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SISTEMA OPTOELECTRÓNICO DE MEDICIÓN DE DEFLEXIÓN DE PUENTES
HERNANDO PEÑA TRUJILLO
JULIÁN CAMILO GÓMEZ DÍAZ
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C MAYO 2014
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SISTEMA OPTOELECTRÓNICO DE MEDICIÓN DE DEFLEXIÓN DE PUENTES
HERNANDO PEÑA TRUJILLO
JULIÁN CAMILO GÓMEZ DÍAZ
Trabajo de grado para optar al título de:
Ingeniero Electrónico
Director:
Ing. Camilo A. Otálora Sánchez M. Sc.
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C MAYO 2014
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Contenido 1. INTRODUCCIÓN..................................................................................................................................... 6
2. OBJETIVOS .............................................................................................................................................. 6
2.1. Objetivo general .................................................................................................................................... 6
2.2. Objetivos específicos ............................................................................................................................ 6
3. ESPECIFICACIONES .............................................................................................................................. 6
4. MARCO CONCEPTUAL ......................................................................................................................... 7
4.1. Principio de funcionamiento de un fotodiodo ....................................................................................... 7
4.2. Características generales del sensor y el láser ....................................................................................... 8
4.3. Soluciones alternativas para el problema .............................................................................................. 9
5. DESCRIPCIÓN GENERAL Y DIAGRAMA EN BLOQUES ............................................................... 10
6. DESARROLLO TEÓRICO .................................................................................................................... 11
6.1. Cálculo de parámetros de funcionamiento del sensor ......................................................................... 12
6.2. Selección del microprocesador ............................................................................................................ 15
6.3. Algoritmo para el cálculo de desplazamiento ..................................................................................... 16
6.3.1. Algoritmo de correlación ....................................................................................................... 17
6.3.2. Algoritmo de centro de masa ................................................................................................. 17
6.3.3. Algoritmo de detección de pico ............................................................................................. 18
7. DESARROLLOS .................................................................................................................................... 19
7.1. Fuente láser ......................................................................................................................................... 19
7.2. Alimentación ....................................................................................................................................... 19
7.3. Filtro anti-aliasing .............................................................................................................................. 20
7.4. Temporización..................................................................................................................................... 21
7.4.1. Reloj del sensor .................................................................................................................... 21
7.4.2. Tiempo de integración .......................................................................................................... 22
7.5. ADC .................................................................................................................................................... 22
7.6. Procesamiento ..................................................................................................................................... 23
7.7. Comunicaciones .................................................................................................................................. 24
8. PROTOCOLO DE PRUEBAS ................................................................................................................ 25
8.1. Pruebas básicas de funcionamiento ..................................................................................................... 25
8.2. Pruebas de adquisición de datos .......................................................................................................... 25
8.3. Pruebas de desempeño para determinación del algoritmo................................................................... 26
8.3.1 Pruebas algoritmos con el láser de nivel de línea ................................................................ 26
8.3.2 Pruebas algoritmos con el apuntador láser .......................................................................... 27
8.3.3 Pruebas algoritmos con el láser de HeNe Newport ............................................................. 28
8.4. Pruebas de determinación de especificaciones finales ........................................................................ 29
8.4.1 Láser nivel de línea .............................................................................................................. 30
8.4.2 Apuntador láser ................................................................................................................... 30
8.4.3 Láser HeNe Newport ........................................................................................................... 31
9. ANÁLISIS DE RESULTADOS.............................................................................................................. 32
9.1. Análisis de algoritmos ......................................................................................................................... 32
9.2. Análisis de pruebas de especificaciones .............................................................................................. 33
10. ESPECIFICACIONES FINALES ........................................................................................................... 38
10.1. Diagrama en bloques final .............................................................................................................. 38
10.2. Circuito impreso funcional y esquemático ..................................................................................... 38
10.3. Especificaciones finales .................................................................................................................. 40
11. CONCLUSIONES................................................................................................................................... 41
12. COSTOS Y FUENTES DE FINANCIACIÓN ....................................................................................... 42
13. BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES DE INFORMACIÓN ........................................................................... 43
ANEXOS ............................................................................................................................................................. 43
4
Figuras Figura 1. Representación del problema de instrumentación. ......................................................................... 7
Figura 2. Circuito Equivalente para un Fotodiodo de Silicio ......................................................................... 8
Figura 3. TSL1410R representación física ..................................................................................................... 8
Figura 4. Sensibilidad espectral de los fotodiodos. ........................................................................................ 9
Figura 5. Sistemas usados para medición de deflexión, deflectómetro, LVDT y estación total ..................10
Figura 6. Diagrama en bloques ....................................................................................................................10
Figura 7. Secuencia de medición ..................................................................................................................11
Figura 8. Diagrama funcional. ......................................................................................................................12
Figura 9. Diagrama de tiempos (conexión serial). .......................................................................................13
Figura 10. Diagrama de tiempos operacional. ..............................................................................................13
Figura 11. Conexiones operacionales. .........................................................................................................14
Figura 12. Diagrama de tiempo, sincronismo señales de conversión. ..........................................................16
Figura 13. Algoritmo de correlación cruzada. ..............................................................................................17
Figura 14. Algoritmo de centro de masa. .....................................................................................................18
Figura 15. Algoritmo de detección de pico. .................................................................................................19
Figura 16. Filtro anti-aliasing ......................................................................................................................20
Figura 17. Resultado filtro anti-aliasing ......................................................................................................20
Figura 18. Resultado filtro anti-aliasing aumentado....................................................................................21
Figura 19. Reloj Variable del Sensor ..........................................................................................................21
Figura 20. Generación Señal SI ....................................................................................................................22
Figura 21. Bit de Conversión .......................................................................................................................23
Figura 22. Configuración Transceptor RS-232 ............................................................................................24
Figura 23. Configuración Transceptor RS-485 ............................................................................................24
Figura 24. Herramienta de depuración ICD3. ..............................................................................................25
Figura 25. Perfil del láser de nivel de línea. .................................................................................................26
Figura 26. Perfil del apuntador láser. ...........................................................................................................27
Figura 27. Perfil del láser HeNe Newport. ...................................................................................................28
Figura 28. Montaje mecánico para pruebas..................................................................................................29
Figura 29. Valores absolutos usando detección de pico con láser de nivel de línea. ...................................30
Figura 30. Valores absolutos usando centro de masa con láser de nivel de línea. .......................................30
Figura 31. Valores absolutos usando detección de pico con apuntador láser. .............................................31
Figura 32. Valores absolutos usando centro de masa con apuntador láser...................................................31
Figura 33. Valores absolutos usando detección de pico con láser Newport .................................................31
Figura 34. Valores absolutos usando centro de masa con láser Newport .....................................................32
Figura 35. Variación del desplazamiento medido usando detección de pico y láser de nivel de línea. .......34
Figura 36. Variación del desplazamiento medido usando centro de masa y láser de nivel de línea. ...........34
Figura 37. Variación del desplazamiento medido usando detección de pico y apuntador láser. .................35
Figura 38. Variación del desplazamiento medido usando centro de masa y apuntador láser.......................36
Figura 39. Variación del desplazamiento medido usando detección de pico y láser Newport. ....................36
Figura 40. Variación del desplazamiento medido usando centro de masa y láser Newport. ........................37
Figura 41. Diagrama en bloques final. .........................................................................................................38
Figura 42. Montaje final circuito impreso ....................................................................................................38
Figura 43. Esquemático ................................................................................................................................39
5
Tablas Tabla 1. Descripción de pines del sensor TSL1410R ..................................................................................12
Tabla 2. Tasas de conversión dsPIC30F 10 bit ADC. ..................................................................................16
Tabla 3. Características eléctricas básicas del sensor. ..................................................................................25
Tabla 4. Resultados de los algoritmos con láser de nivel de línea. ..............................................................27
Tabla 5. Resultados de los algoritmos con el apuntador láser. .....................................................................28
Tabla 6. Resultados de los algoritmos con el láser HeNe de Newport. ........................................................29
Tabla 7. Resultados del láser de nivel de línea ............................................................................................32
Tabla 8. Resultados apuntador láser .............................................................................................................32
Tabla 9. Resultados del láser HeNe de Newport ..........................................................................................33
Tabla 10. Valores de referencia del desplazamiento de detección de pico con láser de nivel de línea. .......33
Tabla 11. Valores de referencia del desplazamiento de centro de masa con láser de nivel de línea. ...........34
Tabla 12. Valores de referencia del desplazamiento de detección de pico con el apuntador láser. .............35
Tabla 13. Valores de referencia del desplazamiento de centro de masa con el apuntador láser. .................35
Tabla 14. Valores de referencia del desplazamiento de detección de pico con el láser Newport. ...............36
Tabla 15. Valores de referencia del desplazamiento de centro de masa con el láser Newport. ...................37
Tabla 16. Especificaciones técnicas .............................................................................................................40
Tabla 17. Costos del proyecto ......................................................................................................................42
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1. INTRODUCCIÓN
El siguiente documento recoge la información correspondiente a las etapas del proceso de diseño de un
sistema optoelectrónico para medición de deflexión en puentes viales. Específicamente, la descripción,
parametrización del problema, definición de especificaciones y diseño del instrumento. Este proyecto
se desarrolla como requisito para optar al título de Ingeniero Electrónico de la Pontificia Universidad
Javeriana.
