Brevet FR2801683A1 — publié le 20010601

La présente invention concerne un enregistreur de données numériques autonome du bruit de fond d'un site. Elle a des applications en sismologie et plus particulièrement lors du microzonage d'un site consistant en l'étude des comportements des sols et/ou des constructions d'un site en fonction des vibrations auxquelles ils sont soumis. L'étude du comportement d'un site, un sol ou une construction, soumis à des vibrations de faible amplitude est utile afin de pouvoir estimer le comportement dudit sol ou la dite construction lors de sollicitations mécaniques diverses. On connaît des techniques dans lesquelles les vibrations sont produites artificiellement par des engins générateurs pouvant être déplacés et pouvant appliquer des contraintes répétées le sol ou sur des eléments d'un bâtiment afin de les exciter. Des capteurs du type sismométrique sont placés en divers endroits site et selon des axes particuliers. Les signaux générés par capteurs sont mesures et analysés dans un équipement informatique. On peut par exemple, avec ce type de méthode, déduire structure des terrains détecter la fréquence de résonance d'une construction selon un axe particulier... II est apparu qu'il était possible de se passer de genérateurs spécifiques de vibrations et d'utiliser la source de vibration naturelle sismique que représente les micro tremblements de terre dans les zones où ceux-ci sont fréquents. Cependant telle technique, outre le fait qu'elle apparaît aléatoire car nécessitant d'attendre tel tremblement, ne peut pas être utilisée dans des zones "calmes" sur le plan sismologique. Le microzonage d'un site nécessite de recueillir et d'enregistrer les signaux des capteurs en divers points site simultanément pendant plusieurs minutes puis de les analyser afin de tirer conclusions. Ainsi, au cas où l'on utilise une excitation par micro tremblement, on doit disposer de plusieurs enregistreurs et des capteurs correspondants pour un temps plus ou moins aléatoire. Une technique plus récente s'est développée dans laquelle l'excitation est produite par le bruit de fond d'origine naturelle ou artificielle du site. Ces sources naturelles sont par exemple, le tonnerre, des vagues... Les sources artificielles résultent des activités humaines et, par exemple, de la circulation automobile... Dans le cas où le bruit de fond est utilisé pour exciter le site, la contrainte sur la simultanéité des recueils enregistrement apparaît moins importante. I1 est ainsi possible d'effectuer des recueils et enregistrements à divers endroits et moments distincts puis de les utiliser ultérieurement pour analyse. II ainsi possible avec un seul appareil d'effectuer rapidement le micro zonage d'un site. Le traitement ultérieur des signaux générés les capteurs tient compte de la particularité de l'excitation par le bruit de fond afin de produire des résultats exploitables. II est ainsi, par exemple, possible de déterminer la fréquence propre d'un site grâce à cette technique de microzonage par bruit de fond. Les dispositifs classiques d'enregistrements des signaux provenant des capteurs sismométriques ne sont pas particulièrement adaptés à ces techniques de microzonage et ne permettent pas de bénéficier de tous les avantages de celles-ci. En particulier ils nécessitent un réglage complexe de nombreux paramètres, la déconnexion des capteurs et/ou du sismomètre, de l'enregistreur après chaque enregistrement. Les enregistrements se déroulant habituellement sur de longues périodes, les données sont compressées. Ce sont également des équipements renforcés destinés à résister à des environnements pouvant être agressifs pendant de longues périodes. Ils ne sont pas non plus destinés à être fréquemment déplacés. Une station conçue pour l'enregistrement des séismes n'est donc pas adaptée et entraîne perte de temps importante dans le cas d'une campagne de microzonage. De plus, les stations classiques conçues pour l'enregistrement des séismes du fait de leur complexité nécessitent prise en charge par des équipes spécialisées ce qui limite également la possibilité d'effectuer de nombreuses mesures sur les différents points d'un site microzoné. Enfin, ces stations prevues pour enregistrer des séismes produisant donc des signaux de forte amplitude sont pas adaptées pour amplifier et enregistrer le bruit de fond. II est donc souhaitable de disposer d'un matériel spécifique adapté campagnes de microzonages. A cette fin, l'invention concerne un enregistreur de données numériques autonome du bruit de fond d'un