Små sensorer kan forhindre jordskælvsskader, spor sonarfare, lytte til rørledninger

Kunne et par sekunders advarsel være nok til at afbøde ødelæggelsen af ​​et forestående jordskælv? Små sensorer, der bliver udviklet i et Simon Fraser University laboratorium, kunne hjælpe med at give et forebyggende head's up, nok til at sikre kritisk infrastruktur, såsom broer eller elledninger, og potentielt redde liv.

Forskere i professor Behraad Bahreynis Intelligent Sensing Laboratory på SFU's Surrey campus skaber ultrafølsomme accelerometre - små mikrosystemer (mindre end 1 cm) ² ), der er i stand til at fange de mest følsomme seismiske aktiviteter.

"Når der sker et jordskælv, dens lyd, i form af seismiske trykbølger, rejser hurtigere end de destruktive landbevægelser, " forklarer Bahrenyi. "Følsomheden af ​​disse enheder er sådan, at de kan opfange trykbølgerne produceret af et jordskælv, før det rammer. Dette kan påvirke resultatet af en sådan katastrofe."

Bahrenyi siger, at de høje omkostninger ved eksisterende seismiske sensorer begrænser deres anvendelse til meget få steder, knyttet til de vigtigste dele af infrastrukturen. "Et par sekunder til minutter med heads-up advarsel til offentligheden kan drastisk reducere den negative virkning af et jordskælv, både med hensyn til at redde liv og også beskytte infrastruktur."

Bahreynis laboratorium begyndte at udvikle sine accelerometre som en løsning til at gøre undervands-ekkolodssystemer mere kompakte og omkostningseffektive. Forskerne samarbejdede med Halifax-baserede Ultra Electronics Maritimes Systems, som gav midler til at udvikle ekkolodssystemer til undervandstrusselsdetektion med forbedrede forsvars- og sikkerhedsevner.

"Vi søgte at udvikle billigere, mere kompakte produkter, der ville opfylde strenge krav til ydeevne, og som også kunne bestemme retningen og amplituden af ​​lydbølger, " siger Bahreyni, lektor ved SFU's School of Mechatronic Systems Engineering (MSE). I de sidste to årtier har han udviklet sensorer og sensorsystemer til både den akademiske verden og industrien.

Bahreyni indså hurtigt, at den højtydende, mikrobearbejdede accelerometre, der bliver testet og udviklet i hans laboratorium, kunne have yderligere applikationer til at detektere lydbølger. Dette gælder de lavfrekvente seismiske tryksignaler fra jordskælv, eller højfrekvente vibrationsmønstre langs rørledninger, forårsaget af små lyde fra gaslækager.

Forskningen har ført til en nystartet virksomhed, axSense Technologies, som modtog BC Tech Association-prisen i 2017 BC Innovation Councils New Ventures teknologikonkurrence.

Hvordan det virker

Enhederne lavet af Bahreynis gruppe måler, hvor lille 'seismisk masse' lavet af silicium forskydes, på grund af eksterne vibrationer, ved hjælp af præcis elektronik.

Tallene er forbløffende:ved sin grænse måler sensoren seismiske masseforskydninger i størrelsesordenen 1/10, 000. af diameteren af ​​et brintatom.

Sensoren kan registrere lyden af ​​en hval, der kalder fra 60 miles væk. At realisere den seismiske masse og opstillingen til at fornemme dens forskydninger, gruppen bruger de avancerede mikrofabrikationsfaciliteter på SFU's 4D LABS.

Virksomhedens accelerometre har et støjniveau, der er 20 gange bedre end det, der er tilgængeligt pt. og en båndbredde fire gange bedre end nuværende produkter. Bahreyni er overbevist om, at de første af sin slags præstationsmålinger, der tilskrives disse accelerometre, har potentialet til at gøre axSense, og dets forskellige applikationer, en markedsleder.

SFU-laboratoriet betragtes som Canadas førende forskningslaboratorium med fokus på materialer, enheder og systemer til forskellige sensorapplikationer. Bahreyni siger, at det har krævet præcisionsdesign at nå sådanne højtydende niveauer, og optimering af proces og system på alle niveauer, fra materialer til signalbehandling.

"Vi var nødt til at udvikle nye metoder, bare for at teste enhederne, " bemærker han. Typiske accelerometre måler ned til "milli-g-området." Bahreyni siger, mens det er mere end nok til daglige applikationer, det er langt fra, hvad der er nødvendigt for at opfange et lydsignal tilstrækkeligt, bemærker, at hans accelerometre måler omkring "tusind gange" bedre end den gennemsnitlige enhed.

Han krediterer sit elevteam for at bidrage med stærke mekaniske, elektronisk, og designfærdigheder til at designe og teste enheder. Laboratoriets team, som omfatter post-doc forsker Soheil Azimi og Fatemeh Edalatfar, arbejder også på at skabe løsninger til menneske-robot grænseflade, inklusive sensorer til at hjælpe robotter med at se og følge mennesker uden behov for videokameraer, nano-enheder til miljøovervågning, og maskinlæringsteknikker til at forbedre sensorsignaler.

Bahreyni, som har forfattet mere end 100 tekniske publikationer og har fem patenter, siger, at hans laboratorium fortsætter med at fremme forskning med industripartnere inden for bilindustrien, forsvars- og telekommunikationssektoren. Han forventer at markedsføre sine accelerometre i løbet af de næste par år.