desarrollo de un sistema basado en fpga para deteccion de ecos ultrasonicos y medicion de tiempos de...
DESCRIPTION
FPGA Para Medir Tiempos de VueloTRANSCRIPT
DESARROLLO DE UN SISTEMA BASADO EN FPGA PARA DETECCION DE ECOS ULTRASONICOS Y MEDICION DE TIEMPOS DE VUELO
Grupo de Investigación en Instrumentación Electrónica
(GIE)
CARLOS EDUARDO GARCIA GALEANO
ANGELA MARIA PATIÑO ORIBE
UNIVERSIDAD SANTIAGO DE CALIFACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA
SANTIAGO DE CALINOVIEMBRE DE 2012
1
DESARROLLO DE UN SISTEMA BASADO EN FPGA PARA DETECCION DE ECOS ULTRASONICOS Y MEDICION DE TIEMPOS DE VUELO
Grupo de Investigación en Instrumentación Electrónica
(GIE)
Anteproyecto Trabajo de Grado
Modalidad: Trabajo de Investigación
Línea de profundización: Automatización.
Responsables:
CARLOS EDUARDO GARCIA GALEANO
ANGELA MARIA PATIÑO ORIBE
Director: Ingeniero Julio Cesar Millán Barco
Codirector: Ingeniero Vladimir Trujillo Olaya
UNIVERSIDAD SANTIAGO DE CALIFACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA
SANTIAGO DE CALINOVIEMBRE DE 2012
TABLA DE CONTENIDO
2
1. INTRODUCCION 42. PROBLEMA DE LA INVESTIGACION 5
2.1 Planteamiento del problema. 52.2 Formulación del problema. 5
3. OBJETIVOS 63.1 Objetivo general. 63.2 Objetivos Específicos. 6
4. JUSTIFICACION 75. MARCO REFERENCIAL 9
5.1 Marco contextual. 95.2 Marco Teórico. 9
5.2.1 Aspectos Generales de las Ondas Ultrasónicas. 95.2.2 Ultrasonido como técnica de ensayo no destructivo. 105.2.3 Objetivo del ensayo. 105.2.4 Aplicación Industrial. 105.2.5 Ventajas y limitaciones del ultrasonido. 11
5.2.5.1 Ventajas del ultrasonido industrial. 115.2.5.2 Desventajas del ultrasonido. 12
5.2.6 Ultrasonido. 125.2.7 Física del Ultrasonido. 13
5.2.7.1 Ondas Mecánicas. 135.2.7.2 Propagación de Ondas Mecánicas 16
5.2.7.2.1 Ondas Longitudinales. 165.2.7.2.2 Ondas Transversales. 17
5.3 Reseña Histórica. 185.4 MARCO CONCEPTUAL 21
6. ESTADO DEL ARTE 247. METODOLOGIA 268. RECURSOS 27
8.1 Recursos Materiales. 27
8.2 Recursos Humanos. 27
8.3 Recursos Financieros. 28
9. CRONOGRAMA 29
10. BIBLIOGRAFIA 30
3
1. INTRODUCCION
Este proyecto de Investigación aplicada, pretende diseñar e implementar una
plataforma de procesamiento de señales ultrasónicas, por medio de la cual se
pueda fabricar un sistema de detección de discontinuidades, para poder identificar
fisuras internas en materiales sólidos
Hoy en día las FPGA’S (Field Programable Gate Array) aparecen en dispositivos
como en instrumentos electrónicos, automóviles, artefactos aéreos, máquinas
copiadoras, hardware computacional de aplicaciones específicas, en productos de
control industrial, etc. Programar las FPGA ha sido limitado a personas con
experiencia y conocimiento en VHDL u otras herramientas de diseño de bajo
nivel, las cuales requieren de un alto grado de profundidad en el aprendizaje,
como los microcontroladores.
Se tomaran señales ultrasónicas de un banco de pruebas del laboratorio de
ultrasonido de la Universidad Santiago de Cali y se implementará un algoritmo en
una FPGA donde será ejecutado el procesamiento de la señal y finalmente tal
información será enviada desde la FPGA a un PC que estará ejecutando un
programa en Matlab que se encargará de visualizarla.
En este caso se implementará en hardware un algoritmo que mide los tiempos de
vuelo de los ecos ultrasónicos, el cual está enfocado a medir la profundidad de las
anormalidades encontradas en los materiales. La aplicación estará orientada a
realizar una inspección de discontinuidades, utilizando un método de análisis y
extracción de parámetros no destructibles como el método pulso-eco, para lograr
una evaluación y un diagnóstico de diferentes piezas de materiales sólidos.
4
2. PROBLEMA DE INVESTIGACION
2.1 Planteamiento del problema.
Para la humanidad, la utilidad de un material se define en función de la calidad del
mismo. Desde el punto de vista de la Ingeniería, la calidad de los materiales
sólidos se mide en términos de resistencia a fallos. Esto se puede presentar por la
acción de todo tipo de esfuerzos a la que se ven sometidos en el transcurso de su
uso. Lo que sucede durante el proceso de su fabricación también es objeto de
estudio, porque pueden existir factores externos que ocasionen fisuras internas en
dichos materiales y por consiguiente, pueden afectar el índice de calidad
aceptable para ser utilizados de forma segura.