site, ledit enregistreur recevant lesdites données de capteurs sismologiques, lesdits capteurs fournissant au moins un premier type de données H et un deuxième type de donnees V sous forme signaux analogiques, ledit enregistreur comportant - carte d'acquisition et de conversion analogique numérique selon une fréquence d'acquisition, ladite carte comportant au moins deux voies analogiques et une sortie numérique, chaque voie analogique comportant une entrée, un amplificateur de signaux analogiques à gain programmable et un filtre, ledit filtre comportant au moins une fonction passe bas, un multiplexeur analogique étant disposé entre les filtres et un convertisseur analogique numérique, chaque capteur étant relié à une voie spécifique. - une interface utilisateur permettant la visualisation, l'audition et l'entrée d'informations; Selon l'invention, l'enregistreur comporte en outre un dispositif de mémorisation amovible pour le stockage des données et une unité de pilotage comportant un programme de fonctionnement, ledit programme comportant un moyen permettant le paramétrage des conditions d'enregistrement, l'enregistrement et l'avertissement de la fin d'enregistrement, le paramétrage des conditions de fonctionnement par l'intermédiaire de l'interface utilisateur permettant au moins de sélectionner le gain, la fréquence d'acquisition et la durée de l'enregistrement. Dans divers modes de mise en oeuvre de l'invention, les moyens suivants pouvant être utilisés seuls ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles, sont mis en oeuvres - le dispositif de mémorisation est un module de mémoire flash; - le dispositif de mémorisation est un disque dur - le dispositif de mémorisation est une disquette; - la carte comporte en outre sur chaque voie, entre l'entrée et l'amplificateur, un filtre passe bande; - la carte comporte en outre sur chaque entrée un réseau d'adaptation à l'impédance du capteur correspondant - le réseau d'adaptation est amovible afin de permettre une adaptation manuelle lors d'un changement de capteur; - moyen permettant le paramétrage conditions d'enregistrement permet en outre de sélectionner nombre de cycles d'enregistrements supérieur ou égal à un et une valeur de pause supérieure ou égale à zéro, ladite valeur de pause correspondant à un intervalle de temps de pause entre deux enregistrements; - moyen permettant le paramétrage des conditions d'enregistrement comporte en outre un test de paramétrage afin de détecter et d'informer un utilisateur que les paramètres sélectionnés aboutissent à une saturation du dispositif de mémorisation; - l'unité de pilotage est un module informatique du type compatible PC avec au moins une interface de type PCMCIA pour un module de mémoire flash de type PCMCIA; - l'enregistreur comporte trois voies analogiques; - gain est programmable; - gain est programmable par pas de 6 dB entre 0 dB et 102 d B; - l'enregistreur comporte un moyen informant l'utilisateur que la carte 'acquisition et de conversion est saturée; - la fréquence d'acquisition est programmable; - la fréquence d'acquisition est programmable entre 50 Hz et 250 Hz; la résolution du convertisseur analogique numérique est programmable; la résolution du convertisseur analogique numérique est comprise entre 8 et 32 bits; la résolution du convertisseur analogique numérique est de 24 bits; - l'interface utilisateur comporte pour l'entrée d'informations, 3 boutons poussoirs, le même bouton ayant des fonctions différentes en fonction d'un contexte visualisé; - l'interface utilisateur comporte pour la visualisation un afficheur alphanumérique; - l'interface utilisateur comporte pour la visualisation un afficheur alphanumérique à cristaux liquides; - l'interface utilisateur comporte pour la visualisation, dans le cas où un préchauffage est prévu suite à la mise en marche de l'enregistreur, une diode électroluminescente de préchauffage activée pendant un temps prédéfini de stabilisation thermique; - l'interface utilisateur comporte pour la visualisation une diode électroluminescente de saturation activée lorsqu'un signal sature la carte d'acquisition et de conversion; - l'interface utilisateur comporte pour la visualisation, dans le cas ' un moyen de courcircuitage des capteurs est disposé dans la carte d'acquisition et de conversion, une diode électroluminescente de décourcircuitage de capteur activée lorsque le signal provient des capteurs; l'interface utilisateur comporte pour la visualisation diode électroluminescente activée lorsque l'enregistrement s'effectue; l'enregistreur