alineació automàtica d’un microsensor mitjançant...
TRANSCRIPT
Alineació automàtica d’un microsensor mitjançant un PC amb tarja d’adquisició de dades i monitorització
amb LabVIEW
TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial especialitat en Electrònica Industrial
AUTORS: Pascal Grubius
DIRECTORS: Alfonso José Romero Nevado.
Novembre del 2008.
2
Índex
Introducció . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 Motivació del projecte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Funcionament general del circuit del feix làser . . . . . . . . . . . 3 3 Funcionament del làser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 Els cristalls làser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 El sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 6 Funcionament del monocromador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 7 El lock-in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8 Especificacions del projecte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
Estudi de la solució . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1 Selecció software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 2 Selecció estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 3 Selecció mètode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
Funcionament . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 1 Cal·libració . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 2 Inici de l’anàlisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3 Càlcul de la recta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 4 Finalització . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 5 Disposició del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
Conclusions i posibilitats de millora . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
Annex I - Seguretat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Annex II - Pressupost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
Annex III – Informació adicional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3
Introducció
1 Motivació del projecte En el Laboratori de Cristal·lografia de la URV es realitzen estudis per modificar la
longitud d’ona d’un feix làser mitjançant cristalls, els quals es produeixen en el mateix laboratori.
Per realitzar aquests estudis, es mesura la intensitat d’energia del làser en un punt
concret, que és el punt de màxima incidència, el qual té una mida aproximadament de 15 micròmetres de diàmetre. Actualment, aquest punt es busca manualment consultant les lectures de l’energia del làser amb el lock-in (instrument que visualitza les mesures del sensor), invertint molt de temps per obtenir un valor fiable.
A més, a l’hora de fer l’estudi de feixos làser amb longituds d’ona elevada (λ), al ser
de molt baixa potència i invisibles a la vista, és molt dificultós buscar el punt òptim manualment.
Per aquesta raó, el grup de recerca del Laboratori de Cristal·lografia de la URV, va
proposar automatitzar la recerca del punt de màxima incidència del feix làser.
2 Funcionament general del circuit del feix làser
El feix làser que es mesura s’obté després del procés següent: - Amb un generador de làser s’obté el feix original. - Aquest feix traspassa un cristall làser, on es modifica la longitud d’ona (λ) del
feix. - Després entra en un monocromador, on es filtra el feix. - A la sortida del monocromador es busca el punt màxima de incidència pel seu
estudi. 3 Funcionament del làser Entre els diferents tipus de làsers que es poden trobar al mercat, en el Laboratori de Cristal·lografia s’utilitza un d’Estat sòlid, que és el més habitual en la indústria, medicina i aplicacions científiques. Aquest làser té el principi de funcionament següent: crea un feix de llum i, fent-lo rebotar entre dos miralls, passa diverses vegades per un cristall que l’amplifica. Quan el feix té suficient energia s’obre l’obertura de sortida.
4
Figura 1. Funcionament intern d’un làser d’estat sòlid
Aquest làser té tres rangs de sortida en aquesta etapa: 355 nm, 532 nm i 1064 nm.
Figura 2. Relació de longitud d’ona (λ) amb el tipus de radiació
En l’última etapa, el feix làser es dirigeix a l’anomenat OPO ( Optical Parametrical Oscillator ). Aquí se li dóna al làser una forma d’ona pulsatòria, en aquest cas, 10 pulsos de 7 ns de durada cada segon. També permet regular la longitud d’ona (λ), entre 355 i 2000 nm. 4 Els cristalls làser
Els cristalls làser són creats en el Laboratori de Cristal·lografia de la URV. Aquests
cristalls tenen la propietat de modificar la longitud d’ona (λ) del feix làser, habitualment augmentant-la. Segons la seva longitud d’ona (λ) es modifica la potència i color del feix, sent una longitud d’ona (λ) petita, més potent i més visible. Segons l’aplicació en que es treballi, es necessita una longitud d’ona (λ) específica.
5 El sensor
En els estudis del feix làser, habitualment utilitzarem dos tipus de sensors, depenent
si la longitud d’ona (λ) és elevada o no. Ambdós sensors es disposen en un cilindre
5
metàl·lic, d’aproximadament un pes de 500 g, un diàmetre de 7 cm en la base, i una alçada de 14 cm.
En el cas de que la longitud d’ona (λ) sigui elevada, al tenir una intensitat d’energia
molt reduida, es fa servir un sensor especial, el qual es refreda amb nitrogen líquid per eliminar el soroll tèrmic, ja que aquest soroll podria afectar de manera significativa en el procés. 6 Funcionament del monocromador
El monocromador té una funció molt important. Mitjançant la difracció es separen els diferents colors de la llum, obtenint en la sortida un feix amb l’única longitud d’ona (λ) desitjada.
Figura 3. Difracció interna d’un monocromador.
7 El lock-in
Per mesurar la potència del feix làser, es fa servir un aparell anomenat Lock-in. En aquest cas es mesura tensió, però tan sols la tensió amb la freqüència dels polsos del feix làser original, ja que aquest no és continu. El motiu de que el làser sigui en forma de polsos és per mesurar tan sols el que ens interessa, reduint el soroll.
Figura 4. Lock-in.
6
8 Especificacions del projecte Les especificacions definides per aquest projecte són les següents:
- Software de programació: Preferiblement LabVIEW, per la coneixença del mateix per part del personal tècnic del Laboratori de Cristal·lografia.
- Estructura: o L’estructura s’ha de poder moure en els tres eixos, i aquests han d’estar
motoritzats. o Una precisió molt elevada, essent l’error inferior a 10 µm, recordant que
el punt de màxima incidència té una mida mínima de 15 µm. o Capaç de suportar el pes del sensor (500 g). o Un recorregut de treball superior a 10 mm, essent aquesta distància la
mínima en que es pot acotar el punt de màxima incidència del feix làser.
- Aplicació: Temps d’execució màxim de 30 minuts.
7
Estudi de la solució
1 Selecció software L’entorn de programació proposat i utilitzat en aquest projecte és el Labview de National Instruments, versió 8. El motiu és que està especialment dissenyat pel control a través d’ordinador de qualsevol tipus d’aparell que podem trobar en un laboratori, des d’aparells habituals com oscil·loscopis i fonts d’alimentació, fins a monocromadors i lock-in. Aquest software va ser creat l’any 1976 i usa el llenguatge anomenat G. Els programes desenvolupats amb LabVIEW s’anomenen Instruments Virtuals, o VIs. Entre els seus objectius està reduir el temps de desenvolupament d’aplicacions de tot tipus i permetre l’entrada a la informàtica a programadors no experts. Això no significa que l’empresa faci únicament software, sinó que busca combinar aquest software amb tot tipus de hardware, tant propi -targetes d’adquisició de dades, PAC (Controlador d’Automatització Programable), Vision, i altre hardware- com de terceres empreses.
És usat principalment per enginyers i científics per tasques com:
- Adquisició de dades. - Control d’instruments - Automatització industrial o PAC (Controlador d’Automatització Programable) - Disseny de control - Domòtica
Entre les interfícies més comuns es troben:
- Port sèrie - Port paral·lel - GPIB - PXI - VXI - TCP/IP, UDP, DataSocket - Irda - Bluetooth - USB - OPC...
Presenta facilitats per:
- Capacitat d’interactuar amb altres llenguatges i aplicacions:
- DLL - .NET - ActiveX - MultiSim - Matlab / Simulink
8
- AutoCAD, SolidWorks, etc
- Eines gràfiques i de text pel processat digital de senyals.
- Visualització i tractament de gràfiques amb dades dinàmiques.
