoritmo de procesamiento de señales correspondientes a un movimiento sísmico, y

La Fig. 7 muestra en un diagrama señales de datos capturadas por la pluralidad de sensores TENG y relativas a una vibración de una plataforma vibrante que simula un movimiento sísmico o terremoto y una comparativa con señales de datos capturadas por una pluralidad de dispositivos MEMs y relativas a una vibración de la plataforma vibrante que simula el movimiento sísmico o terremoto.

Descripción detallada

En relación con las figuras 1Aa 7 donde se muestra un sistema de detección sísmico 11 que comprende al menos un dispositivo sensor nanogenerador de energía triboeléctrica TENG 13, donde el sistema de detección sísmico 11 presenta un funcionamiento electromecánico basado en la respuesta eléctrica de los al menos un sensor TENG13 posicionados en diferentes posiciones del espacio y fijados sobre las superficies exteriores de un primer contenedor poliédrico 3D interno 12 de al menos cinco caras formando así un prisma rectangular, para asegurar la detección de una onda sísmica 3D,como resultado de la proyección de las señales en los 3 ejes X, Y y Z del espacio para luego su reconstrucción.

En una realización preferente, el primer contenedor poliédrico 3D interno 12 presenta seis caras en forma de cubo. En este caso las señales capturadas por los sensores TENGs 13 determinan directamente las direcciones X Y y Z si el cubo está posicionado sobre una plataforma horizontal y si no lo está, se realizarían proyecciones en los 3 ejes del espacio para conocer las orientaciones de la onda sísmica y si además hay varios TENGs en la misma dirección, reconstruirla al igual que conocer su propagación y atenuación.

El sistema de detección sísmico 11 se basa en una parte mecánica que activa la respuesta eléctrica de al menos un sensor TENG 13 cuando es sometido a vibraciones con un amplio rango de frecuencias y producidas por movimientos del suelo causados por terremotos de diferentes magnitudes.

Consecuentemente, el sensor TENG 13 es el elemento transductor del sistema de detección sísmico 11.

En relación ahora con la figura 1A, el sistema de detección sísmico 11 integrado en un único dispositivo comprende un primer contenedor poliédrico 3D interno 12 de al menos cinco caras y un segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16 que protege al sistema de detección sísmico 11 a modo de carcasa, un sensor TENG 13, que está anclado por una primera superficie exterior 21, i.e. la de abajo, a una primera superficie exterior del primer contenedor poliédrico 3D interno 12 y por una segunda superficie exterior 22, i.e. la de arriba, opuesta a la primera superficie exterior 21 del sensor TENG 13 a una primera superficie, i.e. la de abajo, de la masa inercial 14 y esta masa inercial 14 está anclada por una segunda superficie, i.e. la de arriba, opuesta a la primera superficie de la masa inercial 14, unida a un primer extremo del resorte 15, que comprime a la masa inercial 14, y, por tanto, al sensor TENG 13. Un segundo extremo opuesto al primer extremo del resorte 15 está anclado a una primera superficie interior del segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16 o carcasa, protegiendo el interior del volumen poliédrico. La masa inercial 14 es paralela a la de las primera y segunda superficies del sensor TENG 13.

La primera y segunda superficies de la masa inercial 14 son paralelas a las correspondientes superficies del sensor TENG 13. El volumen definido por la carcasa del segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16 donde están dispuestas las de al menos una cadena de deformación rodea al interior, protegiéndolo.

Por lo tanto, la parte mecánica del sistema de detección sísmico 11 comprende el primer contenedor poliédrico 3D interno 12 y el segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16 acoplados mecánicamente por al menos una cadena de deformación, donde el segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16 presenta un número de superficies interiores que es igual o mayor del número de caras exteriores del primer contenedor poliédrico 3D interno 12. Tanto el primer contenedor poliédrico 3D interno 12 como el segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16 son huecos.

La precisión requerida en la detección espacial de las oscilaciones del sistema de detección sísmico 11 es función del número de cadenas de deformación dispuestas en el interior del segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16. Consecuentemente, si el número de cadenas de deformación o superficies del primer contenedor poliédrico 3D interno 12 crece, mayor será el número de direcciones de propagación de las ondas detectadas.

La masa inercial 14, pesa calibrada, que está acoplada mecánicamente al resorte 15 en espiral del tipo muelle ejerce una presión de compresión sobre el primer sensor TENG 13 de manera que estará sometido a una fuerza de compresión que obliga a que las dos superficies triboeléctricas opuestas del sensor TENG 13 estén en contacto para que siempre midan, a partir de una precarga, cualquier vibración que se produzca en la ubicación donde el sistema de detección sísmico 11 está ubicado.