Al terminar la construcción de puentes es necesario desarrollar pruebas de carga, en las cuales se
somete la obra a un peso máximo permitido para corroborar sus especificaciones de diseño. Durante la
prueba se debe medir la deflexión máxima con exactitud, sin embargo, algunos métodos comúnmente
utilizados para realizar esta medición son propensos a errores humanos, además requieren de varias
personas para realizar el procedimiento, poniendo en riesgo la integridad de quienes se encuentren en
la estructura.
La dificultad de esta prueba de carga está relacionada con el montaje de instrumentos, ya que en ciertas
ocasiones la instalación es mecánicamente compleja y requiere de referencias propias de la estructura
para la medición, es decir, niveles o marcas en la estructura que permitan determinar la variación en la
posición. Es por esto que surge la necesidad de crear sistemas que se acoplen fácilmente en las
estructuras y cuyas referencias no se vean afectadas por el comportamiento de la obra. Así mismo, se
desea un instrumento de medición más exacto, fácil de utilizar, que reduzca riesgos, disminuya la
cantidad de personas involucradas en el proceso y realice las mediciones en tiempo real para prevenir
cualquier accidente mediante la toma oportuna de decisiones.
De este modo, el sistema optoelectrónico diseñado consiste, someramente, en un sensor lineal de
fotodiodos capaz de percibir la intensidad de luz a lo largo de éste y un láser que lo excita, lo cual
permitirá determinar la posición exacta donde incide la luz; permitiendo hacer uso del instrumento en
aplicaciones de medición y posicionamiento. Posteriormente, la información obtenida será trasmitida
para que el usuario pueda analizarla.
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo general
Implementar un sistema que mida la deflexión de puentes en tiempo real por medio de un sensor
lineal y un haz de luz láser.
2.2. Objetivos específicos
Garantizar resolución mínima de 2 mm en las mediciones realizadas.
Transmitir los datos recibidos por medio de una interfaz serial como RS485.
Realizar mediciones en tiempo real con una tasa de transferencia mínima de una muestra
por segundo.
3. ESPECIFICACIONES
El problema consiste esencialmente en medir la deflexión de un puente, la cual ocurre verticalmente
cuando éste se somete a carga. Estas deflexiones alcanzan aproximadamente 5 cm cuando la carga es
máxima. Por este motivo, se sugiere una resolución mínima de 2 mm que permita observar los
pequeños cambios en la estructura a medida que se desarrolla la prueba. Además de esto, se decide
7
transmitir los datos a un computador ubicado en un lugar seguro, en donde se pueda monitorizar
constantemente el comportamiento de la obra.
La Figura 1 muestra un escenario de medición en donde se encuentra el láser ubicado en un punto fijo
de referencia. Esta fuente de luz apunta al sistema encargado de medir, que se encuentra acoplado a la
estructura. De esta forma, cuando ocurra la deflexión, el sistema se moverá junto con la estructura y se
podrá determinar el cambio de posición.
4. MARCO CONCEPTUAL
Para dar solución al problema, se usó un sensor con un arreglo lineal de fotodiodos, cuyo rango de
operación es de 8 cm aproximadamente, espacio suficiente para cubrir el desplazamiento que sufre el
puente. Las demás especificaciones físicas del sensor se encuentran en el numeral 4.2.
4.1. Principio de funcionamiento de un fotodiodo
Un fotodiodo es un dispositivo semiconductor que responde a partículas de alta energía y fotones.
El funcionamiento de los fotodiodos se basa en la absorción de fotones o partículas cargadas para
generar un flujo de corriente en un circuito externo, el cual es proporcional a la potencia incidente.
Estos dispositivos pueden ser usados en presencia o ausencia de mínimas cantidades de luz y
pueden ser calibrados para medidas extremadamente exactas, con intensidades menores a 1
pW/ hasta intensidades superiores a 100 mW/ . Además, son utilizados en una gran
cantidad de aplicaciones de espectroscopia, fotografía, instrumentación analítica, sensores ópticos
de posicionamiento, alineamiento de haces, caracterización de superficies, comunicaciones ópticas
e instrumentos de imágenes médicas, entre otros. [ ]
Los fotodiodos de silicio pueden ser representados por una fuente de corriente en paralelo con un
diodo ideal, como se ve en la Figura 2. La fuente de corriente representa la corriente generada por
la radiación incidente, y el diodo representa la juntura P-N. Así mismo, existe una capacitancia
Figura 1. Representación del problema de instrumentación.
8
debida a la juntura ( ) y una resistencia shunt ( ) en paralelo, junto con una resistencia serie
( ) y una resistencia que representa la carga ( ). [ ]
Figura 2. Circuito Equivalente para un Fotodiodo de Silicio [ ]
4.2. Características generales del sensor y el láser
El sensor escogido para llevar a cabo la aplicación deseada y cumplir los requisitos propuestos,
como se dijo anteriormente, es el TSL1410R (Figura 3), fabricado por Texas Advanced
Optoelectronic Solutions (TAOS). Este dispositivo consiste en dos arreglos de 640 fotodiodos,
llamados pixeles, ubicados en un arreglo lineal, los cuales pueden ser usados para formar un
arreglo continuo de 1280x1 pixeles. Además de esto, incluye una función llamada data-hold para
cada pixel, la cual proporciona al sistema de manera simultánea el inicio y el fin de la integración
para cada uno de éstos. Los pixeles miden 63,5 µm por 55,5 µm con un espacio de 63,5 µm de
centro a centro y 8 µm de espacio entre cada uno. Es por estas características que este dispositivo
está ideado para una gran cantidad de aplicaciones que incluyendo detección de pendientes y
posicionamiento, entre otros.[ ]
Figura 3. TSL1410R representación física [ ]
De acuerdo con el principio de funcionamiento de los fotodiodos, la energía lumínica que incide
en un pixel genera una fotocorriente que después es integrada por medio de los circuitos de
integración activos del sensor asociados a cada pixel. Durante el periodo de integración, un
capacitor de muestreo se conecta a la salida del integrador a través de un switch análogo. Así
9
mismo, la cantidad de carga acumulada en cada pixel será proporcional a la intensidad de luz en
ese pixel y el tiempo de integración.[ ]
En cuanto a la fuente de luz necesaria para excitar el sensor se necesita un láser que satisfaga
inicialmente las características del sensor, además debe estar en el rango visible para poder
realizar los ajustes y calibración iniciales. Por esta razón, la luz emitida debe estar alrededor de los
700 nm, ya que no sólo hay una gran variedad de equipos que emiten luz en esta longitud de onda
visible para el ojo humano, sino que también permite una sensibilidad espectral relativa de los
fotodiodos de aproximadamente 90%, tal como se puede observar en la Figura 4.
Figura 4. Sensibilidad espectral de los fotodiodos.[ ]
4.3. Soluciones alternativas para el problema
En los puentes se debe realizar una evaluación estructural para conocer el estado actual de la
estructura o su congruencia con el diseño, la prueba de carga estática hace parte de una serie de
pruebas que conforman dicha evaluación, particularmente esta prueba es aquella en la que se mide
la relación carga-deflexión del puente. La prueba de carga estática se reduce a realizar mediciones
verticales de deflexión sobre el puente antes, durante y después de aplicar una carga conocida en
puntos estratégicos.