- Adquisició i tractament d’imatges.
- Control de moviment
- Temps Real estrictament parlant.
- Programació de FPGAs pel control o validació.
- Sincronització entre dispositius.
La seva principal característica és la facilitat d’ús, vàlid tant per programadors professionals com per persones amb pocs coneixements en programació. L’entorn permet realitzar programes relativament complexos. Entre les seves característiques és molt ràpid fer programes amb LabVIEW i qualsevol programador, per experimentat que sigui, pot beneficiar-se d’ell. Pels amants dels programes complexes, amb LabVIEW es poden crear programes de milers de VIs (equivalent a milions de pàgines de codi de text) per aplicacions complexes, programes de automatitzacions de desenes de milers de punts d’entrades/sortides, etc.
Un programa es divideix en Panell Frontal i Diagrama de Blocs. El Panell Frontal és la interface amb l’usuari, en la qual es defineixen els controls e indicadors que es mostren en pantalla. El Diagrama de Blocs és el programa pròpiament dit, on es defineix la seva funcionalitat, aquí es col·loquen icones que realitzen una determinada funció i s’interconnecten. En aquest projecte s’usaran dos tipus de comunicacions, el port USB per comunicar-se amb el controlador dels motors, i el port GPIB per les comunicacions amb el lock-in. Descripció de GPIB
GPIB (General-Purpose Interface Bus) es un estàndard de connexió que va ser dissenyat específicament para la connexió d’instruments de mesura, com poden ser generadors de funcions, oscil·loscopis, etc, amb un ordenador. Història
Va ser creat el 1965 per la companyia Hewlett-Packard, y es va popularitzar per la seva velocitat, degut a les altes tasses de transferència de dades (fins a 8 Mbytes/s). El 1975, per evitar la dispersió de característiques, els principals fabricants van acordar l’estandarizació del GPIB (IEEE 488.1), centrant-se en las característiques elèctriques y
9
mecàniques del bus. En Europa es segueix la norma IEC-625.1, que modifica el connector.
En 1978 es va revisar el document i va acabar essent adoptat àmpliament en l’indústria sota les següents denominacions:
- GPIB (General Purpose Interface Bus) - HP-IB (Hewlet-Packard Interface Bus) - IEEE 488 Bus - IEEE 488.1 (denominació posterior, al definir el IEEE 488.2).
En 1987 va tenir lloc una segona estandarització (IEEE 488.2) que va delimitar de forma més concreta la programació del GPIB, definint ordres bàsiques d’aparells, format de missatges y estats dels instruments. Es pretenia augmentar la compatibilitat entre sistemes. En canvi, aquest estàndar no va arribar a substituir l’original. De fet, avui dia segueix havent aparells que responen únicament al IEEE 488.1.
En 1990 es va adoptar el format de comandes SCPI, inclòs en al 488.2, que
estructura les ordres als aparells de forma coherent, fent possible una compatibilitat més extensa. Característiques
El bus de transmissió de dades de GPIB és de 8 bits en paral·lel, y lògica inversa amb nivells TTL estàndard (cert si el voltatge és ≤ 0.8 V y fals si el voltatge és ≥ 2.0 V). Els cables estan apantallats y els connectors tenen l’aspecte mostrat en la figura 5 i 6. Els connectors tenen dos extrems de connexió (mascle i femella) fent possible diverses estructures (bus, estrella y combinacions) tal i com es mostra en la figura. N’hi ha de dos tipus: americà (24 pins) y europeu (IEC-625.1, 25 pins).
Figura 5. Diagrama del bus de transmissió de dades de GPIB
10
Figura 6. Connector GPIB
El port GPIB conté les següents línies de transmissió d’informació:
- 3 línies pel control asíncron de la comunicació, anomenades handshake (NRFD, NDAC i DAV). Mitjançant aquestes línies es verifica la correcta transmissió de les dades, que és un dels punts forts del GPIB.
- 5 línies que s’encarreguen del control general d’interfície (ATN, IFC, REN, SRQ i EOI).
- 8 línies de transmissió de dades (DIO1-DIO8)
La resta són els punts de massa de les diferents línies.
El IEEE-488 permet que fins a 15 dispositius comparteixin un simple bus paral·lel de 8 bits, mitjançant connexió en cadena, amb el dispositiu més lent determinant la velocitat de transferència i la longitud total de la xarxa no ha d’excedir dels 20 m.
Existeixen targetes controladores GPIB per quasi tots els ordinadors presents en el mercat. En el cas concret del PC, les controladores GPIB poden connectar-se al bus ISA, PCI, PCMCIA, USB, Ethernet, Firewire, i els ports sèrie y paral·lel. Existeixen també adaptadors pels estàndards de comunicació RS-232 y RS-485. La següent figura 7 mostra una targeta controladora GPIB.
11
Figura 7 : Targeta GPIB-PCI per ordinadors PC. Principals softwares de programació per comunicación GPIB
La primera alternativa és l’ús de software propietari desenvolupat pels mateixos fabricants de l’instrument. L’avantatge d’aquests programes és que poden ser usats després de connectar-se amb els instruments, i proporcionen implementades les funcions més comuns.
Els desavantatges són evidents: al tractar-se de software tancat, tan sols pot ser
usat per la tasca per la que ha estat dissenyat, i també és molt difícil d’integrar-los amb altres programes. A continuació, tenim els principals softwares per la programació lliure en ús del port GPIB: A) Labwindows/CVI y LabVIEW de National Instruments LabWindows/CVI és un entorn de desenvolupament complet basat en ANSI C. Les característiques més importants d’aquest producte són: - Completes llibreries per la comunicació entre dispositius (port sèrie, paral·lel, GPIB, TCP/IP, etc). - Facilitat pel desenvolupament d’interfaces gràfiques adaptades als instruments de mesura (disposa d’elements per mostrar formes d’ona, commutadors, potenciòmetres, etc) - Suport pels drivers de nombrosos instruments. National Instruments també ofereix LabVIEW, que, amb la mateixa funcionalitat, està orientat a la programació gràfica. NI manté la compatibilitat amb altres compiladors de
12
propòsit general, com les diferents suites de Microsoft Visual Studio (Visual Basic, Visual C++, .NET, etc), a través del seu producte Measurement Studio. B) Matlab amb Instrument Control Toolbox Matlab, que va ser en origen un conjunt de rutines per la manipulació de matrius, ha evolucionat amb el temps per convertir-se en un entorn de programació de propòsit general amb una gran potència matemàtica i aplicabilitat en molts àmbits de la ciència i l’enginyeria, gràcies als seus mòduls d’extensió (toolboxes) de processament de senyals, control, equacions diferencials, etc. 2 Selecció de l’estructura Un cop decidit el software que s’utilitzarà per la programació de l’aplicació, és moment de recordar els paràmetres necessaris de l’estructura per obtenir resultats satisfactoris:
- Tres eixos motoritzats. - Una precisió entre 0 - 10 �m. - Motors controlables amb Labview per l’entorn amigable que posseeix. - Poder suportar el pes del sensor sense problemes. - Un recorregut de treball superior a 10 mm, per poder tenir resultats
satisfactoris.
Amb aquesta informació es van estudiar les tres següents opcions. 2.1 Fabricar l’estructura dins la URV
En un principi es va estudiar de fabricar l’estructura motoritzada en el laboratori de mecànica de la universitat. Els motors serien de pas a pas amb reductora, per augmentar la precisió, i controlats pel port paral·lel amb un programa realitzat amb l’entorn Labview.
