sistema fotoacÚstico para la caracterizaciÓn de materiales

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD ZACATENCO SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

UNIDAD ZACATENCO

SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA DE SISTEMAS

PRESENTA

ING. MARCO ANTONIO CARRASCO PACHECO

DIRECTORES DE TESIS

DR. FLAVIO ARTURO DOMINGUEZ PACHECO

DR. ALFREDO CRUZ OREA

MÉXICO D.F. JULIO DEL 2015

SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES


Dedicatoria y Agradecimientos

A mi mama y a mi papa.

Por traerme a este mundo y brindarme cariño, amor y apoyo incondicional a cada

momento y en cada etapa de la vida.

A mis hermanos.

Por su respaldo, confianza, consejos e inspiración; cada uno con su manera particular de

demostrarlo y siempre estando cuando los he necesitado.

A mis directores de tesis.

Dr. Flavio Arturo Domínguez Pacheco. Por las ideas, la confianza y el apoyo

incondicional que me brindo desde que tuve la oportunidad de conocerlo.

Dr. Alfredo Cruz Orea. Por el apoyo las facilidades y atención que me brindo en la

implementación y desarrollo de mi trabajo.

A la Dra. Claudia Hernández Aguilar. Coordinadora del programa de Posgrado en

Ingeniería de sistemas y miembro de mí jurado, por toda la atención, seguimiento, e

impulso que me proporciono para poder crecer profesional y espiritualmente.

A los miembros del jurado. Dra. Claudia Lizbeth Martínez González, Dr. Luis Manuel

Hernández simón, Dr. Jaime Reynaldo santos reyes; por su atención y acertadas

observaciones que permitieron enriquecer y fortalecer el presente trabajo.

A mis profesores del programa de maestría en ingeniería de sistemas. Por transmitirme

el conocimiento y las experiencias a lo largo de mi formación.

A mis amigos del posgrado. Especialmente a; Anaid, Mario, Alberto, Raúl, Paul

(Tecolotes Team). Que me permitieron formar parte de sus vidas, compartiendo consejos,

experiencias y momentos inolvidables; igualmente a Benjamín por su apoyo y amistad.

Al Instituto Politécnico Nacional. Que ha sido la institución que me ha dado la formación

profesional que me ha traído hasta esta instancia.

A la ESIME Zacatenco. Que desde la formación de licenciatura y ahora de posgrado ha

sido como mi segundo hogar.

Al CINVESTAV Zacatenco. Por las facilidades en el uso de los laboratorios.

Al CONACyT. Por el apoyo de la beca proporcionada.

Finalmente, agradezco a la vida y a todas las personas que de alguna u otra manera han

contribuido en mí y haber obtenido todo lo que tengo ahora. Gracias.


POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página i

ÍNDICE ÍNDICE ................................................................................................................................................ i

RESUMEN ......................................................................................................................................... iv

ABSTRACT ........................................................................................................................................ v

GLOSARIO ........................................................................................................................................ vi

LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................................... viii

LISTA DE ACRÓNIMOS .................................................................................................................. x

INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 1

Presentación del proyecto de tesis ................................................................................................... 1

Presentación del documento de tesis ............................................................................................... 2

1. FUNDAMENTOS Y CONTEXTO DE LA INVESTIGACIÓN ................................................ 3

1.1. Contexto de la investigación ............................................................................................... 4

1.1.1 Contexto físico ............................................................................................................ 4

1.1.2 Contexto temporal ....................................................................................................... 5

1.1.2.1 La Espectroscopia ................................................................................................... 7

1.1.2.2 Efecto fotoacústico ................................................................................................ 10

1.1.2.3 Diodo Emisor de Luz ............................................................................................ 11

1.1.3 Contexto cultural ....................................................................................................... 15

1.2 Fundamento de la investigación ........................................................................................ 15

1.3 Justificación ....................................................................................................................... 17

1.4 Objetivos ........................................................................................................................... 23

1.4.1 Objetivo general ........................................................................................................ 23

1.4.2 Objetivos particulares ................................................................................................ 23

1.5 Hipótesis ............................................................................................................................ 23

1.6 Tabla de congruencias ....................................................................................................... 23

2. MARCO TEÓRICO Y METODOLÓGICO ............................................................................. 25

2.1 Pensamiento sistémico ...................................................................................................... 26

2.1.1 Enfoque de sistemas .................................................................................................. 27

2.1.2 Metodología .............................................................................................................. 27

2.1.3 Ingeniería de sistemas ............................................................................................... 28

2.2 Física ................................................................................................................................. 29

2.2.1 Electromagnetismo .................................................................................................... 30


POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página ii

2.2.2 Interacción de la radiación electromagnética con la materia ..................................... 32

2.2.3 Termodinámica .......................................................................................................... 33

2.3 Fotoacústica ....................................................................................................................... 34

2.3.1 Fundamento de la Fotoacústica. ................................................................................ 35

2.4 Ciencias aplicadas ............................................................................................................. 36

2.5 Marco metodológico ......................................................................................................... 40

2.5.1 Metodología para el desarrollo del prototipo propuesto ............................................ 40

2.5.1.1 Fase I investigación del mundo real ...................................................................... 42

2.5.1.2 Fase II investigación sujeto-investigador .............................................................. 42

2.5.1.3 Fase III investigación experimental ..................................................................... 43

2.5.1.4 Fase IV Evaluación ............................................................................................... 45

3. APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA................................................................................ 46

3.1 Investigación del mundo real ............................................................................................ 47

3.1.1 Conocimiento de la problemática .............................................................................. 47

3.1.2 Problemática-Focalización. ....................................................................................... 47

3.1.3 Selección del objeto de estudio ................................................................................. 48

3.1.3.1 Conocimiento de las partes del objeto de estudio ................................................. 48

3.1.3.2 Selección de las áreas para el aporte ..................................................................... 50

3.2 Fase II investigación Sujeto-investigador ......................................................................... 51

3.2.1 Análisis FODA personal ........................................................................................... 51

3.3 Fase III Investigación experimental .................................................................................. 52

3.3.1 Montaje experimental 1 ............................................................................................. 53

3.3.1.1 Etapa I análisis: ..................................................................................................... 53

3.3.1.2 Etapa II Diseño ...................................................................................................... 54

3.3.1.3 Etapa III Implementación ...................................................................................... 55

3.3.1.4 Etapa IV Pruebas y resultados ............................................................................... 56


3.3.2.1 Etapa I Análisis ..................................................................................................... 58

3.3.2.2 Etapa II Diseño ...................................................................................................... 60



3.3.3 Montaje Experimental 3 ............................................................................................ 64

3.3.3.1 Etapa I. Análisis ................................................................................................... 64


POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página iii

3.3.3.2 Etapa II Diseño ...................................................................................................... 65


3.3.3.4 Etapa IV Pruebas y resultados .............................................................................. 68


3.3.4.1 Etapa I Análisis ..................................................................................................... 69

3.3.4.2 Etapa II Diseño ...................................................................................................... 70

3.3.4.3 Etapa II Implementación ....................................................................................... 71


3.3.5 Montaje experimental 5 Prototipo funcional ............................................................. 74

3.3.5.1 Etapa I análisis ...................................................................................................... 74

3.3.5.2 Etapa II diseño ...................................................................................................... 75



4. DISCUSIÓN, CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ................................................. 84

4.1 Discusión ........................................................................................................................... 85

4.2 Conclusiones ..................................................................................................................... 85

4.3 Aportes .............................................................................................................................. 88

4.4 Trabajos futuros................................................................................................................. 88

5. REFERENCIAS ........................................................................................................................ 89

6. ANEXOS ................................................................................................................................... 93

6.1 ANEXO A. PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR..................................... 93

6.2 ANEXO B. MODELO TRIDIMENSIONAL DE LA CELDA ...................................... 100

6.3 ANEXO C. DIAGRAMAS ESQUEMÁTICOS DE LOS CIRCUITOS EMPLEADOS

102

6.4 ANEXO D. COMPARATIVA DE PRECIOS ............................................................... 104

6.5 ANEXO E. INTERFAS DEL PROGRAMA DESARROLLADO EN MATLAB ......... 105

6.6 ANEXO F. CODIGO DEL PROGRAMA DESARROLLADO EN MATLAB............. 106

6.7 ANEXO G. PROGRAMA DESARROLLADO PARA EL MICROCONTROLADOR 117

6.8 ANEXO H. HOJAS TÉCNICAS .................................................................................... 120


POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página iv

RESUMEN

La tecnología es un importante medio por el cual existe desarrollo económico cultural y

social con importante relevancia para los países del mundo. En México existen diferentes

formas de poder contribuir a esta tarea, para lo cual en este trabajo de tesis titulado

―Sistema fotoacústico para la caracterización de materiales‖, se pretende contribuir en esta

tarea en uno de los sectores que aqueja al país, desarrollando un prototipo basado en la

teoría del efecto fotoacústico, a partir de cuatro fases principales, donde primeramente se

expone la problemática a solucionar, en la segunda fase se integran los factores que son

necesarios para la implementación de la propuesta de solución, la tercera fase comprende

la aplicación de los conocimientos, las técnicas y la experiencia para la elaboración

sistemática de la propuesta de solución; para la última fase se tienen en cuenta los

resultados obtenidos a partir de la propuesta de solución realizando una evaluación para

presentar conclusiones recomendaciones y trabajos futuros. Los resultados obtenidos fueron

la construcción de un prototipo a partir del uso de materiales reciclados y comerciales con

la aplicación de la tectología LED para la desarrollar una técnica fotoacústica, llevando

acabo la captura de la amplitud de las señales FA provenientes de materiales líquidos

corrosivos con el uso de programación en el software MATLAB. A partir de los datos de la

señal FA se obtuvieron diferentes gráficos donde se aprecian diferencias entre los

materiales de acuerdo a la longitud de onda del LED que los excito, así como también el

comportamiento que tuvieron las muestras con respecto a la frecuencia de modulación que

incidió sobre ellas.


POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página v

ABSTRACT

Technology is an important means by which there is cultural and social economic

development with significant importance for the countries of the world, in Mexico there are

different ways to contribute to the task for which it is intended this thesis entitled ―Sistema

fotoacústico para la caracterización de materiales ". To contribute to this task in one of the

sectors that afflicts the country; a prototype based on the theory of photoacoustic effect

from four main stages, where first the problem is exposed to resolve, the second phase of

the factors that are necessary for the implementation of the proposed solution, in the third

phase are integrated It develops It comprising applying technical knowledge and experience

for the systematic development of the proposed solution; for the last phase the results

obtained from the proposed solution conducting an assessment to present conclusions and

future work recommendations are taken into account. The results were building a prototype

from the use of recycled and commercial materials with the application of LED technology

for developing a photoacoustic technique, carrying just capture the amplitude of the FA

signals from the corrosive liquid materials using MATLAB software programming. From

the data of different graphics signal FA where differences are appreciated between the

materials according to the wavelength of the LED were obtained excited, as well as the

behavior that the samples were compared to the modulation frequency He had an impact on

them.


POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página vi

GLOSARIO

Adaptación: La habilidad de un sistema para mantener su estructura y su función

particulares cuando se enfrenta a cambios en el medio.

Análisis: (Método analítico). Método de investigación reduccionista por el cual se

desintegra un sistema complejo en sus componentes y se estudia por separado.

Aprendizaje: Proceso de adquisición de nuevos hábitos y comportamiento mediante la

experiencia.

Aptitud: Cualidad inherente den facilidad que el sujeto posee y conque puede ejecutar sus

labores y atender sus responsabilidades. Potencial emocional, mental y físico del individuo

para llevar acabo un tipo específico de trabajo.

Automatización: Mecanización mediante un sistema de control en que las variaciones del

producto final se comunican a l proceso y este de ajusta por si solo a aquellas.

Cibernética: Ciencia de la comunicación y control de la información tanto en máquinas

como en seres humanos.

Ciencia: Conocimiento sistemático del mundo físico, conocimiento sistematizado,

conocimiento adquirido por medio del estudio sistemático.

Datos: Representación de hechos para que el hombre o las maquinas puedan procesarlos

con facilidad.

Diseño: Es un proceso creativo que cuestiona los supuestos en los cuales se han

estructurado las formas antiguas.

Elemento: Son los componentes de cada sistema, y pueden ser a su vez sistemas por

derecho

Espectroscopia: Es el estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la

materia.


POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página vii

Experimento: Es un procedimiento mediante el cual se trata de comprobar (confirmar o

verificar) una o varias hipótesis, relacionadas con un determinado fenómeno, mediante la

manipulación de la o las variables que presumiblemente son sus causas

Hipótesis: Suposición susceptible de ser probada.

Integral: Completo, donde entra la composición del todo y es cuando se requiere considerar

todas las partes internas que lo componen y las externas que tienen influencia sobre el

sistema.

Problema: Situación en la cual las variables de salen de los términos planeados,

Programa: Conjunto ordenado de acciones interrelacionadas, generalmente más complejas

que un procedimiento dirigido hacia un objetivo que se persigue solamente una vez

Portátil: Aquel objeto movible y fácil de transportar.

Retroalimentación: Característica de regulación por la cual se recicla una porción de la

salida, generalmente la diferencia entre resultados real y deseado a la entrada, a fin de

mantener al sistema entre los umbrales de equilibrio.

Robusto: Que permanece con las mismas características frente a incertidumbres, en el

diseño implica un producto que sobrepase las expectativas del cliente en sus características

más importantes y ahorrar dinero en las que al cliente no le interesan.

Sistemas: Es un conjunto organizado de cosas o partes interactuante e interdependientes,

que se relacionan formando un todo unitario y complejo y que tienen un objetivo.

Software: Conjunto de programas, documentos, procedimientos y rutinas asociadas con la

operación de un sistema de cómputo, que permiten que el hardware realice sus actividades.

Subsistema: Es una subdivisión del sistema.

Tecnología: Conjunto de teorías y de técnicas que permiten el aprovechamiento práctico del

conocimiento científico.

Variables: Que cambia, varía o puede sufrir modificaciones.


POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página viii

LISTA DE FIGURAS

Figura Nombre Página

1.1 Contexto físico de la investigación 4

1.2 Contexto histórico de la observación de nuestro mundo 7

1.3 Líneas de Fraunhofer 9

1.4 Espectrofono de Bell 10

1.5 Dispositivos de luz artificial comerciales 12

1.6 Como funciona un LED 14

1.7 Información detallada sobre cómo funciona la tecnología

LED

14

1.8 Esquema de algunos fenómenos fototérmicos 16

1.9 Comparativa de solicitudes de patente por nacionalidad 19

1.10 Patentes otorgadas a titulares mexicanos por área

tecnológica

20

2.1 Representación de una onda electromagnética polarizada

plana

27

2.2 Espectro electromagnético 29

2.3 Modelo de Rosencwaig- Gersho 31

2.4 Ejemplo de sistema analógico-digital 38

2.5 Metodología para la realización de la investigación 41

2.6 Proceso evolutivo del prototipo 43

2.7 Diagrama de flujo de las cuatro etapas para los montajes

experimentales

44

3.1 Instrumentación convencional de espectroscopia

fotoacústica

49

3.2 FODA sujeto investigador 51

3.3 Instrumentación típica de EFA 52

3.4 Diagrama del diseño del montaje experimental 1 55

3.5 Implementación del montaje experimental 1 56

3.6 Resultados del montaje experimental 1 57


3.8 Implementación del montaje experimental 2 en hardware 61

3.9 Implementación del montaje experimental 2 en software 62

3.10 Señales de audio obtenidas sin muestra de tinta 63

3.11 Señales de audio obtenidas con muestra de tinta 63



3.14 Respuesta de la celda a la excitación con luz laser 68



3.17 Respuesta de señal FA a los cuatro diferentes LED

mediante instrumentación convencional

74

3.18 Diseño general del sistema para la generación y captura

de señal

76

3.19 Diseño general de hardware para la generación y captura 77


POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página ix

de señal

3.20 Diseño del esquema general del prototipo en forma física 77

3.21 Montaje final para el prototipo 78

3.22 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire con LED

rojo

80


amarillo

81


verde

81


azul

82

3.26 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire a diferentes

longitudes de onda

82


POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página x

LISTA DE ACRÓNIMOS

ALI: Amplificador Lock-In.

EFA: Espectroscopia Fotoacústica.

FA: Fotoacústica.

FT: Fototérmica.

IDE: Integrated Development Environment (Ambiente Integrado de Desarrollo).

IR: Infrarrojo.

PC: Computadora Personal (Personal Computer).

PIB: Producto Interno Bruto

LED: Light Emitting Diode (Diodo Emisor de Luz).

IMPI: Instituto Mexicano dela Propiedad Industrial.


POSGRADO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS Página 1

INTRODUCCIÓN

Presentación del proyecto de tesis

Los requerimientos y necesidades del ser humano en cuanto al conocimiento del

medioambiente desde las diferentes ciencias requieren de avances en tecnología e

investigación que coadyuven en la obtención de información. Al tener el conocimiento de

lo que nos rodea como son las propiedades físicas de los materiales, podemos mejorar las

condiciones humanas y mejorar la calidad de vida; para lograr esto se requiere de

herramientas e instrumentos que proporcionen características del objeto de estudio, que

sean accesibles en cuanto a portabilidad y costos; es por ello que surge la necesidad de

realizar instrumentos, de acuerdo al contexto de nuestro país. Así que en este trabajo se

propone una instrumentación alternativa empleando como fundamento la técnica de

espectroscopia fotoacústica para la obtención de información en este caso parámetros

térmicos de los materiales.



Presentación del documento de tesis

Para cumplir los objetivos específicos así como el objetivo general establecido, se ha

estructurado el documento por medio de cuatro capítulos, así como las referencias

bibliográficas y anexos.

En el capítulo uno se establecen los fundamentos y contexto de la investigación, para ello

se analizaron el contexto físico mediante las instituciones que apoyaron en la realización de

este trabajo, así como el contexto histórico y cultural; logrando dar una visión de la historia

de la medición de las propiedades de la materia, además del estudio de la luz y la

interacción con la materia, enseguida se presenta la justificación en la cual se basa este

trabajo, así como el planteamiento de los objetivos particulares y específicos.

En el capítulo dos se desarrollan el marco metodológico y el marco teórico, en el marco

metodológico se planteó mediante la visión sistémica transdiciplinaria, de igual manera el

marco teórico se estudiaron diversos conceptos y temas de diferentes áreas de las ciencias,

junto con las herramientas que permitieron la implementación tangible del sistema

propuesto.

En el capítulo tres se realiza la aplicación de la metodología para la realización de los

objetivos, desarrollándose las propuestas e implementaciones del prototipo, lo que conlleva

en una evolución en el nivel de aprendizaje a través del desarrollo continuo de la

metodología para obtener resultados y así responder las preguntas de investigación.

En el capítulo cuatro se muestran los resultados obtenidos, las discusiones generales y las

posibles mejoras o trabajos futuras a desarrollar.

Al igual se incluyen las referencias bibliográficas consultadas y los anexos que incluyen

datos relevantes, programación, hojas técnicas de los materiales y equipos que se utilizaron

y en general datos empleados y obtenidos en este trabajo.

Capítulo 1. Fundamentos y contexto de la investigación


1.FUNDAMENTOS Y CONTEXTO DE

LA INVESTIGACIÓN



1.1. Contexto de la investigación

La investigación se ha realizado debido a los requerimientos de desarrollo de tecnología y

su utilización en la investigación en diversas áreas de la ciencia en México, de forma

particular lo que se propuso es la instrumentación alternativa para la caracterización de

materiales, para que esté al alcance de sectores en investigación que así lo requieran.

1.1.1 Contexto físico

La investigacion propuesta requiere de distintos lugares de trabajo, mediante la visión

sistémica se ha tenido a consideración los espacios que han permitido a partir de

herramientas, equipos e instrumentación desarrollar esta tesis; particularmente el lugar en

cual se realizó el presente trabajo de investigación, fue en la ciudad de México,

específicamente en el posgrado en ingeniería de Sistemas de la SEPI-ESIME Unidad

Zacatenco en conjunto con el Departamento de Física en el Laboratorio de Técnicas

Fototérmicas del Cinvestav Unidad Zacatenco.

Figura 1.1 Contexto físico de la investigación (Elaboración propia, 2014).



En este laboratorio se realizaron diversos experimentos y adaptaciones de la

instrumentación propuesta además de probar módulos de la instrumentación desarrollados

en el presente trabajo. La visión y la focalización del contexto se aprecia en la Figura 1.1.

1.1.2 Contexto temporal

La necesidad del hombre de conocer su entorno ha sido primordial desde tiempos remotos;

sea de manera sensorial o a través de dispositivos o aparatos de medición, ya que esta es

una necesidad vital para el hombre, para su crecimiento y supervivencia.

De tal manera que al poder medir lo que percibimos mediante las propiedades del propio

objeto de estudio, y expresarlo por medio de cuantificación numérica, se conoce algo sobre

él, de manera más profunda y particular. Sin embargo cuando no se puede expresar

numéricamente, es decir, no podemos medir el objeto de estudio, el conocimiento que se

puede adquirir es insatisfactorio y pobre (Pérez Sánchez, 2012).