La masa inercial 14 es utilizada para hacer vibrar el sensor TENG 13 y así poder detectar y monitorizar la onda sísmica. El sensor TENG 13 desempeña un papel parecido al de un sismógrafo que produce una señal oscilante. La masa inercial 14 está caracterizada físicamente y cuantificada, siendo esencial para calcular la aceleración, velocidad de las ondas sísmicas y el desplazamiento de objetos durante un movimiento sísmico. Así, las proyecciones de las señales detectadas en las direcciones X Y y Z proporcionan una idea de la forma de la onda sísmica en un determinado momento.

Las coincidencias entre las señales detectadas por los diferentes sensores TENG que estén a lo largo de las direcciones normales a los mismos, permitirán determinar la trayectoria de la onda sísmica y su monitorización. Estas coincidencias se obtendrán analizando la amplitud y el tiempo de detección de los pulsos.

De esta forma, el sensor TENG 13 está comprimido a un predeterminado valor de equilibrio o reposo, precarga, cuando el sistema de detección sísmico 11 está en posición de equilibrio o reposo y el sensor TENG 13 pasa a una posición de desequilibrio o de trabajo donde se comprime por una compresión ejercida por un movimiento de oscilación producido por un movimiento del terreno o seísmo superior al predeterminado valor de equilibrio o reposo. El sensor TENG 13 vuelve a la posición de equilibrio o posición inicial cuando el movimiento sísmico ha finalizado. De la misma forma ocurrirá con la tracción debido a la masa inercial 14. Resumiendo, el sistema de detección sísmico 11 está adaptado para medir cualquier desplazamiento del suelo producido por una onda sísmica oscilante. El número de pulsos generados estará relacionado con la frecuencia de las ondas sísmicas que interaccionan con las cadenas de deformación, que comprenden los dispositivos sensores de deformación TENG, pudiendo ser detectadas y diferenciadas en ondas S, P y superficiales generadas en el epicentro de un terremoto una vez las ondas son analizadas.

A mayor número de cadenas de deformación se obtiene mayor precisión, es decir, si el número de superficies exteriores del primer contenedor poliédrico 3D interno 12 es elevado mayor será el número de direcciones de propagación de las ondas detectadas por las cadenas de deformación.

Como se ha mencionado anteriormente, el segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16 comprende un número de superficies interiores igual o superior al número de superficies exteriores del primer contenedor poliédrico 3D interno 12 y tienen el mismo centro geométrico para ser cuerpos concéntricos.

El al menos un sensor TENG 13 comprende dos terminales eléctricos de salida que están conectados a correspondientes terminales eléctricos de una unidad de control que está dispuesta dentro de la carcasa del primer contenedor poliédrico 3D interno 12, centro geométrico del sistema de detección sísmico 11. Asimismo, una interfaz radio de entrada-salida 33 está dispuesta dentro del primer contenedor poliédrico 3D interno 12 y conectada eléctricamente a la unidad de control. Esta parte electrónica del sistema de detección sísmico 11 realiza el análisis de las ondas sísmicas in-situ y a tiempo real mientras está funcionando.

La unidad de control está configurada para recibir señales de datos capturadas por el al menos un sensor TENG 13 y suministra señales de datos a la interfaz de entrada-salida para transmitir las señales de datos hacia una unidad central de procesamiento a través de una red de telecomunicaciones.

Por lo tanto, la interfaz radio de entrada-salida 33 trasmite vía radio o inalámbricamente señales de datos relativas a las ondas sísmicas detectadas por las cadenas de deformación que comprenden los sensores TENGs 13 hacia un nodo de acceso periférico que, a su vez, retransmite las señales de datos recibidas hacia la unidad central de procesamiento o a otros nodos de acceso de una red de telecomunicaciones.

Resumiendo, los sensores TENGs 13 dispuestos dentro del segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16 proporcionan señales eléctricas a la unidad de control que, a su vez, está conectada a la interfaz radio de entradasalida 33 para transmitir señales de datos hacia la unidad central de procesamiento donde distribuirse a los usuarios finales a través de la red de telecomunicaciones del tipo inalámbrica. La unidad central de procesamiento ejecuta un algoritmo de procesamiento de las señales de datos recibidas y correspondientes a un movimiento sísmico, por lo tanto, analiza las señales de datos recibidas y proporciona señales de aviso como salida.

Por lo tanto, desde un ordenador personal o Tablet es posible conectarse a través de la red de comunicaciones con la unidad central de procesamiento para recibir las señales de datos transmitidas.

Alternativamente, el sensor TENG 13 dispone de un primer terminal de salida o electrodo para medir pulsos y un segundo terminal conectado a tierra. Además, el sensor TENG 13 puede disponer de una antena 23 del tipo tira metálica de diferente forma geométrica que se proyecta hacia el exterior desde una de las superficies del sensor TENG 13 por la que se transmiten inalámbricamente señales de datos de vibración hacia un receptor externo a la carcasa o segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16. El receptor externo está situado en proximidad a la carcasa del segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16 del sistema sísmico que comprende al menos un sensor TENG 13.