Existen diferentes métodos para realizar la medición sobre varios puntos del puente, entre los
cuales se encuentra la utilización de un sistema de cuerdas y transductores conocidos como
LVDTs (Linear Variable Differential Transducers) que permiten detectar cambios diminutos de
cambios de posición sobre el transductor, sin embargo requieren de un montaje de cuerdas preciso
e invasivo sobre la estructura; otro método utilizado para realizar estas mediciones es la
utilización de un sistema de radares y correlación de imágenes digitales para determinar cambios
en la estructura, este requiere de equipos de muy alto desempeño [4] [5]; también existe un
deflectómetro que es un instrumento basado en el principio de la palanca que por medio de
mecánica permite realizar este tipo de mediciones aunque requiere de varias personas para leer y
anotar los resultados, además de coordinar la carga [6]; y los métodos más utilizados consisten en
la medición de deflexiones por medio de un teodolito o su evolución: la estación total de
topografía, estos instrumentos por medio de óptica y niveles de referencia permiten realizar la
medición de deflexión en el puente con precisión de decenas de milímetros, esta forma de
medición puede incurrir en error si el instrumento no está debidamente calibrado, error de lectura
debido a la comparación de escalas y para el caso del teodolito puede existir error de paralaje u
10
apreciación debido a que se no se lee digitalmente [7]. En la Figura 5 se observan las herramientas
usadas en los métodos mencionados.
5. DESCRIPCIÓN GENERAL Y DIAGRAMA EN BLOQUES
A continuación se muestra un diagrama en bloques que representa la estructura global del sistema
propuesto (Figura 6). Como se mencionó anteriormente, el sistema está compuesto, en primer lugar,
por un láser que es el encargado de excitar el sensor con luz visible de color rojo (longitud de onda
entre 620 y 700 nm). Seguido del láser, se encuentra el sensor escogido para la aplicación que
transformará la intensidad lumínica de cada pixel en niveles de voltaje que serán recibidos por un
conversor análogo digital incorporado en un microprocesador, el cual permitirá realizar el
procesamiento de los datos para posteriormente transmitirlos a un computador por medio de una
interfaz serial como RS-485.
Figura 5. Sistemas usados para medición de deflexión, deflectómetro, LVDT y estación total
Interfaz
serial
Micro
procesador Láser
Figura 6. Diagrama en bloques
11
Para aplicaciones de posicionamiento se usa este tipo de sensores que son excitados constantemente
por un láser, si bien la exposición de los pixeles es constante, el sensor debe estar captando la
intensidad de luz sólo por un determinado tiempo para evitar saturación, este tiempo es llamado
tiempo de integración y es determinante para lograr percibir los cambios en la estructura (puente), este
tiempo es controlado por un módulo temporizador del microprocesador.
Pasado el tiempo de integración, el sensor empezará a establecer un voltaje a su salida que
representará la intensidad de luz captada por cada pixel, este voltaje se desplazará 1280 veces,
mientras tanto un conversor análogo digital (ADC) de 10 bits, incluido en el microprocesador
digitalizará la información de cada pixel. Se determina que el ADC incluido en algunos
microprocesadores que muestrea a una tasa de 1000 kmps (kilo muestras por segundo), es
suficientemente rápido para establecer un tiempo de integración que no sature el sensor y permite dar
cumplimiento al objetivo de realizar como mínimo una medición por segundo.
Posteriormente, se procederá a guardar los datos en una memoria externa que se comunicará por el
estándar de comunicaciones SPI (Serial Peripheral Interface) con el microprocesador. Se decide
utilizar una memoria externa debido a que se almacenará la información correspondiente a cada pixel,
es decir, 1280 datos que deberán ser procesados, los cuales pueden llegar a ocupar 2560 bytes
considerando que cada dato tiene tamaño de 10 bits, lo que representa dos posiciones de memoria por
dato. Otra opción para poder almacenar los datos es elegir un microprocesador con una memoria lo
suficientemente grande, siendo esta última la opción escogida.
Una vez se tiene la información almacenada se requiere la ejecución de un algoritmo, el cual deberá
ser desarrollado para poder interpretar los datos obtenidos, es decir, determinar la zona o conjunto de
pixeles donde se produce la mayor intensidad de luz, indicador de que el láser está incidiendo en este
lugar. El resultado de este procesamiento corresponde a la medición que se está realizando y se
transmitirá al computador haciendo uso del módulo UART (Universal Asynchronous Receiver
Transmitter) del microprocesador y una interfaz serial RS-485.
La secuencia de medición se representa a continuación.
Figura 7. Secuencia de medición
6. DESARROLLO TEÓRICO
En este capítulo se exponen los desarrollos correspondientes al cálculo de parámetros de
funcionamiento del sensor para operarlo y capturar los datos de manera correcta. También se incluyen
1. Láser emite luz
2. Temporización
del sensor
3. Captura perfil del láser
4. Cálculo de la posición
5. Transmisión de la medición
12
los criterios de selección del microprocesador utilizado. Por último, los algoritmos propuestos para
realizar la medición de desplazamiento o posicionamiento del haz de luz en el sensor.
6.1. Cálculo de parámetros de funcionamiento del sensor
El proceso de diseño parte de entender el funcionamiento del sensor y las señales que lo controlan.
Inicialmente, es necesario saber que el sensor está compuesto por dos secciones de 640 pixeles
cada una, es por esto que cada una de las señales de control está duplicada para poder controlar
cada una de las secciones por separado.
Tabla 1. Descripción de pines del sensor TSL1410R [2]
Nombre del PIN I/O Descripción
AOx O Salida análoga de la sección x.
CLKx I Reloj de la sección x. Controla la transferencia de carga, la salida de
los pixeles y el reset.
HOLDx I Desplaza el dato de cada pixel a un buffer paralelo, HOLD1
normalmente está conectado a SI1 y a HOLD2 cuando se trabaja en
modo serial.
SIx I Entrada serial. Define el inicio de la secuencia de los datos de salida.
SOx O Salida serial. Proporciona una señal que controla la entrada SI de
otro dispositivo si se quiere conectar en cascada o simplemente es un
indicador de end-of-data.
La secuencia de salida es iniciada cuando se genera un pulso en la entrada SI1, el pulso es
generado simultáneamente en HOLD1 y HOLD2 debido a la conexión física entre estos 3 pines.
Esto causa que los 1280 capacitores de muestreo se desconecten de sus respectivos integradores
(Figura 8), dando inicio al periodo de reset del integrador. Dado que la señal SI está conectada al
registro de desplazamiento, la carga almacenada en los capacitores de muestreo es conectada
secuenciada a un amplificador de carga acoplado (charge-coupled amplifier) que genera un voltaje
en la salida analógica AO.
Figura 8. Diagrama funcional. [2]
13
El periodo de reset del integrador finaliza 18 pulsos de reloj después de que SI recibe el borde de
subida y comienza el periodo de integración como se muestra en el siguiente diagrama de tiempos
(Figura 9).
Figura 9. Diagrama de tiempos (conexión serial). [2]
Al inicio del periodo número 640 del reloj, se genera un pulso en la salida SO1 que sirve como
inicio para la segunda sección del sensor, esto es cuando SO1 y SI2 están físicamente conectados.
Al final de este periodo, la señal SO1 pasa a cero lógico, haciendo que la salida AO1 pase a un
estado de alta impedancia, sucede lo mismo en la segunda sección con las señales SO2 y AO2 en
el periodo 1280. Véase Figura 10.
Figura 10. Diagrama de tiempos operacional. [2]
14
Las conexiones mencionadas anteriormente para poder trabajar en el modo serial del sensor se
pueden ver en la Figura 11.
Figura 11. Conexiones operacionales. [2]
AO es la salida de un amplificador operacional que no necesita de resistencia de pull-down,
además tiene un rango de salida de tierra a fuente (rail-to-rail), típicamente el voltaje en el pin de
salida está dado por la siguiente ecuación.
Donde:
Es la salida de voltaje en el pin AO.
Es el voltaje en condición de oscuridad.
Es la sensibilidad del dispositivo para una longitud de onda dada en V/(µJ/cm2).
Es la radiación incidente en µW/cm2.
Es el tiempo de integración en segundos.