comporte à titre d'interface utilisateur soit afficheur alphanumérique, soit au moins une diode électroluminescente; l'interface utilisateur comporte pour l'audition, un générateur de sons, le générateur étant au moins activé lorsqu'un enregistrement ou un cycle d'enregistrement est terminé; dans le cas où un préchauffage est prévu, l'enregistreur comporte des moyens afin qu'un enregistrement ne puisse être réalisé qu'après le temps prédéfini de stabilisation thermique, acquisitions sans enregistrement étant toutefois possibles avant la fin du temps prédéfini afin de déterminer pendant cette période les paramètres de fonctionnement. L'enregistreur selon l'invention peut-être utilisé par un personnel non spécialisé, l'appareil étant d'un coup réduit et d'un maniement aisé. L'analyse des données est effectuée sur un équipement informatique externe, les données étant transmises, stockées, dans dispositif de mémorisation qui, dans un mode de mise en oeuvre préféré, est un module de mémoire flash PMCIA. La présente invention sera mieux comprise à la lecture suit d'un exemple non limitatif de mise en oeuvre de l'invention la figure 1 représente schématiquement un enregistreur. Sur la figure 1, l'enregistreur 1 comporte une carte d'acquisition de conversion analogique numérique 2, une interface utilisateur 3, un module de mémoire flash amovible 4, une unité de pilotage 5 et une source d'alimentation 6 autonome. source d'alimentation 6 autonome peut-être une pile ou batterie rechargeable. Elle assure l'alimentation des différents éléments de l'enregistreur 1. Dans exemple de réalisation, l'enregistreur 1 est relié trois capteurs 7,8,9 sismologiques. Les dispositifs de liaison entre l'enregistreur et les capteurs sont des connecteurs multibroches permettant la connections de capteurs passifs ou actifs. Pour derniers, des broches d'alimentation sont prévues dans les connecteurs. Les signaux en provenance desdits capteurs sont reçus par la carte 2 et traités sur trois voies analogiques correspondantes. Chaque voie analogique comporte un dispositif 10 destiné à permettre la mise en court-circuit de l'entrée correspondante, un réseau d'adaptateur d'impédance 11 permettant d'optimiser transfert du signal entre le capteur et l'enregistreur. Dans un mode évolué de mise en ceuvre de l'invention, l'adaptateur d'impédance 11 sera un module amovible ou comportant des composants amovibles permettant une adaptation optimale d'impédance en de changement de type de capteur, le module ou le/les composants étant changés. II est également envisagé que certaines broches des connecteurs soient reliées à des réseaux d'adaptation d'impédance spécifiques permettant automatiquement l'adaptation en fonction du capteurs, actif ou passif par exemple, par simple connexion utilisant des connecteurs terminaux spécifiques d'un type capteur. Dans une autre forme de mise en oeuvre de l'invention dispositif de courcircuitage est omis. C'est en particulier le cas l'on souhaite utiliser des capteurs actifs qui ne supportent pas le courcircuitage de leurs sorties. Ici également certaines broches connecteurs pourront être reliées à un moyen de courcircuitage alors d'autre ne le seront pas permettant ainsi d'utiliser indifféremment des capteurs passifs pouvant être courcircuités des capteurs actifs ne devant pas l'être. Entre les deux types de capteurs connexions au niveau de leurs connecteurs terminaux seront donc différentes. Chaque voie comporte également un amplificateur 13 à gain programmable ainsi qu'un filtre passe bas 14. Le filtre 14 est destiné à éviter le phénomène de repliement spectral au cas où signal analogique d'entrée comporterait des composantes fréquentielles supérieures ou égale à la moitié de la fréquence d'échantillonnage du convertisseur analogique numérique dispose en sortie de la carte 2. Entre chacun des filtres 14 et convertisseur analogique numérique 16 est disposé un multiplexeur 15 permettant de sélectionner la voie analogique à convertir. interface 3 comporte un affichage alpha numérique 17 type à cristaux liquides, des boutons poussoirs 18, 19 et destinés à permettre l'entrée d'informations, des diodes électroluminescentes 21, 22, 23 et 24 destinées à l'affichage d'informations particulières et un générateur de son 25. L'entrée d'informations par l'intermédiaire de l'interface 3 est possible grâce à l'interaction de l'afficheur 17 et/ou des diodes électroluminescentes avec les boutons 18, 19 et 20. La fonction chacun des boutons dépend d'informations affichées sur l'afficheur 17 et/ou par