En las civilizaciones antiguas y antes de la estandarización de un sistema de medidas como

el actual Sistema Métrico Decimal; para desarrollar las actividades propias de la vida

cotidiana, los seres humanos para contabilizar e intercambiar productos se apoyaban en los

recursos físicos propios como lo es el empleo del propio cuerpo de esta manera ocuparon el

pie sobre la tierra en la medición de áreas de cultivo, además se utilizó el codo para medir

piezas de tela o diversos objetos más que se pudieran colocar a la altura de los brazos como

una forma de medir áreas o espacios de mayor tamaño se empleó el paso, y para medir

objetos más pequeños u objetos delicados se hizo la medición por medio del dedo o la

palma de la mano (Veira, 2002).

Para poder expresar de manera conceptual lo que el hombre percibía, desarrolló el número,

primeramente empezó a hacer cuantificaciones mediante el conteo de lo que encontraba y

veía a su alrededor conllevando al concepto de medida realizando las primeras mediciones

pero de manera precaria; tal que todas estas unidades de medida, variaban de individuo en



individuo y de un lugar a otro resultando en malas interpretaciones y repetitividad, lo que

comenzó a crear dificultades a la hora de establecer las primeras relaciones de intercambio

comercial entre diferentes personas y comunidades. No obstante, y a partir de estos

primeros conceptos, se condujo al origen de la Matemática, y la Metrología o ciencia de la

medición.

De manera general es necesario medir para realizar intercambios comerciales, expandir los

conocimientos científicos y tecnológicos, y dar el cumplimiento de especificaciones de

productos o servicios. Para poder dar certeza con un buen criterio en la toma de las mejores

decisiones es necesario contar con estas tres facetas, como por ejemplo, en lo cotidiano, la

factura doméstica del agua o de la electricidad se realiza partiendo de las medidas

efectuadas sobre los consumos respectivos; o correspondiendo al ámbito de la

investigación, el éxito o fracaso de un experimento está sostenido a través de las

mediciones correctas de las magnitudes involucradas para corroborar una teoría física

(Pérez Sánchez, 2012).

Las ciencias, como la física o la química se caracterizan por la necesidad de medir

características de los objetos de estudio, para así poder determinar sus propiedades y

componentes. Las caracterizaciones de los objetos de estudios y en general de la naturaleza,

se realizan de distintas maneras como lo es la observación, o la comparación visual, sin

embargo la evolución de la tecnología ha permitido el incremento de las posibilidades de la

misma, desarrollando e investigando mediante técnicas e instrumentos capaces de

otorgarnos las características de los objetos de estudio en la totalidad o en sus partes.

Estos instrumentos son los equipos tecnológicos con el papel de determinar la magnitud de

uno o varios atributos, y así poder visualizar, generar o convertir en otra diferente. Ya que

estos instrumentos deben proporcionarnos las características que componen el objeto de

nuestro estudio bajo los parámetros que puede encontrar el instrumento.

De manera general la evolución de la observación de nuestro entorno se puede apreciar en

la Figura 1.2.



Figura 1.2 Contexto histórico de la observación de nuestro entorno (Elaboración propia,

2015).

Además existen una diversidad de equipos e instrumentos que nos otorgan datos e

información acerca de materiales u objetos de estudio, dentro de los cuales se encuentra los

espectroscopios.

Un espectroscopio (también llamado espectrómetro o espectrógrafo) es un instrumento

óptico destinado a separar las diferentes componentes de un espectro óptico, que se usa

para medir las propiedades de la luz sobre una porción específica del espectro

electromagnético. Su utilidad es realizar análisis espectroscópicos para identificar

materiales

1.1.2.1 La Espectroscopia

Dentro de los pioneros en el estudio de la luz y los fenómenos que la involucran se

encuentra Isaac Newton quien en 1664, a partir de los trabajos previos en óptica y luz

realizados por los físicos ingleses Robert Boyle y Robert Hooke, planteó la investigación de

la refracción de la luz por medio de un prisma de cristal, y mediante el desarrollo e

implementación de una serie de experimentos dio paso a que Newton descubriera el

fenómeno del color a través de medidas, y modelos matemáticos; el encontró que la luz

blanca está constituida por la mezcla de rayos de colores infinitamente variados (que se



manifiesta en el arco iris), donde cada rayo de luz es definible por él ángulo a través del

cual se refracta al entrar o salir de un medio transparente determinado, sosteniendo que la

luz consistía en corrientes de partículas diminutas (Institute Isaac Newton, 2015).

Otro contribuyente importante al estudio de la luz fue William Wollaston quien en 1802

desarrolló el refractómetro, que fue un instrumento para la determinación del índice de

refracción. El dispositivo ayudó a Wollaston a verificar las leyes de la doble refracción,

además descubrió que el espectro del sol no es un gradiente continuo, sino que es

interrumpido por una serie de líneas oscuras. Para ello colocó una lente que transformaría la

luz del sol en un haz de rayos paralelos que atravesaban un prisma y se dispersaban.

Observó mediante un telescopio de la luz emergente unas rayas oscuras en el espectro solar

que interpretó como los límites de los distintos colores; este fue el primer espectroscopio.

(W. & University, 2003).

Siguiendo con la misma tendencia en investigar la descomposición de la luz en 1813, Von

Fraunhofer logró lo que se podría considerar su mayor logro, él redescubrió

independientemente líneas oscuras de William Hyde Wollaston en el espectro solar, que

ahora se conoce como líneas de Fraunhofer. Describió un gran número de los más o menos

500 líneas que podía ver con instrumentos de diseño propio, etiquetando las más destacadas

con letras, una forma de nomenclatura. Las líneas de Fraunhofer suelen eventualmente

utilizarse para revelar la composición química de la atmósfera del sol.

Von Fraunhofer también es conocido por la construcción de la primera red de difracción,

mediante el uso de un diamante construyó una rejilla de difracción con surcos espaciados

de 0.003 milímetros, indagando en la teoría matemática de la onda de luz y desarrollando

este aparato para medir las longitudes de onda de colores específicos y las líneas oscuras en

el espectro solar, que utilizaría para desarrollar las leyes de la difracción (Fraunhofer-

Gesellschaft, 2004)



Figura 1.3 Lineas de Fraunhofer (Fraunhofer, 1814)

Durante años posteriores, químicos, físicos y astrónomos estuvieron tratando de dar una

interpretación a la generación de estas líneas, sin embargo fue hasta alrededor de 1859,

cuando intervinieron Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen, un par de químicos interesados en

un medio seguro para identificar los elementos químicos. Siguiendo el consejo de

Kirchhoff, Bunsen observó esas llamas a través de un instrumento a base de lentes y el

prisma de Newton y los resultados lo condujeron muy pronto al reconocimiento que las

líneas brillantes emitidas por vapores metálicos incandescentes son independientes de la

temperatura, así como de los elementos con los cuales esos metales están combinados

ofreciendo características constantes y fijas de los elementos químicos aunque estén

presentes en cantidades mínimas, lo que les permitió inferir que cada elemento tiene una

homología de una huella digital de bandas en el espectro de luz. El estudio de las llamas

emitidas por varios cuerpos, ya sea en la llama, el arco voltaico o en la chispa eléctrica,

convenció a Bunsen de la seguridad de su método (Desiderio, 1961). Confirmado por el

descubrimiento del Rubidio y el Cesio, fue Kirchhoff quien sugirió que las llamas de color

similar posiblemente podrían diferenciarse para identificar las mismas líneas, mirando su

espectro de emisión a través de un prisma. Cuando las líneas oscuras en el espectro de

absorción de la luz en longitudes de onda corresponden, con las longitudes de onda de las

líneas agudas, brillantes característicos de los espectros de emisión de los mismos

materiales de ensayo (Chemical Heritage Foundation, s.f.).

Desde entonces, las técnicas del análisis de la luz y su relación con la materia se han

impulsado a niveles inigualables en épocas antiguas, formando parte fundamental del

desarrollo de la ciencia moderna, así pues, un estudio detallado de esta radiación es

fundamental para conocer los fenómenos que están interviniendo en su generación. Aunque



éstas no eran las únicas investigaciones que se estaban realizando en el campo de la

espectroscopia.

1.1.2.2 Efecto fotoacústico

Existe información que revela que se estaba trabajando en caracterizaciones y

observaciones de fenómenos físicos, como el caso de Alexander Graham Bell en 1880

(Marín, 2008), quien descubrió el fenómeno fotoacústico al estar trabajando en lo que

denominó fotófono el cual pretendía ser un medio de comunicación con más potencial que

el teléfono (Bell, 1880), pretendía transmitir la voz a grandes distancias utilizando la luz del

sol como portadora de la señal de audio.

Colocando selenio sobre un tubo de escucha, Bell descubrió que ese material emite sonido

cuando es iluminado por la luz modulada, donde este se obtenía al hacer pasar esta luz por

un disco rotatorio con agujeros. Bell incluso llego a descubrir mediante un instrumento

llamado espectrofono, donde la intensidad de sonido emitido depende de la longitud de

onda o color de la luz que hacía incidir, y que por ello este efecto se debía atribuir a un

proceso de absorción óptica, además demostrando que era producido por la radiación fuera

de la región visible del espectro.

Por ello este efecto se basa en la absorción óptica de una fuente luminosa modulada que

incide sobre un material, generando una señal acústica, al estar este material radiado en un

compartimiento herméticamente cerrado. Dado que se producen ondas de sonido debido al

calentamiento del material y que a su vez genera un calentamiento del gas que se encuentra

dentro del compartimiento o celda.

Figura 1.4 Espectrofono de Bell (Bell, 1880).



Debido a este descubrimiento se pudo hacer la caracterización de diferentes tipos de

materiales en diversos campos del conocimiento. Y aunque permaneció como una

curiosidad en la ciencia por muchas décadas, fue gracias en gran parte al desarrollo del

micrófono, y al desarrollo de nuevas fuentes lumínicas de mayor potencia, además de la

creación de modernos sistemas de detección, amplificación y procesamiento de datos, que

comenzó verdaderamente a impulsarse las primeras aplicaciones en la práctica.

La aplicabilidad de la espectroscopia fotoacústica (EFA) fue inicialmente limitada. Ya que

el sol era la luz más común como fuente y el oído humano era el único detector disponible

para las mediciones de la señal FA, ningún análisis cuantitativo confiable era posible. Era a

partir de las aplicaciones del efecto FA descrito en la literatura aproximadamente entre los

años 1930 y 1940 que, Viengerov fue capaz de medir las concentraciones de CO2 a ~ 0,2%

en volumen en N2, usando una fuente de luz IR y un micrófono electrostático como

detector, presentando así la primera aplicación de la espectroscopia y su uso de manera

cualitativa. Fue hasta 1976 que Rosencwaig y Gersho propusieron la teoría y el fundamento

de la EFA en muestras sólidas. En ese momento que el número de publicaciones sobre la

EFA aumentaron de unos pocos por año a cientos en años recientes, discutiendo una gran

variedad de aplicaciones y modalidades para aplicaciones sea en líquidos y gases en fase

sólida (Haisch, 2011). Detonando a lo largo del siglo XX y el nuevo milenio junto con otras

técnicas el desarrollado la espectroscopia y el análisis de la materia y en general la

posibilidad de cada vez más satisfacer la necesidad de conocer lo que nos rodea.

No obstante el avance en la tecnología de iluminación también tuvo gran crecimiento

generando cada vez más fuentes artificiales de luz que se podían emplear para desarrollar

esta técnica, a partir de materiales semiconductores.

1.1.2.3 Diodo Emisor de Luz

La historia previa antes de la fabricación del Diodo Emisor de Luz (LED), surge de la

revolución en la iluminación desde otras tecnologías, partiendo de la elaboración de la

lámpara incandescente en 1879 por Thomas Alva Edison quien desarrolló el primer bulbo

estable incandescente que no se quemaba.



Otro avance importante fue en 1936, con la primera lámpara fluorescente que

proporcionaba una mayor eficiencia energética. Ésta se basa en la lámpara de descarga de

gas desarrollada en 1808, el principio se basa en que cuando se hace pasar corriente

eléctrica por un gas se produce luz, principalmente en el rango ultravioleta, sin embargo

con el descubrimiento de los fósforos al año de 1924 se pudo convertir la luz ultravioleta

generada por una lámpara de vapor de mercurio en luz visible.

A pesar que las primeras lámparas fluorescentes tenían inconvenientes técnicos y de costo,

fueron cada vez más aceptas, y desplazando hoy en día a la lámpara incandescente en

muchas aplicaciones (Hernández Moreno, 2012). Además existen otras tecnologías como

las lámpara alógenas; en la Figura 1.5 se ven algunas fuentes de luz artificial comerciales

que se utilizan actualmente.

Figura 1.5 Dispositivos emisores de luz artificial comerciales.

Los diodos emisores de luz ―LED‖, son un componente clave de hoy en la tecnología. El

LED es un vínculo vital entre la electrónica y la fotónica: estos semiconductores se

emplean en diversas aplicaciones de la industria y el hogar.

A partir de la demostración del primer láser de rubí. Fue en 1962 cuando cuatro grupos de

investigación en los E.U. reportaron simultáneamente el funcionamiento del láser de

semiconductor basado en LED, a base de cristales de arseniuro de galio. Los involucrados

fueron Robert Hall y Nick Holonyak de dos diferentes laboratorios de General Electric,

Marshall Nathan de IBM y Robert Rediker, del MIT, y sus co-autores. Estos nombres

pertenecen justamente en lo más alto correspondiente a la optoelectrónica de

semiconductores.

Sin embargo fue Oleg Vladimirovich Losev. Quien no habiendo recibiendo ninguna

educación formal, pero durante el lapso de su carrera de investigación hizo una serie de los



principales descubrimientos en estado sólido la electrónica, incluyendo el primer

amplificador de estado sólido. A mediados de la década de 1920 Losev observó la luz que

provenía de la emisión de óxido de zinc y carburo de silicio de diodos rectificadores de

cristal usados en los receptores de radio cuando la corriente era pasado por ellas,

publicando en 1927 el paper de emisión de luz de diodos de carburo de silicio (Zhenludev,

2007).

Esencialmente se constituyó el descubrimiento de lo que hoy conocemos como el LED. En

su primer artículo sobre el LED, Losev estableció el umbral actual para la emisión de luz

desde el punto de contacto entre un alambre de metal y un cristal de carburo de silicio. Esto

debio haber sido el comienzo de la fotónica y la revolución de las telecomunicaciones.

Utilizó la teoría cuántica de Einstein, para explicar la acción del LED llamado el proceso

de emisión, el "efecto fotoeléctrico inverso‖. Además, propuso una fórmula relativa a la

caída de tensión en el diodo de contacto, La carga del electrón, e y la frecuencia de emisión

de la luz a través de la constante de Planck ―h‖, es decir ν = eV / h. Losev fue el primero en

comprender el potencial del LED para telecomunicaciones. Sin embargo La historia del

LED no estaría completa sin mencionar a Henry J. Ronda, uno de los ayudantes de Marconi

en Inglaterra y más tarde Jefe de Investigación de Marconi. Quien fue el descubridor del

fenómeno de electroluminiscencia. En cualquier caso, estos dos científicos, Losev y Ronda,

son los pioneros en la optoelectrónica de estado sólido.

De manera general el LED consiste en un dispositivo de material semiconductor dopado

con impurezas para crear una unión pn. De forma semejante a otros diodos, la corriente

fluye desde el lado p, o ánodo, al lado n, o cátodo, pero no en la dirección inversa. Los

portadores de carga electrones y agujeros dan flujo en la unión de los electrodos con

diferentes voltajes. Cuando un electrón se encuentra con un agujero, éste pasa a un nivel de

energía más bajo y libera energía en forma de un fotón.

La longitud de onda de la luz emitida, y por tanto su color, depende de la energía de banda

prohibida de los materiales que forman la unión pn. En los diodos de silicio o de germanio,

los electrones y los huecos se recombinan por una transición no radiactiva, que no produce

emisión óptica, porque estos son los materiales de banda prohibida indirecta. Mientras que



los materiales utilizados para el LED tienen una banda prohibida directa con las energías

correspondientes a luz infrarroja, visible o ultravioleta.

Figura 1.6 Como funciona un LED (Wait, s.f.)

El espectro de emisión de un LED depende de la brecha de energía prohibida del material

semiconductor del cual está hecho. De esta manera, al cambiar la composición del

semiconductor se puede obtener emisión de luz desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, por

lo que casi todos los LEDs que emiten luz azul y verde están hechos con compuestos de

nitruro de aluminio-galio-indio (AlInGaN), y casi todos los LEDs que emiten luz roja usan

compuestos de fosfuro de aluminio-galio-indio (AlInGaP) (Hernández Moreno, 2012).

Figura 1.7 Información detallada sobre cómo funciona la tecnología LED (Axoled

iluminación industrial, s.f.).

Toda esta tecnología desarrollada en la generación de fuentes de radiación tiene potencial

para poder ser utilizada en la generación de equipos y herramientas innovadoras que es lo

que pretende este trabajo.



1.1.3 Contexto cultural

La inmensa complejidad que involucra una sociedad del ser humano, conlleva a que se

generen desiguales en diversos ámbitos sociales políticos, económicos, tecnológicos, donde

estas desigualdades manifiestan vulnerabilidad, riesgos y abusos o falta de oportunidades.

En México existe una diversidad cultural gigantesca debida tanto por la parte climatológica,

económica, y geográfica, conllevando a identificar las necesidades más primordiales, pero

éstas dependen no solo de una persona si no que se ve involucrada una sinergia, en la cual

no nos podemos aislar íntegramente y no ver u observar un conjunto de necesidades y

requerimientos.

1.2 Fundamento de la investigación

El principio del efecto fotoacústico se basa en el calentamiento producido en una muestra

debido a la absorción de un flujo energético que le incide, además, a procesos de relajación

y desexcitación no radiactivos posteriores, que pueden distribuirse a lo largo de su volumen

o confinarse a su superficie. Mediante sensores o dispositivos de medición se pueden

obtener las características térmicas, acústicas o la combinación de ambas, debido a las

variaciones en temperatura generadas y a la generación de variaciones de presión dentro de

las muestras.

De forma general el calor, que es depositado en la muestra, se debe a la absorción de

radiación óptica; asociando por ello los conceptos de fotoacústica y fototérmica. Para esta

técnica, los factores que influyen en el calentamiento de la muestra dependen del

coeficiente de absorción óptico y de la luz incidente sobre ella, además de la eficacia de la

trasformación de la luz en calor y su difusión a lo largo de la muestra.

Es por consiguiente esperar que la señal FA detectada deba ser relacionada a la interacción

de estos tres factores.

La técnica FA puede usarse para conseguir información acerca de los procesos no térmicos

desexcitados dada la dependencia de la señal FA resultante con el coeficiente de absorción

óptico para la radiación incidente, permitiendo el estudio espectroscópico considerando

para esto la dependencia de la conversión de luz en calor; no obstante la dependencia de la

señal FA se relaciona en cómo el calor se difunde por la muestra, permitiendo conocer

parámetros como la conductividad térmica y difusividad térmica, que es parte de la

caracterización térmica del material; además de la conductividad térmica imaginaria del



material. Esta última característica viene del hecho de que la generación de ondas térmicas

debido a la absorción de un pulso enérgico incidente, puede verse reflejada y esparcirse si

se topan con ruidos, defectos, que afectan la señal recibida (Gárcia, 2004). Algunos

fenómenos descritos anteriormente se pueden ver en la Figura 1.8.

La teoría más aceptada en la actualidad para explicar el efecto FA fue anunciada en 1976

por Allan Rosencwaig y Allen Gersho, los cuales propusieron el fundamento teórico de

todas las otras obras en la espectroscopia PA en muestras sólidas, formulando la teoría

Rosencwaig-Gersho (Rosencwaig & Gersho, 1976).

Figura 1.8 Esquema de algunos fenómenos Fototérmicos (Elaboración propia con base en

Domínguez, 2015)



1.3 Justificación

La tecnología y el desarrollo científico han influido en cambios de los estilos de vida y en

el descubrimiento de nuevas formas de poder percibir nuestro mundo. Ya el transcurso del

tiempo ha demostrado que este crecimiento está estrechamente ligado a ámbitos

económicos, culturales, sociales y políticos, en el lugar donde se desarrollan (Mokyr,

1990).

En el ámbito internacional, a partir de estudios realizados por el Fondo Sectorial de

Innovación Secretaría de Economía-CONACYT (FINNOVA) se encontró una relevancia

significativa respecto al crecimiento económico y el impacto que tiene la innovación sobre

él en los países más desarrollados, debido a que la innovación explica entre dos terceras y

tres cuartas partes de las tasas de crecimiento percibidas en el PIB entre 1995 y 2006; por

consiguiente, un país con una fortaleza superior en el ámbito de la innovación, tendrá

mayor capacidad para incrementar su productividad, no solamente por el efecto directo que

genera cualquier innovación, sino por que podrá afrontar las incertidumbres generadas por

el actual entorno de competencia global (SE, 2012).

El desarrollo científico, tecnológico y la innovación son pilares fundamentales para el

progreso económico y social sostenible (DOF, 2013), de manera particular según el

Programa Nacional de Innovación, se le considera precisamente a la innovación como

prioridad nacional, ya que esta puede incrementar la competitividad de la economía y así

poder lograr las tasas de crecimiento y la generación de empleos de calidad necesarios, y

debido a que los recursos disponibles son escasos, se requiere una focalización de esfuerzos

en las áreas de mayor impacto nacional.