Els motors pas a pas funcionen de manera que se’ls hi aplica un impuls elèctric i
aquest es mou un pas, d’una longitud que depèn del motor, on es queda fins que rep el següent impuls. Aquest tipus de motor és el més adequat en aquesta aplicació, ja que sempre sabem en quina posició es troba controlant el nombre d’impulsos donats, i també perquè tots els passos tenen sempre la mateixa distància. A més, entre pas i pas, el motor es queda bloquejat evitant desplaçaments no esperats a causa del pes de la l’estructura i del sensor.
A continuació es pot observar un diagrama del funcionament intern d’un motor
d’aquestes característiques:
13
Figura 8. Diagrama de funcionament d’un motor pas a pas. A més, per tal d’augmentar la precisió del motor, aquests poden posseir una
reductora, la qual implica que el motor necessitarà molts més passos per realitzar una volta completa del seu eix. Posant com exemple el motor escollit, per realitzar una sola volta és necessari un total de 6000 passos que, comparant el mateix motor però sense reductora, eren necessaris 200 passos.
Per tal de controlar aquests motors, s’utilitzen uns drivers específics, depenent
del tipus de motor i de la seva potència. En aquest cas s’ha usat un del fabricant MicroSystems Inc., que s’ajustava a les especificacions dels motors seleccionats. En l’imatge següent es pot veure el seu esquema funcional:
14
Figura 9. Esquema intern del driver usat per l’estudi
Com que el port paral·lel tan sols conté 8 bits per la transmissió de dades, es va afegir un circuit decodificador per poder controlar els tres motors independentment, ja que per cada driver eren necessaris 6 bits.
Figura 10. Esquema del circuit de control dels motors usat per l’estudi
15
Finalment, es va desestimar la seva fabricació en la URV, i es decidir comprar-la. Al buscar informació sobre estructures motoritzades es van trobar dos models que es podien ajustar a les especificacions, un de la marca Thorlabs i un altre de Standa. El grup de recerca del Laboratori de Cristal·lografia de la URV ja havia treballat amb les dues marques i amb resultats satisfactoris.
2.2 Thorlabs
Entre les diferents estructures que ens oferia la multinacional Thorlabs, el model MT3-Z6 era el que més s’adequava a les nostres necessitats, fins i tot superant amb escreix els requisits mínims. Les característiques principals subministrades pel fabricant són:
- Recorregut de treball en cada un dels eixos 12 mm. - Màxim pes vertical de 4.5 kg. - Màxim pes horitzontal de 9 kg. - Alimentació dels motors a 12 Vdc. - Avanç per volta de motor de 0.5 mm. - Precisió calculada de 40 nm. - Desviació angular <150 �rad - Velocitat màxima 0.4 mm/s. - Velocitat mínima 100 nm/s. - Encoder amb 12288 comptes/volta. Aquesta dada s’obté de multiplicar els
48 punts per volta del motor principal, per 256 punts per volta de la reductora, és a dir, cada 48 punts del motor principal avança un de la reductora, i 256 punts de la reductora avança una volta sencera, que representa un avanç de 0.5 mm de l’estructura.
- Permet el control a través de Labview mitjançant drivers suministrats pel fabricant.
Figura 11. Esbós de l’estructura del fabricant Thorlabs
Pel funcionament dels motors de l’estructura MT3-Z6 es necessari un controlador independent per a cada motor, concretament el model TDC100, mostrat en la figura 12.
16
Figura 12. Controlador TDC100.
Aquest controlador es comunica amb l’ordinador mitjançant el port USB, i permet també controlar els motors manualment gràcies a una senzilla botonera integrada.
Punts forts:
- Precisió suficient. - Màxim pes suportat superior al necessari.
Punts febles: - Tenir tres controladors, ocupant més espai i augmentant els costos. - Mida voluminosa. (Veure annex III)
2.3 Standa
Examinant el catàleg que ens ofereix el fabricant Standa, amb seu a Lituània, ens trobem en un cas similar a l’anterior, on tenim opcions molt diverses, entre les quals el model que més ens interessa s’anomena 8MT173-20. Les seves característiques principals són:
- Recorregut de treball 20 mm. - Màxim pes vertical de 2 kg. - Màxim pes horitzontal de 3 kg. - Alimentació dels motors a 12 Vdc. - Avanç per volta de motor de 0.25 mm. - Precisió de 1.25 �m. - 200 passos per volta amb un angle de 1.8º per pas. - Velocitat màxima 0.8 mm/s. - Velocitat mínima 2 �m/s. - Permet el control a través de Labview mitjançant drivers subministrats pel
fabricant.
17
Figura 13. Estructura amb els motors acoblats.
Figura 14. Motors amb la plataforma lliscadora La formació de l’estructura consta de la unió dels tres motors. Aquesta unió es formalitza amb l’ajuda de dues peces específiques (2CP173-20 i 2AB173-20).
El controlador dels motors és el model 8SMC1-USBh-B2-3, i es connecta al PC a través del port USB. Aquest model en concret porta integrats tres controladors, essent suficient un de sol. L’alimentació dels motors és a través del controlador, fet que fa que tan sols calgui un endoll lliure per l’alimentació elèctrica. Aquest controlador pot augmentar la velocitat màxima fins a 20 mm/s si s’alimenta a 40V i no a 12 V. En aquesta aplicació no es necessària una velocitat tan elevada, essent 0.8 mm/s una velocitat suficient, com es demostrarà en el següent apartat.
18
Figura 15. Controlador dels motors del fabricant Standa. Punts forts:
- Precisió òptima. - Longitud de treball més elevada que en el cas anterior. - Un sol controlador pels tres motors. - Velocitat de moviment més elevada que l’anterior proposta. - Estructura de mida més reduïda, i menys espai necessari al tenir un sol
controlador.
Punts febles: - Pes màxim suportable inferior a l’estructura de Thorlabs però suficient.
2.4 Decisió final L’opció escollida va ser el model subministrat per Standa. El motiu va ser que comparativament, en les característiques principals, Thorlabs tan sols supera al producte de Standa en la precisió, i la precisió d’aquest està dins els paràmetres considerats com excel·lents. A més, el fet de tenir tres controladors independents augmenta considerablement els costos, a part de l’espai ocupat, provocant que Standa sigui més còmode i econòmic.
19
3 Selecció del mètode En la selecció del mètode s’ha d’assegurar un error màxim de 1.25 �m (un pas del motor), i que no excedirà d’un temps aproximat de 30 minuts per realitzar tota la cerca. 3.1 Primera estratègia: El cub.
L’estratègia pensada en un primer moment va ésser fer un cub amb les mides en que es podia assegurar trobar el punt màxim, segons l’informació facilitada pel grup de recerca del Laboratori de Cristal·lografia de la URV ( 10x5x5mm / eix z,x,y ). Aquesta estratègia és la més senzilla, però per contra triga molt de temps en realitzar-se. Per calcular el temps aproximat, multipliquem el que trigaria en fer un eix x per cada punt (cada 1.25 �m, ) de l’eix y. El resultat es multiplica per cada punt en l’eix z (també cada 1.25 �m). Els càlculs es fan suposant velocitat màxima del motor. Fent càlculs: Primer es busca el temps que triga en recòrrer el motor l’eix x, supossant velocitat màxima.
Temps_eix_x = longitud_eix_x / velocitat (1)
Temps_eix_x = ( 5 mm ) / ( 0.8 mm/s ) = 6.25 s
A continuació es calcula el temps per analitzar l’eix y complet, tenin com a dades el temps d’un eix x, i el nombre de vegades que es recorrerà l’eix x (cada 1.25 �m durant 5 mm).
