metodos procesamiento avanzado ia

MTODOS DE PROCESAMIENTO AVANZADO E INTELIGENCIA ARTIFICIAL EN SISTEMAS SENSORES Y BIOSENSORESLorenzo Leija Coordinador

Barcelona Bogot Buenos Aires Caracas Mxico 2009

Ttulo de la obra: Mtodos de Procesamiento Avanzado e Inteligencia Artificial en Sistemas Sensores y Biosensores Primera edicin, 2009 Coordinador: Lorenzo Leija S. de Bioelectrnica, Departamento de Ingeniera Elctrica, CINVESTAV IPN, Mxico Diseo y formacin: Revert-Aguilar, S.L. www.reverte-aguilar.com Diseo de cubierta: David Kimura y Gabriela Varela Reservados todos los derechos. La reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografa y el tratamiento informtico, queda rigurosamente prohibida, salvo excepcin previa en la ley. Asimismo queda prohibida la distribucin de ejemplares mediante alquiler o prstamo pblicos, la comunicacin pblica y la transformacin de cualquier parte de esta publicacin (incluido el diseo de la cubierta) sin la previa autorizacin de los titulares de la propiedad intelectual y de la Editorial. La infraccin de los derechos mecionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (Art. 270 y siguientes del Cdigo Penal). El Centro Espaol de Derechos Reprogrficos (CEDRO) vela por el respeto a los citados derechos. Este documento se ha realizado con la ayuda financiera de la Comunidad Europea. El contenido de este documento es responsabilidad exclusiva de los autores de este libro y en modo alguno debe considerarse que refleja la posicin de la Unin Europea. Propiedad de: Revert Ediciones, S.A. de C.V. Ro Pnuco No. 141, Col. Cuauhtmoc 06500 Mxico, D.F. T. + (52) 55 5533.5658 F. + (52) 5555146799 [email protected] www.reverte.com ISBN 978-607-7815-01-3 Mxico ISBN 978-84-291-8013-8 Espaa Impreso en Mxico. Printed in Mexico.

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Editorial Revert, S.A. Loreto 13 - 15 Local B 08029 Barcelona, Espaa T. (3493) 419 33 36 F. (3493) 419 51 89 www.reverte.com

Agradecimientos

Una obra de esta magnitud requiere el esfuerzo de mltiples personas e instituciones. En primer lugar es importante mencionar al programa ALFA, dedicado a la cooperacin entre Instituciones de Educacin Superior (IES) de la Unin Europea y Amrica Latina, que otorg los fondos para el funcionamiento de la Red ALFA-BioSenIntg (Mtodos de procesamiento avanzado e inteligencia artificial en sistemas sensores y biosensores). La Red se integr con ocho laboratorios de Europa en Espaa, Francia y Portugal y seis de Latinoamrica en Brasil, Cuba, Mxico y Per. Todos ellos han sido participantes entusiastas del proyecto de escribir esta obra, orientada a los estudiantes de Ingeniera de habla hispana. Mi reconocimiento al esfuerzo de cada uno de ellos. Cabe destacar la participacin de colegas y personal del CINVESTAV-IPN: Roberto, Arturo, Rubn, Hugo y Gina, quienes asumieron el proyecto como un reto personal y siempre estuvieron presentes cuando el esfuerzo de correccin de figuras y de escritura lo demand. Agradezco al CYTED, Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnologa para el Desarrollo, su apoyo decidido en la edicin de la presente obra, tanto a su Secretario General, Fernando Aldana, como al Coordinador Cientfico y Tecnolgico, Jordi Aguil; ambos colegas y amigos de aos en las relaciones iberoamericanas. Igualmente al personal de Editorial Revert, en particular a Judith Sandoval, que no han escatimado tiempo y esfuerzo para mejorar el contenido de la misma. A todos ellos mi reconocimiento por su contribucin para que este libro sea una realidad.

Lorenzo Leija Salas. Profesor del CINVESTAV-IPN, Mxico

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Prlogo

Aunque la publicacin de un libro representa siempre el final de una etapa, creo y deseo que en este caso se trate slo del fin de una primera, del arranque inicial necesario para formar un buen equipo de trabajo. En esta obra, el lector podr disfrutar de un texto completo y prcticamente autocontenido que aborda la ciencia y la tecnologa de base en los micro y nano sistemas realmente en el estado del arte. Desde una lectura menos tcnica, es claro que distintos grupos iberoamericanos comparten y han compartido sus conocimientos y la experiencia adquirida como resultado tangible de los proyectos y redes llevados a cabo en comn. De esa lectura se deduce tambin que, posteriormente, estos grupos han sabido incorporarse e integrarse a grupos similares en Europa, con objeto de fomentar sinergias e incrementar su propio potencial. Sin duda alguna, ste es un inicio prometedor, con un presente encomiable y unas potencialidades inmensas. Hoy, el programa CYTED se siente orgulloso de haber contribuido a este proyecto desde sus orgenes. Por otra parte, la temtica genrica del libro: sensores, microsensores y los sistemas electrnicos que se sustentan sobre ellos, no puede ser ms actual. Nuestra sociedad apuesta decididamente por ello, es decir, que en la Sociedad de la Informacin no sean slo los ordenadores los que generen, traten y difundan esa informacin. Actualmente el reto reside en que fluya adems informacin propia de los seres vivos, y que la produzcan, traten y difundan unos u otros indistintamente: ordenadores y seres vivos compartiendo recursos sin fronteras preestablecidas. Es innegable que a partir de esa sinergia y del inicio de este trabajo conjunto se generarn conocimientos en torno a los complejos mecanismos de funcionamiento y de control en los seres vivos. Lo que permitir desarrollar, a travs de una retroalimentacin, interfases que hagan amigables -a muy bajo nivel- al ser vivo, la electrnica, la informacin y el conocimiento. Asimismo, el desarrollo de la investigacin que ha derivado en este libro ha surgido del trabajo en red, de compartir conocimiento, experiencia y saber hacer con grupos muy diversos y geogrficamente distantes, lo que no puede ser tambin ms actual. Y en este sentido no slo nuestra sociedad est apostando al respecto, sino que es casi imposible concebir de otra forma el progreso. Y me refiero desde luego al progreso cientfico y tecnolgico, pero tambin al industrial. La empresa que aspire a ser viable en el futuro no tiene ms remedio que apoyarse en grupos como los presentes, en su I+D, trabajar con ellos en red y compartir conocimientos y tecnologas con otras empresas. Gestionar adecuadamente lo que se ha dado en llamar la coopeticin (cooperacin simultnea con la competicin), parece ser la nica salida viable para la innovacin en las empresas y especialmente en las empresas de base tecnolgica. Reiterando el orgullo que siente CYTED de haber contribuido a este proyecto, vaya por escrito y pblicamente su compromiso y el de quien suscribe para dar todo el soporte posible al grupo, con el fin de que siga avanzando por esta va con paso firme y con el mismo entusiasmo y la misma generosidad que hasta el momento.

Jordi Aguil Coordinador Cientfico y Tecnolgico de CYTED

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Agradecimientos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - v Prlogo - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - vii Introduccin a los Sensores e Inteligencia Artificial1 A.1 Ordenadores, sensores y actuadores .......................................................................1 A.2 Inteligencia artificial .......................................................................................................2 A.3 Sensores qumicos .........................................................................................................3 A.3.1 Reconocimiento qumico, biolgico y biomimtico..............................4 A.3.2 Transductores ...............................................................................................6 A.4 Integracin en ciencia y tecnologa............................................................................6 A.4.1 Sistemas analticos integrados....................................................................7 A.5 Integracin de sensores e inteligencia artificial.......................................................7 A.5.1 Arreglos de sensores y aproximaciones biomimtica..........................7 A.5.2 Sensores y tecnologas de la informacin y la comunicacin .............9 A.5.3 Sensores y convergencia de tecnologas .................................................9 A.6 Bibliografa recomendada...........................................................................................10 Parte 1: Generalidades sobre los Sensores 1.A Sensores Fsicos - - - - - - - - - - - - 11 Presentacin ..............................................................................................................................11 Sensores de Temperatura - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 13 1.1 Introduccin..................................................................................................................13 1.2 Sensores de temperatura resistivos (RTDs) .........................................................14 1.3 Termistores ..................................................................................................................17 1.4 Termocuplas o Termopares .....................................................................................20 1.5 Sensores de temperatura basados en fibras pticas............................................25 1.6 Sensores de temperatura basados en uniones de semiconductores...............28

Captulo 1:

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1.7 1.8 1.9 Captulo 2:

Termmetros de expansin o dilatacin de lquido ...........................................31 Sensores de radiacin.................................................................................................33 Bibliografa recomendada...........................................................................................34