El intercambio comercial y la globalización de la industria, ha permitido la difusión de las

nuevos avances en la ciencia y tecnologías alrededor de los diversos países en todo el

mundo; de ello los países tecnológicamente más reconocidos por su avance superior en

estos ámbitos son los EUA, pases de la unión europea, Japón, China, esta última creciendo

enormemente (UNESCO, 2010), por lo que son las referencias en todos los ámbitos de los

nuevos avances científicos y tecnológicos en distintas aéreas del índole humano como la

medicina, los alimentos, el entretenimiento y la salud, que son solo algunas de las ramas

que han avanzado en los últimos tiempos.



A pesar de las crisis económicas, financieras y sociales que atraviesan los países en vías de

desarrollo y otros países ya consolidados, es de primordial importancia continuar con estos

cambios, en su mayoría positivos e incrementar la calidad de vida de todos.

El conocimiento que es aplicable o el trabajo intelectual, es el factor principal de desarrollo

de un país y de la producción de su economía, ya que el trabajo que las personas puedan

agregar a la economía mundial por medio de los conocimientos y habilidades propias da la

capacidad de competitividad que pueden ofrecer; la forma de alcanzar el desarrollo y el

poder económico en el siglo XXI no es mediante la explotación de materias primas y el

trabajo manual de las personas sino a través de la aplicación de los recursos intelectuales en

concordancia con los avances científicos y tecnológicos de cada nación (Rincón, 2012).

Sin embargo, países científica y tecnológicamente menos desarrollados como México

padecen rezagos que han ido disminuyendo con los intercambios de conocimientos, estos

no han sido suficientes viéndose reflejado en carencias en salud, alimentación y educación

de la población, en general.

A pesar de que la inversión en ciencia y tecnología en México es superior a países de

Latinoamérica con un estimado al 2010 de 4289.07 millones de dólares corresponde a

actividades científicas y tecnológicas, y 4917.3 MDD corresponde a investigación y

desarrollo experimental (RICYT, 2013), esto no ha sido suficiente para abatir estos rezagos

que dando denotado por la cantidad de patentes solicitadas y otorgadas en México, a

extranjeros y mexicanos.

Las estadísticas arrojan una recesión en cuanto a avance e innovación tecnológica en

comparación con otros países de la región, de acuerdo a datos de IMPI, la Figura 1.9

indica las solicitudes de patente por nacionalidad presentadas ante el Instituto Mexicano

de la Propiedad Industrial del año 1993 a diciembre de 2014.



Figura 1.9 Comparativa de solicitudes de patente por nacionalidad / principales países en

México (IMPI, 2015).

Observando la gráfica se denota que en comparación con países denominados potencias

como Japón, EUA, Alemania y Suiza, estamos por debajo de sus solicitudes en nuestro

propio país.

Al igual que la distribución en cuanto a patentes otorgadas a titulares mexicanos mostrada

en la Figura 1.10, en los rubros del área tecnológica se refiere, existe una tendencia hacia

las industrias extractivas y el ámbito industrial.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013

México Alemania Estados unidos Francia Italia

Japón Reino Unido España Suiza Otros Paises



Figura 1.10 Patentes otorgadas a titulares mexicanos por área tecnológica 1993/enero-

diciembre/ 2014 (IMPI, 2015).

Teniendo en cuenta que desde el punto de vista competitivo, no se produce lo suficiente o

muy poco: denotando en las industrias automotrices, de comunicaciones y el petróleo se

han ido incrementando debido a que son las industrias más destacadas de la economía del

país.

Aunado a que, además, no existe una cultura científica en nuestro país, dado que la opinión

que tienen las personas en torno a temas de índole común en de suma importancia, la

posición de ciencia y tecnología depende en mucho de la posición que le den para

impulsarla y desarrollarla.

La ciencia en México se enfrenta a la dependencia de colaboraciones, surgiendo

inevitablemente a una disparidad, conduciendo a la investigación hacia la parte

predominante, no obstante y debido a ello debemos conducir aún más nuestro camino en

investigaciones al contexto nacional.

De los datos antes presentados se entiende la necesidad de aumentar la inversión en ciencia

y tecnología ya que al convivir cotidianamente con el conocimiento científico y

tecnológico, la sociedad lo desarrolla y lo aplica, teniendo ventajas competitivas sobre las

demás.

Artículos de uso y consumo

26%

Tecnicas industrilaes

diversas 21%

Química y metalurgia

20% Textil y papel 1%

Construcciones fijas 10%

Mecánica-iluminación calefacción-armamento Voladuras

9%

fisica 8%

Electricidad 5%



Por lo anteriormente mencionado necesitamos investigación y desarrollo mediante medios

adecuados para ello, dado que la actividad científica requiere equipos de los cuales se

puedan generar y obtener cierta información de su medio, esa instrumentación se debe

generar y no solo comprar o importarla ya que en México se tiene la capacidad de

desarrollar esa instrumentación con los conocimientos y herramientas que se disponen a la

mano y no estar sujeto en indefinidas ocasiones al avance de otras naciones.

¿Por qué un equipo de Espectroscopia fotoacústica?

Primeramente la medición proporciona una manera de controlar la forma en que se

dimensionen las partes de algo.

1. Ofrece el medio para controlar el dimensionado de las partes

2. Es una manera de describir a algún objeto.

El resultado de medir es conocido como medida. Al realizar una medición, se debe tener

cuidado para no alterar el sistema que se observa; de todas formas, hay que considerar que

siempre las medidas se realizan con algún tipo de error, ya sea por las imperfecciones del

instrumental, las limitaciones del medidor o los errores experimentales.

Diferentes industrias como la química de los alimentos y de la medicina entre muchas más,

así como en el ámbito académico de investigación local o en entidades donde la

marginación es todos sentidos es amplia, requieren de la instrumentación necesaria para

poder determinar las propiedades de los materiales con que se están trabajando, aunque en

el mercado existen sistemas capaces de otorgarnos y satisfacer estas necesidades,

primeramente estos sistemas no son accesibles tanto en costo como en todo lo que se

requiere para su implementación, además de que como se mencionó antes, el rezago

tecnológico es amplio y necesitamos explotar las posibilidades con los requerimientos bajo

el contexto particular y focalizado de manera nacional y con las herramientas que se tengan

en el mercado.

La Espectroscopia fotoacústica es usada en distintos campos de la ciencia, ha

revolucionado el campo de la biológica, ambiental y agrícola, en general de la ciencia de

materiales. Es una técnica muy simple, sensible y no destructiva que permite la



determinación de las propiedades ópticas de las muestras a analizar, ya sea en medicina

(Lomelí et al, 2012), en el análisis de gases (Barreiro et al, 2008), en materiales

semiconductores (Gutiérrez & Giraldo, 2010), inclusive esta técnica tiene la bondad del

análisis de material biológico- agrícola (Rico et al, 2013); cada una de las aplicaciones

mencionadas y demás aplicaciones existentes no mencionadas, utilizan como fuente de

radiación diferentes fuentes de luz, como la luz infrarroja, la luz visible y la luz

ultravioleta, dependiendo del objeto de estudio, además de que el objeto de estudio

reacciona y tiene una respuesta diferente de acuerdo a la longitud de onda de la fuente de

excitación, en lo general se debe de tomar en cuenta las características de la celda en la cual

se depositará el marial a analizar, como es su volumen y temperatura.

Desde la década de los 70, la tecnología LED ha ido tomando una fuerte aceptación dentro

de las fuentes de luz, accesibles de bajo consumo y de alto factor de conversión de energía

en luz, por lo que se emplearon como fuente de excitación, siendo ya utilizada como fuente

en la espectroscopia tal es el caso en la determinación de propiedades ópticas (Kássio,

2012) .

Por lo anterior se propuso en este trabajo la aplicación de la técnica fotoacústica, a través de

una fuente de radiación por medio de LED de diferentes longitudes de onda en un arreglo

que permita la conexión de una computadora personal o una laptop, primeramente para la

captura de señales acústicas y por lo tanto, para obtener respuesta del objeto de estudio.



1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo general

Desarrollar un sistema de medición fotoacústico portátil para caracterizar líquidos.

1.4.2 Objetivos particulares

Analizar y diagnosticar el problema

Revisar el estado del arte

Implementar una metodología para el desarrollo del prototipo

Seleccionar las mejores alternativas viables para la implementación del prototipo

Desarrollar una propuesta tecnológica

Implementar el prototipo

Comprobar y evaluar el funcionamiento del prototipo

1.5 Hipótesis

Se puede desarrollar un sistema fotoacústico portable, con materiales de uso comercial

convencional, que podrá proporcionar señal fotoacústica proveniente de materiales

líquidos, con accesibilidad en su implementación en comparación con los sistemas de

medición convencionales.

1.6 Tabla de congruencias

Tabla 1.1 Tabla de congruencia (Elaboración propia, 2013)

Problema de Investigación

Justificación

El desarrollo científico y tecnológico en México tiene correlación con el crecimiento de la economía y su

progreso; por ello es de importancia construir y desarrollar tecnología propia y adecuada bajo los

requerimientos actuales de México, necesidades en cuanto a investigación de nuevos métodos , el desarrollo de

tecnologías para el campo y la industria alimentaria, en la ecología, en fin en diversas áreas pero para realizar

esa investigación se requieren de los equipos y la instrumentación necesaria para ello , por lo cual se tiene que

proponer, mejorar y desarrollar esta tecnología. Es decir, si aportamos en los factores que intervienen en el



crecimiento y desarrollo económico, como es la ciencia y creamos las herramientas tecnológicas propias para

ello, podemos contribuir para que de manera paulatina se enfrenten los retos que afronta el país en los

ámbitos del medioambiente, los combustibles, alimentos, etc.

Objetivo General


Objetivo particular 1



Revisar el estado del arte


Implementar una metodología para el desarrollo del prototipo


Seleccionar las mejores alternativas para la

implementación del prototipo


Implementar el prototipo


Comprobar y evaluar el funcionamiento del prototipo

Hipótesis

Se puede desarrollar un sistema fotoacústico portable, con materiales de uso comercial convencional, que podrá

proporcionar señal fotoacústica proveniente de materiales líquidos; con accesibilidad en su implementación en

comparación con los sistemas de medición convencionales.

Características de la Investigación

El trabajo de investigación se desarrolla bajo la perspectiva sistémica transdisciplinaria siguiendo tres etapas:

investigación de campo, investigación documental e investigación experimental, sin olvidar al sujeto investigador en

cada una de las etapas.

Capítulo 2. Marco teórico y metodológico


2. MARCO TEÓRICO Y

METODOLÓGICO



Debido a que el desarrollo del sistema de instrumentación propuesto se plantea a partir de

un enfoque sistémico transdiciplinario, ello conlleva a la utilización de distintas ramas de

la ciencia, por lo tanto se deben tomar en cuenta los marcos teóricos de estas distintas

disciplinas, como son la ciencia de sistemas, la física, las matemáticas, la electrónica, la

informática, y la computación. Y así poder tener un marco de lo que se pretende

demostrar, describiendo alguno de sus conceptos relevantes para el desarrollo de esta tesis.

2.1 Pensamiento sistémico

Los métodos antiguos por los cuales se han enfrentados las diversas problemáticas no han

sido suficientes, por ello es necesario enfrentarlos con un enfoque distinto y que posibilite

la resolución de problemas que afectan a nuestro sistema.

La posibilidad que nos permite la adopción del denominado enfoque, la cual es una forma

de pensamiento, una filosofía práctica y una metodología de cambio.

El enfoque de sistemas puede ser posiblemente ―la única forma en la que podemos volver

a unir las piezas de nuestro mundo fragmentado: la única manera en que podemos crear

coherencia del caos‖ (Gigch, 2001).

El pensamiento sistémico aparece de manera más consolidada a partir de los

cuestionamientos del biologo Ludwing Von Bertalanffy biólogo, quien debatió la

aplicación del método científico debido a la visión causal y mecanicista que no permitía la

solides para la explicación de los grandes problemas que se dan en los seres vivos.

Esta indagación lo llevó a plantear el paradigma de pensamiento global para poder

entender mejor el medioambiente que nos rodea, de esta manera surgiendo formalmente el

paradigma de sistemas; donde un sistema es una reunión o conjunto de elementos

relacionados, cuyos elementos pueden ser conceptos u objetos o sujetos o la combinación

de los anteriores, es decir un sistema es un agregado de entidades, en la mayor parte de los

casos podemos pensar en sistemas más grandes o superiores, o sistemas que componen o

forman parte de otro llamados subsistemas. (Gigch, 2001)



2.1.1 Enfoque de sistemas

El enfoque de sistemas tiene diversos aspectos y puede describirse como:

Una metodología de diseño

Un marco de trabajo conceptual común

Una nueva clase de método científico

Una teoría de organizaciones

Dirección por sistemas

Un método relacionado a la ingeniería de sistemas, investigación de operaciones,

eficiencia de costos, etc.

Teoría general de sistemas aplicada

2.1.2 Metodología

Como se mencionó, el enfoque de sistemas es una metodología de diseño, esta cuestiona la

naturaleza del sistema y su función en un sistema mayor o menor, busca lograr la eficacia

del sistema total en lugar de mejorar la eficacia de los subsistemas.

Existen dos tipos de metodologías:

La metodología de sistemas suaves, donde los problemas suaves son difíciles de definir,

estos tienen componentes social y político; basándose en problemas del mundo real donde

los fines que se sabe son deseables, no se pueden tomar como dados, basándose en la

postura fenomenológica. Es si es un enfoque que de manera sistemática intente establecer y

estructurar un debate en torno a las acciones para mejorar la situación. (Checkland &

Scholes, 1990)

La metodología de sistemas duros, donde los problemas duros se destacan por el hecho de

que están bien definidos. Se asume que existe una solución definida y que se pueden definir

requisitos y especificaciones a ser cumplidas. Es decir, la metodología basada en sistemas,

o conocida como ingeniería de sistemas, en ésta entonces se genera un sistema para

alcanzar el objetivo deseado. (Checkland & Scholes, 1990)



2.1.3 Ingeniería de sistemas

La Ingeniería de Sistemas es la ciencia de estudiar sistemas complejos en su totalidad para

asegurar que los subsistemas componentes que integran el sistema puedan diseñase

ensamblarse y operarse de tal manera que logren los objetivos globales del sistema de la

manera más eficiente.

La ingeniería de sistemas tiene una de sus raíces provenientes de la ingeniería industrial, no

obstante, ésta enfatiza la ejecución del sistema como un todo, con la característica de poder

contemplar por medio de una metodología, la solución de problemas holomorfos en áreas

como la administración hasta la tecnología, enfatizando características comunes que

puedan relacionarlos, lo que generara la autopoiesis de éste.

De manera general la ingeniería de sistemas está enfocada en el uso óptimo de todos los

recursos empleados, siendo los más importantes los hombres, el dinero, las máquinas y los

materiales.

Para la solución y confrontación de los problemas, las líneas generales que emplearía un

ingeniero de sistemas serían las siguientes, de acuerdo a la metodología de Jenkins (1972).

1. Análisis de sistemas. El Ingeniero de Sistemas inicia con un análisis en el sentido

común de lo que está sucediendo y porque está sucediendo, de tal manera que el sistema y

sus objetivos puedan ser definidos.

2. Diseño de sistemas. En primer lugar, el futuro entorno del sistema tiene que ser

pronosticado. A continuación, se desarrolla un modelo cuantitativo que pueda ser utilizado

para simular o explorar formas distintas de operarlo, creando alternativas de solución

sistema, por último se realiza la elección del sistema o sistemas que son, en cierto sentido el

"mejor", optimizando así el sistema.

3. Implementación. Los resultados del estudio del sistema deben ser presentados y

aprobados para su ejecución. El sistema optimizado entonces tiene que ser construido, ya

sea en hardware y / o software; el proyecto requerirá una cuidadosa planificación en esta

etapa para asegurar que los beneficios del enfoque de sistema se realizan. Después de la



construcción, será necesitará la comprobación del sistema para evaluar la fiabilidad de

rendimiento.

4. Operación. En este punto el sistema se necesita ser entregado a los que tienen que operar

el sistema. Aquí es donde se necesita gran cuidado en la operatividad del sistema, ya que

tendrá que ser evaluado, "sintonizado‖, y si llega a ser distinto a aquel a lo que fue

planteado se re-optimice, para operar en un ambiente que pueden llegar a ser diferente del

que fue diseñado.

Principalmente en este trabajo para cada fase se desarrollaron las siguientes etapas de: en el

análisis de sistemas se hace la identificación y formalización del problema, la definición del

problema recopilando los datos e información necesaria; dentro del diseño del sistema se

realiza la modelación y simulación del sistema controlando la operación del mismo; en la

implantación del sistema se recurre a la construcción e instalación del sistema; finalmente

en la operación, se realiza la ejecución inicial y mejoramiento de la operación del sistema

diseñado.

2.2 Física

La física es la ciencia encargada de describir los fenómenos que ocurren en la naturaleza y

cubre distintas áreas de aplicación y estudio, aunque existen dos visiones de acuerdo a las

formas de estudio que son la física clásica (basada en el modelo mecanicista de Newton) y

la física moderna (sustentada en la teoría cuántica y teoría de la relatividad), las dos tratan

de describir los fenómenos de acuerdo a concepciones adecuadas para ello.

Para el estudio de los fenómenos de la naturaleza hay que denotar que existen distintos

tipos de interacciones entre la materia y energía según la naturaleza de la materia o el tipo

de energía usado, como por ejemplo la energía eléctrica, cinética, magnética y

electromagnética la cual es parte del objeto de estudio de su interacción con la materia para

el desarrollo del tema de tesis.

En el estudio de las interacciones materia-energía, existe una diversidad de métodos según

la naturaleza de la excitación a medir en los objetos de estudio. Ya que el tipo de

espectrometría depende de la cantidad física a medir; normalmente la cantidad que se mide



es una intensidad de energía absorbida o producida. Y se pueden distinguir estos tipos de

espectrometría según la naturaleza de la excitación:

Electromagnética. Interacciones de la materia con radiación electromagnética como

la luz

De electrones. Interacciones con haces de electrones.

De masa. Interacción de especies cargadas con campos magnéticos y/o eléctricos,

dando lugar a un espectro de masas.

Acústica. Frecuencia de sonido.

Dieléctrica. Frecuencia de un campo eléctrico externo.

Mecánica. Frecuencia de un estrés mecánico externo.

Además se pueden distinguir según el proceso de medición. La mayoría de los métodos

espectroscópicos se diferencian en atómicos o moleculares según si se aplican a átomos o

moléculas. Junto con esta diferencia, se pueden distinguir los siguientes tipos de

espectrometría según la naturaleza de su interacción:

De absorción. Usa el rango de los espectros electromagnéticos en los cuales una

sustancia absorbe.

De emisión. Usa el rango de espectros electromagnéticos en los cuales una

sustancia irradia (emite). La sustancia primero debe absorber la energía. Esta

energía puede ser de una variedad de fuentes, que determina el nombre de la

emisión subsiguiente, como la luminiscencia.

De dispersión. Mide la cantidad de luz que una sustancia dispersa en ciertas

longitudes de onda, ángulos de incidencia y ángulos de polarización. El proceso de

dispersión es mucho más rápido que el proceso de absorción/emisión.

2.2.1 Electromagnetismo

El electromagnetismo es la rama de la Física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos

y magnéticos en una sola teoría, cuyas bases fueron sentadas por Michael Faraday y

descritas por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. La teoría consiste

en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo

magnético y sus respectivas fuentes materiales las cuales se le reconocen como ecuaciones



de Maxwell. Los conceptos relacionados a la teoría electromagnética abarcan la corriente

eléctrica, la polarización eléctrica y la polarización magnética.

La energía electromagnética es una entidad física que se estudia bajo dos perspectivas. La

concepción ondulatoria que permite explicar ciertos fenómenos como los fenómenos

ópticos de difracción e interferencia, enmarcando a la radiación como un campo eléctrico y

un campo magnético oscilando en planos perpendiculares entre si ver Figura 2.1, el

fenómeno ondulatorio refleja una doble periodicidad tanto en el espacio como en el

tiempo, donde la periodicidad espacial es la que determina la longitud de la onda, que es la

distancia entre dos puntos consecutivos de igual amplitud en el campo eléctrico como en el

campo magnético. Además de que el intervalo de tiempo entre dos puntos consecutivos de

la misma amplitud donde tanto el campo magnético como el campo eléctrico alcanzan el

mismo valor es llamado periodo . De aquí se define la frecuencia de radiación como la

relación

. (Resnick et al, 1999).

Figura 2.1 Representación de una onda electromagnética polarizada plana (investigación y

ciencia, 2009).

La concepción como partícula permite explicar ciertos acontecimientos experimentales

como el efecto fotoeléctrico y la absorción de radiación por las moléculas consistiendo en

tratar a la radiación como un haz de partículas denominados cuantos de radiación o fotones

que se desplazan en la dirección del haz a la velocidad de la luz, en casos cuando la

radiación electromagnética actúa como partícula y esta interactúa con la materia para

transmitir una cantidad de energía esta energía viene descrita por la ecuación:



Donde es la constante de Planck, es la velocidad de la luz y es la longitud de onda, se

tiene que el espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de

onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la radiación ultravioleta, la luz

visible y la radiación infrarroja, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de

onda, como son las ondas de radio, Figura 2.2. La luz visible es una muy pequeña porción

de este espectro y comprende a las ondas electromagnéticas que están en el rango de

longitudes de onda entre 400 y 700 (Resnick et al, 1999; Tippens, 2011).