Temps_ eix_y = temps_eix_x * punts_eix_y (2)
Temps_eix_y = ( 6.25 s ) * ( 5 mm / 1.25 �m ) = 25000 s = 6.94 hores
Per finalitzar, s’utilitza el mateix mètode que en l’equació (2), amb la diferència que l’eix z té una longitud de 10 mm
Temps_total = temps_eix_y * punts_eix_z (3)
Temps_total = ( 6.94 hores ) * ( 10 mm / 1.25 �m ) = 55520 hores = 2313 dies
Com es pot observar, aquesta opció es totalment inviable. La causa es que fer l’escaneig pas a pas ( cada pas és de 1.25 �m ) en un volum com aquest fa que es tinguin milions de punts. 3.2 Segona Estratègia: Mètode de Newton
El mètode de Newton consisteix en fer aproximacions dividint per dos l’interval en cada iteració. L’escaneig seria en els eixos x,y de la mateixa manera que el mètode anterior, amb l’afegit que es guardarà el valor més elevat. La diferència recau en l’eix z, que ara s’escanejaria el principi de l’eix z i el final, després es dividiria en dos, aquesta
20
posició també s’escanejaria, i llavors segons els valors màxims escanejats sabrem quin interval conté el valor màxim, quedant la meitat del recorregut. L’interval restant es torna a dividir en dos, i així successivament fins a haverlo dividit suficient per fer un cub, però d’una mida molt més reduïda que en el mètode anterior.
A primer cop d’ull, aquest mètode tampoc es viable ja que cada escaneig en els
eixos x,y triga 6.94 hores com podem veure en el resultat de la fórmula (2), i el nombre d’aquestes iteracions és elevat. 3.3 Tercera Estratègia: Traçar una recta respecte dos punts
Es ben conegut que el feix làser és recte, i com més a l’interior del feix més intensitat té.
Llavors, si escanegem els eixos x,y en dos punts de l’eix z, assegurant que el
punt de màxima incidència quedarà acotat per aquests, i guardem la posició del punt més fort en cada una de los dues posicions, podem assegurar que si tracem una línia recta entre aquests dos punts, el punt de màxima incidència es trobarà dins d’aquesta recta.
Figura 16. Esquema funcional d’un làser, on la part central té més energia.
Ara queda rastrejar aquesta recta per trobar el punt màxim. Aquesta recta es crea mitjançant l’equació següent:
(4)
On: z1 : És el punt en l’eix z final. z2 : És el punt en l’eix z inicial. z : És el punt en l’eix z on volem saber quin valor x,y tenim. x,y : Són els valors x,y corresponents al valor z on ens trobem. x1,y1 : Són els valors x,y del punt més fort de la posició z1. x2,y2 : Són els valors x,y del punt amb més incidència de la posició z2.
Un avantatge que té aquest mètode es que, si l’eix z de l’estructura no està
alineat paral·lelament amb el feix làser, no hi ha cap problema, ja que al tenir 2 punts de
( ) ��
�
��
�
�
+−−−=
+
−−
−=
11*1212
1
1212
1
yxxxxyy
y
x
xxzz
zzx
21
referència i traçar la recta amb l’equació (4) ens assegura que sempre seguirà el feix sense desviar-se. El temps que triga en executar-se és aproximadament el temps dels dos escaneigs en els eixos x,y com s’ha vist en l’equació (2), unes 13.88 hores, ja que el temps que trigaria en rastrejar la recta es pot considera superflu. Aquest mètode és molt més eficaç i eficient que els anteriors, però encara no està dins els paràmetres de temps estipulats. 3.4 Quarta Estratègia 3.4.1 Quadrícules
Aquest darrer mètode és una millora de l’estratègia anterior. El principal problema és el temps utilitzat en la recerca dels dos punts de referència. Per reduir el temps s’ha de reduir la superfície.
Llavors, per reduir la superfície, es faran una sèrie d’aproximacions de la manera
següent: 1- La superfície quadrada inicial de 5x5 mm es dividirà en forma de quadrícula,
amb una mida d’una desena part (0.5 mm). Com es mostra a la figura següent:
Figura 17. Quadrícula.
Aleshores, l’estructura farà que el sensor recorri per sobre la quadrícula prenent una mesura en cada intersecció.
Figura 18. Recorregut esquematitzat del sensor.
22
D’aquesta manera tenim un mapa orientatiu de 121 valors del feix (11x11). Per saber el temps utilitzat per fer aquesta aproximació es torna a utilitzar l’equació (1), però amb la velocitat serà la meitat de la màxima per evitar possibles danys als motors:
Temps_eix_x = ( 5mm ) / ( 0.4mm/seg ) = 12.5 seg (1)
En el cas de l’equació (2), se li ha fet una modificació. Els punts en l’eix y són 11 a causa de la quadrícula. A més, aquest temps se li ha de sumar el temps que es triga en recórrer l’eix y en vertical, que es pot aproximar al mateix resultat de l’equació (1), ja que té la mateixa longitud i velocitat.
Temps_eix_y = temps_eix_x * punts_eix_y + temps_eix_x (5)
Temps_eix_y = ( 12.5 seg ) * ( 11 punts ) + ( 12.5 seg ) = 148 seg
El temps en aquesta primera aproximació és de 148 segons, i es redueix la superfície de 5x5 mm a 1x1 mm, un 80 % menys, acotant en un marge de dues seccions (2x0.5 mm) el punt màxim, com es pot veure en la figura:
Figura 19. Aproximació de la superficie a analitzar.
També s’ha de sumar el temps que es triga en posicionar-se en el punt adequat
per començar el següent punt. El temps es calcularà pensant en el pitjor dels casos, que seria sumant el temps que es triga en fer tot l’exterior de la quadrícula, que és el mateix que multiplicar per dos el resultat de l’equació (1).
Temps_ajust = Temps_eix_x * 2 (6)
Temps_ajust = ( 12.5 s ) * 2 = 25 s
Temps_total_eix_y = temps_eix_y + temps_ajust (7)
Temps_total_eix_y = ( 148 s ) + ( 25 s ) = 173 s
En el següent pas també es fa una aproximació.
2- Tenint una superfície de 1x1 mm es torna a seguir el procediment anterior.
Es divideix aquesta superfície en una quadrícula en parts de desena (0.1 mm) i es mesura en cada intersecció.
23
Per calcular el temps s’utilitzen també les equacions (1), (5), (6) i (7) amb la mateixa velocitat que l’apartat anterior i els mateixos punts per l’eix y, però amb la modificació de la longitud de l’eix x, que ara és de 1 mm.
Temps_eix_x = ( 1 mm ) / ( 0.4 mm/s ) = 2.5 s (1)
Temps_eix_y = ( 2.5 s ) * ( 11 punts ) + ( 2.5 s ) = 30 s (5)
Temps_ajust = ( 2.5 s ) * 2 = 5 s (6)
Temps_total_eix_y = ( 30 s ) + ( 5 s ) = 35 s (7)
En aquesta nova aproximació hem reduït la superfície a 0.2x0.2 mm, representant aquesta un 4 % de la inicial.
3- En aquesta tercera aproximació es procedeix com a l’anterior, realitzant la quadrícula en desenes parts ( 20 �m ). Per mesurar el temps es segueixen les mateixes equacions anteriors:
Temps_eix_x = ( 0.2 mm ) / ( 0.4 mm/s ) = 0.5 s (1)
Temps_eix_y = ( 0.5 s ) * ( 11 punts ) + ( 0.5 s ) = 6 s (5)
Temps_ajust = ( 0.5 s ) * 2 = 1 s (6)
Temps_total_eix_y = ( 6 s ) + ( 1 s ) = 7 s (7)
En aquest moment ens queda una superfície de 40x40 �m, essent aproximadament el 0.8 % de la incial.