Principios y Aspectos Prcticos de los Sensores Ultrasnicos - - - - - - - - - 35 2.1 2.2 Introduccin..................................................................................................................35 Piezoelectricidad ..........................................................................................................37 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 Piroelectricidad y electrostriccin..........................................................37 Acciones piezoelctricas ...........................................................................38 Envejecimiento ............................................................................................39 Cristales de cuarzo.....................................................................................40 Cristales solubles en agua .........................................................................40 Monocristales con alto punto de fusin ................................................40 Semiconductores piezoelctricos ...........................................................41 Cermicas piezoelctricas ........................................................................41 Compuestos piezoelctricos....................................................................41 Ley de Hooke: la relacin entre esfuerzo y deformacin.................42 Consideraciones generales .......................................................................42 Propagacin longitudinal y transversal...................................................42 Velocidad de propagacin.........................................................................43 Impedancia acstica ....................................................................................44 Atenuacin acstica....................................................................................44 Medida de la absorcin de energa ultrasnica....................................46

Materiales piezoelctricos .........................................................................................39

La propagacin ultrasnica........................................................................................41

Propagacin de la onda ultrasnica .........................................................................42

El campo ultrasnico...................................................................................................47 Medicin del campo ultrasnico ..............................................................................48 El transductor ultrasnico .........................................................................................52 Patrn de propagacin del haz ultrasnico ...........................................................53 Focalizacin de transductores ..................................................................................54 2.10.1 2.10.2 2.10.3 Transductores esfricos............................................................................54 Focalizado elctrico....................................................................................55 Arreglo de transductores .........................................................................55

2.11 2.12 2.13

Partes bsicas de un equipo de ultrasonido ..........................................................56 Diagramas elctricos de referencia del pulsador-receptor de equipos de ultrasonido...............................................................................................................57 Consideraciones a tomar en cuenta en la seleccin de un transductor.........61 2.13.1 2.13.2 Consideraciones en la seleccin de un transductor...........................61 Las aplicaciones de los transductores ultrasnicos en la medicina........63

2.14

Bibliografa recomendada...........................................................................................64

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Captulo 3:

Sensores Ultrasnicos Piezoelctricos. Aspectos Bsicos y Modelos Circuitales - - - 67 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 Introduccin..................................................................................................................67 Estructura bsica y aplicaciones ...............................................................................69 Aspectos generales de diseo y parmetros de eficiencia.................................71 Transductores piezoelctricos trabajando en modo espesor.......................73 Modelos circuitales de los transductores basados en placas piezoelctricas vibrando en modo espesor...........................................................75 Modelos y simulacin utilizando PSPICE para su implementacin...................79 Adaptacin circuital del modelo de Redwood para su implementacin mediante Spice .............................................................................................................80 3.7.1 3.7.2 3.8 Adaptacin de Morris y Hutchens en formato Spice .........................81 Otras adaptaciones para implementacin en Spice ............................83

Bibliografa recomendada...........................................................................................84

Captulo 4:

Sensores pticos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 87 4.1 4.2 4.3 4.4 Introduccin..................................................................................................................87 La naturaleza de la luz.................................................................................................88 Sensores interferomtricos.......................................................................................89 Sensores de fibra ptica.............................................................................................92 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.6 Propagacin de la onda electromagntica a travs de una gua de onda..........................................................................................................94 Sensores extrnsecos de fibra ptica .....................................................94 Sensores intrnsecos de fibra ptica.......................................................97 Conceptos bsicos......................................................................................99 Ejemplos prcticos de sensores pticos integrados ........................ 101 Sensor ptico integrado de refraccin, del tipo interferomtrico ...................................................................................... 103

Sensores optoqumicos. Un esquema integrado ..................................................99

Bibliografa recomendada........................................................................................ 105

Captulo 5:

Sensores de Imgenes - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 107 5.1 5.2 Las imgenes en biologa y en medicina .............................................................. 107 Los sensores de imgenes ...................................................................................... 108 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.2.7 5.2.8 5.3 El Ojo.......................................................................................................... 108 Los sensores CCD y CMOS ................................................................. 109 Sensores de color.................................................................................... 113 Los espacios de representacin del color ......................................... 114 Los sensores de Rayos X y Gamma (y).............................................. 117 Los sensores de infra-rojo..................................................................... 120 Los sensores de ultrasonidos................................................................ 121 Las imgenes lser y la luz estructurada............................................. 121


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Captulo 6:

Sistemas Microelectromecnicos (MEMS) - - - - - - - - - - - - - - - - - - 127 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 Medicin y monitoreo de sistemas naturales con MEMS................................ 128 Materiales ................................................................................................................... 129 Grabado ...................................................................................................................... 130 Fotolitografa.............................................................................................................. 132 Mascarillas................................................................................................................... 132 Encapsulamiento ....................................................................................................... 133 Aplicaciones ............................................................................................................... 133 6.7.1 Microsensores en la audicin humana ................................................ 136 Bibliografa recomendada........................................................................................ 141

Captulo 7:

Sensores Magnticos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 145 7.1 Sensores inductivos.................................................................................................. 145 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4 7.4.5 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.5 7.6 Sensores inductivos con ncleo de aire ............................................. 145 Sensores inductivos con ncleo ferromagntico.............................. 148 Interfaces electrnicas para los sensores inductivos....................... 152 Modelizacin de la caracterstica de magnetizacin B-H en un material magntico....................................................................... 155 Sensor fluxgate basado en varilla de material magntico ............... 157 Sensor fluxgate basado en dos varillas de material magntico (fluxgate de Vacquier)......................................................... 159 Interfaces electrnicas para sensores fluxgate.................................. 161 Sensores magnticos de estado slido ............................................... 163 Efecto magnetorresistivo galvanomagntico ..................................... 163 Efecto magnetorresistivo anisotrpico............................................... 164 Efecto magnetorresistivo gigante ......................................................... 167 Interfaces electrnicas para sensores magnetorresistivos............. 169 El efecto Hall............................................................................................. 171 Elementos Hall de pelcula delgada...................................................... 172 Sensores Hall integrados........................................................................ 174 Interfaces electrnicas para sensores Hall......................................... 176 Aplicaciones de los sensores Hall ........................................................ 176 Caracterizacin fsica .............................................................................. 179 Caracterizacin elctrica ....................................................................... 180 Aspectos prcticos a tener en cuenta................................................. 182 Interfaz electrnico para inductor de Rogowski-Chattock ........... 183 Aplicaciones .............................................................................................. 184

Sensores fluxgate ...................................................................................................... 155

Sensores magnetorresistivos: principios y propiedades .................................. 162

Sensores basados en el efecto Hall ...................................................................... 170

Inductor Rogowski-Chattock ................................................................................ 179


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Parte I:

Generalidades sobre sensores 1.B Sensores qumicos - - - - - - - - - - - - 187 Presentacin ........................................................................................................................... 187 Sensores Potenciomtricos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 189 8.1 Introduccin............................................................................................................... 189 8.2 Electrodos selectivos de iones .............................................................................. 191 8.2.1 Diferentes tipos de electrodos selectivos ......................................... 193 8.2.2 Electrodos compuestos.......................................................................... 196 8.3 Electrodos de alambre recubierto........................................................................ 197 8.4 Sensores tipo ISFET ................................................................................................. 198 8.4.1 El modelo de la doble capa elctrica................................................... 200 8.4.2 EL EnFET.................................................................................................... 203 8.4.3 Principio de funcionamiento de los EnFETs....................................... 203 8.5 Conclusiones ............................................................................................................. 204 8.6 Bibliografa recomendada........................................................................................ 205 Sensores Amperomtricos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 207 9.1 Introduccin............................................................................................................... 207 9.2 La tcnica voltamperomtrica ............................................................................... 208 9.3 Tcnicas amperomtricas ....................................................................................... 210 9.3.1 Voltamperometra cclica ....................................................................... 210 9.3.2 Voltamperometra diferencial de pulsos............................................. 210 9.3.3 Voltamperometra de redisolucin...................................................... 210 9.4 Sensores amperomtricos...................................................................................... 211 9.4.1 Electrodos modificados qumicamente ............................................... 212 9.4.2 Biosensores amperomtricos ............................................................... 214 9.4.3 Otros dispositivos amperomtricos destacados.............................. 214 9.5 Conclusiones ............................................................................................................. 216 9.6 Bibliografa recomendada........................................................................................ 216

Captulo 8:

Captulo 9:

Captulo 10: Biosensores - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 219 10.1 Introduccin............................................................................................................... 219 10.2 Biosensores: Clasificacin....................................................................................... 220 10.2.1 Segn el elemento de reconocimiento ............................................... 220 10.2.2 Segn el elemento transductor ............................................................ 227 10.3 Tcnicas de inmovilizacin ..................................................................................... 231 10.3.1 Adsorcin fsica ........................................................................................ 232 10.3.2 Atrapamiento o copolimerizacin dentro de una matriz polimrica .................................................................................................. 232 10.3.3 Entrecruzamiento .................................................................................... 234 10.3.4 Enlace covalente....................................................................................... 234 10.3.5 Interacciones electrostticas................................................................. 234 10.3.6 Interacciones de afinidad........................................................................ 235 10.4 Aplicaciones ............................................................................................................... 235 10.4.1 Biosensor de glucosa: Un gran xito comercial ............................... 235

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10.4.2 10.4.3 10.4.4 10.5 10.6 Parte 2:

Uso de sensores basados en cidos nucleicos para el diagnstico de cncer......................................................................... 237 Biosensor de microcistina para el control medioambiental y clnico ...................................................................................................... 238 Biosensor de ocratoxina A: evaluacin de la calidad de los alimentos.................................................................................................... 240

Conclusiones y perspectivas .................................................................................. 242 Bibliografa recomendada........................................................................................ 243

Fundamentos de la Inteligencia Artificial - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 249 Presentacin ........................................................................................................................... 249

Captulo 11: Acondicionamiento de Seal - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 251 11.1 11.2 Sistema de medida.................................................................................................... 251 Procesamiento analgico de la seal.................................................................... 252 11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4 11.2.5 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 Tipos de seales....................................................................................... 253 Puente de Wheatstone........................................................................... 254 Amplificador operacional ....................................................................... 256 Etapa de amplificacin DC..................................................................... 257 Amplificacion AC ..................................................................................... 264

Multiplexado .............................................................................................................. 266 Adquisicin en el dominio de las amplitudes CAD .......................................... 268 Muestreo y retencin .............................................................................................. 270 Barreras de aislamiento........................................................................................... 271 Interfaces directas sensor-microcontrolador .................................................... 272 Bibliografa recomendada........................................................................................ 274

Captulo 12: Anlisis en el Dominio de la Frecuencia - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 275 12.1 12.2 12.3 Dominio de la frecuencia........................................................................................ 275 Series de Fourier ...................................................................................................... 276 Transformada de Fourier........................................................................................ 277 12.3.1 12.3.2 12.4 12.4.1 12.4.2 12.5 12.6 12.7 Densidad espectral de potencia ........................................................... 279 Funcin de autocorrelacin................................................................... 279 Periodo de muestreo.............................................................................. 280 Teorema de muestreo............................................................................ 283

Muestreo .................................................................................................................... 280

Transformada de Fourier Discreta (DFT) .......................................................... 283 Efecto del intervalo de tiempo finito en el muestreo ...................................... 287 Transformada rpida de Fourier (FFT)................................................................ 290 12.7.1 12.7.2 Descomposicin en el dominio del tiempo....................................... 290 Descomposicin en el domino de la frecuencia............................... 293

12.8


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Captulo 13: Eliminacin de Ruido Mediante el Uso de Wavelets - - - - - - - - - - - - - 295 13.1 Wavelets ortogonales para la eliminacin de ruido y compresin ............................................................................................................. 295 13.1.1 Descomposicin dispersa de seales .................................................. 296 13.1.2 Descomposicin del ruido..................................................................... 297 13.1.3 Algoritmo general para la eliminacin de ruido ............................... 298 Eliminacin de ruido mediante la umbralizacin de la wavelet...................... 300 13.2.1 13.2.2 13.3 Estrategia de umbralizacin ................................................................... 300 Clculo del umbral................................................................................... 302

13.2


Captulo 14: Aplicacin de Redes Neuronales Artificiales a la Minera de Datos - - - - - - - 307 14.1 Introduccin............................................................................................................... 307 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 14.8 Descubrimiento del conocimiento y minera de datos.................................... 308 Perceptrn multicapa (MLP) .................................................................................. 309 Algunas aplicaciones de las redes MLPs .............................................................. 312 Mapas auto-organizativos (SOM).......................................................................... 313 Aplicaciones de las redes SOM ............................................................................. 316 Conclusiones ............................................................................................................. 318 Bibliografa recomendada........................................................................................ 319

Captulo 15: Algoritmos Genticos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 321 15.1 Introduccin............................................................................................................... 321 15.2 Estructura del algoritmo gentico ........................................................................ 322 15.3 Implementacin del algoritmo gentico bsico ................................................. 323 15.4 Representacin, codificacin y generacin de la poblacin inicial ................ 325 15.5 Evaluacin y seleccin.............................................................................................. 326 15.6 Operadores genticos ............................................................................................. 326 15.7 Generacin de la nueva poblacin........................................................................ 328 15.8 Un sencillo ejemplo.................................................................................................. 328 15.9 Conclusiones ............................................................................................................. 331 15.10 Revisin bibliogrfica................................................................................................ 331 15.11 Bibliografa recomendada ....................................................................................... 332 Captulo 16: Mquinas de Vectores Soporte para Clasificacin - - - - - - - - - - - - - - 335 16.1 Introduccin............................................................................................................... 335 16.2 Casos linealmente separables ................................................................................ 338 16.3 Mltiples categoras.................................................................................................. 343 16.4 Caso no separable linealmente.............................................................................. 344 16.5 Maquinas de vectores soporte no lineales.......................................................... 346 16.6 Revisin bibliogrfica................................................................................................ 349 16.7 Bibliografa recomendada........................................................................................ 349

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Parte 3:

Algunas Aplicaciones de Sensores con Inteligencia Artificial - - - - - - - - - - 353 Presentacin ........................................................................................................................... 353

Captulo 17: Aplicaciones en Sistemas Distribuidos- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 355 17.1 Introduccin............................................................................................................... 355 17.2 Sistemas de instrumentacin.................................................................................. 356 17.3 Arquitectura de un sistema de instrumentacin ............................................... 356 17.3.1 HARDWARE ............................................................................................ 357 17.3.2 SOFTWARE.............................................................................................. 361 17.4 Redes de sensores.................................................................................................... 363 17.5 Objetivos de una red de sensores........................................................................ 365 17.6 Topologa de la red de sensores........................................................................... 365 17.7 Hardware de la red de sensores........................................................................... 366 17.7.1 Hardware del nodo central ................................................................... 370 17.7.2 Hardware del nodo remoto.................................................................. 371 17.8 Software de los nodos central y remoto ............................................................ 373 17.9 Interfaz grfica de la red de sensores .................................................................. 374 17.10 Comunicacin entre los nodos de la red de sensores .................................... 375 17.10.1 Red cableada ............................................................................................. 376 17.10.2 Red inalmbrica ........................................................................................ 378 17.11 Aplicaciones de los sistemas de medida distribuidos ....................................... 381 17.12 Bibliografa recomendada........................................................................................ 386 Captulo 18: Sensores de Temperatura y Campo Elctrico en Hipertermia Oncolgica - - - 387 18.1 Hipertermia oncolgica........................................................................................... 387 18.2 Principios biolgicos a nivel celular y fisiolgico ............................................... 389 18.2.1 Efectos a nivel celular, metablico y molecular ................................ 389 18.2.2 Efectos fisiolgicos................................................................................... 390 18.3 Sensor de campo elctrico..................................................................................... 395 18.3.1 Detector .................................................................................................... 398 18.3.2 Lnea de transmisin resistiva ............................................................... 399 18.4 Sensores de temperatura: introduccin.............................................................. 402 18.4.1 Sensores invasivos ................................................................................... 405 18.5 Bibliografa recomendada........................................................................................ 413 Captulo 19: Diagnstico de CVA Isqumicos Asistido por Redes Neuronales Mediante la Exploracin por CT - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 415 19.1 Introduccin............................................................................................................... 416 19.2 Metodologa ............................................................................................................... 416 19.2.1 Redes neuronales RBF............................................................................ 417 19.3 Conjunto de datos ................................................................................................... 418 19.4 Parte experimental ................................................................................................... 420 19.5 Resultados y discusin............................................................................................. 420

- xvi -

ndice de Contenidos

19.6 19.7

Conclusiones y trabajos futuros............................................................................ 423 Bibliografa recomendada........................................................................................ 423