[1]
El ultrasonido nos permite digitalizar las señales ultrasónicas que este suministra
es una confiable y rápida herramienta de aseguramiento y control de calidad,
siendo además uno de los principales y más completos métodos utilizados para
obtener información clara y concreta de discontinuidades en materiales. Sin
embargo, los equipos ultrasónicos comerciales son por lo general bastante
costosos.
[2]
En el laboratorio de ultrasonido de la Universidad Santiago de Cali se cuenta con
equipos Pulser/Receiver de alto desempeño que, por su costo y tamaño, son
difíciles de utilizar como herramientas para prestar servicios de END a las
empresas de la región. Por eso, dentro de la visión estratégica del Grupo de
Investigación en Instrumentación Electrónica (GIE), se ha pensado en la
oportunidad de contar con una herramienta ultrasónica portátil y de bajo costo
para realizar inspecciones de materiales sólidos, diseñada e implementada a
5
través de varias fases de desarrollo al interior del grupo, con el recurso humano de
la Facultad de Ingeniería.
2.2 Formulación del problema
¿Cómo diseñar e implementar en FPGA un detector de discontinuidades en
materiales sólidos a partir de señales provenientes de un transductor
piezoeléctrico ultrasónico?
3. OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sistema basado en FPGA para detección de ecos ultrasónicos y
medición de tiempos de vuelo.
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
3.2.1. Implementar un algoritmo en un dispositivo programable FPGA que calcule
los tiempos de vuelo y detecte los ecos registrados en una señal ultrasónica para
NDT, previamente digitalizada.
6
3.2.2. Determinar el mapeo de las muestras de la señal en la memoria del sistema
de desarrollo basado en FPGA.
3.2.3. Definir y describir los bloques funcionales para la implementación de un
detector de tiempos de vuelo de una señal ultrasónica con FPGA
3.2.4. Desarrollar e implementar las diferentes etapas de procesamiento de señal
para la detección de los ecos ultrasónicos
3.2.5. Desarrollar e implementar el algoritmo de medición de los tiempos de vuelo
de los ecos.
3.2.6. Visualizar los tiempos de vuelo utilizando una interfaz grafica en Matlab.
3.2.7. Realizar el análisis de los resultados obtenidos para diferentes señales
ultrasónicas.
4. JUSTIFICACIÓN
En este proyecto se buscará la factibilidad de realizar un prototipo de bajo costo
con las características más relevantes de los equipos ultrasónicos comerciales de
END (Ensayo No Destructivo) que requieren las Pymes nacionales para mejorar
su competitividad. Su justificación surge de la necesidad que se tiene de identificar
fisuras internas existentes en materiales sólidos logrando obtener información
tanto de tamaño como también de distancia con el fin de inspeccionar la solidez
del material examinado.
En años recientes, los avances en la instrumentación y la tecnología electrónica,
han suplido las herramientas necesarias para hacer posible el desarrollo de la
técnica ultrasónica, tal y como la conocemos hoy en día. Las técnicas ultrasónicas
son un confiable y rápido instrumento de Aseguramiento y Control de Calidad por
7
lo que se convierten en un excelente método para lograr una muy buena precisión
de detección de discontinuidades.
Debido a que los materiales sólidos pueden presentar anomalías no perceptibles a
simple vista, se hace indispensable tener un dispositivo por medio del cual se
logre realizar una inspección interna no destructiva, para obtener una evaluación
de la información que nos permita dar un diagnóstico de la condición actual del
material y tomar decisiones acerca de si se debe desechar dicha pieza; en el caso
de que se estuviese utilizando para algún propósito general o si se deberían
ajustar algunos parámetros en el caso de que fuese en alguna fábrica de
producción.
[4]
Con este dispositivo se beneficiarían tanto la gente que produce materia prima
como los de la academia, debido a que podrían adquirir elementos de excelente
calidad. También las grandes industrias podrían verse favorecidas porque sus
productos finales tendrían un serian de excelente calidad y proporcionarían
seguridad a sus clientes ya que los materiales utilizados para un propósito general
o especifico lograrían obtener una mayor resistencia en cuanto a solidez se
refiere.
8
5. MARCO REFERENCIAL
5.1 Marco contextual
Esto se llevará a cabo en los laboratorios de electrónica ubicados en el bloque 4,
tercer piso en las instalaciones de la Universidad Santiago de Cali ubicada en la
calle 5ª con carrera 62 Campus Pampalinda, en los cuales se hará la
investigación, el desarrollo de las pruebas, y se recogerá la información necesaria
para el desarrollo del mismo
5.2. Marco teórico
5.2.1. Aspectos generales de las ondas ultrasónicas
Se define como ultrasonido cualquier onda vibratoria de frecuencia superior al
límite de audición del oído normal, es decir, incluye cualquier onda cuya frecuencia
sobrepase los 20000 Hz. Sin embargo, algunas frecuencias del intervalo sonoro
también se pueden usar para ciertas aplicaciones ultrasónicas y, cuando se hace
esto, a veces se les llama vagamente también “ultrasonido”.