En relación ahora con la figura 5, la red de telecomunicaciones, que comprende al menos un nodo de acceso, una pasarela 51, un servidor de red 52 y un servidor de aplicación 53, es del tipo red de telecomunicaciones inalámbrica del tipo LoRa, WíFí, Bluetooth, LTE, SigFox o Zigbee. En el caso de usar una red de telecomunicación LoRA, los emisores y los receptores se integrarán en plataformas de internet del tipo Internet de las Cosas, IoT.

Los sistemas de transmisión y recepción de ondas sísmicas podrán formar redes sísmicas propias, pero además podrán incorporarse a redes sísmicas globales constituidas por otros tipos de sensores sísmicos del tipo MEMs, sismógrafos, geófonos, de fibra, OBS, y satelitales.

El sistema de detección sísmico 11 comprende una fuente de energía eléctrica 31 que está conectada a la unidad de control y a la interfaz radio de entradasalida 33, que comprende una antena 32 radio o inalámbrica. La fuente de energía eléctrica 31 está dispuesta dentro del primer contenedor poliédrico 3D interno 12 y, alternativamente, está dispuesta en una ubicación externa al segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16.

El sensor TENG 13 está fabricado con un material polímero triboeléctrico resistente a llama tal como alcohol polivinílico PVA dopado con el polielectrolito PPA-PEI que es sintetizado a partir de ácido fenilfosfórico y polietilenimina ramificada. La película de PVA/PPA-PEI contiene 10% en peso de PPA-PEI para obtener una respuesta eléctrica de alta potencia y frecuencia de oscilación. La estructura de las diferentes capas del dispositivo sensor nano-generadores de energía triboeléctrica de deformación TENG es la siguiente: película de Al/PVA/PPA-PEI y película de Al/PVDF utilizando una película de Kapton como sustrato.

Alternativamente, el sensor TENG 13 resistente al fuego se fabrica a partir de una película de Al/Paper @ 50PA, capa triboeléctrica electropositiva, y una película de Al/PVDF-HFP, capa triboeléctrica electronegativa, que si es de fibra puede hacer uso del electrospinning para su fabricación, ensamblada en un modo de contacto vertical separado y utilizando una película Kapton retardante de llama como sustrato.

Otra alternativa, donde el sensor TENG 13 en modo de contacto es fabricable con materiales retardante del fuego del tipo de poliamida que actúan como sustrato, Papel @ 50PA que se utiliza como capa triboeléctrica positiva y PVDF-HFP fabricado por eletrospinning que actúa como capa triboeléctrica negativa.

Otra nueva alternativa, donde el sensor TENG 13 es fabricado con PVA prístina y PVDF, siendo el PVDF el fluoruro de polivinilo. También otros son los sensores TENG con PVDF y nanofibras de polivinilpirrolidona PVP o los de tipo PET/Papel/Al Al/PDMS/PET. El sensor TENG 13 se caracteriza por una alta eficiencia eléctrica y, por tanto, proporciona una alta potencia eléctrica, 250 |^jW. Si se unen muchos dispositivos sensores de deformación TENG, por ejemplo, mil en serie proporcionan 250 mW de potencia. Las amplitudes de voltaje de pico suelen ser de decenas de V para fuerzas de varios Newton, aunque con fuerzas mayores se han conseguido Voltajes de kV.

El mecanismo de funcionamiento del sensor TENG 13 se basa en el efecto de acoplamiento de la electrificación por contacto y la inducción electrostática. Está compuesto de tribomateriales positivos y negativos recubiertos con electrodos en la parte posterior. Durante la fricción entre estas dos superficies, los electrones se transfieren de las capas positivas a las capas negativas debido a su distinta polaridad triboeléctrica, induciendo un flujo de electrones de igual número a través del circuito externo. Obviamente, la densidad de carga triboeléctrica juega un papel clave en el voltaje, la corriente y la potencia de salida, lo que se puede lograr de manera efectiva emparejando los dos materiales con la mayor diferencia de afinidad de carga posible.

Los sensores TENGS 13 han sido previamente calibrados individualmente con máquinas de ensayos de tracción compresión de tal forma que se conoce la fuerza F a la que están sometidos gracias a la curva F, fuerza, vs. V, voltios.

La carcasa del segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16 está fabricada con material del tipo acero inoxidable, con un material de polímero, según el tipo de entorno donde el sistema de detección sísmico 11 está ubicado. Esta carcasa del segundo contenedor poliédrico 3D exterior 16 es la cubierta de protección de los dispositivos sensores de deformación TENG.