Captulo 20: Aplicacin de los Algoritmos Genticos en Diseo y Estimacin Paramtrica de Sistemas Sensores Ultrasnicos - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 425 20.1 Generalidades............................................................................................................ 426 20.1.1 Analoga biolgica de los algoritmos genticos ................................ 427 20.2 Estructura del algoritmo gentico usada en el diseo de sensores ultrasnicos................................................................................................................ 428 20.3 Aplicaciones de los algoritmos genticos en el rea de los ultrasonidos........ 432 20.3.1 Necesidad de la estimacin de parmetros constructivos en sensores ultrasnicos........................................................................ 432 20.3.2 Conveniencia del empleo de los AGs en el contexto de la estimacin paramtrica ................................................................ 433 20.4 Implementaciones del procedimiento de estimacin para transductores ultrasnicos piezoelctricos de banda ancha .......................... 435 20.5 Resultados de estimacin aplicando el procedimiento basado en AGs para dos transductores ultrasnicos de banda ancha ...................................... 438 20.5.1 Resultados para la primera implementacin: con respuestas simuladas de un transductor de alta frecuencia. Anlisis de viabilidad del procedimiento............................................................ 438 20.5.2 Resultados con la segunda implementacin: aplicacin a un transductor piezocermico prctico. Validacin con mediciones experimentales ................................................................... 440 20.6 Bibliografa recomendada........................................................................................ 443 Captulo 21: Mtodos de Soft Computing para la Estimacin no Invasiva de la Temperatura en Medios Multicapa Empleando Ultrasonido Retrodisperso - - - - - - - - - 445 21.1 Introduccin............................................................................................................... 446 21.2 Disposicin experimental y adquisicin de datos ............................................. 447 21.3 Procesamiento de datos.......................................................................................... 450 21.4 Entrenamiento y seleccin de la estructura de RBFNN ................................. 451 21.5 Resultados y discusin............................................................................................. 455 21.6 Conclusiones ............................................................................................................. 459 21.7 Bibliografa recomendada........................................................................................ 460 Captulo 22: Sistemas Sensores Ultrasnicos para Deteccin e Imagen. Control Electrnico y Simulacin Circuital - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 463 22.1 Presentacin del captulo........................................................................................ 464 22.2 Generalidades. Implicaciones tecnolgicas ......................................................... 464 22.3 Esquemas ultrasnicos generales para deteccin e imagen............................ 465 22.4 Control de sensores ultrasnicos para las aplicaciones de imagen. Principales requerimientos ..................................................................................... 467 22.4.1 Excitacin pulsada de Arrays de sensores ultrasnicos en alta frecuencia ..................................................................................... 468

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ndice de Contenidos

Circuitos excitadores mono-canal para transductores de imagen ultrasnica ............................................................................. 469 22.4.3 Circuitos para recepcin de seales de banda ancha en sensores ultrasnicos........................................................................ 471 22.5 Excitador eficiente con impulsos AT de sensores para imagen ultrasnica .................................................................................................................. 472 22.6 Modelizacin circuital para simular la excitacin impulsional en alta tensin de los sensores piezoelctricos. Tratamiento de aspectos no lineales................................................................................................................... 474 22.6.1 Adaptacin entre los sensores piezoelctricos y la electrnica no lineal asociada ........................................................ 474 22.6.2 Aproximaciones propuestas para modelar las etapas de excitacin pulsada.................................................................................... 475 22.7 Implementaciones circuitales para simular la respuesta transitoria de los sensores piezoelctricos en sistemas pulso-eco. Adaptacin de modelos .......................................................................................... 477 22.7.1 Resumen de bases tericas para el anlisis transitorio................... 477 22.7.2 Implementacin circuital de Leach del modelo Mason-Redwood para vibracin en modo Espesor...................................................... 480 228 Representaciones en SPICE del circuito anlogo de Leach para el sensor ............................................................................................................ 481 22.9 Simulacin circuital global de un emisor-receptor de pulsos ultrasnicos................................................................................................................ 485 22.9.1 Simulacin circuital de prdidas Internas en el sensor piezoelctrico ........................................................................................... 486 22.10 Bibliografa recomendada........................................................................................ 487 Captulo 23: Segmentacin de Agrupamientos de Microcalcificaciones en las Imgenes de Rayos X para su Deteccin Temprana en Mama- - - - - - - - - - - - - - 489 23.1 Introduccin............................................................................................................... 490 23.1.1 Contexto mdico..................................................................................... 490 23.1.2 Trabajo previo .......................................................................................... 491 23.2 Algoritmo de la segmentacin ............................................................................... 492 23.2.1 Principio del algoritmo ........................................................................... 492 23.2.2 Tratamiento de las imgenes de contraste realzado ....................... 492 23.2.3 Tratamiento de las imgenes suavizadas ............................................ 494 23.2.4 Tratamiento de las imgenes binarias ................................................. 494 23.2.5 Extraccin de caractersticas y clasificacin de los candidatos ..... 494 23.3 Pruebas de la segmentacin, resultados y discusin ........................................ 496 23.3.1 Criterios de evaluacin de los resultados y base de datos de imagen................................................................................................... 496 23.3.2 Ajuste del parmetro del algoritmo .................................................... 498 23.3.3 Resultados de la segmentacin y discusin ....................................... 498 23.4 Conclusin y discusin sobre la utilidad del algoritmo de la segmentacin......................................................................................................... 502 23.5 Bibliografa recomendada........................................................................................ 505

22.4.2

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ndice de Contenidos

Captulo 24: Lenguas Electrnicas Potenciomtricas - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 507 24.1 Introduccin............................................................................................................... 507 24.1.1 La lengua electrnica, un sistema bio inspirado en el sentido del gusto..................................................................................................... 508 24.1.2 Lengua electrnica................................................................................... 509 24.2 Arreglo de sensores potenciomtricos............................................................... 510 24.2.1 Arreglos redundantes ............................................................................. 511 24.2.2 Arreglos selectivos .................................................................................. 511 24.2.3 Arreglos de selectividad cruzada.......................................................... 511 24.3 Procesamiento........................................................................................................... 511 24.3.1 Datos de entrenamiento........................................................................ 514 24.4 Aplicaciones ............................................................................................................... 515 24.5 Bibliografa recomendada........................................................................................ 516 Captulo 25: Lenguas Electrnicas Voltamperomtricas - - - - - - - - - - - - - - - - - - 519 25.1 Introduccin............................................................................................................... 519 25.1.1 Sistemas bioinspirados............................................................................ 520 25.2 Naturaleza de los sensores .................................................................................... 521 25.2.1 Uso de un nico sensor voltamperomtrico .................................... 521 25.2.2 Uso de matrices de sensores voltamperomtricos......................... 521 25.3 Uso de biosensores.................................................................................................. 523 25.4 Estrategias de procesamiento ................................................................................ 523 25.5 Aplicaciones representativas.................................................................................. 524 25.6 Conclusiones ............................................................................................................. 527 25.7 Bibliografa recomendada........................................................................................ 527 ndice alfabtico - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 529

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Introduccin a los Sensores e Inteligencia ArtificialSALVADOR ALEGRET Universitat Autnoma de Barcelona, Espaa.

A.1 Ordenadores, sensores y actuadoresLa irrupcin de los ordenadores o computadores en multitud de mbitos de nuestra sociedad, tan vitales como son los de orden econmico, social, poltico, cultural, artstico y, sobre todo, los de tipo cientfico y tcnico, ha sido considerada como una verdadera revolucin, y hay quien aventura que tendr un impacto mayor al que supuso la Revolucin Industrial. El ordenador se ha convertido en un centro neural, una especie de cerebro, que regula, ayuda, calcula, coordina, controla, evala, informa, comunica o decide, cada vez ms, desde aspectos puntuales cotidianos hasta otros de repercusin y alcance mundiales. De hecho, el ordenador no tan solo asiste al hombre en multitud de tareas con gran rapidez, fiabilidad, integridad, seguridad o privacidad, sino que lo sustituye en un gran nmero de actividades, que hasta hace muy poco eran inimaginables. Los ordenadores empiezan a ser unos ingenios ubicuos. Uno de los usos ms generalizados de los ordenadores en las sociedades desarrolladas es la gestin de la informacin, de naturaleza muy diversa, la cual se almacena de forma jerarquizada en base de datos, de fcil acceso y diseminacin a travs de redes telemticas de alcance mundial. Nunca antes de ahora, gracias a los cerebros ordenadores y computadores, no haba habido tanta informacin disponible, fcilmente accesible y bien gestionada. Y tambin nunca antes de ahora, a su vez, no haba habido la necesidad de generar datos de forma continua para que los cerebros electrnicos puedan construir sus propios sistemas de informacin y de conocimiento, y puedan intervenir en un sistema exterior de forma inmediata y eficiente. Debido a la alta velocidad en el procesamiento de los datos que permiten los ordenadores actuales, uno de los pasos limitantes, para que dichos instrumentos puedan tomar decisiones oportunas, ms o menos rpidamente, es la forma en que el ordenador adquiere los datos o las seales desde el exterior, que le permitirn reaccionar. Si, por ejemplo, la adquisicin de datos se efecta fsicamente de la mano del hombre, de forma ms bien lenta, esto imposibilita efectuar reacciones de forma inmediata. En este contexto, hay una demanda creciente de dispositivos que sean capaces de suministrar de forma continua a los cerebros electrnicos informacin del mundo exterior. Es decir, de dotar a los ordenadores de una especie de sentidos, de unos anlogos de la vista, el odo, el tacto, el gusto

Introduccin a los Sensores e Inteligencia Artificial

y el olfato. Dispositivos de este tipo se les conoce con el nombre de sensores. Son muy habituales los sensores de temperatura, presin, aceleracin, nivel, caudal, sonido, radiactividad, luz, color, etc. (sensores fsicos). Son menos habituales sensores de componentes (slidos, lquidos o gaseosos) de los sistemas materiales de inters biomdico, ambiental o industrial (sensores qumicos), y por esto se estn haciendo actualmente muchos esfuerzos de I+D en esta direccin.