Se hará especial énfasis en las frecuencias de 10000 a 100000 Hz, las cuales se
usan principalmente para aplicaciones industriales, sondeo sonoro, señalización
submarina y comunicaciones. En los últimos años, con el auge de la electrónica
digital y la robótica estas frecuencias son apropiadas para medición de distancia y
evasión de obstáculos entre otras. Las de 10000 a 20000 Hz se usan en ensayo
de materiales para buscar fisuras para tratamientos químicos, terapia médica entre
otras.
[5]
9
5.2.2. Ultrasonido como técnica de ensayo no destructivo.
Los ensayos no destructivos son, como su mismo nombre lo indica, ensayos que
se realizan sin modificar las condiciones de servicio de las piezas en estudio,
asegurando al máximo las condiciones en máquinas, equipos, estructuras y
herramientas. Para cumplir con éste objetivo, se hace necesaria la utilización de
patrones de calibración y estándares de referencia con los cuales comparar los
resultados obtenidos.
5.2.3. Objetivo del ensayo.
El objetivo del ensayo de ultrasonido es asegurar la calidad de la pieza. Para la
consecución de éste objetivo se deben tomar en cuenta tres factores que son:
Obtener una imagen visual relativa a determinar la presencia, locación y
severidad de las discontinuidades presentes en la pieza bajo ensayo.
Revelar la naturaleza de las discontinuidades sin perjudicar el material.
Diferenciar las discontinuidades aceptables de las que no lo son, de
acuerdo con criterios de aceptabilidad o especificaciones estandarizadas.
Ningún ensayo está totalmente efectuado sin antes realizar un análisis de
resultados. La ejecución de los procedimientos de ensayo y el análisis de
resultados, requiere del conocimiento de la pieza en todo lo concerniente a
material, dimensiones, forma y proceso de fabricación.
5.2.4. Aplicación industrial.
De acuerdo con sus características básicas, el ensayo de ultrasonido puede ser
utilizado en el examen de productos metálicos y no metálicos, tales como:
soldaduras frías, fundiciones, planchas, tubos, plásticos, cerámicas, etc.
10
El ensayo de ultrasonido es aplicable en la detección de discontinuidades
subsuperficiales, siendo una de las herramientas más efectivas existentes, para el
Aseguramiento y Control de Calidad.
5.2.5. VENTAJAS Y LIMITACIONES DEL ULTRASONIDO
El ensayo de ultrasonido posee características peculiares que lo hacen versátil, y
sumamente útil, en la determinación de la integridad estructural de los materiales;
sin embargo, presenta ciertas ventajas y limitaciones, en cuanto a la técnica en sí
y a los métodos utilizados, las cuales serán descritas a continuación
5.2.5.1. Ventajas del ultrasonido industrial.
Los defectos superficiales e internos pueden detectarse en objetos de
tamaño relativamente grandes.
Una amplia gama de materiales metálicos y no metálicos con diferentes
espesores, pueden ser inspeccionados
Se puede obtener información detallada de los defectos (tamaño,
orientación y localización)
Las dimensiones del objeto se pueden medir por medio del ultrasonido
Existe muy amplia variedad de técnicas para obtener y presentar los
resultados que se puedan adecuar a una aplicación particular
El método es portátil, y se puede utilizar en campo
Los resultados se obtienen en tiempo real, y ser almacenados por medios
electrónicos
Permite la automatización de inspecciones rutinarias
Son inspecciones de bajo costo
El ultrasonido tiene muy allá sensibilidad para detectar defectos
relativamente pequeños
Únicamente se necesita tener acceso a una superficie de la pieza
11
Requiere poca preparación previa a la inspección, aunque la superficie
debe estar limpia.
Por todas estas razones podemos decir que el ensayo ultrasónico es uno de los
métodos de ensayo no destructivo que puede ser seleccionado dependiendo de
los requerimientos del ensayo a ser realizado.
5.2.5.2. Desventajas del ultrasonido. Al menos, una superficie de la pieza debe estar accesible
Las superficies rugosas presentan problemas de inspección
Se requiere un material acoplador entre el transductor y la pieza
Las inspecciones son muy sensibles a la dirección del haz de ultrasonido
con la orientación del defecto
Las grietas muy cerradas pueden ser difíciles de detectar
El inspector debe contar con un nivel de entrenamiento y capacitación
relativamente alto para manejar el equipo, e interpretar los resultados
Aunque se puede obtener una imagen del defecto, la técnica para ello es
sumamente compleja
Para inspeccionar grandes superficies es necesario contar con sistemas
especiales
La inspección de geometrías complejas puede ser impráctica o imposible.
[6]
5.2.6. Ultrasonido
Ultrasonido, es el nombre dado al estudio y aplicación de ondas sonoras con
frecuencias superiores a las percibidas por el oído humano. Ultrasonido, es el
nombre dado al estudio y aplicación de ondas sonoras con frecuencias superiores
a las percibidas por el oído humano. Las ondas sonoras pueden ser divididas en
tres grandes grupos; Infrasónica, donde el rango de frecuencias es menor a 16
12
ciclos por segundo (f < 16 Hz), Sónica donde las frecuencias se encuentran entre
16 y 20.000 ciclos por segundo (16 Hz < f < 20 KHz.) y Ultrasónica, donde las
frecuencias son mayores a 20,000 ciclos por segundo (f > 20 KHz.). El rango de
frecuencias usado en ultrasonido abarca desde los 200.000 hasta los 25.000.000
de ciclos por segundo (200 KHz. hasta 25 MHz).