Para poder realizar los cálculos necesarios se asume Ee = 12,5 µW/cm2.
Valor utilizado por el
fabricante en la realización de las pruebas que establecen las características eléctricas del
dispositivo. [2]
Con el objetivo de determinar rangos de operación óptimos para el sensor, se calculan los tiempos
de integración máximos permitidos para evitar saturación del pixel, considerando el máximo valor
de sensibilidad Re suministrado por el fabricante.
15
Dado:
( )
⁄
[2]
( )
Entonces,
( )( )
Este tiempo determina la frecuencia de reloj mínima que deberá usarse en el sensor.
(
) ( ) [2]
Donde:
Es el número de pixeles
Entonces,
( )
( )
6.2. Selección del microprocesador
Al momento de seleccionar el microprocesador es necesario tener presentes una serie de
periféricos con los cuales se debe contar. En primer lugar, un ADC de alto desempeño, el cual
pueda ofrecer una tasa de muestreo lo suficientemente alta para satisfacer los tiempos de
operación del sensor. Como segundo aspecto, es necesario contar con una interfaz de
comunicaciones que permita hacer la transmisión de los datos como se planteó (UART). Un
posible tercer periférico requerido para la aplicación es aquel que permite una comunicación
sencilla con una memoria externa que se necesita para almacenamiento (SPI) y finalmente se
requieren módulos de temporización para realizar el sincronismo del sistema (Timers).
Adicionalmente, el procesador escogido debe ejecutar un algoritmo que permita determinar la
zona del sensor que el láser está excitando. Para realizar esta tarea se proponen tres métodos, el
primero es un algoritmo que evalúa la correlación entre dos grupos de muestras captados antes y
después de la deflexión de la estructura. El segundo, consiste en calcular el centro de masa del
perfil de láser, asumiendo que la distribución de luz sobre el sensor es constante y el centro de
masa representa el punto donde está incidiendo el láser. El último método, es un algoritmo de
detección de pico donde se asume que la distribución del láser presenta un pico bien definido. Por
16
esta razón, se decide escoger un microprocesador de la familia dsPIC30F del fabricante
MICROCHIP, el cual cuenta con instrucciones de un procesador digital de señales que ejecutan
algoritmos complejos rápidamente. Esta arquitectura de 16 bits se ajusta perfectamente para
realizar operaciones con los datos tomados por el ADC que generalmente son de 10 bits. [8]
Esta familia de microprocesadores ofrece un módulo de conversor análogo digital (ADC), capaz
de realizar un proceso de conversión a una velocidad de hasta 1 Msps (Mega Samples Per
Second), sin embargo para lograr este desempeño deben cumplirse las siguientes condiciones:
Tabla 2. Tasas de conversión dsPIC30F 10 bit ADC. [9]
Como se puede observar en la Tabla 2 y ciñéndose a las restricciones, se decide usar un voltaje de
operación de 5 V, el cual está dentro del rango de alimentación de todos los circuitos integrados
que hacen parte del instrumento, adicionalmente se tiene que tener en cuenta el tiempo de
muestreo mínimo y la configuración de los canales de entrada del conversor.
Como se acaba de mencionar, es necesario tener en cuenta los tiempos requeridos para el proceso
de muestreo y conversión del ADC, además de esto, debe existir sincronismo entre las señales de
conversión y los tiempos de adquisición del sensor. Como se puede ver en la Figura 12, la base de
tiempo está determinada por el reloj del conversor (Tad), el cual proviene de la CPU del
microprocesador. De este modo, el tiempo de conversión total (muestreo + conversión) es de 24
Tad, 12 Tad haciendo muestreo y 12 Tad convirtiendo. Lo que define el periodo de reloj del sensor
como 12 Tad.
El inicio de la conversión está dado por la señal de SI, señal que inicia el proceso de salida de los
datos del sensor, sin embargo, antes de iniciar la siguiente toma de datos se debe esperar un
tiempo mínimo de 20 µs que corresponde al tiempo de transferencia de carga de un pixel. Para dar
cumplimiento a este tiempo se usaron los módulos de temporización incluidos en el
microprocesador.
Figura 12. Diagrama de tiempo, sincronismo señales de conversión.
6.3. Algoritmo para el cálculo de desplazamiento
17
Para darle solución al problema del cálculo de desplazamiento de la estructura, es necesario
implementar un algoritmo que permita identificar este suceso, algunos algoritmos utilizados para
este tipo de aplicación fueron implementados y evaluados en los numerales siguientes.
6.3.1. Algoritmo de correlación
Se propone un algoritmo de correlación cruzada entre dos muestras de datos, una muestra de
referencia inicial y sus consecutivas para determinar constantemente la deflexión que se
presenta.
Este algoritmo (Figura 13) se escoge dada su aplicación en la determinación de retardos en
tiempo entre dos señales, analogía que se aplica perfectamente al desplazamiento en el
dominio del espacio. Luego de calcular la correlación cruzada entre los dos grupos de
muestras, el máximo de la función calculada indicará el punto en el espacio en el que las
señales se alinean de la mejor manera, es decir, el desplazamiento que se ha presentado. [10]
La ecuación que representa el algoritmo es:
( )[ ] ∑ [ ] [ ]
6.3.2. Algoritmo de centro de masa
Datos de
referencia Datos actuales
Correlación
cruzada
Detector de
máximo
Desplazamiento
estimado
Figura 13. Algoritmo de correlación cruzada.
18
Del mismo modo como se lleva el concepto de la correlación al dominio del espacio, para el
centro de masa sucede algo similar. El centro de masa es el equivalente de representar una
serie de masas no uniformes en la concentración de una masa puntual. Por esta razón, se
puede decir que el perfil del láser puede ser representado como un solo punto que concentra
toda la energía, en este caso ese punto representa un pixel.
El algoritmo está representado por la siguiente ecuación, la cual hace referencia a un
conjunto de masas puntuales:
∑
∑
El algoritmo se representa en el siguiente diagrama de flujo (Figura 14).
6.3.3. Algoritmo de detección de pico
Este algoritmo, como su nombre lo indica, determina el pixel en el que se produce la mayor
intensidad lumínica. A medida que se reciba un dato se comparará si la intensidad es mayor
o igual que el anterior pico detectado, de modo tal que cuando se reciba la información de
los 1280 pixeles el pico estará dado por el último pixel con mayor intensidad lumínica.
Información suficiente para determinar la posición actual donde incide el láser. El diagrama
de flujo se representa en la Figura 15.
Datos actuales
Centro de masa
Cálculo
Posición Actual
Figura 14. Algoritmo de centro de masa.
19
7. DESARROLLOS
Este capítulo contiene los desarrollos alcanzados para cada una de las partes que componen el sistema.
Así mismo, se incluyen las características básicas del láser, cómo se maneja la alimentación eléctrica
del sistema, el acondicionamiento de la señal, el manejo de los tiempos para la correcta adquisición de
datos, características y modo de operación del convertidor, el procesamiento y la manera en que se
transmiten los datos.
7.1. Fuente láser
Para garantizar las especificaciones de funcionamiento del instrumento, se requiere utilizar una
fuente láser capaz de excitar el sensor con la suficiente potencia según la distancia, ya que si la
señal no es lo suficientemente potente puede confundirse con el piso de ruido. Una potencia
superior a 1,5 mW puede ser suficiente para trabajar a unos 20 m del sistema de medición.
Además de esto, la divergencia del mismo no puede ser muy grande pues a grandes distancias el
perfil del láser puede abarcar todo el ancho del sensor haciendo imposible la medición. Una
divergencia inferior a 1 mrad puede ser suficiente para trabajar a dicha distancia.
7.2. Alimentación
El sistema requiere de dos fuentes de alimentación, una analógica y otra digital. Se desea separar
estas dos fuentes de alimentación con el objetivo de evitar ruido en las señales analógicas causado
por las conmutaciones digitales. Para esto, se decide usar un regulador de voltaje de 3,3 V
(Referencia MCP1825S) que suministra corriente suficiente para energizar los componentes
electrónicos del circuito y que garantiza un voltaje de alimentación estable. La salida del regulador
de voltaje es la fuente de alimentación digital, luego se filtra y se utiliza como fuente de voltaje
analógica. Véase Anexo 1.