Figura 2.2 Espectro electromagnético como función de la frecuencia y la longitud de onda

(Revista UNAM, 2009)

2.2.2 Interacción de la radiación electromagnética con la materia

Los entes físicos se encuentran constituidos por sistemas del tipo atómico-moleculares, el

contenido de energía de estos sistemas se considera primordialmente como una suma de

varios aportes energéticos constituidos por la energía translacional, la energía vibracional

asociada a las vibraciones de los átomos entorno a su posiciones de equilibrio en las

moléculas, energía rotacional asociada a las rotaciones de la molécula entorno a ciertos ejes

además de la energía electrónica asociada a los electrones contenidos en la molécula. En

base a la mecánica cuántica las energías antes mencionadas a excepción de la trasnacional

solo pueden adoptar ciertos valores discretos.



2.2.3 Termodinámica

La termodinámica es un subconjunto de la física, la cual se encarga del estudio de los

efectos producidos por los cambios de temperatura, volumen, presión en un nivel

macroscópico de la materia. A partir de la transformación de la energía térmica en energía

mecánica y del proceso inverso, de la conversión de trabajo en calor (Tippens, 2011).

Se apoya fundamentalmente en las leyes de la termodinámica, las cuales postulan que la

energía puede ser intercambiada en forma de calor o trabajo.

La primera ley de la termodinámica establece el principio de conservación de la energía

denota que: en cualquier proceso termodinámico, el calor neto absorbido por un sistema es

igual a la suma del trabajo neto que éste realiza y el cambio de su energía interna (Tippens,

2011).

La segunda ley de la termodinámica establece la dirección en la que deben de llevarse a

cabo los procesos termodinámicos; es imposible construir una máquina que, funcionando

de manera continua, no produzca otro efecto que la extracción de calor de una fuente y la

realización de una cantidad equivalente de trabajo. Dando como resultado que el flujo de

calor siempre es unidireccional de la fuente de mayor temperatura hacia los de menor

temperatura, y así lograr un equilibrio térmico (Tippens, 2011).

La tercera ley de la termodinámica puede describirse atreves de estos dos postulados:

Teorema de Nerst: Una reacción química entre fases puras cristalinas que ocurre en el cero

absoluto no produce ningún cambio de entropía. Enunciado de Nerst-Simon: El cambio de

entropía que resulta de cualquier transformación isoterma reversible de un sistema tiende a

cero según la temperatura se aproxima a cero. La entropía de todas las substancias puras

perfectamente cristalinas es 0 a 0 grados Kelvin (Tippens, 2011).



2.3 Fotoacústica

Dentro de las áreas de investigación en la física aplicada se encuentra la fotoacústica (FA)

dentro de los denominados fenómenos fototérmicos (FT). Estos términos implican la

generación de ondas acústicas u otros efectos de carácter termo elásticos por cualquier tipo

de flujo energético incidente que esta entre la radiación electromagnética por rayos X, hasta

la radiación con electrones, protones, ultrasonido, etc. Los fundamentos del efecto FA se

descubrió por Alexander Graham Bell en 1880 y décadas después hubo un resurgimiento en

1938 por parte de M.L. Veingerov quien fue el primero en reutilizar el uso de efecto

fotoacustico para el análisis de gases sin embargo no obtuvo los resultados deseados

debido a las posibilidades y limitantes con que se contaban en esa época en cuanto a

instrumentación (Haisch, 2011; García, 2004).

En décadas más recientes el modelo desarrollado para describir el efecto fotoacústico se

debe a los trabajos de Kreuzer y Rosencwaig en los inicios de los años setenta. Hoy día, la

fotoacústica se ha extendido para abarcar muchas otras disciplinas, no exclusivamente

acústicas, o técnicas de detección térmicas, se han aplicado con éxito a varios problemas en

la física, química, biología, medicina e ingeniería (Delgado et al, 2012). En muchos de los

trabajos relacionados a la caracterización mediante espectroscopia térmica y óptica de

materiales, la espectroscopia fotoacústica (EFA) ha mostrado la gran adaptabilidad y de alta

definición como una técnica fácil que produce los resultados satisfactorios aplicada en los

sólidos, líquidos, geles, polvos, además de materiales biológicos. Además de su

versatilidad en los sistemas de detección con el grado variante de sensibilidad, así como su

capacidad para el análisis de profundidad del perfil, la técnica fotoacústica y fototérmica se

combinan para convertirse en un importante método de comprobación de propiedades

térmicas no destructivo (Bageshwar et al, 2010).



2.3.1 Fundamento de la Fotoacústica.

El efecto FA es la base de la técnica que lleva su nombre formando parte de un conjunto de

técnicas experimentales conocidas como fototérmicas. En ellas se hace incidir energía

luminosa de forma periódica o de manera pulsada, sobre la muestra a investigar ya sea en

estado sólido, líquido o gaseoso, siendo parte de esta absorbida y parcialmente

transformada en calor. De ello la temperatura de la muestra varía conforme a la

periodicidad que lo hace la radiación incidente, así provocando cambios en los parámetros

del material y/o del medio en el que se encuentra inmerso y dependientes de ella. La

detección de estas variaciones es la base de los diferentes esquemas experimentales. En

particular, en la Técnica FA, la muestra del material a investigar es colocada en un medio

cerrado o celda que contiene aire u otro gas; como resultado de la absorción de radiación

modulada, el material se calienta, transmitiéndose el calor a una capa de gas adyacente a la

superficie iluminada de la muestra. Esta capa de gas de igual forma se calienta

periódicamente, expandiéndose y contrayéndose, actuando como una especie de pistón

sobre el resto del gas contenido en la celda. Se genera así una onda acústica, o de presión,

que puede ser detectada con un micrófono colocado también dentro de la celda (Marín,

2008).

La teoría más aceptada en la actualidad para explicar el efecto FA fue enunciada por A.

Rosencwaig Figura 2.3, en el análisis de producción de la presión acústica, se considera una

celda cilíndrica simple, y se asume que las dimensiones de la celda son pequeñas en

comparación con la longitud de onda acústica, de igual manera la muestra se asume que

está en un soporte y esta puesta de bajo de la muestra de materia que se analiza, y el resto

de la celda se encuentra llena de aire o gas; la muestra es iluminada con una luz

monocromática, modulada para producir esencialmente una intensidad de modulación

sinodal (Rosencwaig, 1975).



Figura 2.3. Modelo de Rosencwaig–Gersho (Elaboración propia, 2014).

Considerando que el modelo de Rosencwaig–Gersho, que es un modelo unidimensional en

el cual se considera la luz adsorbida por la muestra es total o parcialmente convertida en

calor mediante procesos de des-excitación no radiactivos. Describiendo la generación de

una señal acústica posterior a la absorción de la luz en una muestra sólida, los principios de

la transferencia de calor la difusión de calor de la muestra y los procesos que dé él se

desprende se aprecian en el ANEXO A.

2.4 Ciencias aplicadas

El propósito de la ciencia aplicada es el de tratar de resolver problemas específicos o

conjuntos de problemas, o de crear productos.

Informática

La profesión de la informática son las personas e instituciones que han sido creadas para

atender las preocupaciones de la gente en el procesamiento de la información y

coordinación a través de los sistemas de comunicación de todo el mundo. Contiene diversas

especialidades como ciencias de la computación, ingeniería informática, ingeniería de

software, sistemas de información, las aplicaciones específicas del dominio, de los sistemas

informáticos. La disciplina de la informática es el cuerpo de conocimientos y prácticas

utilizadas por los profesionales de la informática en su trabajo.



La informática tiene una fuerte herencia en ingeniería eléctrica, porque muchos métodos

algorítmicos fueron diseñados originalmente para resolver problemas de ingeniería. Los

ejemplos incluyen circuitos electrónicos, telecomunicaciones, gráficos de ingeniería, diseño

de ingeniería, sistemas de ingeniería, fabricación y manufactura. Por el contrario, las

computadoras tienen convertido en indispensable en muchas disciplinas de la ingeniería.

Por estas razones, es que la informática podría decirse que es una ciencia de ingeniería.

Electrónica

La electrónica es la ciencia que estudia a los electrones y su comportamiento; de manera

general se clasifica en electrónica analógica y electrónica digital.

Los circuitos electrónicos se dividen de igual manera, según la naturaleza de los valores

que toman las señales o magnitudes que intervienen en el sistema, en dos categorías:

analógicos y digitales.

La electrónica analógica emplea magnitudes con valores continuos en el tiempo, mientras

que la electrónica digital maneja magnitudes con valores discretos en el tiempo. Una señal

analógica es aquella cuya magnitud, en cada instante de tiempo, puede tomar cualquiera de

los infinitos valores dentro del rango donde esté definida, pudiendo cambiar de valor en

cantidades arbitrariamente pequeñas. De manera general las magnitudes que se pueden

medir cuantitativamente en la naturaleza se presentan en forma analógica. Como ejemplo

de magnitudes analógicas son: presión, humedad, temperatura, tensión eléctrica, etc.

Las señales digitales son aquellas cuya magnitud, en cada instante de tiempo, sólo pueden

tomar un valor de entre un conjunto finito de q valores discretos. En el paso de un valor a

otro se produce una discontinuidad al no existir valores intermedios. Si q = 2 la magnitud

presenta dos estados bien diferenciados: cerrado o abierto, alto y bajo, nivel de tensión alto

o bajo, valor numérico 1 o 0, etc. A las señales digitales con dos estados se las denominan

binarias, y constituyen la base de la electrónica digital.

La combinación de la electrónica analógica con la digital da como resultado los sistemas

analógico-digitales, que son aquellos en el que intervienen tanto señales analógicas como

señales digitales; es decir, está compuesto de subsistemas analógicos y subsistemas



digitales. Un ejemplo de este tipo de sistemas analógico-digital es el reproductor de CD, el

esquema que lo comprende está en la Figura 2.4.

Figura 2.4 Ejemplo de sistema analógico-digital (Alegre et al, 2006).

Adquisición de datos

La adquisición de datos (DAQ) es el proceso de medir por medio de una PC algún

fenómeno eléctrico o físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. Un

sistema DAQ consta de sensores, hardware de medición DAQ y una PC con software

programable. Los sistemas DAQ basados en PC aprovechan la potencia del procesamiento,

la productividad, la visualización y las habilidades de conectividad de las PC estándares en

la industria proporcionando una solución de medidas potente, flexible y rentable (National

Instruments, 2015).

Dentro de los componentes esenciales está el sensor, ya que la medida de un fenómeno

físico, como la temperatura de una habitación, la intensidad de una fuente de luz o la fuerza

aplicada a un objeto, comienza con este dispositivo. Un sensor, también llamado un

transductor, convierte un fenómeno físico en una señal eléctrica que puede medirse.

Dependiendo del tipo de sensor, su salida eléctrica puede ser un voltaje, corriente,

resistencia u otro atributo eléctrico que varía con el tiempo. Algunos sensores pueden

requerir componentes adicionales y circuitos para producir correctamente una señal que

puede ser leída con precisión de los cuales algunos tipos más utilizados se aprecian en la

Tabla 2.1.



Tabla 2.1 Sensores más utilizados (National Instruments, 2015).

Sensor Fenómeno

Termopar, RTD, Termistor Temperatura

Fotosensor Luz

Micrófono Sonido

Galga Extensiométrica, Transductor

Piezoeléctrico Fuerza y Presión

Potenciómetro, LVDT, Codificador Óptico Posición y Desplazamiento

Acelerómetro Aceleración

Electrodo pH pH

Para obtener datos digitales con los cuales trabaja la computadora a partir de señales

analógicas, la señal debe ser muestreada: Esto significa tomar los valores instantáneos de la

señal en un momento determinado. Para una señal continua, las muestras se toman a

intervalos regulares, generalmente con un periodo de muestreo fijo entre medidas. Para

recoger información útil, la frecuencia con la que se toman las medidas; se basa en el

teorema de Nyquist que indica que la frecuencia de muestreo mínima que ser tiene que

utilizar debe ser mayor que 2 veces la frecuencia máxima. Si se utiliza esa frecuencia de

muestreo, se podrá reproducir posteriormente la señal a partir de las muestras tomadas y

obtener la información requerida.

Amplificador Lock-in

Los amplificadores lock-in se utilizan para medir y detectar señales de corriente alterna

muy pequeñas realizándose mediciones exactas aun cuando en apariencia las señales a

medir estén ―ocultas‖ por el ruido. Esto es posible debido a que utilizan una señal de

referencia y una técnica conocida como detección sensible a la fase. Las señales de ruido y

las de otras frecuencias que no sean la de referencia de referencia se rechazan y no afectan

la medida, permitiendo así que el instrumento tenga una enorme sensibilidad.

Para medir con amplificador lock-in se necesita contar con una frecuencia de referencia. En

una medición típica se utiliza un oscilador o generador de funciones para excitar el sistema

estudiado con una frecuencia de referencia fija, posteriormente el amplificador lock-in

detecta la respuesta a esa frecuencia de referencia. Comúnmente se utiliza una señal con



forma de onda cuadrada para la frecuencia de referencia ω (2πf). Esta debe conformar la

salida sincronizada de un generador de funciones o una salida del propio amplificador; el

lock-in amplifica la señal y luego la multiplica por su referencia interna usando un detector

sensible a la fase o multiplicador. La salida del PSD es queda como el producto de dos

ondas seno (PerKinElmer Instruments, 2000).

Microcontrolador

El microcontrolador es un circuito integrado programable que contiene todos los

componentes de una computadora, empleándose para controlar el funcionamiento de una

tarea determinada, e incorporándose de manera regular al dispositivo o sistema al cual

gobierna. Siendo un dispositivo dedicado sus conexiones pueden soportar la conexión con

otros dispositivos como sensores y actuadores. Este dispositivo es un sistema cerrado

conteniendo todas las partes de una computadora en su interior y solo salen los periféricos

que gobiernan o se comunican con otros dispositivos, contando mínimamente por lo regular

con un procesador, memoria no volátil para contener la programación, memoria de lectura

y escritura para guardar datos, líneas de entrada y salida para la comunicación, y recursos

auxiliares como convertidores analógico digital y digital analógico, comparadores y

temporizadores (Usategui et al, 2003).

2.5 Marco metodológico

Las diferentes formas de obtención del conocimiento y los recursos disponibles en la

actualidad permiten involucran soluciones a los problemas cada vez más integrales

abarcando la mayor extensión con los posibles vínculos que tiene el objeto de estudio con

el sistema o los sistemas al cual pertenece.

2.5.1 Metodología para el desarrollo del prototipo propuesto

Para la realización del presente trabajo ser consideró una visión integral para así poder

realizar el prototipo de espectroscopia fotoacústica; debido a que los requerimientos

actuales no solo requieren de una solución teórica y/o técnica si no una solución que nos

permita lograr el mayor impacto en la resolución de la problemática como un sistema,

para ello se utilizó la siguiente metodología para el proceso de desarrollo del prototipo.



La Figura 2.5 permite ver el proceso por el cual se ha abordado la problemática partiendo

de una visión de los diferentes contextos que se involucran; se parte de la descomposición

del problema general, llevando a una focalización para posteriormente irse adentrando

cada vez más en el qué se puede aportar mediante las habilidades y el conocimiento

adquirido; empleado para todo ello el proceso de experimentación el medio por el cual se

pueden obtener las aportaciones (cumplir con los objetivos específicos y general) para de

nuevo diversificarse y expandirse nuevamente a la visión de los alcances y de las

aportaciones realizadas en el mundo real.

Figura 2.5 Metodología para la realización de la investigación (Notas de clase, 2014)

1. Investigación del mundo real: permite conocer la problemática que involucra

nuestro objeto de estudio, qué alternativas o qué trabajos similares se han propuesto,

asumir e identificar el conjunto de variables que lo caracterizan, si se ha podido

resolver de manera parcial o en forma alternativa mediante otras propuestas, a quién

o a quiénes les puede interesar la propuesta que se ha planteado.

2. Investigación sujeto-investigación: se realiza la evaluación personal a partir del auto

conocimiento a uno mismo, permitirnos la apertura hacia el conocimiento nuevo,

la comunicación con los actores que se involucran o que tienen experiencia en los

campos que de trabajo respectivos, logrando un proceso de crecimiento tanto de la



visón y alcance de nuestros aportes como poder permitirnos la apertura hacia la

actitud y el rigor que nos permite el crecimiento personal.

3. Investigación experimental: se plantea un proceso de retroalimentación continuo

alimentando con el conocimiento y aprendizaje obtenido de la experiencia y los

procesos precedentes; realizando una interconexión entre cada experimentación

hasta llegar a la refutación de las hipótesis en cada experimentación.

4. Investigación de impactos en el mundo real: Se evalúa el trabajo realizado, en el

mundo real mediante la comparación de resultados y la prueba de quienes pudieran

emplear la propuesta de prototipo realizada.

La descomposición de cada fase y sus principales puntos son los siguientes

2.5.1.1 Fase I investigación del mundo real

Conocimiento de la problemática

Reducción de la problemática mediante la focalización del área donde podemos

atacar el problema

Selección del objeto de estudio

Conocimiento de las partes del objeto de estudio

Selección de las áreas en donde se pueden hacer mejoras o aportes mediante las los

conocimientos teórico- práctico, propios y de los actores que viven la problemática.

Investigación de los aportes actuales y métodos que se han utilizado para la solución

del problema

2.5.1.2 Fase II investigación sujeto-investigador

Apertura a la visión sistémica

Análisis FODA personal

Mejora del individuo mediante al autoconocimiento



2.5.1.3 Fase III investigación experimental

Para poder cumplir con el objetivo general se realiza el desglose en diferentes montajes

experimentales y trabajos por medio de implementaciones particulares, partiendo desde la

idea básica del funcionamiento del prototipo hasta su implementación y construcción

integral la cual se ve reflejada en la Figura 2.6.

Cada módulo del prototipo y su evolución constituye la realización de montajes

experimentales (experimentaciones e implementaciones en software y hardware) que nos

permitan construir el prototipo de manera integral; para ello cada montaje experimental

tiene una pregunta de investigación en base a una hipótesis que nos permite evolucionar en

el cumplimiento de los objetivos particulares, todo en un ciclo de evolución continua y

retroalimentada tanto del conocimiento como del software y hardware desarrollado.

Figura 2.6 Proceso evolutivo del prototipo (Elaboración propia, 2015)

Para cada montaje experimental se tiene la siguiente metodología para su desarrollo,

basados en la metodología de Jenkins (1972) para la ingeniería de sistemas, se divide en

cuatro etapas: análisis, diseño, implementación, pruebas y resultados las cuales se pueden

ver en el diagrama de flujo de la Figura 2.7.



Figura 2.7 Diagrama de flujo de las cuatro etapas para los montajes experimentales

(Elaboración propia adaptada de la metodología de Jenkins, 1972).

2.5.1.3.1 Etapa I Análisis

Aquí se definen los dispositivos, herramientas, procedimientos, posibilidades técnicas ya

sea de software y/o hardware por medio del cual se pueda efectuar el montaje y poder

realizar la experimentación, identificando las características, las especificaciones de usos y

las necesidades generales para cubrir el objetivo.

Para definir la implementación se efectúa un proceso de depuración de la información

obtenida con anterioridad para evitar incongruencias, incompatibilidades o duplicidad. Una

vez realizado esto, se definen los materiales y métodos específicos que se necesitan para la

propuesta de solución de la pregunta de investigación, empleando diagramas de flujo

esquemas o demás herramientas para el entendimiento grafico de las soluciones propuestas.

2.5.1.3.2 Etapa II Diseño

Puede existir diseño solamente de software o hardware o la combinación de ambos en cada

montaje experimental

En el caso de hardware de describe cada bloque con los componentes físicos reales que se

eligieron con anterioridad; respecto al software, se describe la herramienta computacional

Análisis

Diseño

Implementación Pruebas y

resultados



que se eligió como medio se desarrolló para el diseño. Para el caso de la combinación del

hardware y software se describe la homogenización de ambas (la intercomunicación).

2.5.1.3.3 Etapa III Implementación

Se realiza la construcción física del módulo o módulos de hardware y la implementación

de software en la IDE de diseño, realizando ajustes y pruebas pertinentes para su

funcionamiento.

2.5.1.3.4 Etapa IV Pruebas y resultados

Se realizan las pruebas pertinentes en un entorno real describiendo y capturando los

resultados obtenidos para cada módulo.

Prototipo final

Para la construcción del prototipo final, la materialización del objetivo general, se han de

integrar los diferentes módulos, y debido a que cada implementación de los montajes

experimentales ha aportado conocimiento y experiencia, en la integración final se realizan

los ajuntes finales para que permitan cumplir con las características definidas en el modelo

general del prototipo y así poder tener el producto terminado, no obstante este queda

abierto a la evolución y mejora continua permitiendo conseguir la innovación en el mismo.

2.5.1.4 Fase IV Evaluación

Se realiza la evaluación en el mundo real, efectuando comparaciones y evaluaciones por

parte de los actores que viven la problemática, se realiza propuestas de las posibles

implementaciones. Se permite recibir las discusiones acerca del prototipo y las posibles

mejoras a realizar.

En este capítulo, se presentaron los aspectos del marco teórico y metodológico, que

permiten integrar los principales conceptos utilizados en este trabajo de tesis además de

una revisión detallada de la metodología que se utilizó para la realización tanto de la fase

experimental como del prototipo en general.