5.2.7. FÍSICA DEL ULTRASONIDO
5.2.7.1. Ondas MecánicasUna onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material
o incluso en el vacío. A pesar de la naturaleza diversa de las perturbaciones que
pueden originarlas, todas las ondas tienen un comportamiento semejante. El
sonido es un tipo de onda que se propaga únicamente en presencia de un medio
que haga de soporte de la perturbación.
Algunas clases de ondas pueden propagarse gracias a la existencia de un medio
material, y se denominan ondas mecánicas. El sonido, las ondas que se forman en
la superficie del agua, las ondas en muelles o en cuerdas, son algunos ejemplos
de ondas mecánicas y corresponden a compresiones, deformaciones y, en
general, a perturbaciones del medio que se propagan a través suyo. Sin embargo,
existen ondas que pueden propagarse aun en ausencia de medio material, es
decir, en el vacío. Son las ondas electromagnéticas o campos electromagnéticos
viajeros; a esta segunda categoría pertenecen las ondas luminosas.
El sonido y el ultrasonido son ondas acústicas de la misma naturaleza, lo único
que las diferencia es el número de oscilaciones o vibraciones que sufren las
partículas del medio durante su propagación. Las aplicaciones industriales utilizan
comúnmente frecuencias desde 0.5 a 25 MHz (millones de ciclos por segundo).
13
FIGURA 1 Frecuencias del sonido y del ultrasonido.
Existen ciertas características que son comunes a todas las ondas, cualquiera que
sea su naturaleza, y que en conjunto definen el llamado comportamiento
ondulatorio, esto es, una serie de fenómenos típicos que diferencian dicho
comportamiento del comportamiento propio de las partículas.
FIGURA 2 Onda mecánica sinusoidal.
Un ciclo representa el movimiento completo de una onda. Cuando una partícula de
la onda regresa a su posición original, se dice que ha completado un ciclo.
Por otro lado, la longitud de onda es la distancia que se requiere para completar
un ciclo. Es la distancia entre dos puntos que oscilan en la misma fase, por
ejemplo la distancia entre dos crestas o entre dos valles de la onda. Esta
propiedad es identificada con la letra griega “λ”.
Al número de ciclos que ocurren en una unidad de tiempo, (por lo general el
segundo), se le denomina frecuencia “f”. La unidad de medida para la frecuencia
son los ciclos por segundo o Hertz (1 Hz = 1 ciclo/segundo).
Una propiedad de los materiales, que es una característica propia de cada uno, es
la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas a través de ellos. La
14
singularidad de este valor se debe a que es una función del módulo de elasticidad
y la densidad del material. Se identifica con las letras “v” o “c”.
Estas tres características son ampliamente utilizadas en la inspección por
ultrasonido, ya que determinan el tipo de transductor que se va a ocupar, la
calibración del equipo, y el tamaño mínimo de discontinuidad que se podrá
encontrar.
Matemáticamente existe una formula que relaciona estas tres características, y es
la siguiente:
Longitud de onda ( λ )= Velocidad(V )Frecuencia( f )
FIGURA 3 Formula longitud de Onda
Uno de los propósitos de la inspección ultrasónica es la detección de
discontinuidades, razón por la cual el inspector debe tomar una decisión en cuanto
el tipo de transductor que deberá emplear. Existe una cantidad extensa de
variables que se deben considerar en la elección de un transductor, para una
aplicación en particular. La longitud de la onda emitida por un tipo de transductor,
puede ser la primera variable a estudiar, debido a que la teoría señala que una
discontinuidad deberá tener un tamaño de media longitud de onda (λ/2) para poder
ser localizada. En la práctica se considera el tamaño de λ completo.
5.2.7.2. Propagación de Ondas MecánicasLa prueba por ultrasonido esta basada en el tiempo que tarda una onda
ultrasónica en recorrer el espesor de un material, misma que es graficada contra la
cantidad de energía que se perdió durante el recorrido. Todos los materiales que
conocemos, están constituidos por pequeñas partículas elementales, llamadas
átomos, los cuales pueden propagar una onda mecánica siempre que se les
fuerce a vibrar dentro de sus límites de equilibrio. Las fuerzas de restauración
15
elástica de las partículas combinadas con la inercia de las mismas partículas
permiten esta propagación. Existen diferentes modos de vibración a nivel atómico,
sin embrago no todos son relevantes para la inspección ultrasónica.
En los materiales sólidos existen cuatro modos principales de propagación, que
son: ondas longitudinales, ondas transversales, ondas superficiales y ondas de
placa. Para este caso solo se estudiará el comportamiento de las ondas
longitudinales y transversales, ya que son los dos tipos de propagación
comúnmente utilizados en las aplicaciones industriales.