Sensores fsicos Informacin

Sensores qumicos

Sentidos Comunicacin Computador Cerebro

Conocimiento

Toma de decisiones

Actuadores

Extremidades

Figura A.1 Sistema simple de control de un proceso a partir de sen-

sores y actuadores gobernados por un ordenador, con indicacin de distintas categoras de actividades informticas realizadas y de su analoga antropomrfica.

Sin dejar este contexto, el retrato no quedara completo si no tuvisemos en cuenta que la informacin percibida de forma continua por el ordenador mediante los distintos tipos de sensores, debidamente procesada, eventualmente con algoritmos de inteligencia artificial (ver A.2), sirve para construir conocimiento, el cual permitir intervenir en los sistemas materiales de una forma racional, mediante los actuadores (vlvulas, motores, bombas, pinzas, articulaciones, brazos, dispensadores, etc.) que, haciendo el papel de unas extremidades, permiten al ordenador intervenir en su entorno exterior.

A.2 Inteligencia artificialLa inteligencia artificial (IA) es el reto ms ambicioso de la informtica actual. Hace aos que se ha conseguido que los ordenadores sean ms rpidos y tengan ms memoria que los humanos. Ahora se trata que las mquinas tengan tambin inteligencia o, es decir, que realicen ciertas tareas que hechas por el hombre requieren el uso de la inteligencia. Actualmente, cuando se investiga en el campo de la IA se persiguen dos objetivos complementarios, que ponen su nfasis, respectivamente, en aspectos tericos o aplicados. Por un lado se estudian los procesos cognitivos en general considerando la inteligencia como computacin; cmo los ordenadores pueden ser tiles en la comprensin de los principios que hacen posible la inteligencia. De aqu los mltiples puntos de contacto de la IA con ciencias como, por ejemplo, la neurofisiologa, la lgica formal y la lingstica. Por otro lado, la IA intenta obtener sistemas automticos que

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Sensores qumicos

puedan realizar tareas reservadas a los humanos. Aqu la IA aparece como una disciplina eminentemente tecnolgica que persigue la construccin de mquinas y programas capaces de llevar a cabo tareas complejas con una competencia y eficiencia iguales o superior a la de los humanos. Uno de los temas centrales de la IA son los diferentes sistemas que utiliza para la representacin del conocimiento y, implcitamente, las posibilidades que dicha representacin ofrece para su utilizacin. Los sistemas expertos, que reproducen correctamente el comportamiento de un experto humano en el dominio de su competencia, tambin llamados sistemas basados en el conocimiento, es otro campo de la IA. Las redes neuronales artificiales (ANN, artificial neural networks), que pretenden reproducir, mediante sistemas informticos, la estructura y el comportamiento de las redes neuronales biolgicas, han encontrado aplicaciones en muchos campos y, en especial, en algunos problemas clsicos de la IA, como el reconocimiento de formas y de voz. Hoy en da las tcnicas de IA se aplican en distintos campos, como por ejemplo en sistemas expertos, visin por ordenador, lenguaje natural, robtica, sensores, etc.

A.3 Sensores qumicosEn electroanlisis, el concepto de sensor qumico representa un redescubrimiento de un tipo de instrumentacin muy habitual en este campo. Los sensores qumicos tienen hoy en da un inters renovado debido a las perentorias necesidades actuales de disponer ms y mejor informacin analtica en unas condiciones no convencionales. En efecto, unas veces en complementariedad, otras en oposicin al diseo o concepto que representan los grandes equipos analticos de elevado coste, de manipulacin especializada y confinados en recintos acondicionados, los sensores qumicos representan una nueva clase de instrumentacin analtica, caracterizada por unas pequeas dimensiones, un bajo coste, una utilizacin amigable y una generacin de la informacin (idealmente) en tiempo real. En electroanlisis, atendindonos a las caractersticas acabadas de mencionar, se utilizan sensores qumicos desde principios del siglo pasado. Son muy bien conocidos, por ejemplo, los electrodos redox, los electrodos selectivos de iones, especialmente el electrodo de vidrio para medir el pH, y, en cierta forma, los distintos detectores electroqumicos asociados a la instrumentacin analtica, por ejemplo en cromatografa. Lo que ha acontecido ahora es que, desde la irrupcin y popularizacin de los ordenadores en los laboratorios, se ha impulsado de forma sistemtica I + D en sensores, tanto fsicos como qumicos, debido a la extraordinaria innovacin que representa el seguimiento en continuo con microprocesadores de parmetros fsicos y qumicos de un proceso complejo (por ejemplo, biomdico, ambiental o industrial) y, en consecuencia, poderlo controlar y actuar sobre l de forma provechosa mediante actuadores (ver A.1). Idealmente, un sensor qumico est formado por dos partes bien diferenciadas. Un elemento de reconocimiento molecular o inico (receptor) (ver A.3.1), que interacciona selectivamente con un determinado componente de la muestra (analito), y un elemento instrumental (transductor) que traduce la interaccin en una seal procesable (ver A.3.2). Ambas partes pueden encontrarse ms o menos integradas, pero en todo caso conectadas, ya que la seal primaria generada en la reaccin de reconocimiento (de tipo electroqumico, ptico, trmico o msico) ser convertida por el transductor en una seal secundaria, en ltimo trmino, del dominio elctrico (ver Fig. A.2). La conexin entre el elemento receptor y el transductor se materializa mediante los procesos conocidos como inmovilizacin. Cuando el elemento de reconocimiento o receptor (R) es un reactivo sinttico denominamos al sensor qumico quimiosensor, y cuando se trata de un reactivo de naturaleza biolgica, lo designamos como biosensor. As pues, esta configuracin tan simple de reconocimiento + transduccin, que integra el proceso analtico convencional, ha permitido un diseo de una nueva instrumentacin, de caractersti-

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Captulo 1 Sensores de Temperatura

Actualmente, los sensores de temperatura se han convertido en elementos esenciales en incontables aplicaciones. En este captulo, se presentan los sensores ms utilizados para realizar mediciones de temperatura.

1.2 Sensores de temperatura resistivos (RTDs)Los detectores de temperatura resistivos son aquellos que varan la resistencia elctrica, R, en funcin del parmetro fsico que quiere medirse. Se suelen designar con sus siglas inglesas RTD (Resistance Temperature Detector). Pertenecen a la familia de los sensores o detectores que se basan en los mtodos elctricos para el control y la medicin de la temperatura. En la Figura 1.1 se muestra la representacin grfica general para estos detectores.

+ t0

Figura 1.1 Representacin grfica de un RTD.

La lnea recta en diagonal sobre el resistor indica que tienen un comportamiento lineal intrnseco y la anotacin que la acompaa indica que su variacin se debe a la temperatura y que tiene un coeficiente positivo. El funcionamiento de los RTDs se basa en la propiedad que tienen los metales que constituyen dichos detectores de cambiar su resistencia elctrica de forma casi lineal al variar la temperatura. Al aumentar la temperatura, la agitacin trmica de los electrones (vibraciones alrededor de su posicin de equilibrio) tambin lo hace, reduciendo el espacio fsico para el desplazamiento de estos y por tanto su velocidad media. Todo ello se traduce en un aumento de la resistencia al aumentar la temperatura, de ah que los RTDs tengan un coeficiente de temperatura positivo. Dicha variacin puede expresarse de la forma siguiente:

R (T )

R0 (1

n 1

n

T n),

(1.1)

donde R0 es la resistencia a la temperatura del material a 0 C y viene determinada por las dimensiones del RTD y la resistividad del material empleado, T es el incremento de temperatura y es el coeficiente de temperatura resistivo del material. Para determinados conductores, los coeficientes a partir del segundo orden pueden despreciarse con respecto a 1 en un amplio margen de temperatura y la expresin anterior queda como:

R (T )

R0 (1

T ).