4- En l’últim pas recorrerem la superfície pas a pas, ja que aquesta és molt petita i no es necessari fer més aproximacions. En aquest pas obtindrem un mapa de 1089 valors ( 33x33 ). El temps es calcula amb les equacions (1), (5), (6) i (7):
Temps_eix_x = ( 40 �m ) / ( 0.4 mm/s ) = 0.1 s (1)
Temps_eix_y = ( 0.1 s ) * ( 40 �m / 1.25 �m ) + ( 0.1 s ) = 3.3 s (5)
Temps_ajust = ( 0.1 s ) * 2 = 0.2 s (6)
Temps_total_eix_y = ( 3.3 s ) + ( 0.2 s ) = 3.5 s (7)
Si sumem els temps de cada aproximació obtindrem el temps total aproximat per obtenir un dels dos punts de referència per l’obtenció de la recta:
Temps_quadrícula = � Temps_total_eix_y (8)
24
Temps_quadrícula = 173 s + 35 s + 7 s + 3.5 s = 218.5 s = 3.64 min
Aquest temps obtingut en l’equació (8) és un càlcul que no ha tingut en compte el temps de retard que hi ha quan es paren els motors per obtenir la mesura en cada un dels punts de les diferents quadrícules. Aquest temps en cada un dels punt és <50 ms, i fent un càlcul aproximat de totes les mesures: 72.6 s. En les tres primeres aproximacions es realitzen 11 mesures en cada eix x, un total de 11 vegades en cada eix y. En l’última aproximació, es realitzen 33 mesures per cada un dels 33 eixos y. El total de la quantitat de punts de mesura, es multipliquen per 50 ms (en el pitjor dels casos) per obtenir el temps total de possibles retrassos.
Temps_anàlisi = total_punts * temps_punt (9)
Temps_anàlisi = [ ( 11 * 11 ) * 3 + ( 33 * 33 ) ] * ( 50 ms ) = 72600 ms = 72.6 s
Si es suma aquest retard al temps total que s’havia obtingut anteriorment:
Temps_quadríc_total = temps_quadrícula + temps_anàlisi (10)
Temps_quadríc_total = 3.64min + 72.6seg = 4.85 min
Es pot observar que aquest temps és molt inferior al temps calculat en anteriors mètodes, que era en el millor dels casos de 6.94 hores, essent aquest últim mètode unes 86 vegades inferior. Ara es procedirà a fer el càlcul de temps d’execució de la recta. Aquesta recta s’executarà tres vegades, dues de translació i una analitzant el feix làser que, per tant, s’haurà d’afegir el temps de retard d’anàlisi del sensor. 3.4.2 Eix z
1- La primera vegada que es desplaçarà en l’eix z serà en una longitud prefixada, el valor predeterminat és de 10 mm, que s’utilitzarà per traslladar-se un cop hagi acabat de fer la primera quadrícula per començar a fer la segona i així obtenir el segon punt de referència per la creació de la recta seguint el feix. L’equació per calcular aquest temps segueix la mateixa estructura que l’equació (1):
Temps_eix_z_1 = longitud_eix_z / velocitat (11)
Temps_eix_z_1 = ( 10 mm ) / ( 0.4 mm/s) = 25 s
2- La segona vegada ja fa la recta seguint el feix. Aquest procés és lent perquè
hi ha el retard de l’obtenció de valors i es fa el seguiment del feix segons l’equació (4). Durant el seguiment del feix làser es pot assegurar una desviació inferior a 10º entre els punts màxims de les dues quadrícules per les característiques de la sortida del monocromador, ja que en aquest punt el feix surt recte. Amb aquesta desviació màxima es pot aproximar en una distància de l’eix z de 10 mm una diferència d’un 1 mm en el pitjor dels casos, és a dir, que cada 10 punts en l’eix z es mourà 1 punt en l’eix x i y,
25
essent 12 punts en comptes de 10. El temps dependrà de la longitud de l’eix z.
En aquesta equació es calcula el nombre de punts que analitzarà el sensor, sabent que la distància a recòrrer és 10 mm i que cada 1.25 µm en tenim un.
Punts_eix_z = longitud_eix_z / (punts/µm) (12)
Punts_eix_z = 10 mm / 1.25 µm = 8000 punts
Tal i com s’ha comentat, cada 10 punts de l’eix z podem tenir una desviació de 1 punt en l’eix x, i un altre punt en l’eix y. Per afegir aquests 2 punts adicionals (considerant el pitjor dels casos) es divideix el nombre de punts totals de l’eix z per 10, per tenir el nombre de vegades que es sumarà els dos punts, i es multiplica aquest valor per 12, obtenint el nombre de punts que analitzarà el sensor.
Punts_eix_z_total = ( punts_eix_z / punts_inici )* (punts_inici + punts_eix_xy ) (13)
Punts_eix_z_total = (8000 punts / 10 punts) * (10 punts + 2 punts) = 9600 punts
Per obtenir el temps que es necesita per recòrrer aquesta distància, es converteix el nombre de punts en unitats de longitud, sabent que cada punt és equivalent a 1.25µm. El resultat d’aquesta operació es divideix per la velocitat dels motors
Temps_eix_z_2 = ( punts_eix_z_total * 1.25µm/punt ) / velocitat (14)
Temps_eix_z_2 = (9600 punts * 1.25µm/punt) / 0.4 mm/s = 30 s
També s’ha de considerar que, per cada punt de l’eix z, es pren una mesura, havent-hi el retard anteriorment explicat:
Temps_eix_z_3 = punts_eix_z * 50 ms (15)
Temps_eix_z_3 = 9600 punts * 50 ms = 480 s = 8 min
3- El tercer i últim moviment en l’eix z en aquest apartat és quan es situa en el punt de màxima incidència. Es podria considerar que el temps que trigaria en el pitjor dels casos és el mateix que en l’apartat 1, és a dir, que el punt màxim estigués situat en l’extrem oposat.
Si es suma els temps de cada un dels apartats anteriors:
Temps_eix_z_total = temps_ap_1 + temps_ap_2 + temps_ap_3 (16)
Temps_ eix_z_total = 25 s + 8 min + 25 s = 8.83 min
26
3.4.3 Temps total mètode
Per determinar el temps del mètode es fa el sumatori dels temps dels punts 4.2.1 i el punt 4.2.2, de les equacions 10 i 16 respectivament. El temps de l’equació 10 tan sols inclou una quadrícula, i com aquest mètode utilitza dues, s’haurà de sumar dues vegades:
Temps_mètode_total = 2 * temps_quadríc_total + temps_eix_z_total (17)
Temps_mètode_total = 2 * 4.85min + 8.83min = 18.53 min El temps en aquest mètode és molt inferior al d’anteriors mètodes i està dins els paràmetres demanats. L’actual mètode és l’escollit per la implementació del projecte.
27
Funcionament
1 Calibració Abans de l’execució del programa per primera vegada, s’ha de fer fer un ajust o calibració inicial. Un cop es tingui aquest ajust, es partirà normalment d’aquest punt al començar una nova recerca gràcies a la cal·libració automàtica. En cas que l’usuari no ho volgui així, es procedirà a la deshabilitació de la mateixa. Tot seguit s’explica més detalladament aquests punts. 1.1 Calibració inicial
La calibració inicial és molt important, ja que tot el procediment de la recerca del punt de màxima incidència depèn del punt d’inici. Aquesta cal·libració és manual, i consisteix en situar el punt d’inici de tal forma que, amb els paràmetres que introduïm, assegurem que el punt màxim del làser quedarà dins de l’àrea escanejada.
