aggiornamento dispositivo di calibrazione per l'acquisizione digitale dati dei pendoli della grotta gigant

Benedetti, Paolo

Braitemberg, Carla

Romeo, Giovanni

Spinelli, Giuseppe

Taccetti, Quintilio

Earth-prints Repository

Dispositivo di calibrazione per il digitalizzatore della Grotta Gigante 
 
 
Giuseppe Spinelli¹ 
Paolo Benedetti¹ 
Carla Braitemberg² 
Giovanni Romeo¹ 
Quintilio Taccetti¹ 
 
(1) Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia 
(2) Dipartimento di Geoscienze, Università di Trieste (DIGeo, ex DST) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   
Indice 
Introduzione 5 
1 L’installazione della Grotta Gigante 6 
2 Scopo del dispositivo montato nella grotta    7 
3 Principio di funzionamento del circuito elettronico    8 
4 Schema elettrico e caratteristiche tecniche del circuito               9 
5 Programmazione della MCU e comandi al dispositivo             11 
6 Calibrazione e funzionamento a regime del rivelatore CCD             12 
Bibliografia  13 
   
   
 Introduzione 
La Grotta Gigante nel Carso Triestino è una cavità naturale di eccezionali dimensioni. Ha una forma simile 
ad un ellissoide di 130 metri di lunghezza, 65 metri di larghezza e 107 metri di altezza, con un volume di 600 
mila mc. Dalla sommità della volta due lunghi fili di tungsteno arrivano fino al suolo e rappresentano la 
sospensione dei più lunghi pendoli orizzontali di tipo Zöllner (94 m) esistenti, con un periodo proprio di 6 
minuti ed un’amplificazione angolare di 5 ordini di grandezza [Zöllner, 1872; Marussi, 1960]. Questi 
pendoli, digitalizzati otticamente, sono utilizzabili per studi geodetici e sismologici [Romeo, 2000; 
Braitenberg et al., 2006]. 
 
Il presente lavoro descrive un sistema di calibrazione, necessario per verificare periodicamente la 
condizione dei digitalizzatori ottici.  
 
A)
B)
C)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1. Schema di installazione in (C) dei pendoli Zöllner della grotta gigante [Braitenberg et al., 2010].  
In (A) è rappresentato schematicamente uno spaccato della grotta con uno dei due pendoli installati, 
naturalmente il disegno non è in scala. In (B) sono visibili le due lunghe camicie di protezione che 
circondano le sospensioni dei pendoli.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   5
 1. L’installazione della Grotta Gigante 
I pendoli geofisici della Grotta Gigante sono la più grande installazione del genere al mondo. Con una 
distanza totale di 95 m tra upper e lower mounting (figura 1C) ed un momento di inerzia di 306 *10^6 
g/cm^2 i pendoli offrono un’amplificazione angolare statica (rapporto tra l’angolo assunto dall’asta del 
pendolo in funzione dell’angolo di amplificazione del terreno) dell’ordine di 25000, mentre il periodo 
proprio di oscillazione è dell’ordine di 360 s. Queste caratteristiche mostrano come questi strumenti possano 
essere usati indifferentemente per uso sismologico e geodetico. I due pendoli, con caratteristiche 
paragonabili, sono disposti in modo da registrare sollecitazioni nella direzione NS e EW.  
 
Dal 2004 la posizione dei pendoli è rilevata otticamente da due rivelatori PSD (PoSition Detector) 
[Braitenberg et al., 2010]. Questi  provvedono a misurare l’angolo di rotazione dei pendoli tramite un raggio 
laser riflesso da uno specchio (figura 1C) che ruota insieme all’asta del pendolo. Il segnale digitale così 
ottenuto viene registrato localmente su un PC accessibile in rete. La figura 2 mostra uno dei due rivelatori 
PSD presenti all’interno della grotta. Si intravede il riflesso rosso del raggio laser che lo colpisce. 
 
Figura 2. Rivelatore PSD. Il rivelatore, in una scatola stagna, contiene il rivelatore un processore che 
condiziona l’uscita e produce un segnale seriale per il collegamento al calcolatore d’acquisizione. La feritoia 
nera è l’ingresso ottico dove incide la luce laser riflessa dal pendolo. 
 