(1.2)

El empleo de un conductor para la medida de temperaturas, basndose en el comportamiento descrito anteriormente, est sometido a varias limitaciones. En primer lugar, es obvio que no se podrn medir temperaturas prximas ni superiores a las de fusin del conductor. En segundo lugar, para poder

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Sensores de temperatura resistivos (RTDs)

medir una temperatura determinada con este mtodo es necesario que el sensor est precisamente a dicha temperatura. Habr que evitar, pues, autocalentamientos provocados por el circuito de medida. La capacidad de disipacin de calor, para un determinado sensor en un ambiente concreto, viene dada por el coeficiente de disipacin, y depende del tipo de fluido y su velocidad, en el caso que sea posible la evacuacin de calor por conveccin. Otra limitacin a considerar es la posible presencia de deformaciones mecnicas que provocan tambin un cambio en el valor de la resistencia elctrica de un conductor. Esta situacin puede darse, inadvertidamente, al medir, por ejemplo temperaturas superficiales mediante un elemento adherido a la superficie (R. P. Areny 2005). En general, las ventajas de todos estos termmetros se concentran en la alta repetibilidad, la linealidad, estabilidad a largo plazo, su sensibilidad (que es unas diez veces mayor que la de los termopares), exactitud (en el caso del platino), y el bajo costo (en el caso del cobre y del nquel). Los materiales ms frecuentemente utilizados en la fabricacin de los RTDs son: nquel, oro, cobre, plata y platino. En la Tabla 1.1 se presentan las propiedades ms importantes de algunos materiales. Las caractersticas que deben poseer los materiales para construir un RTD son las siguientes: Alto coeficiente de temperatura de la resistencia (alta sensibilidad). Alta resistividad (alta velocidad de respuesta y menor error). La resistividad es una caracterstica propia de un material medido, con unidades de ohmios-metro, que indica cuanto se opone el material al paso de la corriente. Relacin lineal resistencia-temperatura. Rigidez y ductilidad. Estable en sus caractersticas durante la vida til del RTD.

Tabla 1.1 Especificaciones de diversos detectores de temperatura resistivos.Metales Resistividad a 20 C ( cm) 10.6 6.844 5.7 1.673 Coeficiente de temperatura (//K) 3.85 x 103 6.81 x 103 3.786 x 103 4.3 x 103

Intervalo de temperatura C 200 a +850 80 a +320 200 a +200 200 a +260

Platino Nquel Molibdeno Cobre

El oro y la plata se usan raramente debido a su baja resistividad y alto costo. Los materiales por excelencia usados en la fabricacin de RTDs son: platino, cobre y nquel. Se construyen termmetros de platino depositando pelculas de metal por evaporacin o proyeccin sobre un soporte cermico, y cortando ste con un lser. Los de cobre o nquel se construyen con menor calidad y ms baratos, fabricados sobre soportes planos de cermica o polmeros. La descripcin de las ventajas y desventajas de cada uno de estos metales ser presentada a continuacin. El cobre es un metal barato, estable, tiene una variacin de resistencia uniforme en el intervalo de temperatura cercano a la del ambiente, pero tiene el inconveniente de su baja resistividad, ya que hace que las variaciones relativas de resistencia sean menores que las de cualquier otro metal. Por otra parte, sus caractersticas qumicas lo hacen inutilizable por encima de los 180 C.

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Captulo 1 Sensores de Temperatura

El nquel es un material relativamente de bajo coste, presenta una resistencia ms elevada con mayor variacin por grado, alta resistividad y coeficiente de temperatura, ofrece mayor sensibilidad, pero su margen lineal es menor que el del platino, ver la Figura 1.2. En el intervalo de temperatura de 0 a 100 C, su resistencia aumenta en un 62 % mientras que el platino solo aumenta en un 38 %. Los problemas relativos a su oxidacin u otro tipo de deterioro qumico, limitan su utilizacin e incluso ponen en peligro la reproducibilidad de sus medidas. El platino es el material que ofrece mejores prestaciones desde el punto de vista de precisin y estabilidad, adems, ofrece un margen lineal ms amplio (200 a 850 C, e incluso superior con ciertas correcciones), no es reactivo, presenta mejor resistencia a la oxidacin, posee una gran inercia qumica y es relativamente fcil de obtener puro. Los sensores de platino son considerados ms exactos en las mediciones de temperatura, hasta el punto de que se emplean como patrones de referencia en los laboratorios de termometra entre las temperaturas de (182.96 C y 630.74 C). El sensor con sonda de platino es uno de los sensores de temperatura ms comunes. La tolerancia en los valores de resistencia est entre el 0.1 % y el 1 %. Adems, como metal noble que es, no es propenso a la contaminacin. En aquellas aplicaciones donde puede resultar excesivamente caro, se prefieren el nquel o aleaciones de ste. Existen dos configuraciones bsicas de termmetros de resistencia de platino: Termmetro de Resistencia de Platino Patrn (TRPP) y Termmetro de Resistencia de Platino Industrial (TRPI). Un anlisis detallado de stos sensores es presentado por P.R.N. Childs et al. (2000).

8

Resistencia relativa

Rt R0

6 Niquel 4 Cobre Platino 2

0 200

0

200 C

400

600

800

Figura 1.2 Curvas usuales de termmetros de resistencia para el platino, cobre y nquel.

Dado que los RTDs son sensores resistivos, hay que cuidar la medida de resistencia si se quiere obtener una medida de precisin. Hay que tener en cuenta que se trata de medir cambios en resistencia de dcimas de miliohmios. Para ello, la mejor manera para detectar sus variaciones debidas al efecto de temperatura es conectarlos a un circuito puente. En una de las ramas del puente se coloca el RTD y se denomina malla de medicin y en la otra se colocan una relacin de resistencias que actan como malla de referencia. Tpicamente, una fuente de corriente constante de alta precisin se usa como fuente de excitacin. Existen varios mtodos para la determinacin del valor de la resistencia, el mtodo ms recomendado es el de 4 hilos, con este mtodo se evita que la resistencia de los cables sea tomada en cuenta en la medicin, adems, en un buen indicador debe de existir

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Termistores

inversin de corriente, esto es para eliminar las f.e.m. trmicas (milivolts) que se generan en las uniones. La corriente de excitacin debe ser bastante pequea para evitar errores debido al autocalentamiento del RTD. Tambin se puede usar el mtodo de tres o dos, hilos, pero con una prdida de la precisin.

1.3 TermistoresLos termistores son termmetros de resistencia. El trmino se deriva de la palabra inglesa thermistor, formado a partir de los vocablos thermally sensitive resistor. Estos estn compuestos por materiales semiconductores, y no como los RTDs que estn basados en conductores, cuya conductividad elctrica vara con la temperatura. Estn hechos de materiales cermicos compuestos por una mezcla de xidos metlicos. Poseen coeficientes de temperatura muy elevados, ya sean positivos o negativos, siendo este ltimo ms tpico y de bajo coste. Coeficientes negativos, implican que la resistencia del elemento disminuye segn sube la temperatura, y coeficientes positivos al contrario, aumentan su resistencia con el aumento de la temperatura. A los termistores con coeficiente de temperatura negativo se les denomina NTC (Negative Temperature Coeficient), y los que tienen coeficiente de temperatura positivo se les denomina PTC (Positive Temperature Coeficient). En la Figura 1.3 se muestran los smbolos del NTC y del PTC, donde el trazo horizontal en el extremo de la lnea inclinada indica que se trata de una variacin lineal.

PTC

NTC

+ t0

t0

Figura 1.3 Representacin grfica de los termistores.

La principal caracterstica de estos tipos de sensores es que tienen una sensibilidad del orden de diez veces mayor que la de los sensores metlicos, y como se ha dicho antes, la resistencia aumenta a medida que la temperatura decrece y viceversa. Son adecuados para mediciones precisas de temperatura ya que tienen una elevada sensibilidad a variaciones de temperatura. Valores comunes de termistores son 2252 , 5000 y 10000 . Un termistor de 5000 tiene aproximadamente una sensibilidad de 200 /C a la temperatura ambiente, comparada con 0.4 /C de la Pt100. Se pueden utilizar para la medicin o la deteccin de temperatura tanto en gases, como en lquidos o slidos. Su fundamento est en la dependencia de la resistencia de los semiconductores con la temperatura, debida a la variacin con sta del nmero de portadores, reducindose la resistencia, y de ah que presenten coeficiente de temperatura negativo. Esta dependencia vara con la presencia de impurezas, y si el dopado es muy intenso, el semiconductor adquiere propiedades metlicas con coeficiente de temperatura positivo (PTC) en un margen de temperaturas limitado. En comparacin con los termopares, el termistor no ofrece ventajas de exactitud de salida y estabilidad. Posiblemente, una ventaja importante est en la extremadamente elevada sensibilidad

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Captulo 2 Principios y Aspectos Prcticos de los Sensores UltrasnicosLORENZO LEIJA Y ARTURO VERA Bioelectrnica, Departamento de Ingeniera Elctrica, CINVESTAV IPN, Mxico.