Per moure els motors utilitzarem un software implementat per Standa per
moure’ls amb la distància requerida, situant d’aquesta manera l’estructura en la posició d’inici. 1.2 Calibració automàtica
La cal·libració automàtica es pot habilitar o deshabilitar segons les exigències de l’anàlisi. Aquesta elecció serà mitjançant un polsador situat en el panell frontal.
Figura 20. Pantalla d’inici del software dissenyat.
28
En cas que estigui habilitada, es farà la lectura de tres fitxers creats en el final de l’anàlisi anterior, on s’enmagatzema la posició en que es va quedar. D’aquesta manera, podrem tornar a fer l’anàlisi partint del mateix punt inicial que l’anàlisi anterior. Aquesta utilitat és molt útil ja que majoritariament sempre escanejarem el mateix volum, i no serà necessari situar manualment en el punt d’inici cada un dels eixos per començar l’anàlisi.
Figura 21. Codi de inicialització dels motors i posicionament dels mateixos segons els fitxers.
En cas d’estar deshabilitada, es considerarà com a punt d’inici en el que
estiguem en aquests moments, amb la distància d’eix z que s’hagi establert en l’inici de la configuració. Aquest cas el farem servir quan volem modificar el punt d’inici i ho haguem fet manualment.
Figura 22. Codi de inicialització dels motors i posicionament dels mateixos segons un valor concret.
29
1.3 Situació dels motors en el punt d’inici
Un cop ja hem establert el punt on estaven situats cadascun dels eixos, el següent pas es moure el motors per situar-se en el punt d’inici. Per les característiques del controlador, els motors s’han de controlar un a un. D’aquesta manera, s’ha escollit començar per l’eix x (controlador 0), continuar per l’eix y (controlador 1) i acabar per l’eix z (controlador 2). A continuació es mostra el codi per situar cadascun dels motors en la posició d’inici.
Figura 23. Codi per situar els motors en la posició d’inici.
Punt A: S’introdueix la posició en la qual estem (prové de l’apartat de la calibració) Punt B: Número del controlador, en aquest cas és el 0 i correspon al eix x. (1=y; 2=z) Punt C: Posició de destí (en l’eix x i y serà 0 per facilitar càlculs més endavant). Punt D: Tipus de control del motor pas a pas, sempre utilitzarem el 0 per ésser el de comportament més suau. Punt E: El mateix que el punt B.
30
Les macros “Destination” i “Moure” serveixen per fixar en el controlador la
posició de destí del motor i moure’l, respectivament.
Figura 24. Macro Destination.
Figura 25. Macro Moure.
Aquest procediment es repetirà per cada un dels motors. La diferència és que la posició de destí per l’eix z no serà 0, sinó el nombre de passos que haguem escollit de profunditat, ja que està programat que comenci pel punt més pròxim al monocromador, per evitar que, per error humà, hi hagi una col·lisió a l’aproximar-se.
31
1.4 Inicialització del Lock-in Un cop s’ha realitzat la cal·libració del punt d’inici de l’anàlisi, abans de començar amb l’execució de la recerca del punt, s’inicialitza el Lock-in mitjançant una macro dissenyada per tal efecte.
Figura 26. Funció d’inicialització del lock-in. 2 Inici de l’anàlisi
Un cop acabades totes les inicialitzacions prèvies al programa, es procedeix a començar l’anàlisi. L’anàlisi, segons s’ha comentat en el segon capítol, consta de dues parts. La primera és traçar la trajectòria del feix làser, i la segona l’anàlisi del mateix.
Per traçar la trajectòria del feix làser, s’usen dos punts separats per la distància z
que haguem escollit. La recerca de cadascun d’aquests punts es produeix de la mateixa manera, però desplaçada en l’eix z.
Els punts s’obtenen de fer una recerca del punt de màxima intensitat en la
mateixa posició en l’eix z. Aquest punt s’obté després de fer quatre passades, cadascuna d’elles amb una resolució diferent, que es va decrementant mentre avança. Això s’aconsegueix amb el valor de la variable que conta les passades.
32
Figura 27. Inici del anàlisi
Figura 28. Codi d’obtenció del divisor.
Tan sols es guarda un valor en la taula quan la divisió entre la posició en la qual es troba el motor i el divisor dona un número enter. També és imprescindible que ens trobem executant l’eix x. En les tres primeres passades, s’obtenen 11 valors en cada eix x, i un total de 11 vegades l’eix y. En l’última són 33 valors per cada una de les 33 línies en l’eix y.
33
Un cop comença la seqüència del quadrat, després de calcular el divisor adequat, la primera part de codi és la que canvia el motor que li toca funcionar, amb l’ajuda de la variable canvi i índex (índex és la variable que conté el número del motor que està en marxa.
Figura 29. Codi per la selecció del motor.
En aquesta imatge tenim el codi que ens informa de la posició en la que està actualment el motor, depenent de l’índex. També posiciona el motor a la posició que li pertoca.
Figura 30. Obtenció de la posició del motor.
El valor el guarda en la taula segons el sentit de gir de l’eix x. Això ho sabem gràcies a la variable suma.
34
Figura 31. Execució de la macro del lock-in per la obtenció d’un valor de mesura.
Quan arribem al destí (s’obté de sumar la posició actual més el valor de divisor) , ens preparem pel següent pas. Aquí es decideix a quin motor li toca i a on ha d’anar, i es guarden els valors de la posició del motor anterior (en cas d’haver de fer el canvi), i carrega els del motor que li toca. Per fer el canvi del motor s’activa a “true” la variable de canvi. Així al principi del cicle es canvia. La posició de destí sempre depèn de la variable divisió i de la posició anterior. L’eix y sempre s’incrementa, a diferència de l’eix x que va en els dos sentits de la marxa.
Figura 32. Canvi de x a y.
35
En el canvi de l’eix y a x, és més complex perquè l’eix x gira en els dos sentits. La variable que controla el sentit és la suma
Figura 33. Canvi de y a x.
El final de la passada es decideix pel nombre de valors que s’han obtingut, consultant el nombre del valor de l’índex de la taula. En tots els casos ha de ser igual a 11 valors, menys l’últim que has ser 33 (el quadrat més petit)
Figura 34. Condició per finalitzar la passada.
Un cop fet el primer quadrat, es dibuixa la gràfica en 3D dels valors obtinguts. Tan sols es farà en el quadrat més gran perquè és on hi ha canvis més significatius d’energia entre els punts. En els demés, com que la distància es va escurçant, la diferència es redueix enormement.
Figura 35. Codi per la creació de la gràfica 3D.
36
A continuació es pot veure el resultat d’una de les proves. Al fixar-se en la taula on s’emmagatzemen els valors, s’observa que en els extrems els valors ronden entre els 36 mV i els 90 mV, i en el centre arribem a tenir 204 mV. La diferència entre el valor màxim i mínim és de uns 170 mV, essent aquest un valor adequat per fer una correcta representació gràfica.
Figura 36. Primera taula de valors.
Figura 37. Gràfica resultant segons taula de la figura 36. Al mateix temps, es busca el punt més fort d’aquest escaneig, i els punts d’inici del següent quadrat es calculen a partir d’aquest. El mètode és l’anteriorment explicat: Se li
37
resta 1 a l’índex de la taula, tant per la posició de l’eix x com l’eix y, i se li designa posició 0 pel següent quadrat. Agafant com a model el cas anterior, en el segon escaneig els valors obtinguts estarien entre els 176 mV i els 204 mV aproximadament. Aleshores no tindria tan de sentit fer una representació gràfica perquè no hi ha gaire diferència entre el valor màxim i mínim (inferior a 30 mV).