Capítulo 3. Aplicación de la metodología


3. APLICACIÓN DE LA

METODOLOGÍA



El presente capítulo aborda el desarrollo de las fases de la aplicación de la metodología,

primeramente hay que identificar las necesidades existentes de la vida real bajo una visión

general de estos puntos se parte hacia una focalización del problema para poder aportar

todas la habilidades características y fortalezas disponibles en uno mismo y poder plantear

la solución al problema el cual pretendemos resolver, así mismo se hace la realización de la

actividad de trabajo experimental y las respectivas evaluaciones de los montajes

experimentales propuestos.

3.1 Investigación del mundo real

3.1.1 Conocimiento de la problemática

A la humanidad le aquejan distintas problemáticas de distinta índole, ya sea social,

económico, político, o tecnológico. Estos problemas son de carácter multifactorial, es decir

la resolución de estos requiere de la participación de múltiples disciplinas, donde se tome

en cuenta el impacto y la aportación de todas ellas. En México, uno de los principales

problemas es de carácter de desarrollo tecnológico y avance científico. Como se señala en

el capítulo del contexto de la investigación, se aprecia mediante las estadísticas que la

producción de patentes de índole tecnológica de los últimos años no es competitiva

respecto a las naciones que si lo tienen, ya que esto se ve reflejado en otros aspectos como

el desarrollo social y económico.

El conocimiento de las propiedades de nuestro entorno nos permite poder utilizar los

recursos del medio ambiente con un mejor aprovechamiento, potencializar los recursos que

ya existen o descubrir nuevas propiedades y usos que se pueden aprovechar.

3.1.2 Problemática-Focalización.

Respectivamente dentro de las áreas de menor desarrollo de tecnología en México está la

fabricación de instrumentación electrónica; donde la aplicación en la investigación se ve

limitada como en el área de la física, debido a que los equipos utilizados son de

accesibilidad limitada, tanto en costo como en movilidad y esto no permite el desarrollo de

manera fluida, y no permite ser un medio de conocimiento tanto del área de investigación

así como del conjunto de relaciones que conlleva un objeto de investigación.



3.1.3 Selección del objeto de estudio

Dentro de la variedad de instrumentos de medición que permiten obtener propiedades de

los materiales se encuentran los llamados espectroscopios como se mencionó en el capítulo

fundamentos y contexto de la investigación, existen diferentes tipos de ellos, sin embargo

para la realización del presente trabajo se tomó como marco principal la utilización de la

técnica fotoacústica para la implementación de la misma, ya que por todas las

características que cuenta resulta viable para la implementación en la construcción de un

prototipo.

3.1.3.1 Conocimiento de las partes del objeto de estudio

En la instrumentación convencional utilizada en los laboratorios de investigación como es

el caso del CINVESTAV, existen configuraciones distintas dependiendo del objetivo de

estudio. En general, un equipo de espectroscopia fotoacústica está constituido por una

fuente de radiación, ya sea monocromática, como lo es un láser o fuentes de espectro

continuo, como lo son las lámparas de Xenón, un modulador electromecánico (chopper)

que permite variar la intensidad de la fuente de manera oscilatoria, una celda que es

finalmente el contenedor que va a permitir que no se disperse o pierda la señal fotoacustica

proveniente de la muestra, un amplificador lock-in que permite obtener la señal que genera

el transductor (micrófono) y poderla enviar a un equipo de cómputo para su captura,

procesamiento y visualización. Cada uno de estos elementos se encuentra en la Figura 3.1.

Cada uno de ellos se encuentra interconectado con los demás dispositivos en un medio de

retroalimentación y control, por medio de la combinación de hardware y software.



Figura 3.1 Instrumentación convencional de Espectroscopia Fotoacústica (Elaboración

propia, 2015)

Existen algunos aportes o soluciones que se han llevado a cabo para la solución del

problema descrito, dentro de los cuales se encuentra un sistema de medición fotoacústico

portable desarrollado para sólidos (Mihailo, 2009), el cual consiste en la utilización de la

PC como medio de procesamiento para la señal de audio, donde el aparato para el

acoplamiento de amplificación es usado tanto para la amplificación de la señal de entrada

como para la amplificación de la señal de salida de la PC en la cual tiene la tarea de

generador y captador de las señales a utilizar. En él se plantea el uso de un diodo laser o la

implementación de LED pero de baja intensidad y el uso del dispositivo solamente para

sólidos.



3.1.3.2 Selección de las áreas para el aporte

Las tecnologías más modernas y actuales en el contexto de las fuentes luminosas son los

LED con un gran potencial debido a sus altas eficiencias bajo consumo y precios

competitivos, podrían emplearse como sustitución o alternativa a las fuentes naturalmente

usadas como la lámpara de Xenón o las fuentes laser, ya que estas son grandes costosas en

comparación con estos dispositivos pequeños y accesibles. Además estos pueden ser

modulados de manera digital por medio de un modulador digital como lo sería un micro

controlador que de igual manera existen en el mercado dispositivos de este tipo a bajo costo

y con posibilidades de intercomunicación como la PC, otro componente esencial y

precisamente el de alto costo en comparación con los componentes complementarios en es

amplificador lock –in que podría sustituirse con software y hardware alternativo y de uso

comercial , finalmente las celdas en las cuales de deposita las muestras son relativamente

pequeñas en comparación con materiales de estudio en estado natural, por lo que se

pretende que podría incrementarse el volumen y tener la posibilidad de su utilización en

muestras en estado líquido, ya que este tipo de muestras difícilmente la pueden utilizar en

este tipo de técnica y más aún cuando se pretende utilizar algún tipo de líquido inflamable

como combustibles.

Para ello los requerimientos y características del prototipo que se pretenden satisfacer son:

• Portátil

• Facilidad de uso

• Robusto

• Accesible

• Vida útil

• Factibilidad

• Costo- beneficio



3.2 Fase II investigación Sujeto-investigador

Apertura a la visión sistémica

Según Nicolescu Basarab, la transdisciplinariedad puede hacer importantes contribuciones

al advenimiento de un nuevo tipo de educación que se refiere a la totalidad abierta del ser

humano y no solo a uno de sus componentes, que da énfasis a cuatro pilares aprender a

conocer, aprender a hacer, aprender a vivir juntos y aprender a ser

3.2.1 Análisis FODA personal

El autoconocimiento es importante para destacar en qué puede aportar a la investigación,

con que herramientas se cuentan (conocimiento de la ciencias, de la tecnología, del

entorno), qué actitudes y aptitudes se tienen, cuáles se pueden desarrollar y cuales se

pueden mejorar o nivelar.

Figura 3.2 FODA sujeto investigador (Elaboración propia, 2015)

Una vez hecho este análisis se puede distinguir cómo se podría mejorar como individuo,

mediante precisamente tomar y fortalecer lo que nos hace fuerte y nivelar o a contrarrestar

las debilidades, por medio del progreso continuo y apertura al conocimiento buscando una



perspectiva sistémica, y poder así contribuir a resolver el problema planteado tanto de

manera técnica como de manera humana.

3.3 Fase III Investigación experimental

Partiendo del objetivo que se planteó, realizar un sistema móvil para la caracterización de

materiales, en base al principio de una técnica de análisis como lo es la técnica de

espectroscopia fotoacústica, esto conlleva consigo que la instrumentación actual no

satisface estos requerimientos, ya sea en accesibilidad así como en los costos y

dimensiones.

Típicamente la instrumentación utilizada para el desarrollo de la técnica fotoacústica es la

siguiente:

Figura 3.3 Instrumentación típica utilizada de EFA (Elaboración propia, 2013).

Como primer planteamiento es comprobar si efectivamente los LED de potencia pueden

utilizarse como fuente de radiación en la implementación de la técnica Fotoacústica, para

ello se realizó el montaje experimental siguiente.



3.3.1 Montaje experimental 1

Pregunta de investigación

¿Es posible utilizar la luz que emite los LED de potencia como fuente de radiación para la

EFA?

Objetivo: implementar LED de potencia de diferentes rangos de longitud de onda con

materiales y equipo de uso convencional.

Hipótesis: la luz proveniente de diodos LED de potencia provoca cambios térmicos en un

material de prueba.

3.3.1.1 Etapa I análisis:

La implementación del uso de LED de potencia, requiere primero de su adquisición.

Existen un variedad de dispositivos LED de potencia en el mercado mexicano, para lo cual

los LED con las mayores potencias que se pudo encontrar de manera comercial en colores

distintos (longitudes de onda distinta) fueron los de 1, 3 y 5 watts de disipación sin

embargo, con la posibilidad de poder contar con tres diferentes dispositivos LED en tres

rangos de longitud de onda respectivamente, de la mayor potencia (mayor intensidad

luminosa y con ello mayor potencia de radiación que conlleva a una señal FA posiblemente

mayor) se optó por los de 5W. Se destaca que se está por encima de las potencia de láser

que están en el orden de miliwatts.

Estos tipos de LED cuentan con un ángulo de dispersión de la luz de aproximadamente

120°, por ello se requirió focalizar el haz de luz proveniente por medio de un complemento

de que son los lentes focalizadores, de igual manera existen diferentes modelos como lo son

de 60-120, 40, 30,10 y 5°, entre otros; es por ello que se eligió el lente que permitiera la

mayor focalización en este caso de manera comercial, se adquirieron lentes con una

focalización de 5°. Como en este primer montaje se pretendió saber si efectivamente la luz

generada por LED generaba alguna señal por medio de un micrófono de electreto (por su

bajo precio y prestaciones técnica se utiliza de manera general en la instrumentación

empleada en la técnica fotoacústica tanto para la captura de la señal acústica como para la

generación por medio de una computadora se optó por la utilización de software gratuito

llamado Audacity por su fácil uso y adquisición al igual que para la parte de captura y

muestra en pantalla de la señal se utilizó el software Soundcard osciloscope versión 1.41,



por su facilidad de utilización además de que permite visualizar como si fuera un

osciloscopio real la entrada de la señal del micrófono de la computadora, en este caso para

apreciar la respuesta en el tiempo. Para poder emplear de la manera más práctica y sencilla

se planteó la utilización de papel de aluminio pintado como muestra a irradiar, debido a que

adsorbe el calor por ser un cuerpo negro, debido a la potencia que manejan estos

dispositivos. Se planteó utilizar un amplificador de audio para poder incrementar la

corriente y voltaje de salida de la computadora y así poder alcanzar los parámetros de

alimentación de los LED.

Materiales:

Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P3B3440560 de 5W, encapsulado epoxico transparente de

5mm, emite luz azul a 460-470 nm.

Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P03G64405240 de 5W, encapsulado epóxico transparente

de 5mm, emite luz verde a 520-530 nm.

Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P03R14405120 de 5W, encapsulado epoxico transparente

de 5mm, emite luz roja 620-630 nm.

Lentes Ópticos para LED de potencia BK-DB034 a 5°

Amplificador de audio de 50 W de potencia

Software Audacity revisión al marzo 2014

Software Soundcard osciloscope 1.41

Disipadores de aluminio

Papel de aluminio

Micro-Micrófono de electreto de 6mm de diámetro con una apertura de 1mm de diámetro y

resistencia de 750 Ω

Batería 12 v 1.2A

Materiales diversos(cables, resistencias, protoboard, conectores)

3.3.1.2 Etapa II Diseño

El montaje experimental de los diferentes componentes requiere del acoplamiento e

interconexión que se ve en el diagrama de la Figura 3.4. Donde cada uno de los

componentes se tiene que adaptar de tal manera que permita la realización de toma y

captura de señal y dar respuesta a la pregunta de investigación y comprobar la hipótesis

planteada.



Figura 3.4 Diagrama de diseño del montaje experimental 1 (Elaboración propia, 2015)

3.3.1.3 Etapa III Implementación

Los LED al ser de las potencias utilizadas se les acopló disipadores de calor para que no se

sobrecalentaran y degradaran sus propiedades, al papel de aluminio se recortó de forma que

quedara justo del mismo diámetro de la apertura del micrófono, se le añadió pegamento de

contacto, en una mínima cantidad para que no se escapara el sonido y sellara el papel de

aluminio con el mismo micrófono se colocaron en forma frontal dos lentes pegados uno

con el otro, para que la luz generada se focalizara sobre la muestra de papel de aluminio,

para la alimentación de los LED se utilizaron resistencias para el control de corriente por

las cuales se alimentan los LED, se instalaron y ejecutaron los programas para la salida y

captura de audio, de los cuales se probaron su funcionamiento y capacidades que pudieran

servir en la obtención de la señal de audio; la implementación e integración de los

componentes y dispositivos se describe en la Figura 3.5.



Figura 3.5 Implementación del montaje experimental 1 (Elaboración propia, 2015)

3.3.1.4 Etapa IV Pruebas y resultados

Para poder probar si efectivamente la luz proveniente de los LED de potencia para este

montaje experimental, por medio del software Audacity se generaron señales de audio a

una frecuencia de 17 Hz que es donde se reporta que el micrófono de tipo electreto tiene

una respuesta pico; esta señal salió por la salida de altavoces de la PC y posteriormente fue

amplificada mediante el amplificador de potencia conectado de manera independiente a

cada LED. De igual manera el micrófono de electreto, que funciona como una cámara

fotoacústica cerrada fue conectada a la entrada de micrófono de la PC en donde la señal

resultante es observada en función del tiempo y la amplitud por medio del el software

Soundcard ocisloscope. Este procedimiento se implementó para los tres colores dando

como resultado la captura de señal de audio, donde a pesar de tener el ruido ambiente y no

estar totalmente controlados los parámetros eléctricos, se muestra que existió una respuesta

distinta para cada color (longitud de onda), donde el LED de color azul mostró una mayor



amplitud en función del tiempo, al igual que cuando no se suministraba la radiación no se

tenía respuesta coherente con alguna función continua sino simplemente ruido.

Las señales en función del tiempo a los 17 Hz que fue modulada la fuente, en este caso con

una forma sinodal, se aprecian en las capturas de pantalla mostradas en la Figura 3.6.

Figura 3.6 Resultado de la aplicación del montaje experimental 1 (Elaboración propia,

2015)

Con esto se determina que la luz LED de potencia efectivamente provocan el calentamiento

de manera superficial en la muestra de forma modulada que responde al principio de la

técnica fotoacústica expresada como señal de audio.


Con los resultados obtenidos con el montaje anterior de la experimentación se tiene en

cuenta que la luz proveniente de los LED de potencia puede ser utilizable en la aplicación

de la técnica de espectroscopia fotoacústica, debido a que refleja una respuesta en la señal

del micrófono, ahora bien, siguiendo en el proceso evolutivo hacia el prototipo final, parte

del planteamiento principal del prototipo final es la aplicación en la utilización en líquidos,



en un volumen considerablemente mayor a los actuales para emplear muestras mayores.

Además, por ejemplo celdas utilizadas en EFA en el Departamento de Física del

CINVESTAV son de alrededor de 7 mm de profundidad por 3.5 mm de diámetro o hasta 15

mm de profundidad por 8 mm de diámetro por lo que se plantea lo siguiente:

Pregunta de investigación: ¿con que materiales de uso comercial se podrá implementar una

celda?

Objetivo: Desarrollar una celda fotoacústica a partir de materiales alternativo (pieza

mecánica de automóvil) reciclados y convencionales.

Hipótesis: Se puede detectar señal fotoacústica empleando material alternativo para la

construcción de una celda; así como capturar la señal mediante PC.

3.3.2.1 Etapa I Análisis

Lo que se buscó en este momento fueron materiales que pudieran servir para incorporar la

estructura de una celda, que permitiera poder incorporar algún tipo de depósito o

contenedor para la muestra liquida y así obtener algún tipo de comportamiento o señal.

Se buscaron materiales con formas similares a las especificaciones de una celda, para ello

de manera comercial se pudo encontrar un dispositivo prefabricado en forma de celda en

base a un dispositivo automovilístico, en este caso lo que fue parte de un sistema de

frenado, en particular la pieza de cilindro de frenado, que cumplió con las características de

forma general para su utilización como una posible implementación de celda; de igual

manera y como se planteó desde la concepción del prototipo final, se tenía en cuenta la

utilización de un solo programa de software para la generación y captura de la señal. En el

caso de software existen diferentes alternativas de herramientas de procesamiento de

información y adquisición de datos, con lenguajes de alto nivel, y plataformas de software

como Labview, Mathematica, Maple, Visual Basic, aunque se eligió MATLAB por ser un

software con un lenguaje de alto nivel y un entorno interactivo para el cálculo numérico, la

visualización y la programación a través de su IDE. Además de la experiencia previa con

ese software.



Se planteó la necesidad de igual manera de otra fuente de alimentación para la alimentación

de los LED, debido a que en el montaje anterior, el montaje 1, el amplificador de audio no

cumplía con las características eléctricas y de respuesta que pudiera dar efectividad al

prototipo final, de esta manera se planteó la utilización de tecnología alternativa para ello se

planteó la implementación de un microcontrolador que permitiera controlar de manera

digital los procesos, y la intercomunicación con la PC que es necesaria para la transferencia

de órdenes y tareas, de igual forma existen diversas plataformas de software/ hardware. Se

eligió Arduino porque es una plataforma que resulta rápida de programar en lenguaje C y es

un conjunto prefabricado para su utilización directa en proyectos de electrónica.

Después de una evaluación de características técnicas, los materiales a emplear para este

montaje experimental fueron los siguientes:



Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P03G64405240 de 5W, encapsulado epoxico transparente



de 5mm, emite luz roja 620-630 nm.

Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P03Y24405120 de 5W, encapsulado epoxico transparente

de 5mm, emite luz amarilla 585-595 nm.

Lente Óptico para LED de potencia BK-DB034 a 5°

Software Arduino

Software Matlab R2013a


Microcontrolador Arduino Leonardo

Micro-Micrófono de electreto de 9 mm de diámetro con una apertura de 3 mm de diámetro y

resistencia de 1150 Ω

Fuente de alimentación 9V- 1.5A

Materiales diversos (cables, resistencias, protoboard, transistores TIP 41, conectores, etc.)

Tubos de ensaye marca KIMAX de 17 mm x 150 mm

Cilindro de freno no. de parte 30591-SA7A




Para poder implementar la interconexión entre software y hardware primeramente se creó

un programa para capturar la señal de audio proveniente del micrófono adaptado al

componente mecánico que fungió como celda FA, de igual manera se creó un programa

para el microcontrolador para comunicarse con el programa realizado en MATLAB. A su

vez se realizó un depósito para la muestra liquida, éste se creó a base del

acondicionamiento de un tubo de ensayo esto permitió ser utilizado dentro de la celda FA.

El diseño general de este montaje experimental se ve en la Figura 3.7.



Para poder utilizar los LED de potencia se utilizó un acoplamiento electrónico con

transistores TIP 41C como controladores de potencia en conjunto con resistencias

controladoras de corriente acopladas a una salida del microcontrolador que se programó

para que generara una señal de salida de 1 a 100 Hz que se activa cuando el programa de

MATLAB inicia. El programa captura la señal de audio que detecta el micrófono acoplado

a la celda, esta celda para poder utilizar muestras liquidas se hizo el corte de un tubo de

ensayo en la celda para que se adaptara a las medidas internas del cilindro, mismo que fue



sellado por medio de una tapa hecha de aluminio y goma que es parte del componente

original del funcionamiento del cilindro de freno utilizado. Todo el montaje de la celda se

colocó sobre un soporte metálico para que permaneciera de manera vertical la muestra

liquida y no se derramara, en relación a la incorporación de los LED hacia la celda, se hizo

mediante un lente óptico de 5°, que fue recortado para que estuviera en la parte superior

del cilindro y de esta manera pudiera radiar de manera directa sobre la muestra. Este lente

fue pegado con pegamento de contacto para evitar fugas, lo que hace que los LED sean

intercambiados y ajustados al lente. Para cada prueba que se produjo el montaje por paso se

muestra en la Figura 3.8.

Figura 3.8 Implementación del montaje experimental 2 en hardware (Elaboración propia,

2015)

Para comprobar la respuesta a la luz LED en cada fuente se realizó la siguiente conexión,

primero se montó el respectivo LED a excitar, se procedió a ejecutar el programa de la



captura de audio donde previamente este mismo programa activa al microcontrolador que

genera un corrimiento de frecuencias de 1 a 100 Hz. Por otra parte el deposito fue llenado

con 1 mililitro de tinta negra indeleble ya que se requería comprobar si efectivamente en

este tipo de celda, con la implementación empleada, existía algún tipo de señal de audio

que proviniera de la radiación a la muestra, en especial tinta negra porque los cuerpos

negros absorben más la luz, esto puede permitir una mayor estimulación y por lo tanto

mayor intensidad en la generación de señal FA. El montaje para la toma de señal a través

del software se muestra en la Figura 3.9.

Figura 3.9 Implementación del montaje experimental 2 en software (Elaboración propia,

2015)

El procedimiento de intercambio del LED y captura de la señal de audio se realizó para los

cuatro dispositivos LED.


Una vez implementado el montaje, se realizó la captura y comparación de las señales de

audio generadas en función de la amplitud en micro volts, contra el tiempo, para ser

comparadas, en este caso solo se tomó en cuenta la forma de la señal de salida en función

del número de muestra (se puede interpretar como una función logarítmica),

respectivamente, en la parte central de la gráfica se representan las frecuencias



correspondientes y cercanas entre 15-20 Hz. Los resultados se muestran en la Figura 3.10,

donde se tomó las señales de respuesta con el depósito vacío y la Figura 3.11 con la

muestra líquida de tinta.