Se describen las bases de funcionamiento de un sensor ultrasnico as como aspectos prcticos para su uso en un sistema de medicin. Se presentan los fundamentos de los materiales piezoelctricos, se presentan las bases de su polarizacin electrnica, se hace una descripcin de la onda mecnica resultante y el camino que sigue la onda, produciendo el campo ultrasnico. Se describen las caractersticas de la onda y algunos ejemplos de las propiedades ultrasnicas de los cuerpos a sensar. Se describe la onda resultante de la suma de las caractersticas ultrasnicas del cuerpo a medir y la onda incidente, se describe el comportamiento del sensor cuando llega la onda sensada con la informacin del cuerpo a medir. Se hace una descripcin general de los circuitos tpicos que intervienen en la emisin y recepcin de la onda ultrasnica. En la parte ltima del captulo se ofrecen algunos ejemplos de las caractersticas de transductores comerciales para terminar con lecturas sugeridas y direcciones WWW para profundizar en el tema de sensores ultrasnicos.

2.1 IntroduccinLos sensores ultrasnicos ocupan hoy da un lugar importante en la vida moderna. Su influencia en la industria, en las tareas de inspeccin y control de procesos, crece continuamente. En la navegacin se aplica desde sus inicios con el sonar. En la biologa marina tiene uso intensivo en el seguimiento de las actividades de los animales marinos. En tareas de vigilancia se utiliza en la deteccin o ausencia de personas. Un uso industrial extendido es la cuantificacin de la velocidad de flujo, presencia o ausencia de objetos, medidas de distancia, sin olvidar muchas aplicaciones adicionales en otras reas de la industria. En la medicina, su aplicacin est presente en los campos de la visualizacin, diagnstico y teraputica. Hoy da, este tipo de sensor est presente en prcticamente todas las actividades humanas. En usos industriales tiene gran demanda en ensayos no destructivos (END), detector de presencia de cuerpos de diferentes materiales, medidor de desplazamiento de fluidos y muchas otras aplicaciones. En los ltimos aos, sin duda, su desarrollo espectacular ha estado influenciado con el desarrollo de la microelectrnica, las tcnicas digitales, nuevos materiales y el avance de los medios de cmputo.

Captulo 2 Principios y Aspectos Prcticos de los Sensores Ultrasnicos

Un sensor ultrasnico es un dispositivo que convierte la energa sonora en energa elctrica, cuando funciona como sensor ultrasnico. Este mismo dispositivo puede funcionar como emisor de ondas ultrasnicas cuando es excitado apropiadamente con una fuente de energa elctrica; entonces emite ondas ultrasnicas. En las dos situaciones descritas puede ser el mismo componente, en un tiempo es emisor y en otro es receptor. Para tener una mejor idea del funcionamiento, sealamos que el componente bsico del sensor es una lmina circular de un material piezoelctrico. El piezoelctrico tiene la propiedad de cambiar una de sus dimensiones cuando un voltaje es aplicado, provocando una vibracin amortiguada. Este mismo material presenta tambin el fenmeno inverso, cuando recibe una vibracin mecnica, recibe una presin mecnica y produce un voltaje entre sus caras. La frecuencia de vibracin que produce el material piezoelctrico es funcin de la geometra y las propiedades del material del que est compuesto. Cuando la vibracin del piezoelctrico es superior a los 20,000 Hz (ciclos/segundo), decimos, entonces, que emite una onda ultrasnica (tomndo como referencia la banda auditiva del odo humano). El trmino transductor ultrasnico es usado para referirse a transductores piezoelctricos que convierten la energa elctrica en sonido, este mismo transductor se puede usar como sensor ultrasnico. Las ondas ultrasnicas tienen ventajas con respecto a otro tipo de energas. Algunas de sus ventajas son que es una energa no ionizante, es posible dirigirla y seleccionar cunta energa queremos que llegue al blanco, tiene propiedades de reflexin en objetos slidos, en usos mdicos no presenta efectos secundarios, esta propiedad le da ventaja contra otras tecnologas. Esta tcnica tiene algunos inconvenientes; requiere un medio para propagarse, es pobre su desplazamiento en gases y su reflexin depende del acoplamiento acstico del cuerpo en donde incide. La accin de las ondas ultrasnicas es similar a un radar o a un sonar. Hacen la exploracin de los atributos de un cuerpo en exploracin combinando la informacin del blanco con la seal original; luego, esta seal es reflejada, produciendo un eco de la seal mezclada. La seal de eco es recibida con un sensor de ultrasonido (US) y con circuitera sta se somete a un procesamiento para separar la informacin til de la mezcla de informacin recibida. En la actualidad, la seal que nos entrega el sensor no slo sirve para responder preguntas del estado de un objeto o blanco de la medida, sino que tambin puede hacerse un preprocesamiento de la seal de respuesta entregndola dentro de una ventana con valores estandarizados. Los sensores en la actualidad tienen en su cuerpo circuitos electrnicos miniatura que permiten hacer filtrados y amplificaciones de la seal de salida. A estos sensores modernos que incluyen circuitos electrnicos en su estructura con el que realizan un preprocesado de la seal de salida, se les conoce como sensores inteligentes. Cada sensor tiene caractersticas tcnicas que lo identifican; destacan las siguientes: intervalo de medida, precisin, offset o desviacin de cero, linealidad, sensibilidad, resolucin, rapidez de respuesta, derivas, repetitividad, entre otras. Para introducirnos al ultrasonido, es necesario que hablemos primero de las bases de la acstica; a este campo de la fsica se le conoce como el estudio de las deformaciones que varan con el tiempo (o vibraciones) y que adems se propagan en medios materiales, ste es el caso del sonido. La clasificacin del sonido se hace tomando como referencia la fisiologa humana. Se toma como base el intervalo de la percepcin media del odo humano de 20 Hz a 20 kHz. Al intervalo de frecuencias menores a 20 Hz se le conoce como infrasonido. El trmino ultrasonido se refiere a las frecuencias acsticas superiores de 20 kHz. A las ondas sonoras con frecuencias mayores de 109 Hz se le denomina hipersonido. La divisin entre acstica y ultrasnica no es rgida. Tericamente no hay lmites superiores para las vibraciones mecnicas. Otros ejemplos, adems de los mencionados anteriormente, de usos de la tecnologa del ultrasonido cuando se utiliza en la medicin son: la velocidad y direccin del viento, el llenado de un tanque, la aceleracin del aire o de un lquido, el estado de salud de un nio en el vientre de la madre, la temperatura, la viscosidad, deteccin de fallas en motores, determinacin del estado de las estructuras en edificios, deteccin de fallas en materiales industriales, mecanismos de posicionamiento, determinacin de presencia o ausencia de objetos y muchas otras aplicaciones que crecen da con da.

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Piezoelectricidad

Como sabemos, el sensor por s solo no es un instrumento de medicin. Para que cumpla su funcin de medicin, es necesario que se acompae de la circuitera electrnica que acompaa a cada una de las partes del sistema de medida. En el sensor identificamos dos partes: a) La emisin de la onda ultrasnica (emisor de US) y b) el receptor de la onda ultrasnica (sensor ultrasnico). El emisor es un material piezoelctrico comercial polarizado con una seal elctrica con una frecuencia y magnitud apropiadas. Al ser polarizado, el piezoelctrico se contrae y empuja el medio que le rodea, generando una onda mecnica con propiedades especficas. La onda viaja en el medio y llega al blanco a medir, la geometra y propiedades fsicas del blanco altera la onda y la onda resultante es el producto de sus propiedades originales ms las propiedades aadidas por el blanco a medir. En un momento determinado, por la geometra del cuerpo o por un reflector, la onda viaja en sentido inverso hasta llegar al receptor ultrasnico. En cuanto a la recepcin de la onda ultrasnica (receptor de US), la onda ultrasnica que llega al sensor ultrasnico presiona su superficie generando una diferencia de potencial proporcional a la onda recibida. El sensor produce una seal elctrica con caractersticas de tiempo, frecuencia y amplitud proporcionales a la seal recibida. Esta seal es amplificada, luego es sometida a procesamientos electrnicos para separar la informacin til; posteriormente es adaptada en magnitud para ser mostrada en un visualizador al usuario. La tecnologa est limitada por las formas de las superficies y la densidad y consistencia del material. Por ejemplo, la espuma en la superficie de un fluido puede producir errores en la medicin. En este captulo, haremos una descripcin de los principios de la piezoelectricidad, los modos elctricos de excitacin, la propagacin y formacin del campo ultrasnico, modos de recepcin del sensor, de las partes que componen a un sensor de ultrasonido, caractersticas de un sensor de ultrasonido, la circuitera elctrica tpica de un emisor de US y de un receptor de US y, finalmente, mostraremos algunos ejemplos de las caractersticas tcnicas de algunos sensores ultrasnicos comerciales.