Vector[i] > Vector[i-1]
i =1280
i=0
Pico = Vector[i]
Posición = f(pico)
i++ No
No
Si
Si
Figura 15. Algoritmo de detección de pico.
20
7.3. Filtro anti-aliasing
Después de una serie de pruebas, fue necesario incluir un filtro anti-aliasing (Figura 16) antes de
proceder a digitalizar la información ya que se presentaba ruido de alta frecuencia. Además, este
filtro pasa bajos permite suavizar la señal y la transición entre pixeles, lo cual favorece el
procesamiento. Para esta tarea se diseñó un filtro Butterworth de segundo orden con frecuencia de
corte de 300 kHz aproximadamente. Sin embargo, después de poner en funcionamiento dicha
solución fue necesario disminuir la frecuencia de corte a 100 kHz ya que la señal todavía
presentaba picos de alta frecuencia y lo que se pretende es suavizarla lo suficiente para obtener el
perfil de la señal.
El resultado final luego de la implementación del filtro se puede observar en las siguientes
capturas del osciloscopio (Figura 17 y Figura 18). En donde la señal de color naranja corresponde
a la señal luego de pasar por el filtro.
Figura 17. Resultado filtro anti-aliasing
MCP601
Figura 16. Filtro anti-aliasing
21
7.4. Temporización
7.4.1. Reloj del sensor
Para lograr el sincronismo y correcto funcionamiento del sistema, fue necesario generar una
serie de señales desde el procesador. La primera de estas señales es el reloj del sensor, el
cual se definió inicialmente a un valor de 1 MHz, sin embargo, se alcanzaba la saturación de
los fotodiodos en condiciones de poca luz. Para solucionar este problema se propuso
incrementar esta frecuencia, pero esto obligaba a que la velocidad de conversión fuera
superior a la máxima capacidad del convertidor, además a una tasa de conversión de 1 Msps
(Megasamples per second) se obtiene demasiada información que finalmente no podrá ser
leída por el usuario y conlleva a un aumento en el consumo por parte del procesador.
Figura 18. Resultado filtro anti-aliasing aumentado
Figura 19. Reloj Variable del Sensor
22
Dadas las condiciones mencionadas anteriormente, se decidió implementar un reloj variable,
es decir, un reloj de 8 MHz para capturar la luz incidente, seguido de un reloj de 300 kHz
para procesar los datos a una menor velocidad (Figura 19). Esta solución permite trabajar el
sensor a su velocidad máxima, logrando que el tiempo de integración sea el menor posible y
así no saturar los fotodiodos. Así mismo, con el reloj de 300 kHz, se realiza la digitalización
de los datos obtenidos en el ciclo anterior de 8 MHz. Véase Anexo 3.
7.4.2. Tiempo de integración
Como se mencionó anteriormente, el tiempo de integración es un valor determinante que
depende tanto del reloj como de la señal SI de entrada al sensor, por esta razón se decide
generar esta señal teniendo en cuenta el tiempo mínimo para la descarga de los pixeles (20
µs). De este modo, se produce la señal SI cada 1450 pulsos de reloj, sabiendo que el ciclo de
8 MHz es el que contiene la información deseada para digitalizar (Figura 20). Véase Anexo
3. Estos tiempos están dados por la siguiente ecuación.
( )
7.5. ADC
Dado que el reloj decide hacerse variable, no tiene sentido que el convertidor esté
permanentemente en funcionamiento, por esta razón se crea un proceso de encendido y apagado,
Figura 20. Generación Señal SI
1450 pulsos
pulsopulsos
8 MHz
23
el cual corresponde a los ciclos que contienen la información de interés. En otras palabras, el ADC
sólo se enciende durante 1450 periodos del reloj de 300 kHz para digitalizar la información
capturada en el ciclo exactamente anterior que corresponde al periodo de integración. Para realizar
la conversión en los tiempos adecuados, este periférico se sincroniza de manera externa con los
temporizadores empleados para generar el reloj del sensor.
Como se puede observar en la Figura 21, cuando el reloj hace la transición de 8 MHz a 300 kHz
(señal roja), se inicia el periodo de digitalización, donde se realiza una conversión cada 3,33 µs.
Esto se puede observar en la señal de color verde, la cual genera un pulso de reloj cada vez que se
atiende una interrupción por parte del ADC. En esta misma interrupción también se almacena la
información correspondiente a cada pixel. Véase Anexo 3.
7.6. Procesamiento
Una vez los datos son digitalizados, es necesario procesarlos para poder entregar el valor de la
medida. La primera opción para llegar al dato deseado consistía en realizar un algoritmo de
detección de pico y centro de masa, sin embargo, fue necesario mejorar esta opción después de
implementarla, ya que la respuesta era bastante inestable.
Para solucionar el problema de la estabilidad del dato a la salida, se decide hacer un promedio, el
cual consiste en acumular en el vector de salida 30 muestras y después de promediar aplicar el
algoritmo. Sin embargo, todavía la estabilidad del sistema no era la deseada pues la señal a la
entrada del ADC era muy ruidosa.
Finalmente, para terminar de acondicionar la señal y garantizar una mayor estabilidad a la salida,
se implementó un filtro anti-aliasing a la entrada del convertidor, entregando así una señal
suavizada y garantizando una buena resolución. Sin embargo, se deseaba darle un poco más de
robustez a la medida implementando un algoritmo de correlación pero decidió no realizarse pues
Figura 21. Bit de Conversión
24
la resolución de la medida disminuía, ya que para poder realizar este procesamiento era necesario
tomar la mitad de los datos (un pixel de por medio). Véase Anexo 3.
7.7. Comunicaciones
En cuanto a la sección de comunicaciones, se decide usar dos de los periféricos incluidos en el
procesador seleccionado (UART). Véase Anexo 3. El primero de estos se implementa para que
trabaje por medio del protocolo de transmisión y recepción RS-232, haciendo uso de un
transceptor de referencia LTC2802, el cual incluye un convertidor DC-DC que genera los niveles
lógicos de la interfaz. En la Figura 22 se puede observar la configuración escogida.
Por otro lado, se usa la UART2 para realizar comunicaciones por medio de la interfaz RS-485. De
este modo, se cumple con uno de los objetivos propuestos y además permite establecer conexión a
distancias de hasta 1200 m. Así mismo, se usa un transceptor de la empresa Intersil (ISL83070),
el cual se implementa como se puede ver en la Figura 23. Véase Anexo 1.
Figura 22. Configuración Transceptor RS-232
Figura 23. Configuración Transceptor RS-485
25
8. PROTOCOLO DE PRUEBAS
Este capítulo contiene todos los resultados de las pruebas realizadas al instrumento, desde pruebas
básicas de funcionamiento hasta pruebas de desplazamiento rigurosas para determinar las
especificaciones finales del sistema.
8.1. Pruebas básicas de funcionamiento
Antes de empezar a realizar mediciones, es necesario hacer pruebas de funcionamiento básicas
sobre el sensor con el fin de determinar valores prácticos de ciertas características que pueden
producir cambios en los cálculos realizados previamente. Estos valores a medir se muestran en la
siguiente tabla.
Tabla 3. Características eléctricas básicas del sensor.
Parámetro Condiciones
de prueba
Valor
Mínimo Valor Típico
Valor
Máximo Unidades
Vdrk Oscuridad 0 0 0,2 V
Vout Luz día 3 3,2 3,3 V
Vsat Abundante luz 3,2 3,2 3,3 V
Durante estas pruebas se vio la necesidad de realizar un montaje mecánico que oscureciera el
sensor, similar a un túnel, debido a que cuando se somete a condiciones de luz día el voltaje de
salida es cercano al de saturación, dejando un rango de acción muy pequeño.
8.2. Pruebas de adquisición de datos
Para comprobar que el sincronismo controlado por el microprocesador opera de manera adecuada,
es necesario realizar pruebas de funcionamiento en donde se garantice que se están recibiendo
datos del sensor y almacenando correctamente. Se va a utilizar la herramienta de depuración de
MICROCHIP ICD3 (Figura 24) para verificar las conversiones y almacenamiento de los datos
capturados.
Figura 24. Herramienta de depuración ICD3. [11]
Los resultados de los sincronismos, almacenamiento y procesamiento de datos se pueden observar
en la sección 9 de este documento, el cual corresponde a los desarrollos y tiene todas las capturas
26
que se hicieron en el osciloscopio para mostrar el comportamiento de las señales tanto del sensor
como del procesador.