Il sistema di calibrazione descritto non calibra i pendoli, ma solo il sistema ottico ed elettronico di 
acquisizione.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   6
 2. Scopo del dispositivo montato nella grotta 
Il dispositivo presentato in questo rapporto tecnico ha lo scopo di rendere possibile la calibrazione ed 
il reset dei digitalizzatori da remoto. Questo garantisce la validità dei dati per le lunghe serie temporali 
durante le quali ci si può attendere una deriva dei componenti elettronici (parte dell’elettronica dei PSD è 
analogica). Ciò appare particolarmente utile se si considera che, a causa della loro locazione, gli strumenti 
non sono facilmente accessibili. Il dispositivo in questione è costituito essenzialmente da due parti:  
• Un generatore di marche ottiche ottenuto con quattro laser, con distanza reciproca fissata 
meccanicamente. 
• un circuito dotato di microcontrollore che gestisce tutte le operazioni di calibrazione e reset 
Il principio su cui si basa il sistema è semplicissimo: il calibratore proietta dei punti di luce a distanza 
reciproca rigorosamente costante, il valore delle posizione viene acquisito e le distanze misurate sono usate 
per produrre i fattori per la correzione dei dati provenienti dal pendolo. Naturalmente è necessario lo 
spegnimento dei laser di misura e l’accensione sequenziale dei laser di calibrazione. Il dispositivo permette 
di rimuovere l’alimentazione dai rivelatori, nel caso si presenti la necessità di un reset da remoto.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Optical sensor
Measurement laser
Calibration lasers
Pendulum arm
Pendulum mirror
Measurement beam
calibration beam
Figura 3. L’assemblaggio del sistema ottico comprendente i laser di calibrazione.   
 
La figura 3 mostra la fotografia (un singolo canale) del digitalizzatore completo del sistema di 
calibrazione. I segmenti rossi simboleggiano il percorso della luce laser. In condizioni di funzionamento 
normale il measurement laser emette un fascio che incide sullo specchio del pendolo (pendulum mirror) e 
viene riflesso verso il PSD (optical sensor). In condizioni di calibrazione il laser di misura viene spento e 
vengono accesi e spenti, consecutivamente i quattro laser di calibrazione. Le distanze reciproche dei laser 
sono determinate meccanicamente. Non è necessaria una precisione assoluta di queste distanze, quanto la 
loro stabilità nel tempo.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   7
 3. Principio di funzionamento del circuito elettronico 
Lo schema a blocchi del circuito è rappresentato in figura 4. Esso opera essenzialmente interpretando i 
comandi provenienti dalla linea seriale ed attivando l’alimentazione di 12 dispositivi, 4 laser di calibrazione 
NS, 4 laser di calibrazione EW, i due laser di misura NS e WS, due digitalizzatori ottici. La calibrazione di 
un digitalizzatore avviene spegnendo il laser di misura corrispondente e accendendo consecutivamente i 
quattro laser di calibrazione.  
m
ic
ro
pr
oc
es
so
r
POWER
}
}
NS calibration
laser
EW calibration
laser
EW laser
NS laser
EW  digitizer
NS  digitizer
5
9
4
8
3
7
2
6
1
3-wires rs232
interface
 
Figura 4. Lo schema a blocchi del sistema di calibrazione. Un microprocessore interpreta dei comandi 
attraverso un’interfaccia seriale (RS-232) ed aziona opportunamente una serie di interruttori (a relè o a stato 
solido).  
 
Gli interruttori usati per i laser sono dei transistor bipolari, mentre per l’interruzione 
dell’alimentazione dei digitalizzatori sono stati preferiti dei relé, per motivi di isolamento galvanico. Il 
processore che governa il dispositivo è un PIC1684, programmato con un compilatore Pascal. La linea 
seriale è collegata al computer di acquisizione, già in rete, e permette ad un operatore remoto di controllare il 
dispositivo.   
 
Il computer trasmette il comando (di calibrazione e/o di reset). Questo comando viene interpretato 
dalla MCU che a sua volta comanda i laser di calibrazione e/o i relé di reset. La MCU, inoltre, trasmette al 
computer un messaggio che il computer visualizza sullo schermo. Questo messaggio informa l’utente sul 
buon esito o meno del comando da lui lanciato.   
 
 
 
 
 
 
   8
Il regolatore di tensione U17 fornisce i livelli di alimentazione per il microcontrollore PIC16F877A 
(J9) e per tutti i componenti elettronici del circuito. Il regolatore riceve in ingresso, attraverso il connettore 
J10,  una sorgente di tensione esterna di 12V e fornisce in uscita i 5V necessari per il corretto funzionamento 
del circuito. Il connettore JP7 consente la programmazione del microcontrollore; il connettore JP6, insieme 
con il MAX3232, viene utilizzato per la comunicazione bidirezionele MCU-PC. Il microcontrollore 
PIC16F877A utilizza i pin 19, 20, 21, 22 per comandare il gruppo laser 1; i pin 35, 36, 37, 38 per comandare 
il gruppo laser 2; i pin 27, 28 per comandare il laser di misura 1 ed il laser di misura 2; i pin 33, 34 per 
interrompere l’alimentazione tramite il relé 1 ed il relé 2. Nella figura 6 viene riportato lo schema elettrico 
del circuito in esame. 
 Figura 5. Circuito che gestisce la calibrazione ed il reset dei digitalizzatori da remoto. 
 