5.2.7.2.1. Ondas Longitudinales También conocidas como ondas de compresión, debido a que su propagación
ocurre de manera paralela respecto la dirección de propagación de la onda. Esto
provoca que en los átomos se encuentren zonas con mayor densidad que fluctúan
durante el movimiento. Este tipo de onda se puede propagar a través de sólidos,
líquidos y gases. Cuando se utilizan, en la inspección ultrasónica las ondas
longitudinales, se recurre a transductores de haz recto.
FIGURA 4 Propagación de ondas longitudinales
5.2.7.2.2. Ondas Transversales
A este tipo de ondas se les llama también ondas de corte, y se caracterizan
porque el movimiento de las partículas es en forma perpendicular a la dirección de
propagación de la onda. En las inspecciones por ultrasonido se utiliza un
accesorio que permite inclinar el transductor, conocido como zapata, y a este tipo
de aplicaciones se les denomina como aplicaciones con haz angular. Otra
característica importante de este tipo de ondas es que su velocidad de
16
propagación es aproximadamente la mitad de la velocidad con ondas
transversales, para un mismo material.
FIGURA 5 Propagación de ondas transversales
Las ondas acústicas se propagan debido a las vibraciones o a los movimientos
oscilatorios de las partículas dentro de un material. Una onda ultrasónica se puede
visualizar como número infinito de masas o de partículas oscilantes conectadas
por medio de resortes elásticos. Cada partícula individual es influenciada por el
movimiento de su vecino más cercano y las fuerzas elásticas de restauración e
inercia actúan sobre cada partícula.
FIGURA 6 Modelo atómico de la materia
Una masa en un resorte tiene una sola frecuencia resonante, determinada por su
resorte de constante k y masa M. La constante del resorte es la fuerza de
restauración de un resorte por unidad de longitud. Dentro del límite elástico de
cualquier material, hay una relación lineal entre la dislocación de una partícula y la
fuerza que procura restaurar la partícula a su posición de equilibrio. Esta
dependencia lineal es descrita por la Ley de Hooke.
17
FIGURA 7 Modelo de Hooke, representando la fuerza aplicada a los átomos, con
resortes
[7]
5.3. Reseña Histórica
La inspección por Ultrasonido (UT) se define como un procedimiento de
inspección no destructiva de tipo mecánico, que se basa en la impedancia
acústica, la que se manifiesta como el producto de la velocidad máxima de
propagación del sonido entre la densidad de un material. La historia del
Ultrasonido como disciplina científica pertenece al siglo XX. En 1924, El Dr.
Sokolov desarrolló las primeras técnicas de inspección empleando ondas
ultrasónicas. Los experimentos iníciales se basaron en la medición de la pérdida
de la intensidad de la energía acústica al viajar en un material. Para tal
procedimiento se requería del empleo de un emisor y un receptor de la onda
ultrasónica. Posteriormente, durante la Segunda Guerra Mundial, los ingenieros
alemanes y soviéticos se dedicaron a desarrollar equipos de inspección
ultrasónica para aplicaciones militares. En ese entonces la técnica seguía
empleando un emisor y un receptor (técnica de transparencia) en la realización de
los ensayos. No fue sino hasta la década de 1940 cuando el Dr. Floyd Firestone
logró desarrollar el primer equipo que empleaba un mismo transductor como
emisor y receptor, basando su técnica de inspección en la propiedad característica
del sonido para reflejarse al alcanzar una interface acústica. Es así como nace la
inspección de pulso eco; esta nueva opción permitió al ultrasonido competir en
muchas ocasiones superar las limitaciones técnicas de la radiografía, ya que se
podían inspeccionar piezas de gran espesor o de configuraciones que sólo
18
permitían el acceso por un lado. El perfeccionamiento del instrumento de
inspección por ultrasonido se debe principalmente a los investigadores alemanes
Josef y Herbert Krautkramer, quienes desde 1948 se han dedicado a desarrollar y
mejorar el equipo de inspección ultrasónica.
Los equipos de ultrasonido que empleamos actualmente permiten detectar
discontinuidades superficiales, subsuperficiales e internas, dependiendo del tipo
de transductor utilizado y de las frecuencias que se seleccionen dentro de un
ámbito de 0.25 hasta 25 MHz. Las ondas ultrasónicas son generadas por un cristal
o un cerámico piezoeléctrico dentro del transductor; este elemento, que
llamaremos transductor, tiene la propiedad de transformar la energía eléctrica en
energía mecánica y viceversa. Al ser excitado eléctricamente, y por el efecto
piezoeléctrico, el transductor vibra a altas frecuencias (lo que genera ultrasonido);
estas vibraciones son transmitidas al material que se desea inspeccionar. Durante
el trayecto en el material, la intensidad de la energía sónica sufre una atenuación,
que es proporcional a la distancia del recorrido. Cuando el haz sónico alcanza la
frontera del material, dicho haz es reflejado. Los ecos o reflexiones del sonido son
recibidos por otro (o por el mismo) elemento piezoeléctrico y su señal es filtrada e
incrementada para ser enviada a un osciloscopio de rayos catódicos o en nuestro
caso a la FPGA, también puede ser transmitida a un sistema de graficado, donde
se obtiene un perfil acústico de la pieza a una pantalla digital, donde se leerá un
valor o a una computadora, para el análisis matemático de la información lograda.