des diodes électroluminescentes. Dans une forme moins évoluée de l'invention, l'enregistreur comportera à type d'interface de visualisation seulement des diodes électroluminescentes au nombre d'au moins une et dans une autre forme seulement un afficheur alphanumérique. L'unité 5 est préférentiellement un module informatique du type compatible PC comportant une interface PCMCIA pouvant accepter un module 4 de mémoire flash. L'unité 5 comporte une horloge sauvegardée pouvant être remise à l'heure et à jour par l'intermédiaire de l'interface 3. Des informations temporelles peuvent être utilisées lors de l'enregistrement des données dans le module flash. Dans l'exemple de réalisation, le convertisseur analogique numérique 16 est un convertisseur 24, bits et de fréquence d'acquisition programmable entre 50 et 250 Hertz. Dans le cadre de l'invention ' est envisagé un convertisseur de résolution moindre ou supérieure ainsi que d'autres fréquences d'échantillonnage. Chacun des amplificateurs 13 est programmable, le gain pouvant être sélectionné entre 0 et 102 décibels, soit automatiquement par un moyen compris dans le programme de l'unité de pilotage, soit manuellement par l'intermédiaire de l'interface . Dans le cadre de l'invention il est envisagé d'autres valeurs de gain. La sélection automatique du gain effectue par des acquisitions sans enregistrement et par modification progressive, linéaire ou par sauts, du gain jusqu'à saturation, le gain sélectionné étant alors choisi en dessous gain ayant provoqué la saturation. Dans un autre mode automatique, le gain sélectionné est calculé à partir d'acquisitions à un gain n'ayant pas provoqué de saturation. Le programme de l'unité 5 comporte également des moyens permettant le préchauffage de l'enregistreur, l'enregistrement étant impossible pendant le temps de préchauffage. II cependant envisagé que pendant le temps de préchauffage il soit possible de sélectionner le gain des amplificateurs 16 des voix analogiques afin de déterminer plus rapidement quel gain peut être utilisé sans saturation excessive. II est également envisagé dans le cadre de l'invention que l'enregistreur soit opérationnel dès sa mise en marche, c'est à dire que l'étape de préchauffage pour stabilisation thermique des circuits soit omise. Ceci peut être obtenu par utilisation de composants à faible dérive thermique et/ou par correction logicielle et/ou en considérant la dérive comme négligeable. II est également envisagé que la carte d'acquisition et de conversion comporte un moyen d'autocalibrage, une source de tension de référence pouvant être injectée dans les circuits analogiques dans une phase de calibrage. L'enregistreur réalisé comporte une alimentation par batteries d'environ 12 Volts avec possibilité de recharge externe, 3 voies analogiques à entrées différentielles, un convertisseur analogique numérique de 24 bits Delta Sigma. La résolution maximale peut cependant varier en fonction de la fréquence d'acquisition. La dynamique de l'enregistreur est de 108 dB à la fréquence d'acquisition de 100 Hz et 90 dB à 250 Hz. La fréquence d'acquisition est programmable et peut, par exemple, être sélectionnée selon cinq valeurs: 50, 100, 125, 200, 250. Dans un autre mode de mise en ceuvre fréquence d'acquisition peut être choisie comme un multiple de la fréquence du réseau d'alimentation électrique alternatif du site afin d'augmenter la réjection de possibles bruits réseau. Le programme de fonctionnement permet sélectionner la durée des enregistrements entre 1 minute et 60 minutes. A la fin de l'enregistrement un signal sonore émis par l'interface utilisateur afin de permettre l'audition informer l'utilisateur de la fin de l'enregistrement. Dans le mode de fonctionnement cyclique, la durée de pause entre deux enregistrements peut être sélectionnée entre 1 heure et 12 heures. Pendant l'enregistrement, le programme de fonctionnement peut afficher le temps restant, le niveau d'entrée et/ou la saturation et/ou le nombre de points correspondant à une saturation sous forme numérique et/ou graphique absolue ou en pourcentage. Le programme de fonctionnement comporte également des moyens de détection du niveau de l'alimentation électrique afin de prévenir l'utilisateur d'une baisse de niveau puis, si le niveau ne remonte pas et/ou continue à baisser, pour mettre en veille à faible consommation l'enregistreur voire l'arrêter totalement. L'interface utilisateur comporte 3 boutons poussoirs 18, 19, 20 permettant d'entrer toutes les informations necessaires au fonctionnement de l'enregistreur. La