   9
La figura 5 presenta una foto del circuito in esame. In primo piano si notano il microcontrollore ed i 
due relé. All’esterno della scatola si possono vedere i cinque bocchettoni utilizzati per raggruppare azioni e 
comandi dello stesso tipo. A partire da sinistra abbiamo: il connettore 1 per  alimentazione ed interfaccia 
seriale, il connettore 2 per gli NS calibration lasers, il connettore 3 per i relé, il connettore 4 per gli EW 
calibration lasers, il connettore 5 per i laser di misura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4. Schema elettrico e caratteristiche tecniche del circuito 
    10
C21
100nF
JP7
HEADER 5X2
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
0
R8 1k
+
C17
330nF
VCC
0
Q11
BC337
C20
100nF
C19
100nF
R34 1k
<------>   PC
VCC
Q4
BC337
+
C16
330nF
+ C18
330nF
Q2
BC337
C30
15pF
VCC
R11 1k
R29 1k
U8 MAX3232
13
8
11
10
1
3
4
5
2
6
12
9
14
7
16
15
R1IN
R2IN
T1IN
T2IN
C+
C1-
C2+
C2-
V+
V-
R1OUT
R2OUT
T1OUT
T2OUT
VCC
GND
laser
misura
1
0
+12V
Q7
BC337
laser
1.2
DATA (RB7/PGD)
R6
1.2k
C22
330nF
R5 4.7k
R21
1k
0
J6
CON2
1
2
Y1
4MHz
R37
47K
R7
1k
J7
CON2
1
2
R16
1k
0
0
R32 1k
0
0
0
VCC
SW1
M
A
N
U
A
L
 
R
E
S
E
T
laser
misura
2
0
JP8
HEADER 5X2
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
AL PIC  -->
RE1
RELAY SPDT
6
42
8
1
Q3
BC337
R20 1k
R19
1k
-->  TX  DEL  PIC
laser
1.1
R31
10K
J15
CON2
1
2
D3
1N4148
laser 1.3
0
<--  RX  AL  PIC
laser 1.4
laser 2.1
CLK (RB6/PGC)
R24
1k
MCU RESET (Vpp)
R26 1k
R38
47K
R12
1k
R4
1.2k
R3 4.7k
VCC
J11
CON2
1
2
+12V
R27
1k
Q10
BC337
R30
1k
Alimentazione
Reset 2
0
J9
PIC16F877A
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
0
R28
1k
+
C15
47nF
0
VCC
VCC
Q8
BC337
0
Q9
BC337
0
R14 1k
+12V
Alimentazione
Reset 1
0
VCC
Q6
BC337
VCC
0
R36
47K
0
VCC
0
0
U17 LM7805CT
1 3
2
IN OUT
G
N
D
0
J8
CON2
1
2
0
J13
CON2
1
2
0
laser 2.4
R25
1k
0
R9
1k
R23 1k
+12V
In-Circuit Serial
  Programming
0
R18
1k
+12V
0
D1
1N4148
J4
CON2
1
2
0
0
R13
1k
00
laser 2.3
0
0
R22
1k
J3
CON2
1
2
R10
1k
VCC
VCC
0
+12V
0
R15
1k
0
J2
CON2
1
2
0
0
C31
15pF
0
J10
CON2
1
2
J5
CON2
1
2
VCC
R35
1k
0
0
Q13
BC337
Q12
BC337
RE2
RELAY SPDT
6
42
8
1
D2
1N4148
R17 1k
C23
100nF
VCC
R33
1k
laser 2.2
VCC
J14
CON2
1
2
J12
CON2
1
2
VCC
Q5
BC337
 
Figura 6. Schema elettrico del circuito.
 5. Programmazione della MCU e comandi al dispositivo 
Il microcontrollore che appare in figura 6 può essere programmato attraverso un PICflash2 
programmer collegato al connettore JP7. Il PICflash programmer si comporta sia come ICSP (In-Circuit 
Serial Programmer) che come ICD (In-Circuit Debugger). 
 