2.2 PiezoelectricidadLa palabra piezoelectricidad significa electricidad por presin. La piezoelectricidad es una propiedad de ciertos materiales como el cuarzo, la sal de Rochelle, la turmalina, el titanato de bario, etc. y fue descubierta por Pierre y Jacques Curie en los aos 1880. La piezoelectricidad describe el fenmeno de la generacin de una carga elctrica en una sustancia, la cual es proporcional al esfuerzo mecnico aplicado y, recprocamente, un cambio dimensional proporcional al campo elctrico aplicado. Para que el efecto piezoelctrico ocurra es necesaria la ausencia de un centro de simetra, porque en este caso hay ciertos ejes del material que poseen polaridad. Todos los materiales cristalinos estn convencionalmente divididos en 32 clases de cristales. De los 21 que no tienen centro de simetra, 20 pueden mostrar piezoelectricidad. Si el cristal es comprimido en una de esas direcciones, un dipolo es deformado a expensas de los otros y se genera un momento de dipolo neto, esto es, se manifiesta el fenmeno piezoelctrico.

2.2.1

Piroelectricidad y electrostriccin

Entre los materiales que pueden presentar piezoelectricidad, hay un subgrupo que puede generar, en adicin a las cargas piezoelctricas por el esfuerzo aplicado, una carga elctrica cuando son calentados uniformemente, debido al cambio en magnitud del dipolo con la temperatura. Este efecto es conocido como piroelectricidad. En los materiales piezoelctricos que no son piroelctricos, estn presentes varios dipolos internos, pero ellos se distribuyen de manera que (bajo no deformacin) ocurre una compensacin y no hay un momento de dipolo neto. Puede verse que, aunque todos los piroelctricos son piezoelctricos, la piezoelectricidad y la piroelectricidad son fenmenos diferentes porque ellos estn relacionados con diferentes condiciones de simetra.

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Materiales piezoelctricos

trodos de polarizacin, el elemento experimenta temporalmente una expansin adicional en la direccin de polarizacin y una contraccin en la direccin paralela a los electrodos de polarizacin. Recprocamente, cuando se aplica un voltaje d.c. de polaridad opuesta al voltaje de polarizacin, los elementos se contraen en la direccin de polarizacin y se expanden en direccin paralela a los electrodos. En cualquier caso, el elemento retorna a su dimensin original de polarizacin cuando se retira el voltaje de los electrodos.

2.2.3

Envejecimiento

La mayora de las propiedades de las cermicas piezoelctricas cambian con el tiempo despus de la polarizacin original, esto es, envejecen. Los cambios tienden a ser aproximadamente logartmicos. Como ejemplo, la constante dielctrica decrece en su valor aproximadamente 1% por dcada de tiempo. La Figura 2.2 muestra la variacin de las propiedades con el tiempo, despus de polarizado.

De/v

Dkp/kp

DN1/N1

0.00

0.00

0.04

0.05 0.10

0.02 0.04

0.02 0.00

1

10

100

1

10

100

1

10

100

Semanas despus de la polarizacin Envejecimiento de las propiedades

Figura 2.2 La caracterizacin logartmica del envejecimiento tiene limitaciones, pero se cumple bien en el intervalo de las 50 semanas despus de la polarizacin. Despus de aproximadamente un ao hay un tpico ligero decrecimiento en la razn de cambio por dcada de tiempo.

El envejecimiento de varias de las propiedades depende de la composicin de la cermica y de la manera en que fue procesada durante su produccin, por lo que no pueden ser especificados ritmos exactos de envejecimiento. Los valores exactos de varias propiedades tales como la constante dielctrica, el acoplamiento y el mdulo elstico pueden ser especificados para un tiempo establecido despus de la polarizacin. Mientras mayor es este tiempo, ms estable resulta el material.

2.3 Materiales piezoelctricosLa eleccin de un material piezoelctrico depende de la aplicacin especfica a la cual va a estar destinado el transductor. La eficiencia para los emisores y la sensibilidad para los receptores son caractersticas fundamentales que deben ser maximizadas en los transductores ultrasnicos.

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Ambos estn vinculados directamente con el coeficiente de acoplamiento electromecnico k, de una manera tal, que siempre un alto valor de k es deseable. De igual manera, junto con un valor alto de k para el modo de vibracin til, se requiere una baja k para los otros modos de competencia para suprimir respuestas espurias basadas en el modo acoplado. Las propiedades elctricas y las dimensiones de los transductores piezoelctricos son dependientes de las constantes dielctricas, piezoelctricas y elsticas del material. Para frecuencias ultrasnicas bajas y medias (entre 20 y unos pocos cientos de kHz), altos valores de permitividad y de elasticidad pueden ser favorables en obtener valores prcticos de impedancia elctrica y de la resonancia del elemento piezoelctrico. Los materiales piezoelctricos normalmente usados para los transductores ultrasnicos pueden ser clasificados en: 1- cristales de cuarzo, 2- cristales solubles en agua, 3- monocristales con alto punto de fusin, 4- semiconductores piezoelctricos, 5- cermicas piezoelctricas, 6- materiales polmeros piezoelctricos, 7- compuestos cermicos piezoelctricos.

2.3.1

Cristales de cuarzo

La forma termodinmicamente ms estable del SiO2 a temperaturas hasta de 573 C es el tipo . Las dems formas son estables a temperatura ms elevada y metaestables a la temperatura ambiente. Su mayor aplicacin es en el control de frecuencia y en filtros de ondas elctricos. En estos campos no tiene competidores. Esto es consecuencia de su gran estabilidad con la temperatura. El cuarzo tiene una Q mecnica que es alta en comparacin con otros cristales piezoelctricos. El cuarzo sinttico se ha hecho comercialmente disponible y es ampliamente usado en filtros elctricos de onda. Fue el primer monocristal empleado para la generacin acstica, pero como transductor ultrasnico o como medio de retardo en el intervalo de 10 MHz a 1 GHz el cuarzo ha sido desplazado por materiales con mayor acoplamiento piezoelctrico o transductores depositados con mayor Q. La disponibilidad de cristales grandes de cuarzo de alta calidad y bajo costo asegura la continuacin de su uso. Sus caractersticas hacen que su utilidad para la construccin de sensores ultrasnicos se haya reducido notablemente en los ltimos aos.

2.3.2

Cristales solubles en agua

A este grupo pertenecen materiales de uso comn para transductores electromecnicos como la sal de Rochelle (NaKC4H4O6.4H2O), los ADP o fosfatos dihidrgeno de amonio (NH4H2PO4), cristales de sulfato de litio y el iodato de litio. Tanto la sal de Rochelle como el ADP son usados normalmente en modo longitudinal. La sal de Rochelle se usa principalmente en modo de flexin en bimorfos, en pickups o unidades de tocadiscos (gramfonos), micrfonos y audfonos, con sensibilidad mayor que las cermicas. El ADP tiene mucho menor acoplamiento que la sal de Rochelle pero ofrece muy alta estabilidad sobre un intervalo amplio de temperatura. Es usado en aplicaciones subacuticas y en acelermetros. El sulfato de litio se compara con el ADP y la sal de Rochelle por su impedancia acstica mucho mejor acoplada al agua o a los lquidos orgnicos que el cuarzo o las cermicas piezoelctricas, pero es ms frecuentemente usado en el modo de alta frecuencia, especialmente como transductor para la deteccin de fallas en materiales.

2.3.3

Monocristales con alto punto de fusin

En la bsqueda de alternativas al cuarzo, con mayor k para uso en filtros de onda, (y en algunos casos como alternativa al silicio como semi-conductor de alta temperatura) se han encontrado cristales piezoelctricos no solubles como el niobato de litio (LiNbO3) el tantalato de litio (LiTaO3) y

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Incluso cuando se usan las ondas acsticas para estudiar la estructura atmica o molecular del medio, relacionamos frecuentemente los parmetros estructurales con las propiedades de un medio continuo equivalente.

2.4.1

Ley de Hooke: la relacin entre esfuerzo y deformacin

Un cuerpo que tiende a recobrar su forma y tamao originales, cuando cesan las fuerzas de deformacin o torque y sin disipacin de energa, es llamado cuerpo elstico. Este comportamiento de los cuerpos elsticos es descrito bsicamente por la Ley de Hooke:Esfuerzo = mdulo x deformacin

Esfuerzo. Es la fuerza aplicada por unidad de rea. Deformacin. Pertenece a cualquier cambio que ocurra en las posiciones relativas de las partes del cuerpo elstico bajo la accin de un esfuerzo. Mdulo. Representa una constante que describe la relacin lineal entre el esfuerzo y la deformacin, esto es, el esfuerzo es proporcional a la deformacin. La teora de la elasti

metodos procesamiento avanzado ia

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