8.3. Pruebas de desempeño para determinación del algoritmo
Se realizaron pruebas con los tres algoritmos propuestos para poder determinar cuál se ajusta
mejor a las necesidades y a las condiciones del sistema. Para estas pruebas se tomaron datos de los
perfiles obtenidos y se procesaron en el computador para luego implementar el algoritmo más
favorable en el procesador. Los datos obtenidos se capturaron realizando un programa que enviaba
la información correspondiente a cada pixel por medio de la interfaz serial del instrumento. Véase
Anexo 5. Cabe aclarar que se hizo un promedio de 30 muestras para garantizar mayor estabilidad
de los datos, además que funciona como filtro para cambios abruptos de alta frecuencia.
Las pruebas se desarrollaron con tres diferentes tipos de láser para poder evaluar el
comportamiento de los algoritmos propuestos ante diferentes fuentes de excitación. Los
algoritmos de centro de masa y detección de pico se realizaron en Excel, mientras que el algoritmo
de correlación se realizó mediante la función xcorr de MATLAB. Véase Anexo 6.
En las Figuras 25, 26 y 27 se ve el perfil de los diferentes láseres utilizados, las gráficas
representan la respuesta de los 1280 pixeles cuando se está apuntado con cada fuente de luz. Los
valores de los ejes se omiten intencionalmente ya que la intención es mostrar únicamente el perfil
del láser sin importar la intensidad o frecuencia de operación del sensor.
8.3.1. Pruebas algoritmos con el láser de nivel de línea
El perfil que se observa a continuación corresponde al láser de nivel de línea ubicado a una
distancia de 1 m y apuntando de frente al sensor. La potencia de este láser es inferior a 1
mW.
Usando una fuente láser con las características que se ven en la Figura 25 se realiza un
desplazamiento aleatorio (en este caso 590 µm) y se calcula el valor del desplazamiento con
los tres diferentes algoritmos 8 veces.
Figura 25. Perfil del láser de nivel de línea.
27
Tabla 4. Resultados de los algoritmos con láser de nivel de línea.
Desplazamiento Detección de Pico (µm)
570,6 570,6 570,6 570,6 570,6 570,6 570,6 570,6
Desplazamiento Correlación Cruzada (µm)
507,2 513,5 570,6 507,2 570,6 570,6 513,5 570,6
Desplazamiento Centro de Masa Sin Ruido (µm)
570,6 633,5 570,6 570,6 443,6 570,6 570,6 570,6
Se aclara que para el algoritmo de centro de masa es necesario eliminar el piso de ruido,
ya que esta señal no es uniforme y por lo tanto el centro de masa de la señal varía de
manera impredecible, lo cual daña la medida.
8.3.2. Pruebas algoritmos con el apuntador láser
El perfil que se muestra en la Figura 26 corresponde al apuntador ubicado a 15 m y de frente
al sensor, donde no satura los fotodiodos. Su potencia de salida es superior a 1 mW.
Con este láser se repite el mismo procedimiento que en el numeral 8.3.1, pero esta vez se
realiza un desplazamiento aleatorio de 1020 µm. Los resultados de este procedimiento se
encuentran consignados en la siguiente tabla.
Figura 26. Perfil del apuntador láser.
28
Tabla 5. Resultados de los algoritmos con el apuntador láser.
Desplazamiento Detección de Pico (µm)
1206,5 1206,5 1206,5 1206,5 1206,5 1270 1270 1270
Desplazamiento Correlación Cruzada (µm)
1270 1270 1270 1270 1270 1270 1270 1270
Desplazamiento Centro de Masa Sin Ruido (µm)
1189,2 1189,2 1184,4 1189,2 1189,2 1189,2 1184,4 1184,4
8.3.3. Pruebas algoritmos con el láser de HeNe Newport
El siguiente es el perfil del láser HeNe Newport ubicado a 17 m, de frente y sin saturar los
fotodiodos. Este láser tiene una potencia de 1.5 mW.
Con una fuente láser de las características que se observan en la Figura 27 se realiza el
mismo procedimiento que en los dos numerales anteriores con un desplazamiento de 770
µm. Se muestran los datos en la tabla a continuación.
Figura 27. Perfil del láser HeNe Newport.
29
Tabla 6. Resultados de los algoritmos con el láser HeNe de Newport.
Desplazamiento Detección de Pico (µm)
317,5 1778 1778 1778 63,5 63,5 1778 1778
Desplazamiento Correlación Cruzada (µm)
507,2 513,5 570,6 507,2 570,6 570,6 513,5 570,6
Desplazamiento Centro de Masa Sin Ruido (µm)
663,2 663,2 663,2 716,3 815,7 815,7 716,3 815,7
8.4. Pruebas de determinación de especificaciones finales
Para las pruebas se escoge un montaje mecánico firme donde se ubica el sistema de medición
(Figura 28) y se acopla un indicador de carátula marca Starrett con una resolución de 0,01 mm, el
cual determina el desplazamiento con precisión. Este proceso de desplazamiento aleatorio es
repetido 40 veces y es comparado posteriormente con la información transmitida al computador
por medio de la interfaz RS485. A continuación se encuentran las gráficas que muestran el
comportamiento de esta prueba para cada uno de los algoritmos. Los datos están consignados en el
Anexo 6.
Figura 28. Montaje mecánico para pruebas.
30
8.4.1. Láser nivel de línea
Se usa un láser de nivel de línea en primer lugar, el cual emite un haz en forma de cruz con
una potencia menor a 1 mW. Este elemento se ubica a 1 m de distancia, garantizando que no
satura los fotodiodos del sensor. Los resultados obtenidos tanto para el algoritmo de
detección de pico como para el centro de masa se muestran a continuación.
Figura 29. Valores absolutos usando detección de pico con láser de nivel de línea.
8.4.2. Apuntador láser
Para la segunda prueba se usa el mismo montaje ya establecido y se cambia de láser por un
apuntador Genius, el cual emite un punto con una potencia mayor a 1 mW. El láser se ubica
a una distancia de aproximadamente 4 m y la señal que se obtiene satura los pixeles. Los
resultados de la prueba para el algoritmo de detección de pico y el del centro de masa se
encuentran en las gráficas de más abajo.
0
200
400
600
800
1000
1200
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
Des
pla
zam
ien
to (
µm
)
Muestras
Indicador
de CarátulaRS485
0
500
1000
1500
2000
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
Des
pla
zam
ien
to (
µm
)
Muestras
Indicador
de CarátulaRS485
Figura 30. Valores absolutos usando centro de masa con láser de nivel de línea.
31
Figura 31. Valores absolutos usando detección de pico con apuntador láser.
Figura 32. Valores absolutos usando centro de masa con apuntador láser.
8.4.3. Láser HeNe Newport
Por último, se realiza la misma prueba con un láser de Helio-Neón del fabricante Newport,
el cual emite una luz con una longitud de onda de 633 nm, con una potencia de 1,5 mW.
Este láser es ubicado aproximadamente a 17 m para no saturar los fotodiodos. La prueba se
realiza tanto con el algoritmo de centro de masa y el de centro de masa. Los resultados de la
prueba se ven a continuación
Figura 33. Valores absolutos usando detección de pico con láser Newport
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Des
pla
zam
ien
to (
µm
)
Muestras
Indicador
de CarátulaRS485
0
500
1000
1500
2000
2500
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
Des
pla
zam
ien
to (
µm
)
Muestras
Indicador de
Carátula
RS485
0
500
1000
1500
2000
2500
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
Des
pla
zam
ien
to (
µm
)
Muestras
Indicador de
Carátula
RS485
32
9. ANÁLISIS DE RESULTADOS
9.1. Análisis de algoritmos
Para las pruebas realizadas en el numeral 8.3 se hizo un análisis de cada algoritmo con las
diferentes fuentes láser para ver cómo era el comportamiento. En la Tabla 7 se puede ver que
usando el láser de nivel de línea desde cerca, los tres algoritmos tienen un comportamiento muy
bueno pues no se alejan mucho del valor deseado (590 µm). Sin embargo, se puede ver en los
datos obtenidos que la estabilidad de la medición con el algoritmo de detección de pico era muy
buena y que los otros dos métodos presentan más variaciones en el dato.