Una volta lanciato, il programma si pone in attesa di comandi dalla seriale (9600baud, nessuna parità, 
8 bit,1 stop bit). Il comando accettato dalla tastiera è del tipo: @k#, dove @ è il carattere di inizio stringa, # 
il carattere di fine stringa; k determina il tipo di azione e può assumere i seguenti valori: 
• a: rele_1 
• b: rele_2  
• c: rele_1 e rele_2 
• 1: laser_1_1  
• 2: laser_1_2  
• 3: laser_1_3  
• 4: laser_1_4 
• 5: laser_2_1  
• 6: laser_2_2  
• 7: laser_2_3 
• 8: laser_2_4 
• m: laser di calibrazione 1_1 e 2_1 
• n: sequenza laser calibrazione 1 
• o: sequenza laser calibrazione 2 
• p: tutti i laser di calibrazione in sequenza 
• q: laser di calibrazione on 
• r: laser di calibrazione off 
• s: spegni laser di misura 1 
• t: spegni laser di misura 2 
• u: accendi laser di misura 1 
• v: accendi laser di misura 2 
 
Il programma ha un tempo massimo per la ricezione di un comando corretto. Una stringa non chiusa in 
un tempo ragionevole viene ignorata. Se viene ricevuto un comando non corretto il dispositivo lo segnala e 
scrive la legenda dei comandi possibili e del loro significato. Il programma tiene al corrente l’operatore del 
buon esito dell’operazione. 
 
Di seguito il log di una seduta per la calibrazione di un digitalizzatore (in nero il comando lanciato 
dall’operatore tramite linea seriale, in rosso l’eco ricevuto sul terminale con cui l’operatore viene informato 
sul comando da lui lanciato): 
  @s# 
  Spegni il laser di misura 1 
  @n# 
  In sequenza laser calibrazione: laser 1.1 laser 1.2 laser 1.3 laser 1.4 
  @u#  
  Accendi il laser di misura 1 
N.B. 
Il comando @n#, che determina l’accensione in sequenza dei quattro laser di calibrazione, produce il grafico 
mostrato nella successiva figura 7. 
 
 
 
 
 
 
 
   11
 6. Calibrazione e funzionamento a regime del rivelatore CCD 
Durante la calibrazione i laser di misura vengono spenti e vengono accesi i laser di calibrazione che 
producono 4 letture fisse. La distanza tra le marche dipende dalla costruzione meccanica e dalla costruzione 
dei laser, ma è comunque costante nel tempo e, una volta presa come riferimento la prima lettura, eventuali 
variazioni nelle letture successive saranno da imputare ad una variazione della risposta del digitalizzatore.  
Nella figura 7 sono mostrati due diagrammi relativi alla calibrazione nelle direzioni EW ed NS.  
 
 
Figura 7. Segnale digitale trasmesso dai due Rivelatori CCD.  
 
I grafici mostrano il segnale digitale trasmesso dal rispettivo rilevatore CCD prima, dopo e durante la 
calibrazione. In condizioni normali (senza forti terremoti in corso) nella scala del diagramma il segnale dei 
pendoli appare come un segmento orizzontale: troppo breve per evidenziare le maree e troppo poco risoluto 
per evidenziare il segnale sismico. Il segnale cambia invece durante la calibrazione che viene ottenuta 
accendendo in sequenza quattro laser ognuno dei quali colpisce il rivelatore in un punto diverso da quello 
dove lo colpiscono gli altri tre laser. Ciò viene evidenziato dai quattro scalini presenti sul grafico in quanto 
ogni scalino corrisponde al punto in cui ciascuno dei quattro laser colpisce il rivelatore.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   12
 Bibliografia 
 
Zöllner F., (1872). Zur Geschichte des Horizontalpendels.  
Ber Verh Königl Sächs Ges Wiss Leipzig Math-Phys Cl 24:183–192, Reprinted in Ann Phys Chem (1873) 
150:140–150. 
 
Marussi A., (1960). The University of Trieste station for the study of the tides of the vertical in the Grotta 
Gigante. Proceedings of the III Int. Symposium on Earth Tides, Trieste, 1960, 45-52. 
 
Romeo G., (2000). Digitization of optical lever instruments. Annali di Geofisica vol. 43 n. 3 June 2000. 
 
Braitenberg C., Romeo G., Taccetti Q., Nagy I., (2006). The very-broad-band long-base tiltmeters of Grotta 
Gigante (Trieste,Italy): Secular term tilting and the great Sumatra-Andaman islands earthquake of 
December 26, 2004. Journal of Geodynamics 41 (2006) 164–174. 
 
Braitenberg C. et al., (2010). La Stazione Geofisica Ipogea Della Grotta Gigante (Carso Triestino). 
Unpubl. Annual Report, DIGeo, Trieste, 53 pp. 
   13


Dispositivo di calibrazione per il digitalizzatore della Grotta Gigante

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Dispositivo di calibrazione per il digitalizzatore della Grotta Gigante

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