Figura 3.10 Señales de audio obtenidas sin tinta (Elaboración propia, 2015)

Figura 3.11 Señales de audio obtenidas con tinta (Elaboración propia, 2015)

Lo que se observa es que cuando el depósito de la muestra está vacío, existe señal,

atribuyéndose a la reflexión de la luz dentro de la celda y a la propia interacción de la

estructura de la celda, sin embargo, al aplicar el mismo procedimiento de captura de la

señal para los cuatro diodos emisores de luz, se tiene que la respuesta está más definida que

cuando no se tenía muestra. Existe un incremento en el valor de las señales obtenidas donde



en particular la señal correspondiente a la interacción de la luz azul con la muestra es en la

que se tiene mayor valor.

Es decir, que se obtiene una señal proveniente de la muestra a partir de las fuentes de luz

LED en un rango de modulación de entre 1- 100 Hz, para los cuatro rangos de longitud de

onda propuestos.

3.3.3 Montaje Experimental 3

A partir de los resultados anteriores del montaje experimental se obtuvo que existe por lo

menos una pequeña señal que pertenece a la radiación de la luz LED, hacia la muestra

líquida, sin embargo el material y la configuración no resulta completamente satisfactorio

en cuanto a su uso, ya que es un material poroso y con posibilidades de generar

perturbaciones a la señal. Aunado a esto se requiere usarlo de manera específica en el

prototipo final y se plantean mejoras en cuanto a su diseño, para ello se plantea lo

siguiente.

Pregunta de investigación: ¿Se puede construir una nueva celda en base a la anterior con

nuevas características y materiales?

Objetivo: Analizar, diseñar y construir una celda fotoacústica y comprobar su respuesta

con instrumentación convencional

Hipótesis: La incorporación de mejoras en material de fabricación y componentes de la

celda pueden ofrecer una mejor alternativa para la adquisición de datos

3.3.3.1 Etapa I. Análisis

Los materiales con los que se fabrican normalmente las celdas son el latón y el aluminio, se

optó por el aluminio por su facilidad de adquisición en cuanto a disponibilidad y precio.

Para el diseño de la nueva celda se parte del modelo de celda previamente utilizado las

dimensiones internas con las mismas proporciones, para que la nueva celda tenga previsto

un comportamiento similar, para ello se requirió un software de diseño, por lo que se optó

por la plataforma Autodesk Inventor, por la practicidad en su implementación, para obtener

el nuevo modelo. De igual forma hasta los montajes anteriores no hubo una respuesta clara

en cuanto a la señal contra la longitud de onda y la frecuencia de modulación, por lo que se



optó primeramente por utilizar la instrumentación de captura convencional, es decir, el

amplificador lock-in y la interfaz con la computadora utilizadas. Para ello, teniendo en

cuenta el apoyo del Laboratorio de Técnicas Fototérmicas del CINVESTAV, con una

fuente de luz láser, un amplificador lock- in y el programa de control para la utilización de

dichos dispositivos a través de una PC de escritorio. De igual manera se contó con el

Laboratorio de Equipos Pesados de la ESIME Zacatenco para la maquinación de la pieza

principal de la celda. Enseguida se enlistan los materiales y equipos que se utilizaron.

Software Autodesk Inventor 2015

Amplificador Lock-in SR 850

Modulador Chopper

Espejos diversos

Programa de interfaz desarrollado en Labview

Micro-Micrófono de electreto

Torno paralelo.

Taladros

Materiales diversos (cables, conectores, tornillos, etc.)

Herramientas diversas (taladros de banco, Dremel, brocas, herramientas de corte, machuelos, pinzas,

etc.)

Computadora personal


La fabricación de la celda y su implementación conlleva la maquinación de la pieza, por lo

que se tiene primeramente el desarrollo del modelo virtual, para su posterior maquinación

física. Una vez construida esta parte se complementa con los soportes y piezas necesarias

para el depósito de la muestra que fue ajustada respecto a la implementación del montaje

anterior. La forma en que se planteó la construcción y desarrollo del nuevo montaje se

describe de manera gráfica en la Figura 3.12.



Figura 3.12 Diagrama de diseño de montaje experimental 3 (Elaboración propia, 2015)


Se desarrolló un modelo en CAD por medio del software Autodesk Inventor de la celda

fotoacústica ver Anexo B , para su posterior maquinación, esto en una barra sólida de

aluminio comercial, a través de un torno proporcionado por el Laboratorio de Equipos

Pesados de la ESIME; se efectuó el proceso de maquinado de la parte interna de la celda, la

tapa posterior que es la base y parte de la celda se maquinó mediante taladro de banco y con

herramientas de uso manual, el recorte y ajuste del depósito para la muestra se realizó con

herramienta comercial convencional. Una vez fabricadas las piezas, se integró de tal forma

que se incorporó una base metálica redonda como soporte aislada mediante espuma de

poliuretano, se le integró la parte de la celda principal a la parte inferior que soporta a la

muestra mediante dos tornillos que sirven como guía y dos tornillos más que permiten unir

los dos componentes principales para que permanezca hermético en la parte inferior de la

celda completa con un sello de goma; para la adaptación de la celda a la instrumentación

del laboratorio primero se incorporó la muestra que por uso convencional al momento de



calibrar se utiliza es grafito, que de igual forma se utilizó en la implementación y de

terminación de la señal FA para este montaje. Se implementó el láser focalizándolo a la

muestra de grafito depositada en el contenedor en el cual, por la parte superior de la celda,

se puso un vidrio de cuarzo que permite el paso de la luz láser, sellado mediante grasa de

vació para generar un sellado hermético total. Se dejó ejecutar el programa proporcionado,

para la interconexión se utilizó un preamplificador adicional al amplificador lock-in para

aumentar la señal proveniente del micrófono. El proceso de desarrollo y la implantación

de la nueva celda se puede observar en la Figura 3.14.





La ejecución del programa para el control de la instrumentación del montaje del laboratorio

se configuró para que el amplificador lock-in permitiera controlar el láser, y poderlo

modulándolo en un rango de frecuencias de 1 a 80 Hz. De tal manera que se capture la

señal proveniente del micrófono a partir de la excitación de la muestra, requiriendo un

preamplificador adicional para poder capturar la señal, se obtuvo una respuesta apreciable a

través de la gráfica de señal en mili volts contra frecuencia que se muestra en la Figura

3.14, Se aprecia que esta nueva implementación de celda y el nuevo material utilizado

junto con el tamaño volumétrico mucho mayor que las celdas convencionales permite

obtener respuesta al laser y el grafito, por lo que se puede aprovechar para poder incorporar

otro tipo de muestras.

Figura 3.14 Respuesta de la muestra a la excitación con luz láser (Foto tomada, 2015)


A partir de la implementación del montaje experimental anterior y teniendo en cuenta que

la celda construida con las mejoras permitió obtener señal, se procedió a implementar el

uso de LED de potencia como fuente de excitación para la muestra, entonces se planteó lo

siguiente:



Pregunta de investigación: ¿La nueva celda implementada, mediante la instrumentación

convencional dará algún tipo de señal eléctrica, empleando para la captura instrumentación

de laboratorio a través de la radiación con luz LED?

Objetivo: Mejorar el sellado y la estructura de la celda, acoplar las señales del controlador

de potencia de los LED para su adaptación a la instrumentación convencional; obtener la

respuesta de audio.

Hipótesis: Una vez acoplada la fuente de control junto con el amplificador lock-in, debe de

haber respuestas de señal a los diferentes rangos de longitudes de onda de los LED.

3.3.4.1 Etapa I Análisis

Con base en los montajes experimentales anteriores, (la celda del montaje fabricada a partir

del nuevo material a base de aluminio con toda su estructura de implementación permite

obtener señal de audio a través del micrófono), se adaptaron los componentes de la fuente

de luz proveniente de los LED utilizados con anterioridad. Para ello se plantearon mejoras a

los controladores de potencia de los LED, que en el caso de los montajes experimentales 1

y 2 no son eficientes en cuanto disipación de potencia ni estabilidad de salida de potencia ni

respecto al calentamiento de los componentes, es por ello que para esta nueva

implementación se requirió el uso de dispositivos capaces de controlar de manera más

eficiente la potencia que se le entrega a los LED. Para eso se propone el uso de dispositivos

de control de potencia mediante transistores MOSFET los cuales contaron con

características eléctricas suficientes para satisfacer los requerimientos de control, al igual

que su adaptación para poderla utilizar y ser controlarla por el amplificador lock-in y

obtener la señal de acuerdo a la instrumentación convencional de captura de la señal. En

tanto que la fuente de radiación es la propuesta mediante fuentes de luz LED, por lo cual se

consideraron los siguientes elementos dispositivos y materiales para su implementación y

montaje:





Diodo emisor de luz de alta potencia GT-P03G64405240 de 5W, encapsulado epoxico transparente



de 5mm, emite luz roja a 620-630 nm.

Diodo, emisor de luz de alta potencia GT-P03Y24405120 de 5W, encapsulado epoxico transparente

de 5mm emite luz amarilla a 585-595 nm.


Lente Óptico para LED de potencia BK-LED 2015Y a 10°

Materiales diversos (cables, resistencias, protoboard, transistores MOSFET, conectores, fuente de

alimentación, etc)

Celda de aluminio del montaje experimental 3 (en conjunto con su depósito, micrófono soporte y

demás componentes para su uso)

Amplificador Lock-in SR 850

Modulador Chopper

Programa de interfaz desarrollado en Labview

Computadora personal


La integración de los componentes que se implementaron de manera independiente en los

montajes experimentales anteriores, es decir la nueva celda y la implementación de los

LED de potencia, se propuso volver a fijar el uso de controladores de potencia nuevos que

se pudieran adaptar mediante conexión de manera directa, a la instrumentación

convencional siendo el conjunto de equipos: amplificador lock-in al igual que el programa

de control para la modulación y captura de la señal de excitación y la señal de respuesta de

la muestra que de igual forma se propone el uso de grafito como muestra a excitar. El

montaje e integración propuesta de acuerdo a la implementación mejorada, se puede

observar en la Figura 3.15. Se pretendió usar conexión de tipo logia de TTL ya que el ALI

contaba con una conexión de este tipo para interfaces externas.




3.3.4.3 Etapa II Implementación

Primeramente se desarrollaron los circuitos controladores de potencia en placas fenólicas

pre-perforadas, cada LED estaba controlado de manera independiente con un arreglo de

transistores que controlaron la potencia; se incorporó un nuevo soporte, ya que el

anteriormente utilizado, desprendía residuos de la espuma aislante, se implementó una

estructura completamente echa de aluminio, la conexión de los controladores se conectó a

la referencia TTL del ALI esta permitió sincronizar el dispositivo con entrada TTL, la

conexiones se hicieron de manera independiente entre cada LED debido a que el ALI solo

cuenta con una salida de referencia de este tipo, se hizo la ejecución del programa de

control y captura de la señal a través del amplificador, lock-in previamente pasando la señal

por un preamplificador, el programa proporcionado por el laboratorio se configuro y se

establecieron los parámetros de ejecución, para que se generara una señal de referencia con

frecuencia de 1 a 80 Hz en pasos de 5 Hz, para cada LED y se guardaron en un archivo

―.dat‖, por lo que se tuvo que montar y desmontar cada uno de los cuatro LED; dejando la

muestra y la celda sin alteraciones. El proceso se observa en la Figura 3.16.





De la implementación y montaje, se tuvieron que hacer modificaciones al momento para

poder adaptar los dispositivos, el ALI y la etapa de potencia, la cual generaba fallas, sin

embargo en los momentos que trabajaba de manera correcta y realizando el corrimiento en

frecuencia para los cuatro LED, se consiguió obtener las siguientes respuestas donde de

acuerdo al tipo de LED (es decir al rango de longitud de onda la muestra que era

igualmente que en el montaje anterior, polvo de grafito) mostró un comportamiento

esperado, ya que, teniendo en cuenta que se está utilizando para la captura de la señal los

equipos de laboratorio, en comparación, cuando se utilizó solamente la respuesta de audio

en función del tiempo a través de la computadora del montaje experimental 2, ahora se tuvo

una reducción de los agentes externos como el ruido ambiente, que pudieran modificar la

interpretación de la señal. La Figura 3.17 muestra la comparativa de la respuesta de los



cuatros LED, correspondiendo nuevamente, la mayor amplitud estuvo en el rango de luz

Azul y la menor nuevamente correspondió en el rango de luz amarilla, igualmente, además

de que las fases de respuesta en que se capturo la señal eran estables, por lo que se entiende

que se tiene que existía un sellado que impidió la salida de aire y por lo tanto perdida de

señales; se puede decir que corresponde al comportamiento esperado: que a pesar de que la

celda propuesta tiene características técnicas limitadas fueron suficientes como para poder

ser utilizada en la obtención de la señal FA de una muestra sólida en este caso de prueba

fue mediante el empleo de polvo de grafito.

Figura 3.17 Respuesta de señal FA a los cuatro diferentes LED mediante instrumentación

convencional (Elaboración propia, 2015).

0

5

10

15

20

25

5 15 20 30 40 50 60 70 80

Señ

al (

Mili

vo

lt)

Frecuencia (Hz)

LED Verde

LED Rojo

LED Amarillo

LED Azul



3.3.5 Montaje experimental 5 Prototipo funcional

Pregunta de investigación

¿Es posible substituir los componentes convencionales de la instrumentación utilizada en

EFA como es el caso del Amplificador Lock-in y automatizar todo el proceso de toma de

señales?

Objetivo: implementar los componentes utilizados en el montaje experimental 4, celda y

LED´s de potencia, y realizar un prototipo automatizado completo para la obtención de

señal FA.

Hipótesis: es posible emular el proceso de amplificación del ALI mediante software e

implementar un prototipo completo para la captura de señales FA con materiales y equipo

de uso comercial.

3.3.5.1 Etapa I análisis

Lo que se quería sustituir era la función que generada por el ALI, así que se necesitaba un

equipo que pudiera desarrollar la tarea que desempeña el amplificador, pero que este pueda

ser implementado de manera tal que permitiera utilizarse en diversos medios y de manera

portátil, es por ello que se recurrió nuevamente al software MATLAB, el cual tiene la

versatilidad de poder utilizarse para el procesamiento de señales. Para lo cual se propone el

desarrollo de un software con interfaz gráfica capaz de otorgar características semejantes a

la implementación del software instrumental de laboratorio en conjunto con el ALI. Se

propuso por otra parte la implementación de manera automática del proceso de muestreo de

los diferentes LED a diferentes corrimientos de frecuencia; para ello se propuso la

implementación de diversos componentes mecánicos eléctricos y electrónicos que pudieran

ejecutar dichas tareas. Para lo cual existen una diversidad componentes entre los que se

encuentran los servomotores, que son capaces de tener presión en sus movimientos además

de que son dependiendo de las características mecánicas accesibles económicamente

dependiendo del modelo, esto permite el uso de un sistema que controle dichos procesos.

Se recurrió al uso de la plataforma Arduino para la generación de las señales moduladas

que se proporcionaron a los LED en conjunto con el control del proceso de automatización

del intercambio de las fuentes luminosas LED. Todo se planteó para construir un mismo



componente para cumplir con el objetivo general de este trabajo. Los materiales y

herramientas utilizados se enlistan a continuación:

PC y Laptop

Microcontrolador Arduino Leonardo

Software Matlab R2013a

Software Arduino

Celda ( montaje experimental 4)

LED de potencia, Rojo, Amarillo, Verde, Azul (montaje experimental 4)

Materiales y herramientas diversos (Aluminio, tornillos, taladros, cortadoras, etc.)

Etapa de control de potencia (montaje experimental 4)

Gabinete de PC

Dispositivos reciclados de componentes electrónicos (CD - ROM)

2 servomotores Futaba S3003

Fuente de alimentación 12v 2A

Componentes diversos (cables, resistencias, conectores, etc.)

3.3.5.2 Etapa II diseño

La idea general de utilizar el software fue permitir la emulación del funcionamiento del

ALI para esto se planteó primeramente la simulación del funcionamiento de la generación

de la señal, añadiéndole diversas fuentes de ruido, funciones aleatorias, que permitieran ver

el comportamiento, del proceso de obtención de la señal respecto a la referencia del

muestreo de la señal. Una vez obtenido esto se procedió a la implementación junto con el

hardware en donde se integraron los diferentes componentes tanto el microcontrolador, que

es el encargado del control de la salida modulada y el control automático del proceso

mecánico, y el software desarrollado para la captura de la señal. La construcción física fue

acoplada de tal manera que por medio de materiales comerciales y de reciclaje fuera capaz

de generar el prototipo, adaptando de madera dinámica cada componente en un proceso de

retroalimentación continuo hasta llegar a satisfacer los requerimientos generales con base

en los montajes experimentales anteriores para lograr un sistema automático. Por ello es

que se desarrolló el siguiente diseño final para la implementación del software que se

muestra en la Figura 3.18 y la implementación de hardware (Figura 3.19). Además, en la

Figura 3.20, se presenta el esquema de la estructura del prototipo junto con los

componentes internos y el modulo general de construcción.



Figura 3.18 Diseño general de software para la generación y captura de señal (Elaboración

propia, 2015)



Figura 3.19 Diseño general de hardware para la generación y captura de señal (Elaboración

propia, 2015)

Figura 3.20 Diseño del esquema general del prototipo en forma física (Elaboración propia,

2015)




A partir de la experiencia y conocimiento previo provisto mediante los montajes

experimentales, se integraron los dispositivos utilizados: la celda de aluminio, los LED de

potencia, los controladores de potencia de alimentación y el soporte, cada uno de ellos fue

nuevamente ajustado para evitar posibles fallas o variaciones en la medición. Entonces se

hizo la integración del prototipo final, se ajustaron los componentes de control de potencia,

(ver circuito en Anexo), se generó un nuevo programa en la plataforma de Arduino que

permitiera la interacción y el control automático del proceso, con todas las instrucciones

generadas por el programa desarrollado en MATLAB. Los componentes del proceso de

intercambio automático de los LED se formaron a partir de la combinación de una

implementación electromecánica para el soporte en el eje vertical y otro control en el

soporte de un disco giratorio de plástico que contiene empotrados los LED de potencia. Las

partes principales del montaje del prototipo se observan en la Figura 3.21.



Figura 3.21 Montaje final para el prototipo (Elaboración propia, 2015)




Para evaluar el funcionamiento del prototipo final se optó por utilizar dos muestras

diferentes líquidas, una alcohol etílico de 96° y la otra, aceite quemado para automóviles

para que permitiera saber el comportamiento con muestras de líquidos trasparente y opaco

respectivamente, y permitir obtener las señales respectivas y compararlas, el depósito para

la muestra fue rellenado con 3 mililitros de cada muestra en corrimientos de frecuencia de 1

a 100 Hz para las cuatro rangos de longitud de onda. Se dejó ejecutar el programa, al igual

que se dejó ejecutar con el depósito con puro aire, se implementó el prototipo en dos

equipos de cómputo distinto, una laptop y una PC encontrando los siguientes resultados

que se observan de la Figura 3.22 a la Figura 3.25.

Las curvas que representan la señal del sistema en la Figura 3.22 muestran el

comportamiento de la muestra que no fue tan distinguible pero si apreciable, para la

radiación con LED rojo sin embargo la señal consigue un comportamiento con una mayor

amplitud en el caso del líquido negro (aceite), asociado a la posible mayor absorción y

excitación de la misma por ser un cuerpo que adsorbe más la luz.

Figura 3.22 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire con LED rojo (Elaboración

propia, 2015).

En el caso de la excitación de la muestra con la luz proveniente del LED amarillo se obtuvo

una menor señal de respuesta, de manera semejante a la del color rojo donde nuevamente la

muestra que genera mayor amplitud de señal es el aceite siendo poco menos del doble de la

señal con el otro liquido (alcohol).

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0 20 40 60 80 100 120

Am

plit

ud

(v)

Frecuencia (Hz)

rojo Aire

rojo alcohol

rojo aceite



Figura 3.23 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire con LED amarillo (Elaboración

propia, 2015)

Lo mostrado en la Figura 3.24 muestra un comportamiento que de igual forma hay una clara

distincion entre los dos tipos de muestra, con un valor de amplitud superior al doble de la señal

por parte del aceite respecto al alcohol, de igual manera existe una amplitud de la señal superior

respecto a las fuente de luz LED roja y amarilla.

Figura 3.24 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire con LED verde (Elaboración

propia, 2015)

Finalmente para el caso de las señales de respuesta, respeto a la radiacion con la luz del

LED azul, existio una mucho mayor amplitud respecto a la de los otros colores (rojo,

amarillo, verde), respectivamente se obtuvo un pico muy separado por parte de la respuesta

del aceite, encontrando una disticion respecto al de aceite, y su señal.

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0 20 40 60 80 100 120

Am

plit

ud

(V

)

Frecuencia(Hz)

amarillo alcohol

amarillo aceite

amarillo aire

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0 20 40 60 80 100 120

Am

plit

ud

(V

)

Frecuencia (Hz)

verde aire

verde aceite

verde alcohol



Figura 3.25 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire con LED azul (Elaboración

propia, 2015)

Figura 3.26 Comparativa de señales: aceite-alcohol y aire a diferentes longitudes de onda

(Elaboración propia, 2015)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 20 40 60 80 100 120

Am

plit

ud

(V

)

Frecuencia (Hz)

azul aire

azul alcohol

azul aceite

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 20 40 60 80 100 120

rojo aire

amarillo aire

verde aire

azul aire

rojo alcohol

amarillo alcohol

verde alcohol

azul alcohol

rojo aceite

amarillo aceite

verde aceite

azul aceite



De manera general a partir de los datos arrojados por medio del programa para los casos en

donde se sometió a la muestra a diferentes longitudes de onda se obtuvo que para la

muestra de aceite quemado, que se consideró un líquido opaco, presento la mayor

intensidad de la señal, confirmando que, para este caso absorbe mayor luz por consiguiente

existe mayor excitación y generación de sonido. El líquido trasparente alcohol

respectivamente, generó una absorción media respecto al aire y al aceite, entre la celda con

aire, también tenía una absorción débil percibida mediante una señal mucho menor respecto

a las muestras de aceite y alcohol. Comparando todas las señales generadas se aprecia que

la luz del LED azul en conjunto con la muestra de aceite quemado, generaron la mayor

intensidad de señal.