Tabla 7. Resultados del láser de nivel de línea
Valor Promedio
(µm)
Detección
de Pico 570,6
Correlación
Cruzada 540,5
Centro de
Masa 562,6
Cuando se hizo el cambio para usar el apuntador láser a una distancia de 14 m, el algoritmo de
centro de masa fue el que se destacó por sus resultados, pues en promedio se acercó más al valor
deseado de 1020 µm, como se puede ver en la Tabla 8. Además de esto, los datos obtenidos no
tuvieron una variación muy grande.
Tabla 8. Resultados apuntador láser
Valor Promedio
(µm)
Detección
de Pico 1230,3
Correlación
Cruzada 1270,0
Centro de
Masa 1187,4
0
500
1000
1500
2000
2500
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39D
esp
laza
mie
nto
(µ
m)
Muestras
Indicador de
CarátulaRS485
Figura 34. Valores absolutos usando centro de masa con láser Newport
33
Por último, se usó un tercer láser a una distancia de 17 m, el cual incide con menos potencia en el
sistema. Es en esta prueba donde se observa que el algoritmo que presenta un mejor desempeño es
el del centro de masa.
Tabla 9. Resultados del láser HeNe de Newport
Valor Promedio
(µm)
Detección
de Pico 1166,8
Correlación
Cruzada 540,5
Centro de
Masa 733,7
Ya con la información de comportamiento de los algoritmos se procede a implementar los
mismos, sin embargo, el algoritmo de correlación, a pesar de que tiene un buen comportamiento y
es bastante robusto, decide no implementarse en el micro controlador, pues la memoria disponible
no es suficiente ya que es necesario almacenar los 1280 valores para compararlos con los 1280
que llegan y además tener un tercer vector con 2561 posiciones donde almacenar el producto de la
correlación Si se decidiera implementar este algoritmo en la aplicación sería necesario disponer de
un 25% más de memoria de la que tiene el procesador escogido. Por esta razón se decide
implementar los otros dos algoritmos y realizarles pruebas más exhaustivas para así determinar
finalmente cuál se va a usar y garantizar cierto comportamiento.
9.2. Análisis de pruebas de especificaciones
Para determinar las especificaciones del instrumento se decidió implementar en el micro
controlador tanto el algoritmo de detección de pico como el de centro de masa para hacerles una
serie de pruebas exhaustivas como se ve en el numeral 8.4.
Para el primer láser se puede ver que el algoritmo de detección de pico funciona bastante bien
pues a pesar de que hay dos medidas que se encuentran lejanas al valor teórico y al error medio
(Figura 35), el promedio de error de la medición es 54,9 µm, valor que corresponde a menos de un
pixel, el cual según el fabricante mide 63,5 µm.
Tabla 10. Valores de referencia del desplazamiento de detección de pico con láser de nivel de línea.
DESPLAZAMIENTO
(µm)
Diferencia
Promedio
Diferencia
Máxima
Diferencia
Mínima
54,87 430 0
34
Figura 35. Variación del desplazamiento medido usando detección de pico y láser de nivel de línea.
En cuanto al algoritmo del centro de masa también se puede ver que tiene una respuesta muy
favorable, ya que se puede ver en la Figura 36 que hay ciertos valores en los que se aleja del error
medio, sin embargo el error máximo no supera los 220 µm (aproximadamente 3 pixeles). Además
de esto, la diferencia promedio con el valor medido del desplazamiento es de 54, 1 µm, valor
inferior a un pixel del sensor.
Tabla 11. Valores de referencia del desplazamiento de centro de masa con láser de nivel de línea.
DESPLAZAMIENTO
(µm)
Diferencia
Promedio
Diferencia
Máxima
Diferencia
Mínima
54,10 220 0
Figura 36. Variación del desplazamiento medido usando centro de masa y láser de nivel de línea.
0
100
200
300
400
500
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
Des
pla
zam
ien
to (
µm
)
Muestras
Diferencia
Diferencia Promedio
0
50
100
150
200
250
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
Des
pla
zam
ien
to (
µm
)
Muestras
Diferencia
Diferencia Promedio
35
Cuando se cambió la fuente de excitación por el apuntador láser, la tendencia del algoritmo de
detección de pico fue buena, tal como lo muestra la Figura 37 pues a pesar de que hay varios
resultados que se alejan del valor de la medida, la máxima diferencia no superó los 80 µm. Así
mismo, el promedio del error es de 31,54 µm, valor que corresponde prácticamente a la mitad de
un pixel.
Tabla 12. Valores de referencia del desplazamiento de detección de pico con el apuntador láser.
DESPLAZAMIENTO
(µm)
Diferencia
Promedio
Diferencia
Máxima
Diferencia
Mínima
31,54 80 0
Figura 37. Variación del desplazamiento medido usando detección de pico y apuntador láser.
En cuanto al algoritmo de centro de masa, se puede ver que con el apuntador láser tiene un
comportamiento similar a la detección de pico pues en la Figura 38 y en la Tabla 13 se puede ver
que el error máximo y el error promedio son similares.
Tabla 13. Valores de referencia del desplazamiento de centro de masa con el apuntador láser.
DESPLAZAMIENTO
(µm)
Diferencia
Promedio
Diferencia
Máxima
Diferencia
Mínima
34,1025641 100 0
0
20
40
60
80
100
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
Des
pla
zam
ien
to (
µm
)
Muestras
Diferencia
Diferencia Promedio
36
Figura 38. Variación del desplazamiento medido usando centro de masa y apuntador láser.
En las pruebas para el último láser, hubo una situación particular. El algoritmo de detección de
pico no percibía cambios inferiores a 1 mm, razón por la cual se tomaron menos datos pues con
esta prueba se comprobó que no era el más apto para la aplicación. De este modo, se puede ver en
la Figura 39 la tendencia de las mediciones, las cuales ponen en evidencia el problema que
presenta el algoritmo.
Tabla 14. Valores de referencia del desplazamiento de detección de pico con el láser Newport.
DESPLAZAMIENTO
(µm)
Diferencia
Promedio
Diferencia
Máxima
Diferencia
Mínima
1184 2130 50
Figura 39. Variación del desplazamiento medido usando detección de pico y láser Newport.
0
20
40
60
80
100
120
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
Des
pla
zam
ien
to (
µm
)
Muestras
Diferencia
Diferencia Promedio
0
500
1000
1500
2000
2500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Des
pla
zam
ien
to (
µm
)
Muestras
Diferencia
Diferencia Promedio
37
Por último, se hizo la misma prueba usando el algoritmo de centro de masa, que a pesar de tener
variaciones al momento de entregar el dato de aproximadamente 200 µm, puede percibir cambios
de posición muy pequeños con un error promedio de 99,4 µm (un poco menos de 2 pixeles).
Tabla 15. Valores de referencia del desplazamiento de centro de masa con el láser Newport.
DESPLAZAMIENTO
(µm)
Diferencia
Promedio
Diferencia
Máxima
Diferencia
Mínima
99,4871795 320 0
Figura 40. Variación del desplazamiento medido usando centro de masa y láser Newport.
El análisis de estas pruebas permitió tomar la decisión de cuál era el algoritmo adecuado para la
aplicación pues cuando el algoritmo de detección de pico dejó de responder, la propuesta del
centro de masa funcionó muy bien y permitió extraer la información necesaria para determinar la
resolución del sistema.
0
20
40
60
80
100
120
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
Des
pla
zam
ien
to (
µm
)
Muestras
Diferencia
Diferencia Promedio
38
10. ESPECIFICACIONES FINALES
10.1. Diagrama en bloques final
En la Figura 41 se puede observar el diagrama de bloques final del sistema después de que se
implementó, se aprobó y se definió como definitivo.
10.2. Circuito impreso funcional y esquemático
En la siguiente figura se muestra el montaje final del circuito impreso.
Figura 42. Montaje final circuito impreso
Transceptores RS-
232 y RS-485
dsPIC30F6010
A
Temporización Procesamiento
Comunicaciones ADC
Alimentación
Filtro anti-aliasing
Láser
Figura 41. Diagrama en bloques final.