En muchos aspectos la onda de ultrasonido es similar a las ondas de luz; ambas
son ondas y obedecen a una ecuación general de onda.
19
FIGURA 8 Inspección Típica por Ultrasonido
Desde la FPGA se envía la información debidamente procesada hacia un
dispositivo de visualización (LCD o computador) en donde se ilustrara
gráficamente la señal procesada. No se va a desplegar la señal, solamente se va
a visualizar en el computador el tiempo de vuelo de los ecos.
Con la introducción de FPGAs de alta densidad, tal como la familia stratix FPGA
de altera, la cual incorpora varios bloques funcionales embebidos de alto
nivel(embedded silicon), los diseñadores pueden implementar diseños completos
dentro de una FPGA, creando un sistema completo sobre un chip programable.
Los fabricantes de FPGAs, han comenzado a incorporar embedded silicon ideales
para aplicaciones DSP, tal como memoria embebida, bloques DSP, y
procesadores embebidos, los cuales son bien adecuados para implementar
funciones DSP tales como filtros FIR, FFTs, correlatores, ecualizadores,
decodificadores, codificadores, y funciones aritméticas.
[8]
20
5.4. MARCO CONCEPTUAL.
Señal análoga: es una señal continua en el tiempo.
Señal digital: es una señal que solo toma valores de 1 y 0. El PC solo envía y/o
recibe señales digitales.
Conversor análogo/digital: es un dispositivo que convierte una señal analógica
en una señal digital (1 y 0).
Sistema: consiste en un conjunto de elementos que actúan coordinadamente para
realizar un objetivo determinado.
Ultrasonido: estudio y aplicación de ondas sonoras con frecuencias superiores a
las percibidas por el oído humano.
Sonido: vibración mecánica de partículas en un medio.
Onda: distorsión que se propaga en un medio gracias a alas características
elásticas de ese medio.
Onda sonora: onda que transporta la energía acústica.
Partículas: cosas flotando en el aire, de las cuales la mayoría de ellas no pueden
ser vistas.
Vibración mecánica: es el movimiento de una película o de un cuerpo que oscila
alrededor de una posición de equilibrio.
Efecto piezoeléctrico: es el efecto que se produce al convertir deformaciones
mecánicas en cargas eléctricas y cargas eléctricas en deformaciones mecánicas.
21
Palpador: Un Palpador es el elemento encargado de la emisión y recepción del
ultrasonido mediante el efecto piezoeléctrico.
Superficie: es una región "delgada" del espacio o interfaz que separa dos medios
de propiedades diferentes.
Rugosidad: imperfecciones en la superficie del material.
FPGA: (inglés Field Programmable Gate Array) es un
dispositivo semiconductor que contiene bloques de lógica cuya interconexión y
funcionalidad puede ser configurada 'in situ' mediante un lenguaje de descripción
especializado. La lógica programable puede reproducir desde funciones tan
sencillas como las llevadas a cabo por una puerta lógica o un sistema
combinacional hasta complejos sistemas en un chip.
VHDL: significa very-high-speed integrated circuits hardware description
language o lenguaje de descripción de hardware de circuitos integrados de muy
alta velocidad. Como indica su denominación es un lenguaje similar
a ADHL o Verilog usado para describir circuitos internos y la programación
de FPGAs. Estos lenguajes presentan un mismo objetivo y se diferencia del
clásico C (o cualquiera parecido a este) por ser un lenguaje paralelo no secuencial
Un FPGA no es como un microcontrolador, en realidad es un conjunto masivo de
celdas o bloques lógicos programables. Estas celdas son programadas
individualmente para convertirse en pequeños bloques de construcción. Pueden
ser compuertas simples (AND, OR y NOT, etc) o flip-flops.
Señales ultrasónicas: Los ultrasonidos son ondas mecánicas similares al sonido,
pero de más alta frecuencia, siendo inaudibles para las personas. En la industria,
los ultra−sonidos son ampliamente utilizados para la detección y caracterización
de materiales debido a su naturaleza no destructiva y no contaminante, por
22
ejemplo, determinación de estratos del subsuelo, inspección del grosor de
tuberías, detección de grietas en soldaduras y un amplio abanico de aplicaciones.
MATLAB: (abreviatura de MATrix LABoratory, "laboratorio de matrices") es un
software matemático que ofrece un entorno de desarrollo integrado (IDE) con un
lenguaje de programación propio (lenguaje M). Está disponible para las
plataformas Unix, Windows y Mac OS X.
Entre sus prestaciones básicas se hallan: la manipulación de matrices, la
representación de datos y funciones, la implementación de algoritmos, la creación
de interfaces de usuario (GUI) y la comunicación con programas en
otros lenguajes y con otros dispositivos hardware. El paquete MATLAB dispone de
dos herramientas adicionales que expanden sus prestaciones, a saber, Simulink
(plataforma de simulación multidominio) y GUIDE (editor de interfaces de usuario -
GUI). Además, se pueden ampliar las capacidades de MATLAB con las cajas de
herramientas (toolboxes); y las de Simulink con los paquetes de
bloques (blocksets).