LISTA DE REFERENCIAS NUMÉRICAS

11 sistema de detección sísmico

12 primer contenedor poliédrico 3D interno

13 dispositivo sensor nanogenerador de energía triboeléctrica TENG 14 masa inercial

15 resorte

16 segundo contenedor poliédrico 3D exterior

21 primera superficie exterior

22 segunda superficie exterior

23 antena

31 fuente de energía eléctrica

32 antena de radio

33 interfaz radio de entrada-salida

51 pasarela

52 servidor de red

53 servidor de aplicación

Claims (17)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de detección sísmico en un único dispositivo, caracterizado por que el sistema de detección sísmico (11) comprende un primer contenedor poliédrico 3D interno (12) de al menos cinco caras, al menos un dispositivo sensor nanogenerador de energía triboeléctrica TENG (13) que está adosado por una primera superficie exterior (21) a una primera superficie exterior del primer contenedor poliédrico 3D interno (12) y por una segunda superficie exterior opuesta a la primera superficie exterior (21) del sensor TENG (13) una primera superficie exterior de una masa inercial. Una segunda superficie exterior opuesta a la primera superficie exterior de la masa inercial (14) está acoplada mecánicamente a un primer extremo de un resorte y un segundo extremo opuesto al primer extremo del resorte (15) está acoplado mecánicamente a una primera superficie interior de un segundo contenedor poliédrico 3D exterior (16). El resorte (15) comprime a la masa inercial (14), donde el segundo contenedor poliédrico 3D exterior (16) envuelve protegiendo exteriormente a una primera cadena de deformación formada por el primer contenedor poliédrico 3D interno (12), el sensor TENG (13), la masa inercial (14) y el resorte (15).

2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 2, donde el primer contenedor poliédrico 3D interno (12) comprende seis superficies exteriores en forma de cubo.

3. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, donde el sistema de detección sísmico (11) comprende al menos una primera cadena de deformación y una segunda cadena de deformación.

4. El sistema de acuerdo con la reivindicación 3, donde el sistema de detección sísmico (11) comprende una cadena de deformación por cada superficie exterior del primer contenedor poliédrico 3D interno (12).

5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 4, donde el segundo contenedor poliédrico 3D exterior (16) comprende un número de superficies interiores igual o superior al número de superficies exteriores del primer contenedor poliédrico 3D interno (12).

6. El sistema de acuerdo con la reivindicación 5, donde el segundo contenedor poliédrico 3D exterior (16) y el primer contenedor poliédrico 3D interno (12) tienen el mismo centro geométrico para ser cuerpos concéntricos.

7. El sistema de acuerdo con cualquiera de las anteriores reivindicaciones, donde el al menos un sensor TENG (13) comprende dos terminales eléctricos de salida que están conectados a correspondientes terminales eléctricos de una unidad de control.

8. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde el sensor TENG (13) comprende un primer terminal de salida o electrodo para medir pulsos y un segundo terminal de salida conectado a tierra.

9. El sistema de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, donde la unidad de control está dispuesta dentro del primer contenedor poliédrico 3D interno (12).

10. El sistema de acuerdo con la reivindicación 7, donde la unidad de control está configurada para recibir señales de deformación capturadas por el al menos un sensor TENG y suministrar señales de datos a una interfaz radio de entrada salida para transmitir las señales de datos hacia una unidad central de procesamiento a través de una red de telecomunicaciones.

11. El sistema de acuerdo con las reivindicaciones 8 y 9, donde la interfaz radio de entrada-salida (33) está dispuesta dentro del primer contenedor poliédrico 3D interno (12).

12. El sistema de acuerdo con la reivindicación 10, donde el sensor TENG comprende una antena (23) del tipo tira metálica que se proyecta hacia el exterior desde una de las superficies del sensor TENG por la que se transmiten inalámbricamente señales de datos de vibración hacia un receptor externo a la carcasa del segundo contenedor poliédrico 3D exterior (16).

13. El sistema de acuerdo con la reivindicación 12, donde el receptor externo está situado en proximidad a la carcasa del segundo contenedor poliédrico 3D exterior (16) del sistema sísmico que comprende el al menos un sensor TENG.

14. El sistema de acuerdo con cualquiera de las anteriores reivindicaciones, donde el sistema de detección sísmico (11) comprende una fuente de energía eléctrica (31).

15. El sistema de acuerdo con la reivindicación 14, donde la fuente de energía eléctrica (31) está conectada a la unidad de control y a la interfaz radio de entrada-salida (33).

16. El sistema de acuerdo con la reivindicación 15, donde la fuente de energía eléctrica (31) está dispuesta en una ubicación externa a la carcasa del segundo contenedor poliédrico 3D exterior (16).

17. El sistema de acuerdo con la reivindicación 16, donde la fuente de energía eléctrica (31)está dispuesta dentro del primer contenedor poliédrico 3D interno (12).