39
Figura 43. Esquemático
40
10.3. Especificaciones finales
Tabla 16. Especificaciones técnicas
Especificaciones
Parámetro Valor Unidad
Resolución 190,5 µm
Error 63,5 µm
Tasa de transferencia 10 datos/s
Especificaciones de ambiente semiconductores (fabricante)
Parámetro Valor Unidad
Temperatura de trabajo 0~60 °C
Temperatura de almacenamiento -25~85 °C
Especificaciones mecánicas
Parámetro Valor Unidad
Dimensiones 10x3x15 cm
Peso 207 g
Especificaciones eléctricas
Parámetro Valor Unidad
Voltaje mínimo de alimentación 3,7 V
Voltaje máximo de alimentación 6 V
Consumo promedio 150 mA
41
11. CONCLUSIONES
Se diseñó hardware pequeño, confiable, robusto y optimizado para una aplicación de posicionamiento,
enmarcada en medición de pruebas de carga en puentes. El instrumento cumplió con los objetivos
propuestos, realiza mediciones con resolución aproximada de 200 µm y transmite datos en tiempo real a
un computador por la interfaz RS485 a distancias de hasta 1200 m.
Se comprueba la viabilidad del método y se concluye que es un instrumento confiable para realizar
mediciones de deflexión, dada la resolución alcanzada y la estabilidad en el tiempo. Por otro lado, un
aspecto determinante en la solución planteada es el tipo de láser que se utiliza, pues los algoritmos
responden diferente dependiendo del láser, el ángulo de incidencia y la distancia a la que se encuentre.
Adicionalmente, se recomienda tener un láser con un perfil gaussiano, dispersión inferior a 1 mrad y
potencia superior a 1,5 mW, ya que por las pruebas realizadas, este tipo de láser no presenta diferencias
cuando se apunta con algún grado de inclinación hacía el sensor.
Durante las pruebas realizadas, existió una constante dificultad para apuntar con precisión el láser a largas
distancias, problema que fue resuelto con un trípode y una mira de nivel óptico. Adicionalmente, es
complicado encontrar la manera de realizar desplazamientos del orden de micrómetros para evaluar el
desempeño del instrumento y poder comparar los resultados con un instrumento de mayor resolución. Esto
requirió de un montaje mecánico especial, que a pesar de ser una solución sigue siendo propenso a
disturbios externos.
En cuanto a la resolución del instrumento, puede llegar a ser no deseable considerando que la vibración
natural de este tipo de estructuras puede ser de este orden de magnitud o incluso mayor. Cabe aclarar que
no se realizaron pruebas de campo en puentes, pruebas que se podrían realizar en un futuro para evaluar el
desempeño del instrumento en condiciones de humedad, temperaturas altas y bajas, polvo, entre otras.
Pensando en mejoras del instrumento, algunos aspectos podrían optimizarse, como por ejemplo la
comunicación inalámbrica, el consumo de corriente puede mejorarse para utilizarse con baterías, ajuste de
parámetros del instrumento, como tiempo de integración, tasa de transferencia o ajuste del cero absoluto
para realizar medidas relativas, y también desarrollo de una interfaz gráfica o panel de visualización que
suprima la necesidad de un computador.
42
12. COSTOS Y FUENTES DE FINANCIACIÓN
En la siguiente tabla se muestra el costo aproximado para desarrollar el proyecto. Se aclara que la
fuente de financiación es propia.
Tabla 17. Costos del proyecto
Recurso Cantidad Costo Unitario Costo Total
Alquiler de equipo (1)
Computador 1 $ 320.000 $ 320.000
Osciloscopio 1 $ 400.000 $ 400.000
Fuente de voltaje 1 $ 120.000 $ 120.000
Multímetro digital 1 $ 80.000 $ 80.000
Estación de soldadura 1 $ 120.000 $ 120.000
Herramienta de depuración 1 $ 50.000 $ 50.000
Sub total $ 1.090.000
Insumos y materiales (2)
Sensor TSL1410R 1 $ 70.000 $ 70.000
Módulo Láser @ 640 nm 1 $ 200.000 $ 200.000
Memoria SPI 1 $ 2.000 $ 2.000
Microprocesador 1 $ 7.000 $ 7.000
Drivers RS-232 y RS-485 2 $ 6.000 $ 12.000
Componentes electrónicos
varios 1
$ 30.000 $ 30.000
Circuito impreso 1 $ 80.000 $ 80.000
Sub total $ 401.000
Software (3)
MPLAB X IDE (Freeware) 1 $ - $ -
Eagle CADsoft Free Edition 1 $ - $ -
Sub total $ -
Recursos humanos (4)
Horas ingeniero asesor 40 $ 80.000 $ 3.200.000
Horas de trabajo 360 $ 35.000 $ 12.600.000
Sub total $ 15.800.000
Total $ 17.291.000
(1) Costo asociado al alquiler de equipos proporcionados por el laboratorio de electrónica de la
Pontificia Universidad Javeriana.
(2) Costo de los circuitos integrados y componentes electrónicos requeridos para el montaje del
hardware del sistema.
(3) Software utilizado para el diseño del circuito impreso del hardware (Eagle CADsoft) y
programación del microprocesador (MPLAB X IDE).
(4) Valor estimado de las horas dedicadas para el desarrollo del proyecto, se incluyen las horas de
asesoría brindadas por el director del trabajo de grado y las horas de trabajo de sus
desarrolladores.
43
13. BIBLIOGRAFÍA Y FUENTES DE INFORMACIÓN
[1] OSI Optoelectronics. “Photodiode Characteristics and Applications”. [En Línea] Disponible:
http://www.osioptoelectronics.com/application-notes/AN-Photodiode-Parameters-Characteristics.pdf.
Consultado en septiembre 2013
[2] TAOS. “TSL1410R: 1280x1 Linear Sensor Array with Hold Datasheet”. [En Línea] Disponible:
www.taosinc.com/getfile.aspx?type=press&file=tsl1410r-e29.pdf. Consultado en agosto 2013
[3] HAMAMTSU. “Photodiode Technical Information”. [En Línea] Disponible:
http://educypedia.karadimov.info/library/photodiode_technical_information.pdf. Consultado en
septiembre 2013
[4] Attanyake U., Tag P., Servi A., Aktan H. “Non-Contact Bridge Deflection Measurement:
Application of Laser Technology”. Western Michigan University. Conferencia ICSECM 2011, Sri
Lanka
[5] Kuras P., Owerko T., Ortyl L., Kocierz R., Kohut P., Holak K., Krupiski K. “Comparison of
Methods for Measuring Deflection and Vibration of Brigdes”. Department of Engineering Surveying
and Civil Engineering, AGH University of Science and Technology.
[6] Facultad de Ingeniería Universidad de La Plata. “Medición de Deflexiones Viga de Benkelman”.
[En Línea] Disponible:
http://www.ing.unlp.edu.ar/constr/c2/apuntes/Caminos%20II%20%20Medicion%20de%20deflexione
s%20Viga%20Benkelman.pdf. Consultado en enero 2014
[7] Ángel María Sánchez Pérez. “Fundamentos de metrología” Sección de Publicaciones de la
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica de Madrid.
[8] Teodorescu Max. “How to Choose a Microcontroller?” Hearst Electronic Products. [En Línea]
Disponible:
http://www.electronicproducts.com/Digital_ICs/Microprocessors_Microcontrollers_DSPs/How_to_C
hoose_a_Microcontroller.aspx. Consultado en enero 2014
[9] Microchip Technology Inc. “dsPIC30F Family Reference Manual” [En Línea] Disponible:
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70046D.pdf. Consultado en febrero 2014
[10] Chu-Xiong Ding; Jing Bai, "Peak position estimation algorithms for cross-correlation function in
elastography" Engineering in Medicine and Biology Society, 1998. Proceedings of the 20th Annual
International Conference of the IEEE.
[11] Microchip Technology Inc. “MPLAB ICD 3 In-Circuit Debugger” [En Línea] Disponible:
http://www.microchip.com/Developmenttools/ProductDetails.aspx?PartNO=DV164035. Consultado
en febrero 2014
ANEXOS
Anexo 1: Esquemático.
Anexo 2: PCB.
Anexo 3: Código fuente algoritmos centro de masa y detección de pico.
Anexo 4: Código fuente captura de datos y gráficas en MATLAB.
Anexo 5: Código fuente captura de datos de perfil del láser.
Anexo 6: Evaluación algoritmos Excel y estabilidad de los perfiles.