NDT: Acrónimo que define nondestructive testing, en español representa el
ensayo no destructivo, a cualquier tipo de prueba practicada a un material que no
altere de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o
dimensionales.
Pulso eco: es el método que consiste en la emisión de pulsos ultrasónicos de
corta duración a una frecuencia definida, para esperar el eco proveniente de la
reflexión del haz en una superficie limite.
23
6. ESTADO DEL ARTE
En nuestro proyecto, desarrollo de un sistema basado en FPGA para detección de
ecos ultrasónicos y medición de tiempos de vuelo, hemos investigado lo referente
al tema y encontramos los siguientes artículos con aplicaciones parecidas, el
nuestro se diferencia porque nos permite diseñar e implementar una plataforma de
procesamiento de señales ultrasónicas, por medio de la cual se pueda fabricar un
sistema de detección de discontinuidades para identificar fisuras internas en
materiales sólidos, a continuación presentamos algunos de los proyectos
consultados.
N Parte Descripción1 Titulo Sistema de Detección Combinado Para Sensores Ultrasónicos2 Nodo Temático En este trabajo se presenta un sistema combinado de
detección de ecoultrasónico para medición de distancias, para grandes
distancias es conveniente utilizar un detector por tonos, debido a que con este
método no es necesario realizar un control de ganancia.En distancias menores dentro de
la zona muerta del discriminador de tonos, se utiliza un detector por umbral optimizado
para trabajar en el área más próxima al receptor. Se obtiene así un circuito simple y de
bajo costo, cuya utilización está orientada a vehículos auto guiados como soporte para
niños discapacitados3 Responsables Fernando Ferdeghini, Diego Brengi, Daniel Lupi.
Centro de Investigación y Desarrollo en Electrónica e Informática (CITEI)
Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI)San Martín, Buenos Aires, Argentina
4 Bibliografía http://www.inti.gob.ar/electronicaeinformatica/instrumentacion/utic/publicaciones/aadeca98/combi.pdf
5 Titulo Prototipo Industrial de un Medidor Ultrasónico de Nivel6 Nodo Temático Este articulo presenta el diseño e Implementación de un
prototipo de sistema de medición de nivel para fases aire-liquido o aire-solido, configurable por el usuario y con
especificaciones comparables a las de los equipos industriales disponibles comercialmente. El sistema se basa en la
utilización de un transductor de ultrasonido, por medio del cual
24
se envía un corto pulso de onda ultrasónica hacia el objetivo, el cual refleja la onda sensora hacia el sensor. El sistema
entonces determina el tiempo de retorno del eco (tiempo de vuelo) y calcula la distancia del objetivo utilizando como
referencia la velocidad del sonido en el medio. Se propone un método analógico de medición de tiempo de vuelo que permite
obtener resoluciones menores a una longitud de onda de la señal transmitida, además de mejorar la respuesta del sistema ante cambios ambientales. El conjunto sensor-acondicionador-
interfaz, constituyen un instrumento inteligente con capacidades de medición, validación, configuración, calibración
y comunicaciones digitales.7 Responsables Byron Andres Calvache y Asfur Barandica
Universidad del ValleCali, Valle del Cauca, Colombia
8 Bibliografía http://objetos.univalle.edu.co/files/Prototipo_industrial_de_un_medidor_ultrasonico_de_nivel.pdf
9 Titulo Sistema Doble Umbral para el Incremento de la Directividad en un Sensor Ultrasónico
10 Nodo Temático Este articulo expone la técnica de medición de distancias por medio de ultrasonidos y el Tiempo de Vuelo de la Señal
usando el método de Doble Umbral.11 Responsables Jovani A. Jimenez Builes PhD, Juan J. González España
GIDIA: Grupo de Investigación y Desarrollo en Inteligencia Artificial, Facultad de Minas, Universidad Nacional de
Colombia, Medellín, Colombia.
12 Bibliografía http://www2.unalmed.edu.co/~pruebasminas/index.php?option=com_docman&task=doc_view&gid=344&tmpl=component&format
=raw&Itemid=28513 Titulo Control y Medida de Nivel de Liquido con Señales de
Ultrasonido14 Nodo Temático Controlar el nivel de un sistema hidráulico de almacenamiento
de líquidomediante un autómata programable siemens utilizando señales
deultrasonido
15 Responsables Dylan Andres Alzate Rodriguez16 Bibliografía http://repositorio.utp.edu.co/dspace/bitstream/
11059/1774/4/6298A478.pdf17 Titulo Detección de Ecos Ultrasónicos en una Señal de NDT y
Medición de Tiempos de Vuelo18 Nodo Temático Este proyecto fue desarrollado por la necesidad de implementar
un algoritmo con los mismos parámetros de diseño de dos lenguajes de programación. El objetivo de esto es para analizar si es posible obtener resultados independientes con índices de
25
error aceptables utilizando como referencia los resultados de un programa con respecto al otro.
19 Responsables Darwin Elmer López, Dairo Yovanni Cardenas Paz, Universidad Santiago de Cali, Valle, Colombia.
20 Bibliografía https://app.box.com/shared/oiod7gsaro
7. METODOLOGÍA
La metodología usada en el proyecto será en una parte experimental, pues se
llevarán a cabo tareas de implementación de algoritmos en Quartus y Matlab para
simulación.