Capítulo 4. Discusión, conclusiones y trabajos futuros


4. DISCUSIÓN, CONCLUSIONES Y

TRABAJOS FUTUROS



4.1 Discusión

Existen medios y herramientas por los que se pueden obtener las propiedades físicas de

materiales en el estudio de mejoras de productos como en la agricultura (Rico et al, 2012),

o en la investigación de nuevas alternativas para identificar componentes adulterantes o

que no corresponden con los requerimientos de ciertos productos (Delgado et al, 2012) para

el caso del uso de la espectroscopia fotoacústica, sin embargo los equipos utilizados

actualmente continúan siendo costosos, con nula movilidad y que se encuentran en centros

especializados, y aunque se han hecho alternativas para su implementación (Mihailo,

2009), a un existe un potencial de poder reducir estos factores limitantes desarrollando un

sistema que en algún momento sea capaz de poder substituir a totalidad los componentes

actualmente utilizados y con posibles nuevas aplicaciones en áreas diferentes a las que

hasta ahora están siendo utilizadas.

4.2 Conclusiones

Montaje experimental 1

Los resultados obtenidos a partir del primer montaje experimental muestran que los LED

de potencia empleados en la configuración del principio básico para poder detectar señal

fotoacústica, generan excitación en la muestra que, aunque débil, permitió determinar que

era posible su utilización en un montaje experimental para su aplicación.


Mediante la implementación de materiales reciclados y de uso comercial, fue posible

generar e implementar piezas y dispositivos que funcionen de manera similar a la

instrumentación empleada en laboratorios especializados. En el caso de este montaje

experimental, mediante una celda alternativa (material re-ciclado) fue posible obtener

sonido y audio; que corresponde a la obtención de la señal acústica de un líquido

permitiendo percibir dicho fenómeno resultando en señales de audio provenientes del

micrófono (tal que a pesar de tener perturbaciones por ruido y diversos factores adicionales,

se distinguió cuando la muestra absorbía luz y cuando no) de manera semejante a una

instrumentación convencional de FA. Esto permitió implementar este montaje en una

experimentación nueva.




Se pudo construir con materiales comunes y de uso comercial, un nuevo dispositivo para el

caso de la fabricación de celda, con material de aluminio, basándose en un modelo previo

de celda a partir de la implementación experimental anterior, resultando un dispositivo con

mejores características de desempeño que el propio dispositivo de material reciclado, de

igual forma se determinó que a pesar de que el volumen para la celda empleada en esta

experimentación supera en volumen decenas de veces las celdas convencionales, se puede

obtener respuesta de las muestra excitadas y captar sus señales partir de la excitación con

láser.


Para cada tipo de LED en diferentes longitudes de onda, se obtuvo diferente amplitud de la

señal de audio correspondiendo para el rango azul la mayor intensidad de señal; la del

rango de luz amarilla fue la de menor intensidad a lo largo del corrimiento de 1 a 80 Hz. En

este caso, para la muestra de grafito, donde de acuerdo a otras implementaciones existe

mayor absorción en los rangos de luz azul, que corresponden con lo encontrado en este

montaje.


Mediante la implementación de materiales convencionales y el uso se diversas herramientas

como el software y hardware que se puedo adquirir de manera comercial, fue posible

emular de manera genérica y con limitaciones técnicas el comportamiento y resultados que

se obtienen en un laboratorio especializado en el caso de un equipo de Espectroscopia

Fotoacústica.

Conclusión general

Se puede desarrollar e implementar un sistema prototipo alternativo a partir del empleo de

dispositivos comerciales en conjunto con el desarrollo de software para ofrecer una

alternativa a la instrumentación de laboratorio empleada en la técnica de espectroscopia

fotoacustica, ya que mediante el prototipo es posible distinguir entre diferentes tipos de

materiales por medio de la repuesta que se despliega y observada por medio de las



gráficas que arroja el programa, de acuerdo a la señal de respuesta; relacionándola con la

cantidad de absorción de la luz como propiedad que distingue a un material líquido.

Tabla 4.1.Tabla de congruencias de la investigación realizada (elaboración propia, 2105)

Objetivo General


Se desarrolló y construyo un sistema de medición bajo el principio fotoacústico, obteniendo

resultados que demuestran la posible utilidad de este dispositivo para caracterización de

materiales líquidos.



En el capítulo 1 se estableció el contexto que permitió ubicar

la problemática en el mundo real para justificar el proyecto de

tesis y junto con la revisión de literatura referente a la

problemática en México.


Revisar el estado del arte.

Al hacer la revisión de literatura y obtener los

fundamentos de la EFA se encontró la evidencia de

algunos de los usos que se le podría dar al prototipo

propuesto.


Implementar una metodología para el desarrollo del prototipo.

Dentro del capítulo 2 se estableció la metodología del proceso

de desarrollo del trabajo bajo una perspectiva sistémica.


Seleccionar las mejores alternativas para la

implementación del prototipo.

Al realizar la aplicación de la metodología en el

capítulo 3 y realizar la implementación de cada

montaje experimental, en cada uno de ellos se pasó

por un proceso de mejora continua en métodos y

materiales.


Implementar el prototipo.

El montaje experimental final trajo como resultado desarrollar

con los materiales disponibles mediante las implantaciones

anteriores


Comprobar y evaluar el funcionamiento del

prototipo.

Se realizó una comparativa entre dos diferentes

líquidos resultando en comportamientos y diferencias

distintivas entre ellos bajo las mismas condiciones.



Hipótesis

Se puede desarrollar un sistema fotoacústico portable, con materiales de uso comercial convencional, que podrá

proporcionar señal fotoacústica proveniente de materiales líquidos, con accesibilidad en su implementación en

comparación con los sistemas de medición convencionales.

Es posible implementar mediante materiales de uso comercial y de reciclaje un sistema de medición capaz de otorgar

diferencias en la señal FA en líquidos con diferentes propiedades.

4.3 Aportes

Demostrar que se pueden desarrollar instrumentación alternativa que pueda complementar

o inclusive a substituir a equipos utilizados actualmente, con ventajas significativas en

cuanto a:

Menor costo: De acuerdo a una comparativa entre precios ver Anexo D.

Portabilidad: Las dimensiones que ofrece el prototipo se acercan al promedio de una

computadora de escritorio, en comparación con toda una mesa de trabajo para implementar

una instrumentación convencional.

Fácil manejo: Una vez estableciendo los parámetros en la configuración del programa

desarrollado e introduciendo la muestra dentro del prototipo, se ejecuta un proceso

automático en el cual se obtienen las gráficas directas para su interpretación y posterior

manejo.

4.4 Trabajos futuros

Existe una variedad de posibilidades para el empleo y mejora del prototipo propuesto,

primeramente se podrían utilizar e implementar modelos matemáticos diversos para poder

obtener características específicas de los materiales, en este caso para líquidos como

gasolinas aceite, en donde es indispensable para la producción o calidad de los mismos,

además de hacer mejoras en cuanto el rendimiento, la flexibilidad y el desempeño del

mismo.

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Anexos


6. ANEXOS

6.1 ANEXO A. PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Existen diferentes medios por los cuales se puede transferir el calor, uno de los cuales es la

conducción, descrita por la llamada ley de Fourier. La conducción térmica está determinada por la

ley de Fourier, que establece que el flujo de transferencia de calor por conducción en un medio

isótropo es proporcional y de sentido contrario al gradiente de temperatura en esa dirección. De

forma vectorial:

Dónde: = es el vector de flujo de calor (W m-2

).

= es una constante de proporcionalidad, llamada conductividad térmica (W m-1

K-1

).

= es el gradiente del campo de temperatura en el interior del material (K m-1

).

= temperatura (K)

Difusión del calor y conservación de la energía

Figura. Análisis de conservación de la energía en coordenadas cartesianas, (Elaboración propia,

2014)

El balance de la energía térmica en el elemento de volumen esta dado por las siguientes

expresiones

http://es.wikipedia.org/wiki/Joseph_Fourier

http://es.wikipedia.org/wiki/Transferencia_de_calor

http://es.wikipedia.org/wiki/Gradiente

http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1lculo_vectorial

http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_de_un_campo_vectorial

http://es.wikipedia.org/wiki/Vatio

http://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_t%C3%A9rmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Kelvin

Anexos


(2.3.1) Donde

= flujo de energía que entra en

Son los flujos de energía que entra perpendicularmente a los planos x, y, z.

= flujo de energía generada en

= índice de flujo de energía que sale de

= índice de almacenamiento de energía en

Difusión del calor

La variación de la temperatura en un intervalo de tiempo determinado dentro de un volumen lo

expresa la ecuación de difusión de calor modelo de en base a la teoría de Rosencwaig, & Gersho

(1976) de la siguiente manera.

: Densidad

: Calor especifico

Sustituyendo la ecuación junto con sus equivalencias en se obtiene:

( )

El flujo de calor en el elemento de volumen evaluado mediante la ley de Fourier se tiene:

Además como

Anexos


Sustituyendo la ecuación anterior en ecuación se tiene

Que es

(

)

(

)

(

)

2.3.5

De la anterior ecuación se genera como caso general de flujo de energía lo siguiente

= Difusividad térmica

La difusividad indica que tan rápido de difunde el calor en el material

Generación y propagación de las ondas

Considerando un medio isotrópico, homogéneo y semi-infinito. Donde se tiene una fuente de calor

con una dependencia temporal de la forma

De aquí que sean

= flujo de la luz monocromática incidente

= frecuencia de modulación angular de la muestra

= tiempo

Si el haz de luz al incidir sobre la muestra se ocupa el plano y-z, por lo tanto x=0, cose tiene que la

distribución de temperatura en la muestra puede obtenerse al resolver solamente para una

dimensión.

Además de considerar que no existe fuente de generación interna y que es nula.

Anexos


=0

Se tiene

La energía térmica que se le aplica a la muestra es disipada por conducción dentro de la muestra,

representándose mediante la siguiente condición de frontera

Convirtiendo el coseno a su forma exponencial se tiene

Con x=0, t>0

Por lo que el calor se divide en dos componentes uno dependiente del tiempo y el otro no

y

La solución de la ecuación tiene la forma

Sustituyendo la solución en la ecuación desarrollándola de la siguiente forma

=0

Dejando el aspecto temporal a un lado, la solución general para la dependencia espacial de la

temperatura, se puede expresar de la siguiente manera

Donde

= son constantes arbitrarias

√

= coeficiente complejo de difusión térmica

Anexos


Cuando tiende a cero con signo positivo, no cumple con las condiciones de frontera pero sí.

Donde la expresión de para x=0 se tiene

De donde

Por lo tanto la solución completa es:

√

√

√

Dentro de la propagación de las ondas térmicas se tiene que consideración los siguientes puntos

1.- Si la onda térmica depende de una forma por lo tanto está dada por:

√

√

, que es la longitud de difusión térmica

Por lo que la ecuación queda de la forma

√

Donde

√ = efusividad

2.- La onda térmica decae en

3.- Las ondas térmicas son ampliamente dispersivas, por ello su fase y velocidad se encuentran

determinadas por

√

Anexos


Denotando que en altas frecuencias la onda se propaga rápidamente y por el contrario en bajas

frecuencias no.

4.- La variación de fase y la temperatura en un punto en x=0 se encuentra dada por:

5.-La impedancia de onda térmica está definida como el radio de temperatura de la densidad de

flujo de calor.

√

Generación de la señal acústica

Debido a que el modelo de Rosencwaig, & Gersho(1976), se establece bajo ciertas condiciones

de frontera para diferentes medios, esto se puede expresar mediante la siguiente solución general

La ecuación anterior indica la presencia de una señal acústica, la cual es producida por las

variaciones de temperatura dentro de la celda. Tomando en cuenta solo la parte real, se demuestra

que la variación de la temperatura actual el gas es:

Donde son la parte real e imaginaria respectivamente

El grado de temperatura de gas contenido en la frontera del mismo dado por:

∫

Sustituyendo la ecuación anterior en 2.3.18 se tiene el rango actual de temperatura del gas, debido a

la aproximación de

De donde

Anexos


El flujo de calor periódico en el gas, produce una expansión y compresión dentro del contenedor,

simulando un pistón acústico provocando variaciones de presión generando la señal acústica por lo

tanto esas variaciones pueden ser detectadas por un micrófono.

Este desplazamiento se puede calcular a través de la ley de los gases ideales

√

Se asume que el resto del gas no tiene intercambio de calor dado por:

= presión; = volumen del gas en la celda; = radio de difusión de calor

Donde son presión y volumen del ambiente

= incremento de volumen. Sustituyendo la ecuación anterior.

Donde

√

Tomando la parte real de se obtiene la variación actual

(

)

Quedando como lo siguiente

(

) Son parte real e imaginaria respectivamente

= magnitud y fase

√

Anexos


6.2 ANEXO B. MODELO TRIDIMENSIONAL DE LA CELDA

Modelo tridimensional de la parte estructural principal de la celda empleada, vista desde varias

caras con acotaciones en milímetros.

Anexos


Anexos


6.3 ANEXO C. DIAGRAMAS ESQUEMÁTICOS DE LOS

CIRCUITOS EMPLEADOS

Anexos


Anexos


6.4 ANEXO D. COMPARATIVA DE PRECIOS

Equipo usual Costo

aproximado en

Dólares

Prototipo Costo

aproximado en

Pesos

Oriel Fuente de alimentación 4689 LED s de potencia con disipador 500

Alojamiento para lámpara de

arco de 450-1000w de silicio

fundido

3080 Microcontrolador con

accesorios

500

Ignition universal 844 Manufactura de celda 1000

Lámpara de Xo de 1000 w libre

de ozono

806 Etapa de potencia(circuitos

tablillas, dispositivos diversos )

1000

Rueda de rejillas múltiples 648 Material diverso(motores

tornillos, herramienta)

2000

Adaptador de fibra óptica 77 Mano de obra 3000

Oriel alojamiento de

monocromador

1628

Rejilla de 130 a 1000 nm 301

Mca oriel interfaces 232 motor

de pasos

1530

Amplificador lock.in 8500

Total 23808 8000

Anexos


6.5 ANEXO E. INTERFAS DEL PROGRAMA DESARROLLADO EN

MATLAB

Anexos


6.6 ANEXO F. CODIGO DEL PROGRAMA DESARROLLADO EN

MATLAB Function varargout = Programa_Pro_T(varargin)

% PROGRAMA_PRO_T MATLAB code for Programa_Pro_T.fig

% PROGRAMA_PRO_T, by itself, creates a new PROGRAMA_PRO_T or raises the existing % singleton*.

%

% H = PROGRAMA_PRO_T returns the handle to a new PROGRAMA_PRO_T or the handle to % the existing singleton*.

%

% PROGRAMA_PRO_T('CALLBACK',hObject,eventData,handles,...) calls the local % function named CALLBACK in PROGRAMA_PRO_T.M with the given input arguments.

%

% PROGRAMA_PRO_T('Property','Value',...) creates a new PROGRAMA_PRO_T or raises the % existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are

% applied to the GUI before Programa_Pro_T_OpeningFcn gets called. An

% unrecognized property name or invalid value makes property application % stop. All inputs are passed to Programa_Pro_T_OpeningFcn via varargin.

%

% *See GUI Options on GUIDE's Tools menu. Choose "GUI allows only one % instance to run (singleton)".

%

% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES

% Edit the above text to modify the response to help Programa_Pro_T

% Last Modified by GUIDE v2.5 12-May-2015 00:52:29

% Begin initialization code - DO NOT EDIT gui_Singleton = 1;

gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ...

'gui_Singleton', gui_Singleton, ... 'gui_OpeningFcn', @Programa_Pro_T_OpeningFcn, ...

'gui_OutputFcn', @Programa_Pro_T_OutputFcn, ...

'gui_LayoutFcn', [] , ... 'gui_Callback', []);

if nargin && ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1);

end

if nargout

[varargout1:nargout] = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);

else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);

end

% End initialization code - DO NOT EDIT

% --- Executes just before Programa_Pro_T is made visible.

function Programa_Pro_T_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) % This function has no output args, see OutputFcn.

% hObject handle to figure

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

% varargin command line arguments to Programa_Pro_T (see VARARGIN)

% Choose default command line output for Programa_Pro_T

handles.output = hObject;

Fs=4000; Fpass = 100; % Passband Frequency

Fstop = 120; % Stopband Frequency

Dpass = 5.7564627261e-05; % Passband Ripple Dstop = 0.0001; % Stopband Attenuation

dens = 20; % Density Factor

% Calculate the order from the parameters using FIRPMORD.

[N, Fo, Ao, W] = firpmord([Fpass, Fstop]/(Fs/2), [1 0], [Dpass, Dstop]);

Anexos


% Calculate the coefficients using the FIRPM function.

Numb = firpm(N, Fo, Ao, W, dens);

handles.Numb=Numb;

% Update handles structure guidata(hObject, handles);

% UIWAIT makes Programa_Pro_T wait for user response (see UIRESUME) % uiwait(handles.figure1);

% --- Outputs from this function are returned to the command line. function varargout = Programa_Pro_T_OutputFcn(hObject, eventdata, handles)

% varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);

% hObject handle to figure % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)

% Get default command line output from handles structure

varargout1 = handles.output;

% --- Executes on button press in puntual.

function puntual_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to puntual (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB


set(handles.corrimiento,'Value',0); % Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of puntual

set(handles.subanalisis,'Enable','on')

% --- Executes on button press in corrimiento.

function corrimiento_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to corrimiento (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB


set(handles.puntual,'Value',0); set(handles.subanalisis,'Enable','off');

% Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of corrimiento

% --- Executes on button press in run.

function run_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to run (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB


Fs=4000;

T=1/Fs; longrec=5;

cla(handles.graf1)

cla(handles.graf2) tiempo0 = timer('TimerFcn', 'stat0=false;','StartDelay',9);

tiempo1 = timer('TimerFcn', 'stat=false;','StartDelay',3);

recobj=audiorecorder(Fs,16,1);

nodeleds=0;

vrojo=get(handles.rojo,'Value');

vamarillo=get(handles.amarillo,'Value');

vverde=get(handles.verde,'Value'); vazul=get(handles.azul,'Value');

if (vrojo + vamarillo + vverde + vazul)>= 1

set(hObject,'Enable','off');

set(handles.stop,'Enable','on'); set(handles.ejecutando,'Value',1);

end

fcorte=get(handles.frecuenciainicio,'String');

ffinal=get(handles.frecuenciatermino,'String');

Anexos


fc=fix(str2num(fcorte));

ff=fix(str2num(ffinal))+1;

%%evaluacion de led rojo if vrojo==1

nodeleds=1;

fprintf(handles.ps,num2str(1001));

stat0=true;

pause(1) fprintf(handles.ps,'r');

start(tiempo0);

while(stat0==true)

inn=fscanf(handles.ps,'%s');

if(strcmpi(inn,'ok2')) stat0=false;

disp('recibido rojo')

end pause(0.25)

end

Rcoco=zeros(0,ff-fc);

Rcoco2=fc:ff;

Rcoco3=zeros(0,ff-fc); Rcoco4=zeros(0,ff-fc);

%nxp=handles.graf1;

%nxp2=handles.graf2; for indice=1:(ff-fc)

stat=true;

fprintf(handles.ps,num2str(Rcoco2(indice))); start(tiempo1);

while(stat==true)


if(strcmpi(inn,'ok1')) stat=false;

disp('recibido')

end pause(0.2)

end recordblocking(recobj,longrec);

myrecording=getaudiodata(recobj);

myrecording=myrecording(4001:end); myrecording=myrecording';

L=length(myrecording);

t=(0:L-1)*T; %%%aplicacion de filtro

xs=filter(handles.Numb,1,myrecording);

%%xs=myrecording; Sx=sin(2*pi*Rcoco2(indice)*t);

Sy=cos(2*pi*Rcoco2(indice)*t);%generacion de muetras en fase y cuadratura

%xs=x; y=xcorr(xs,Sx)/Fs; %correlacion de la señal de entrada con la señal de analisis

z=xs.*Sx; %multiplicacion de la señal por la conponente sen

w=xs.*Sy; %multiplicacion de la señal por la componete cos

z1=z(500:end);

w1=w(500:end);

p=median(sqrt(z1.^2+w1.^2)); %obtencion de el valor rms promedio set(handles.valorrmspromedio,'String',num2str(p));

Y=fft(y); %fft a la correlacion de la entrada con la señal se referencia

yfft=(4/(L/Fs))*(2*abs(Y(1:fix(end/2)))/(L*2)); %fft en fumcion de la frecuencia maximofft=max(yfft);

[pks,locs]=findpeaks(yfft,'MINPEAKHEIGHT',maximofft/2);

frecuenciaout=locs/(length(Y)/Fs); set(handles.valorpicocorrel,'String',num2str(maximofft));

set(handles.frecout,'String',strcat(num2str(fix(frecuenciaout)),' Hz'));