fonction de chacun des boutons est fonction d'un contexte affiché. Par exemple le bouton servant au démarrage d'une acquisition ou cycle sert egalement à l'arrêter, si besoin est, par un appui prolongé. Dans le cas d'une utilisation pour microzonage, les données brutes acquises sont stockées. II n'est pas necessaire de compresser les données comme dans le cas des stations sismologiques classiques pour lesquelles les enregistrements doivent être effectués sur de longues périodes. II est ainsi possible stocker sur une carte à mémoire flash de 20 M octets environ 6 heures de données à 100 Hz. Le programme de fonctionnement peut également comporter des moyens permettant d'afficher le taux d'utilisation de la mémoire flash. Les données brutes sont stockées dans la carte flash dans un format de fichier compatible PC et de préférence en ASCII. REVENDICATIONS . Enregistreur (1) de données numériques autonome bruit de fond d'un site, ledit enregistreur recevant lesdites données de capteurs (7, 8, 9) sismologiques, lesdits capteurs fournissant au moins un premier type de données H et un deuxième type de données V sous forme de signaux analogiques, ledit enregistreur comportant - une carte (2) d'acquisition et de conversion analogique numérique selon fréquence d'acquisition, ladite carte comportant moins deux voies analogiques et une sortie numérique, chaque voie analogique comportant une entrée, un amplificateur (13) de signaux analogiques à gain programmable et un filtre (14), ledit filtre comportant au moins une fonction passe bas, un multiplexeur (15) analogique étant disposé entre les filtres (14) et un convertisseur analogique numérique (16), chaque capteur étant relié à une voie spécifique; - une interface (3) utilisateur permettant la visualisation (17, 21, 22, 23, 24), et l'entrée (18, 19, 20) d'informations, caractérisé en ce ' comporte en outre: - dispositif de mémorisation (4) amovible pour le stockage des données, - une unité (5) de pilotage comportant un programme de fonctionnement, ledit programme comportant un moyen permettant le paramétrage des conditions d'enregistrement, l'enregistrement et l'avertissement de la fin d'enregistrement, le paramétrage des conditions de fonctionnement par l'intermédiaire de l'interface utilisateur permettant au moins de sélectionner le gain, la fréquence d'acquisition et la durée de l'enregistrement. . Enregistreur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la carte comporte en outre sur chaque voie, entre l'entrée et l'amplificateur, un filtre (12) passe bande. . Enregistreur selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la carte (2) comporte en outre sur chaque entrée réseau (11) d'adaptation à l'impédance du capteur correspondant, ledit réseau étant amovible afin de permettre une adaptation manuelle lors d'un changement de capteur. Enregistreur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen permettant le paramétrage des conditions d'enregistrement permet en outre sélectionner un nombre de cycles d'enregistrements supérieur égal ' un et une valeur de pause supérieure ou égale à zéro, ladite valeur de pause correspondant à un intervalle de temps de pause entre deux enregistrements. . Enregistreur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen permettant paramétrage des conditions d'enregistrement comporte en outre test paramétrage afin de détecter et d'informer un utilisateur que les paramètres sélectionnées aboutissent à une saturation du dispositif de mémorisation. 6. Enregistreur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'unité de pilotage est un module informatique du type compatible PC avec au moins une interface type PCMCIA pour un module de mémoire flash de type PCMCIA. Enregistreur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le gain est programmable et la fréquence d'acquisition est programmable. Enregistreur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'interface utilisateur comporte - pour l'audition, un générateur de sons, le générateur étant moins activé lorsqu'un enregistrement ou un cycle d'enregistrement est terminé; - pour l'entrée d'informations, 3 boutons poussoirs, le même bouton ayant des fonctions différentes en fonction d'un contexte visualisé. 9. Enregistreur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'interface utilisateur comporte pour la visualisation un afficheur alphanumérique. 10. Enregistreur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'interface utilisateur comporte pour la visualisation au moins une diode électroluminescente.