Figura 38. Preparació dels valors de les variables de l’eix y per la següent aproximació.
Figura 39. Preparació dels valors de les variables de l’eix x per la següent aproximació.
Una vegada calculada la nova posició de sortida situem el sensor:
Figura 40. Codi per situar el sensor en el lloc d’inici de la següent aproximació.
En el cas de que el punt màxim trobat estigui en un extrem del quadrat i el fet de que restar-li una posició, podria donar pas a una posició negativa, provocant errors en el
38
programa, s’evita forçant la posició a 0 en aquests casos, tant per l’eix x com l’y. De totes maneres, aquestes circumstàncies es donaran en estranys casos, ja que el feix làser no surt desviat del monocromador, però podria haver un error humà al moure l’estructura del seu emplaçament. Tot aquest procés descrit es repeteix 4 vegades. En el cas de l’ultima, ens situem en el punt màxim. Aquesta posició es guarda com la posició x,y del primer quadrat, necessari per traçar la recta per on passa el feix. Després d’això, l’estructura es desplaça en l’eix z el valor que s’hagi estipulat, i situa l’eix (x,y) en la posició d’inici (0,0), de la mateixa manera del primer gran quadrat.
Figura 41. Execució moviment en l’eix z. 3 Càlcul de la recta Un cop sabem les dues posicions x,y d’ambdues posicions separades per l’eix z, procedim a traçar la recta mitjançant l’equació (4) d’una recta entre dos punts. El procediment és el següent: posem tot el codi dins d’un bucle de tipus for, que s’executarà tantes vegades com punts tinguem en l’eix z, i per cada eix z, calcula la posició x,y corresponent. Per evitar decimals, ja que el motor no pot moure’s un pas i mig, s’arrodoneix aquest valor.
39
Figura 42. Equació de la recta. Primer es belluga l’eix z, després l’x, i per acabar l’y. En cada punt pren una mesura i es guarda a la taula corresponent.
Figura 43. Codi per guardar el valor mesurat en la taula.
Un cop presses totes les mesures, es busca la posició z del punt màxim, i mitjançant un altra cop l’equació (4), trobem la posició x,y (la z ja la sabem) del punt màxim definitiu, arrodonim els decimals, i ens hi situem.
40
Figura 44. Codi per situarse en el punt de màxima incidència.
41
4 Finalització Per acabar, es mostra per pantalla la posició x,y,z del punt de màxima energia.
Figura 45. Pantalla de control del software. També es guarda aquesta posició en un fitxer, per tenir constància de en quina posició ens vam quedar l’última vegada, ja que els motors no tenen memòria no-volàtil, per poder fer l’inici automàtic, explicat al principi d’aquest capítol. 5 Disposició del sistema En aquest apartat es mostrarà la disposició de cada un dels aparells que intervenen en els estudis dels cristalls en el Laboratori de Cristal·lografia de la URV. En la figura 46 es pot observar una vista general del lloc de treball durant l’execució d’aquest projecte. A la dreta de la foto es troba el làser, el qual emet en direcció a la taula de treball, on està disposat el cristall. El feix làser, un cop travessa el cristall, es dirigeix mitjançant miralls a l’entrada del monocromador. Un cop realitzada la difracció del feix làser, aquest surt del monocromador. El microsensor es disposarà a la sortida del monocromador. El lock-in, el qual està connectat al sensor, transmet les lectures a través del port GPIB a l’ordinador, on es donen ordres a l’estructura motoritzada segons el mètode de recerca.
42
Figura 46. Vista general del lloc de treball.
Figura 47. Monocromador.
Ordinador
Làser Monocromador
Sortida
Entrada
Cristall
Lock-in
Sensor
Sensor
43
En la figura 47 s’observa amb major detall el monocromador i on es col·loca el sensor. El sensor es pot veure en la figura 48. En la part superior del cilindre metàl·lic es troba l’orifici per on s’omple de nitrogen líquid per reduir el soroll tèrmic.
Figura 48. Sensor.
Figura 49. Estructura motoritzada.
SuportSensor
44
En la figura 49 es troba l’estructura motoritzada, en la qual es col·locarà el sensor. El sensor es subjectarà a l’estructura gràcies als tres forats amb rosca que s’hi disposa. D’aquesta manera, l’estructura desplaçarà el sensor per realitzar la recerca del punt de màxima incidència.
45
Conclusions i posibilitats de millora Per automatitzar la recerca del punt de màxima incidència, s’ha utilitzat una estructura motoritzada, en la qual es subjectarà el sensor, i gràcies a un programa realitzat amb LabVIEW, es controlarà l’estructura a través del port USB per realitzar aquesta recerca, mentres al mateix temps, s’obtenen les lectures del sensor mitjançant el lock-in utilitzant el port GPIB de la tarja d’adquisió de dades de l’ordinador. En el programa en LabVIEW s’hi ha implementat el mètode 3.4 de la pàgina 21 d’aquest projecte, el qual fa recórrer el sensor diverses quadrícules per reduir la superfície ha analitzar, i reduir el temps d’execució. El temps aproximat d’execució d’aquesta aplicació és de 18.53 minuts. Comparativament, aquest temps és força reduït, ja que quan es realitzava la recerca de punt de màxima incidència de manera manual, el temps podia arribar a varies hores. Un cop realitzat el projecte, s’ha reduit el temps de les proves en els estudis del Laboratori de Cristal·lografia de la URV, i ha augmentat la fiabilitat de les mesures obtingudes. Les propostes de millora d’aquest projecte són les següents:
- Reduir el temps d’execució de l’aplicació, optimitzant el mètode o amb el disseny d’un de nou.
- Crear una base de dades amb els valors obtinguts en els estudis, per comparar els resultats amb estudis posteriors.
46
Annex I – Seguretat
Classificació de làsers (EN 60825)
Els productes làser s’agrupen en quatre classes generals per les que s’especifiquen els límits d’emissió admissibles (LEAs).
Làser Mal Risc Mesura de control
Classe I
Sistemes làser que no poden emetre radiació en excés dels nivells màxims d’exposició
permesos. Cap Cap Etiquetes de perill
Classe II
Làsers emissors de llum visible que no tinguin suficient potència per produir danys per
accident, però poden produir danys per una observació directa del feix durant un període
superior a 0,25 segons
Ocular
Crònic per exposicions
de 1.000 segons
Carcassa protectora
Etiquetes de perill
Indicadors de funcionament
Ulleres de protecció
Classe IIIa
Làsers emissors de llum visible que no produeixen danys per observació indirecta,
però malmeten la retina si es focalitza dins de l’ull
Ocular
Crònic per exposicions majors de
0,25 segons
Controls d’enginyeria
Ulleres de protecció
Controls administratius
Senyals de perill
Classe IIIb
Làsers que poden produir danys per accident si s’observa directament el feix o les seves
reflexions en diferents òptiques
Ocular
A la pell
Perill agut en contacte amb
el feix
Controls d’enginyeria
Ulleres de protecció
Controls administratius
Senyals de perill
Classe IV
Sistemes làser que produeixen danys greus, per incidència directa, indirecta o reflexió
difusa, en els ull i la pell.
Ocular
A la pell
Perill agut en contacte amb el feix o amb
la seva radiació difusa
Controls d’enginyeria
Ulleres de protecció
Controls administratius
Senyals de perill
47
Com afecta la radiació a l’ull humà
El requadre mostra les diferents radiacions amb els seus respectius intervals de longitud d’ona i les lesions que poden causar a l’ull humà.