El proyecto a implementar contará con las siguientes etapas:
Etapa 1: Revisión y selección bibliográfica útil para el proyecto.
Etapa 2: Investigación y estudio del software Quartus.
Etapa 3: Investigación y estudio del software Matlab.
Etapa 4: Convertir los formatos de las señales a uno que lea Quartus.
Etapa 5: implementación del algoritmo en la FPGA.
Etapa 6: Estudio de los bloques funcionales requeridos para la implementación del
algoritmo en la FPGA
Etapa 7: Estudio de la implementación de las diferentes etapas de procesamiento
para la detección de los ecos.
Etapa 8: Investigación, estudio y análisis del algoritmo de medición de los tiempos
de vuelo de los ecos.
Etapa 9: Verificación y pruebas del algoritmo.
Etapa 10: Implementación de la interfaz grafica en Matlab para la visualización de
los tiempos de vuelo.
26
Etapa 11: Simulación total y pruebas finales del sistema.
Etapa 12: Elaboración del trabajo escrito.
8. RECURSOS8.1 Recursos Materiales
El lugar de trabajo para desarrollar este proyecto debe contar:
Computador con conexión a Internet, con sistema operativo Microsoft Windows
7, Microsoft Office 2010, Matlab R2008 o superior, Quartus II 9.1 sp2 Web
edition, Matlab R2010a o superior.
tarjeta de desarrollo Cyclone II FPGA Starter Development Board de Altera.
EP2C20F484C7, DE1
8.2 Recursos humanos
El proyecto en desarrollo cuenta con la dirección del ingeniero electrónico y
docente Julio Cesar Millán Barco quien tiene un amplio conocimiento en las áreas
de programación de dispositivos lógicos programables, electrónica digital y
electrónica en general y como codirector el Ingeniero Electrónico Vladimir Trujillo
Olaya Docente de la Universidad del Valle en la escuela de Ingeniería Eléctrica y
Electrónica y candidato a Doctorado, y los estudiantes de pregrado de Ingeniería
Electrónica Angela María Patiño Oribe y Carlos Eduardo García Galeano.
27
8.3 Recursos financieros
La tabla 1 muestra la relación entre ítems y costos requeridos para el desarrollo
del proyecto.
USC PERSONALEquipo de computo $ 1.200.000Insumos equipo de procesamiento $ 500.000Uso de laboratorios ($ 50,000 Hora) $ 600.000Papeleria $ 50.000Impresos $ 100.000Transporte $ 300.000Honorarios ($20,000 hora) $ 4.000.000Direccion del proyecto ($ ) $ 2.000.000Edicion documento final $ 60.000Imprevistos $ 100.000TOTAL $ 3.100.000 $ 5.810.000TOTAL PROYECTO 8.910.000
FINANCIADO PORPRESUPUESTO
ITEM
TABLA 1
28
9. CRONOGRAMA
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4ETAPA 1ETAPA 2ETAPA 3ETAPA 4ETAPA 5ETAPA 6ETAPA 7ETAPA 8ETAPA 9
ETAPA 10ETAPA 11ETAPA 12
ACTIVIDAD/MES MES 1 MES 2 MES 3 MES 4
29
10.BIBLIOGRAFIA1. LOPEZ Darwin Elmer, CARDENAS PAZ Dairo Yovanni. Detección De Ecos
Ultrasónicos En Una Señal De NDT y Medición de Tiempos de Vuelo. Universidad
Santiago de Cali, Facultad de Ingeniería Electrónica, Santiago de Cali 2008.
2. MARTÍNEZ RODRÍGUEZ Jairo Alejandro, VITOLA OYAGA Jaime,
SANDOVAL CANTOR Susana del Pilar. Fundamentos Teóricos del
Ultrasonido. Tecnura año 10 No. 20 Primer Semestre de 2007. Grupo de
Investigación Tecnologías Ultrasónicas, Universidad Santo Tomas, Bogotá
2007.
3. LOPEZ LINA Gerardo Patricio. La Inspección y Evaluación No Destructiva
Por El Método De Ultrasonido En Materiales y Componentes Para El
Mantenimiento, La Seguridad y La Sustentabilidad De La Infraestructura
Industrial. Tesis Individual para obtener título de Ingeniero Mecánico,
Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica ESIME Unidad Culhuacán, México D.F, 23 de Septiembre de
2008.
4. Anónimo. Curso de Ultrasonido para Ensayos no Destructivo de Materiales
(NDT). Año 2002.
5. WIKIPEDIA. <http://es.wikipedia.org/wiki/Ultrasonido>. Que es el
ultrasonido, Septiembre de 2012.
6. OLYMPUS. <http://www.olympusndt.com/es/corrosion-testing/>. Ultrasonido
como método no destructivo y sus aplicaciones. Septiembre de 2012.
7. WIKIPEDIA. <http://es.wikipedia.org/wiki/FPGA/>. Definición, estructura,
programación y aplicaciones de una FPGA, Septiembre de 2012.
8. XTEC. <http://www.xtec.es/iesbellvitge/caixa/ondas.htm>. Ondas sonoras y
características del sonido. Septiembre de 2012.
30