Kan några sekunders varning vara tillräckligt för att mildra förödelsen av en förestående jordbävning? Små sensorer som utvecklas i ett Simon Fraser University-labb kan hjälpa till att ge en förebyggande upplösning, tillräckligt för att säkra kritisk infrastruktur, såsom broar eller kraftledningar, och potentiellt rädda liv.

Forskare vid professor Behraad Bahreynis Intelligent Sensing Laboratory vid SFU:s Surrey campus skapar ultrakänsliga accelerometrar – små mikrosystem (mindre än 1 cm) ² ) som kan fånga de mest känsliga seismiska aktiviteterna.

"När en jordbävning inträffar, dess ljud, i form av seismiska tryckvågor, färdas snabbare än de destruktiva landrörelserna, " förklarar Bahrenyi. "Känsligheten hos dessa enheter är sådan att de kan plocka upp tryckvågorna som produceras av en jordbävning innan den slår till. Detta kan påverka resultatet av en sådan katastrof."

Bahrenyi säger att de höga kostnaderna för befintliga seismiska sensorer begränsar deras användning till väldigt få platser, kopplade till de viktigaste delarna av infrastrukturen. "Några sekunder till minuter av heads-up-varning till allmänheten kan drastiskt minska de negativa effekterna av en jordbävning, både när det gäller att rädda liv och även att skydda infrastrukturen."

Bahreynis labb började utveckla sina accelerometrar som en lösning för att göra undervattensonarsystem mer kompakta och kostnadseffektiva. Forskarna samarbetade med Halifax-baserade Ultra Electronics Maritimes Systems, som gav finansiering för att utveckla ekolodssystem för hotdetektering under vattnet med förbättrade försvars- och säkerhetsförmågor.

"Vi försökte utveckla billigare, mer kompakta produkter som skulle uppfylla stränga prestandakrav och som också skulle kunna bestämma ljudvågornas riktning och amplitud, säger Bahreyni, docent vid SFU:s School of Mechatronic Systems Engineering (MSE). Under de senaste två decennierna har han utvecklat sensorer och avkänningssystem för både akademi och industri.

Bahreyni insåg snart att den högpresterande, mikrobearbetade accelerometrar som testas och utvecklas i hans laboratorium kan ha ytterligare tillämpningar för att upptäcka ljudvågor. Detta gäller lågfrekventa seismiska trycksignaler från jordbävningar, eller högfrekventa vibrationsmönster längs rörledningar, orsakas av små ljud från gasläckor.

Forskningen har lett till ett nystartat företag, axSense Technologies, som fick priset BC Tech Association i 2017 års BC Innovation Councils New Ventures teknologitävling.

Hur det fungerar

Apparaterna tillverkade av Bahreynis grupp mäter hur liten "seismisk massa" gjord av kisel förskjuts, på grund av yttre vibrationer, med exakt elektronik.

Siffrorna är häpnadsväckande:vid sin gräns mäter sensorn seismiska massförskjutningar i storleksordningen 1/10, 000:e av diametern på en väteatom.

Sensorn kan upptäcka ljudet av en val som ringer från 60 miles bort. För att realisera den seismiska massan och inställningen för att känna av dess förskjutningar, gruppen använder de avancerade mikrotillverkningsanläggningarna vid SFU:s 4D LABS.

Företagets accelerometrar har en ljudnivå 20 gånger bättre än vad som finns tillgängligt idag, och en bandbredd fyra gånger bättre än nuvarande produkter. Bahreyni är övertygad om att de första prestandamåtten i sitt slag som tillskrivs dessa accelerometrar har potential att göra axSense, och dess olika tillämpningar, en marknadsledare.

SFU-labbet anses vara Kanadas ledande forskningslaboratorium med fokus på material, enheter och system för olika avkänningsapplikationer. Bahreyni säger att det har krävt precisionsdesign för att nå sådana höga prestandanivåer, och optimering av process och system på alla nivåer, från material till signalbehandling.

"Vi var tvungna att utveckla nya metoder, bara för att testa enheterna, " noterar han. Typiska accelerometrar mäter ner till "milli-g-intervallet." Bahreyni säger även om det är mer än tillräckligt för dagliga tillämpningar, det är långt ifrån vad som behövs för att på ett adekvat sätt fånga upp en ljudsignal, noterar att hans accelerometrar mäter ungefär "tusen gånger" bättre än den genomsnittliga enheten.

Han berömmer sitt studentteam för att ha bidragit med stark mekanisk, elektronisk, och designfärdigheter för att designa och testa enheter. Laboratoriets team, som inkluderar postdoktorn Soheil Azimi och Fatemeh Edalatfar, arbetar också med att skapa lösningar för människa-robot-gränssnitt, inklusive sensorer för att hjälpa robotar att se och följa människor utan behov av videokameror, nano-enheter för miljöövervakning, och maskininlärningstekniker för att förbättra sensorsignaler.

Bahreyni, som har skrivit mer än 100 tekniska publikationer och har fem patent, säger att hans labb fortsätter att främja forskning med industripartners inom fordonsindustrin, försvars- och telekommunikationssektorerna. Han räknar med att marknadsföra sina accelerometrar under de närmaste åren.