Danys als ulls per les radiacions :
UV-A (315-380 nm) Nivells alts o exposicions prolongades poden causar cataractes
UV-B (280-315 nm) Cataractes, cremades a la pell
UV-C (100-280 nm) Dany de la còrnia i el cristal·lí. Pèrdua de visió
Llum blava (400-480 nm) Dany de la retina, pèrdua de visió
IR-A (700-1400 nm) Dany de la retina
IR-B (1400-3000 nm) Dany de la còrnia i el cristal·lí
IR-C (3000nm-1 mm) Cremades, pèrdua de visió
Protecció individual contra la radiació làser
Protectors oculars contra radiació làser han de ser utilitzats per tota persona que es trobi en zones on s’utitzi un equip làser. Els protectors han de ser adaptats al sistema de làser en ús. La no utilització d’ulleres de protecció o la selecció d’unes ulleres de protecció no adequades per l’aplicació específica pot causar una lesió ocular. Les ulleres mai s’han d’usar per l’observació directa del feix làser.
La Norma Europea EN 207 s’aplica als filtres i protectors dels ulls utilitzats contra la radiació làser en la banda espectral compresa entre els 180 nm i 1 mm. Els filtres, segons aquesta norma, permeten una atenuació d’aquesta radiació d’acord amb els valors especificats pels làsers de classe III i IV.
La Norma EN 208 es refereix a ulleres de protecció per les feines d’ajust de làsers i els sistemes làser, en els que la radiació perillosa produïda en la banda espectral visible està compresa entre els 400 nm y 700 nm. Els filtres, segons aquesta norma, permeten una atenuació d’aquesta radiació fins als valors especificats pels làsers de classe II.
Els protectors oculars pels sistemes làser han d’aportar el grau de protecció adient per la longitud específica d’ona, amb el fi d’optimitzar la protecció i transmitància de llum necessària perquè l’usuari pugui realitzar el seu treball de manera segura i eficaç. L’acció filtrant és la capacitat d’un filtre òptic per atenuar la radiació òptica en un interval determinat de longituds d’ona.
48
Existeixen diferents tipus d’assaigs en els laboratoris, en els quals es poden usar el làser de tipus continu o pulsatori. Tot els filtres de protecció làser han d’assajar-se segons la condició d’ús de làser continu. Si s’ha de garantir una protecció complementària per làsers pulsatoris, els filtres i ulleres de protecció làser hauran d’assajar-se segons aquestes condicions.
Una vegada determinat el filtre apropiat és important assegurar-se de que les ulleres a escollir estiguin certificades per la CE, assegurant així una mínima garantia de qualitat. (R.D. 1407/1992)
Característiques de les ulleres de protecció de la radiació làser
Com equip de protecció individual, aquestes ulleres han de seguir unes característiques generals. Entre les quals es destaquen les següents:
• Las ulleres estan dissenyades per protegir en cas d’exposició accidental. • No es pot sobrepassar el factor espectral de transmissió de les longituds d’ona
làser corresponent al grau de protecció indicat. • El factor mig de transmissió en la banda de llum visible dels filtres de protecció
làser hauria de ser el 20 % com a mínim. Si resulta inferior, el fabricant ha d’advertir-ho en les instruccions d’ús i la il·luminació del lloc de treball haurà d’augmentar-se..
• Els filtres de protecció làser no han de presentar defectes de massa ni superfície que puguin alterar l’aptitud d’ús, com bombolles, rallades, forats, marques del motlle i altres defectes degut a la fabricació.
• Els filtres instal·lats en muntures han de ser fixes. Les muntures tenen que fabricar-se de tal manera que impedeixin una penetració lateral accidental de la radiació làser.
• Les muntures dels filtres no poden inflamar-se, ni quedar incandescents. • Les ulleres han de permetre, en les direccions horitzontals i verticals, un camp
de visió lliure de 40º com a mínim. • D’acord amb la Norma Europea EN 207, l’etiquetat de les ulleres de protecció
làser inclourà els paràmetres més importants relatius al tipus de làser, nivell d’atenuació òptica i resistència mecànica.
En unes ulleres de protecció de qualitat òptima, els absorbents desenvolupats pels filtres són integrats en polímers com additius dissolts per absorbir adequadament l’energia làser que pugui causar lesions oculars. L’energia làser és absorbida a un nivell
49
molecular i convertida en calor que després es dissipa sense risc. No hi ha riscs de reflexió nociva creats pels filtres i no importa l’angle d’incidència en que el feix arriba al filtre, no hi ha pèrdua de protecció perquè l’energia làser és totalment absorbida pel filtre. Gràcies a que la protecció està integrada en tot el filtre, rascades en la superfície no alteren la protecció. Els filtres porten una capa superficial pels dos costats per protegir de les rascades, assegurant així una durada més llarga.
El material idoni per les lents és policarbonat, el motiu és que ofereix poc pes i bona resistència contra impactes. Els protectors laterals han de tenir el mateix grau de protecció que el filtre i és important que les ulleres proporcionin un ampli camp de visió. El confort és un altre punt important a tenir en compte a l’hora de seleccionar unes ulleres de protecció. Han de ser lleugeres i proporcionar una ventilació òptima.
Existeixen ulleres de protecció de policarbonat que porten incorporat un sistema d’alerta audiovisual. (AVAS, Audio Visual Alert System) Si un filtre és afectat directament o per un feix reflexat, aquest sistema alerta a l’usuari que el filtre està essent impactat pel feix. Amb aquest sistema, quan un feix de un làser d’alta potència impacte el filtre, sona un avisador acústic seguit por un enfosquiment visual del filtre en el punt del contacte amb el feix. Això alerta a l’usuari de que ha d’abandonar la trajectòria del mateix.
50
Annex II - Pressupost Estructura Standa El cost d’aquesta estructura és: - 3 unitats 8MT173-20 ( 3 x 402 EUR = 1206 EUR)
- 1 unitat 2CP173-20 ( 15 EUR) - 1 unitat 2AB173-20 ( 49 EUR) - 1 unitat 8SMC1-USBh-B2-3 ( 757 EUR) - 1 unitat de PSA31U-120 Power Supply 2.5A, 12V ( 33 EUR)
Cost total estructura: 2060 EUR Enginyeria Cost hora d’un enginyer: 38 EUR Temps de duració: 20h setmanals durant 20 setmanes. Cost total enginyeria: 15200 EUR Cost total projecte: 2060 EUR + 15200 EUR = 17260 EUR
51
Annex III – Informació adicional Thor lab
52
53
Standa
54
Bibliografia
- Instrumentació Virtual. Adquisició, processament i anàlisi de senyals. Edicions UPC, 1997. Manuel Lázaro .A, Biel Solé .D, Olivé Duran .J, Prat Tasias .J, Sánchez Robert .F.J. ISBN: 84-8301-200-6
- LabVIEW 7.1. Programación Gráfica para el Control de Instrumentación. Thomson, 2005. Manuel Lázaro .A, Del Río Fernández .J. ISBN: 84-9732-391-2
- Portal Web Wikipedia: http://es.wikipedia.org/ - Portal Web de Lasing. http://www.lasingonline.com/ - Portal Web de CTR-Universidad de Cantabria:l http://www.ctr.unican.es/ - Portal Web de Ero-Pic: http://perso.wanadoo.es/luis_ju/ - Portal de Tech Soft: http://www.techsoft.de/ - Portal de TodoRobot: http://www.todorobot.com.ar/ - Portal de Robots Argentina: http://robots-argentina.com.ar/ - Portal de Standa: www.standa.lt/ - Portal de Thorlabs: www.thorlabs.com/ - Portal de Vitutor: www.vitutor.com/ - Portal de Allegro MicroSystems Inc.: www.allegromicro.com/