Rcoco(indice)=maximofft; Rcoco3(indice)=Rcoco2(indice);

Rcoco4(indice)=p;

Anexos


axes(handles.graf1);

hold all

plot(Rcoco3,Rcoco,'-m+','Color','red','LineWidth', 2.5,'MarkerEdgeColor','red','MarkerFaceColor','y','MarkerSize',5); title('Señal FA M1'),xlabel('Frecuencia (Hz)'),ylabel('Intensidad (u.a.)')


hold all plot(Rcoco3,Rcoco4,'--m*','Color','red','LineWidth', 1.5,'MarkerEdgeColor','red','MarkerFaceColor','c','MarkerSize',5);

title('Señal FA M2'),xlabel('Frecuencia (Hz)'),ylabel('Intensidad (u.a.)')

pause(0.5) end

handles.Rcoco3=Rcoco3;

handles.Rcoco=Rcoco; handles.Rcoco4=Rcoco4;

pause(1)

end %%evaluacion de led amarillo

if vamarillo==1

nodeleds=1;


stat0=true; pause(1)

fprintf(handles.ps,'a');

start(tiempo0); while(stat0==true)

inn=fscanf(handles.ps,'%s'); if(strcmpi(inn,'ok2'))

stat0=false;

disp('recibido amarillo') end

pause(0.25)

end Acoco=zeros(0,ff-fc);

Acoco2=fc:ff;

Acoco3=zeros(0,ff-fc); Acoco4=zeros(0,ff-fc);

for indice=1:(ff-fc)

stat=true; fprintf(handles.ps,num2str(Acoco2(indice)));

start(tiempo1); while(stat==true)


stat=false;

disp('recibido') end

pause(0.1)

end recordblocking(recobj,longrec);


myrecording=myrecording(4001:end); myrecording=myrecording';

L=length(myrecording);

t=(0:L-1)*T;

%%%aplicacion de filtro

xs=filter(handles.Numb,1,myrecording);

Sx=sin(2*pi*Acoco2(indice)*t); Sy=cos(2*pi*Acoco2(indice)*t);%generacion de muetras en fase y cuadratura

y=xcorr(xs,Sx)/Fs; %correlacion de la señal de entrada con la señal de analisis

z=xs.*Sx; %multiplicacion de la señal por la conponente sen w=xs.*Sy; %multiplicacion de la señal por la componete cos

z1=z(500:end);

w1=w(500:end); p=median(sqrt(z1.^2+w1.^2)); %obtencion de el valor rms promedio

set(handles.valorrmspromedio,'String',num2str(p));

Y=fft(y); %fft a la correlacion de la entrada con la señal se referencia yfft=(4/(L/Fs))*(2*abs(Y(1:fix(end/2)))/(L*2)); %fft en fumcion de la frecuencia

maximofft=max(yfft);

Anexos



frecuenciaout=locs/(length(Y)/Fs);

set(handles.valorpicocorrel,'String',num2str(maximofft)); set(handles.frecout,'String',strcat(num2str(fix(frecuenciaout)),' Hz'));

Acoco(indice)=maximofft;

Acoco3(indice)=Acoco2(indice); Acoco4(indice)=p;


hold all plot(Acoco3,Acoco,'-m+','Color','yellow','LineWidth', 2.5,'MarkerEdgeColor','yellow','MarkerFaceColor','y','MarkerSize',5);


axes(handles.graf2); hold all

plot(Acoco3,Acoco4,'--m*','Color','yellow','LineWidth', 1.5,'MarkerEdgeColor','yellow','MarkerFaceColor','c','MarkerSize',5);

title('Señal FA M2'),xlabel('Frecuencia (Hz)'),ylabel('Intensidad (u.a.)') pause(0.5)

end

handles.Acoco3=Acoco3; handles.Acoco=Acoco;

handles.Acoco4=Acoco4;

pause(1) end

%%%evaluacion LED verde

if vverde==1 nodeleds=1;



fprintf(handles.ps,'v');



stat0=false;

disp('recibido verde') end

pause(0.25)

end Vcoco=zeros(0,ff-fc);

Vcoco2=fc:ff; Vcoco3=zeros(0,ff-fc);

Vcoco4=zeros(0,ff-fc);

for indice=1:(ff-fc) stat=true;

fprintf(handles.ps,num2str(Vcoco2(indice)));

start(tiempo1); while(stat==true)



disp('recibido')

end pause(0.1)

end

recordblocking(recobj,longrec);


myrecording=myrecording(4001:end);

myrecording=myrecording'; L=length(myrecording);

t=(0:L-1)*T;

xs=filter(handles.Numb,1,myrecording); %%%aplicacion de filtro Sx=sin(2*pi*Vcoco2(indice)*t);

Sy=cos(2*pi*Vcoco2(indice)*t);%generacion de muetras en fase y cuadratura

y=xcorr(xs,Sx)/Fs; %correlacion de la señal de entrada con la señal de analisis z=xs.*Sx; %multiplicacion de la señal por la conponente sen


z1=z(500:end); w1=w(500:end);

p=median(sqrt(z1.^2+w1.^2)); %obtencion de el valor rms promedio

Anexos


set(handles.valorrmspromedio,'String',num2str(p));

Y=fft(y); %fft a la correlacion de la entrada con la señal se referencia yfft=(4/(L/Fs))*(2*abs(Y(1:fix(end/2)))/(L*2)); %fft en fumcion de la frecuencia

maximofft=max(yfft);

[pks,locs]=findpeaks(yfft,'MINPEAKHEIGHT',maximofft/2); frecuenciaout=locs/(length(Y)/Fs);

set(handles.valorpicocorrel,'String',num2str(maximofft));

set(handles.frecout,'String',strcat(num2str(fix(frecuenciaout)),' Hz')); Vcoco(indice)=maximofft;

Vcoco3(indice)=Vcoco2(indice);

Vcoco4(indice)=p; axes(handles.graf1);

hold all

plot(Vcoco3,Vcoco,'-m+','Color','green','LineWidth', 2.5,'MarkerEdgeColor','green','MarkerFaceColor','y','MarkerSize',5); title('Señal FA M1'),xlabel('Frecuencia (Hz)'),ylabel('Intensidad (u.a.)')


hold all plot(Vcoco3,Vcoco4,'--m*','Color','green','LineWidth', 1.5,'MarkerEdgeColor','green','MarkerFaceColor','c','MarkerSize',5);


pause(0.5) end

handles.Vcoco=Vcoco;

handles.Vcoco4=Vcoco4; handles.Vcoco3=Vcoco3;

pause(1)

end %%%evaluacion LED Azul%%

if vazul==1

nodeleds=1;



fprintf(handles.ps,'z');



if(strcmpi(inn,'ok2')) stat0=false;

disp('recibido azul') end

pause(0.25)

end Zcoco=zeros(0,ff-fc);

Zcoco2=fc:ff;

Zcoco3=zeros(0,ff-fc); Zcoco4=zeros(0,ff-fc);

for indice=1:(ff-fc)

stat=true; fprintf(handles.ps,num2str(Zcoco2(indice)));

start(tiempo1);

while(stat==true) inn=fscanf(handles.ps,'%s');

if(strcmpi(inn,'ok1'))

stat=false;

disp('recibido')

end

pause(0.1) end

recordblocking(recobj,longrec);

myrecording=getaudiodata(recobj); myrecording=myrecording(4001:end);

myrecording=myrecording';

L=length(myrecording); t=(0:L-1)*T;

xs=filter(handles.Numb,1,myrecording); %aplicacion de filtro

Sx=sin(2*pi*Zcoco2(indice)*t); Sy=cos(2*pi*Zcoco2(indice)*t);%generacion de muestras en fase y cuadratura

y=xcorr(xs,Sx)/Fs; %correlacion de la señal de entrada con la señal de analisis

Anexos


z=xs.*Sx; %multiplicacion de la señal por la conponente sen


z1=z(500:end); w1=w(500:end);


set(handles.valorrmspromedio,'String',num2str(p)); Y=fft(y); %fft a la correlacion de la entrada con la señal se referencia

yfft=(4/(L/Fs))*(2*abs(Y(1:fix(end/2)))/(L*2)); %fft en funcion de la frecuencia

maximofft=max(yfft); [pks,locs]=findpeaks(yfft,'MINPEAKHEIGHT',maximofft/2);

frecuenciaout=locs/(length(Y)/Fs);

set(handles.valorpicocorrel,'String',num2str(maximofft)); set(handles.frecout,'String',strcat(num2str(fix(frecuenciaout)),' Hz'));

Zcoco(indice)=maximofft;

Zcoco3(indice)=Zcoco2(indice); Zcoco4(indice)=p;


hold all plot(Zcoco3,Zcoco,'-m+','Color','blue','LineWidth', 2.5,'MarkerEdgeColor','blue','MarkerFaceColor','y','MarkerSize',5);


axes(handles.graf2); hold all

plot(Zcoco3,Zcoco4,'--m*','Color','blue','LineWidth', 1.5,'MarkerEdgeColor','blue','MarkerFaceColor','c','MarkerSize',5);

title('Señal FA M2'),xlabel('Frecuencia (Hz)'),ylabel('Intensidad (u.a.)') pause(0.5)

end

handles.Zcoco3=Zcoco3; handles.Zcoco=Zcoco;

handles.Zcoco4=Zcoco4;

pause(1) end

if nodeleds==0%%%%evaluacion NO LED %%%%

errordlg('no selecciono ningun LED','ERROR'); end %%discriminacion de # de leds

br=1:(ff-fc);

if vrojo== 0 Rcoco=zeros(size(br));

Rcoco3=Rcoco;

Rcoco4=Rcoco; handles. Rcoco3=Rcoco3;

handles.Rcoco=Rcoco; handles.Rcoco4=Rcoco4;

end

if vamarillo== 0 Acoco=zeros(size(br));

Acoco3=Acoco;

Acoco4=Acoco; handles.Acoco3=Acoco3;

handles.Acoco=Acoco;

handles.Acoco4=Acoco4; end

if vverde== 0

Vcoco=zeros(size(br)); Vcoco3=Vcoco;

Vcoco4=Vcoco;

handles.Vcoco=Vcoco;

handles.Vcoco4=Vcoco4;

handles.Vcoco3=Vcoco3;

end if vazul== 0

Zcoco=zeros(size(br));

Zcoco3=Zcoco; Zcoco4=Zcoco;

handles.Zcoco3=Zcoco3;

handles.Zcoco=Zcoco; handles.Zcoco4=Zcoco4;

end

set(hObject,'Enable','on'); set(handles.stop,'Enable','off');

set(handles.ejecutando,'Value',0);

Anexos


guidata(hObject,handles);

function frecuenciainicio_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to frecuenciainicio (see GCBO)


% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,'String') returns contents of frecuenciainicio as text

% str2double(get(hObject,'String')) returns contents of frecuenciainicio as a double

NewStrVal=get(hObject,'String'); NewVal=fix(str2num(NewStrVal));

if isempty(NewVal)||(NewVal<1)||(NewVal>100)

set(hObject,'String','1'); end

% --- Executes during object creation, after setting all properties.

function frecuenciainicio_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to frecuenciainicio (see GCBO)


% handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: edit controls usually have a white background on Windows.

% See ISPC and COMPUTER.

if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white');

end

function frecuenciatermino_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to frecuenciatermino (see GCBO)


% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,'String') returns contents of frecuenciatermino as text

% str2double(get(hObject,'String')) returns contents of frecuenciatermino as a double

NewStrVal=get(hObject,'String'); NewVal=fix(str2num(NewStrVal));

if isempty(NewVal)||(NewVal<1)||(NewVal>100)

set(hObject,'String','17'); end


function frecuenciatermino_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to frecuenciatermino (see GCBO)


% handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: edit controls usually have a white background on Windows.

% See ISPC and COMPUTER. if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))

set(hObject,'BackgroundColor','white');

end function frecuenciapuntualset_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to frecuenciapuntualset (see GCBO)


% Hints: get(hObject,'String') returns contents of frecuenciapuntualset as text

% str2double(get(hObject,'String')) returns contents of frecuenciapuntualset as a double NewStrVal=get(hObject,'String');

NewVal=fix(str2num(NewStrVal));

if isempty(NewVal)||(NewVal<1)||(NewVal>100) set(hObject,'String','17');

end


function frecuenciapuntualset_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to frecuenciapuntualset (see GCBO)

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called

% Hint: edit controls usually have a white background on Windows.



end % --- Executes on button press in amarillo.

function amarillo_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to amarillo (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB


Anexos


% Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of amarillo

% --- Executes on button press in rojo.

function rojo_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to rojo (see GCBO)


% Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of rojo

% --- Executes on button press in verde. function verde_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to verde (see GCBO)


% Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of verde

% --- Executes on button press in azul. function azul_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to azul (see GCBO)


% Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of azul

% --- Executes on button press in abrirpuerto. function abrirpuerto_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to abrirpuerto (see GCBO)


nopuerto=strcat('COM',get(handles.numerodepuerto,'String'));

%delate(instrfind('Port',nopuerto)); ps=serial(nopuerto);

set(ps,'baudrate',9600);

set(ps,'databits',8); set(ps,'Parity','none');

set(ps,'StopBits',1);

set(ps,'FlowControl','none'); fopen(ps);

handles.ps=ps;

guidata(hObject,handles); set(handles.run,'Enable','on');

% --- Executes on button press in subanalisis.

function subanalisis_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to subanalisis (see GCBO)


Fs=4000;

T=1/Fs; longrec=5;

vrojo=get(handles.rojo,'Value');

vamarillo=get(handles.amarillo,'Value'); vverde=get(handles.verde,'Value');

vazul=get(handles.azul,'Value');

if (vrojo + vamarillo + vverde + vazul)== 1 %%%set(hObject,'Enable','off');

%%set(handles.stop,'Enable','on');

%%set(handles.ejecutando,'Value',1); if vazul==1


pause(1)

fprintf(handles.ps,'z');

pause(1)

end if vverde==1


pause(1) fprintf(handles.ps,'v');

pause(1)

end if vamarillo==1


pause(1) fprintf(handles.ps,'a');

pause(1)

Anexos


end

if vrojo==1


pause(1)

fprintf(handles.ps,'r'); pause(1)

end

recobj=audiorecorder(Fs,16,1); fcorte=get(handles.frecuenciapuntualset,'String');

fc=str2num(fcorte);

tiempo = timer('TimerFcn', 'stat=false;','StartDelay',1); stat=true;

fprintf(handles.ps,fcorte);

start(tiempo); while(stat==true)



disp('recibido')

end pause(0.1)

end

recordblocking(recobj,longrec); myrecording=getaudiodata(recobj);

myrecording=myrecording(4001:end);

myrecording=myrecording'; L=length(myrecording);

t=(0:L-1)*T;

xs=filter(handles.Numb,1,myrecording); Sx=sin(2*pi*fc*t);

Sy=cos(2*pi*fc*t);%generacion de muetras en fase y cuadratura

y=xcorr(xs,Sx)/Fs; %correlacion de la señal de entrada con la señal de analisis z=xs.*Sx; %multiplicacion de la señal por la conponente sen


z1=z(500:end); w1=w(500:end);


rr=z+w; set(handles.valorrmspromedio,'String',num2str(p));

f=linspace(0,Fs,length(y)); %espaciamento de muestras F=f(1:fix(end/2)); %espaciamineto de frecuencias

Y=fft(y); %fft a la correlacion de la entrada con la señal se referencia

yfft=(4/(L/Fs))*(2*abs(Y(1:fix(end/2)))/(L*2)); %fft en fumcion de la frecuencia maximofft=max(yfft);


frecuenciaout=locs/(length(Y)/Fs); set(handles.valorpicocorrel,'String',num2str(maximofft));

set(handles.frecout,'String',strcat(num2str(frecuenciaout),' Hz'));

figure subplot(5,1,1),plot(myrecording),grid on ,zoom,title('Señal de entrada'),xlabel('t(ms)')

subplot(5,1,2),plot(xs),grid on ,zoom,title('Señal de entrada filtrada'),xlabel('t(ms)')

subplot(5,1,3),plot(y),grid on ,zoom,title('Correalacion f(x)'),xlabel('t(ms)') subplot(5,1,4),plot(rr),grid on ,zoom,title('señal multiplicada'),xlabel('t(ms)')

subplot(5,1,5),plot(F,yfft),grid on ,zoom,title('Espectro de frecuencias de la correlacion'),xlabel('Hz')

else

errordlg('Seleccione un solo LED','ERROR');

end

function numerodepuerto_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to numerodepuerto (see GCBO)


% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,'String') returns contents of numerodepuerto as text

% str2double(get(hObject,'String')) returns contents of numerodepuerto as a double

% --- Executes during object creation, after setting all properties. function numerodepuerto_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to numerodepuerto (see GCBO)



Anexos


% See ISPC and COMPUTER.

if ispc && isequal (get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))

set(hObject,'BackgroundColor','white'); end

% --- Executes when user attempts to close figure1.

function figure1_CloseRequestFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to figure1 (see GCBO)


% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) if isfield(handles,'ps')

fclose(handles.ps);

end % Hint: delete(hObject) closes the figure

delete(hObject);

function frecout_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to frecout (see GCBO)


% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,'String') returns contents of frecout as text

% str2double(get(hObject,'String')) returns contents of frecout as a double

% --- Executes during object creation, after setting all properties. function frecout_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to frecout (see GCBO)





end % --- Executes on button press in stop.

function stop_Callback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to stop (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB


set(handles.rojo,'Value',0); set(handles.amarillo,'Value',0);

set(handles.verde,'Value',0);

set(handles.azul,'Value',0); % --- Executes on button press in ejecutando.

function ejecutando_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to ejecutando (see GCBO)


% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hint: get(hObject,'Value') returns toggle state of ejecutando

function uipushtool1_ClickedCallback(hObject, eventdata, handles)

% hObject handle to uipushtool1 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB


prompt='Nombre de archivo'; name='Guardar como';

numlines=1;

defaultanswer='testdata.xlsx'; options.Resize='on';

options.WindowStyle='modal';

options.Interpreter='tex';

answer=(inputdlg(prompt,name,numlines,defaultanswer,options));

%%%uiwait(msgbox('¿desea guardar los datos?','Guardar','modal'));

filename = answer1; %%%A=handles.Rcoco3';

A='Xrojo','Yrojo M1','Yrojo M2','Xamarillo','Yamarillo M1','Yamarillo M2','Xverde','Yverde M1','Yverde M2','Xazul','Yazul

M1','Yazul M2'; Ab=[handles.Rcoco3',handles.Rcoco',handles.Rcoco4',handles.Acoco3',handles.Acoco',handles.Acoco4',handles.Vcoco3',handles.Vcoco',

handles.Vcoco4',handles.Zcoco3',handles.Zcoco',handles.Zcoco4'];

xlRange = 'B1'; xlRange2 ='B2';

xlswrite(filename,A,1,xlRange)

xlswrite(filename,Ab,1,xlRange2)

Anexos


6.7 ANEXO G. PROGRAMA DESARROLLADO PARA EL

MICROCONTROLADOR

#include <Servo.h>

int ledPin; // pin the LED is connected to

int blinkDelay; // blink rate determined by this variable

char strValue[6]; // must be big enough to hold all the digits and the

// 0 that terminates the string

int index = 0; // the index into the array storing the received digits

int xx;

char ch;

String buff;

Servo myservo; // create servo object to control a servo

Servo myservo1;

int posicions1;

int posicions2;

void setup()

Serial.begin(9600);

pinMode(0,OUTPUT);

pinMode(1,OUTPUT);

pinMode(2,OUTPUT);

pinMode(3,OUTPUT);

ledPin=0;

void loop()

if( Serial.available())

ch = Serial.read();

if(xx==0)

if(index < 5 && isDigit(ch) )

Anexos


strValue[index++] = ch; // add the ASCII character to the string;

else

strValue[index] = 0;

blinkDelay = atoi(strValue);

index = 0;

if(blinkDelay==1001)xx=1;

else

blink();

else led();

void led()

xx=0;

buff = Serial.readString();

myservo.attach(9);//servo en Y

myservo1.attach(10); // servo en R

if(ch=='z')

ledPin=3;

cambiarangulo(159);

delay(500);

if(ch=='v')

ledPin=2;

cambiarangulo(115);

delay(500);

if(ch=='a')

ledPin=1;

cambiarangulo(70);

delay(500);

Anexos


if(ch=='r')

ledPin=0;

cambiarangulo(26);

delay(500);

myservo.detach();

myservo1.detach();

delay(100);

Serial.println("ok2");

void blink()

Serial.println("ok1");

if(blinkDelay <= 1000 && blinkDelay > 0)

tone(ledPin, blinkDelay);

delay(6000);

noTone(ledPin);

else Serial.println("error1");

void cambiarangulo(int angulo)

for (int j=180; j >= 15;j-- )

myservo.write(j);

delay(25);

delay(1000);

myservo1.write(angulo);

delay(2000);

for (int i=15; i <= 180; i++)

myservo.write(i);

delay(30);

Anexos


6.8 ANEXO H. HOJAS TÉCNICAS

LED-DE POTENCIA GT-P03B3440560

Anexos


LED-DE POTENCIA GT-P03G64405240

Anexos


LED-DE POTENCIA GT-P03R14405120

Anexos


LED‐DE POTENCIA GT‐P03Y24405120

sistema fotoacÚstico para la caracterizaciÓn de materiales

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