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Timestamp: 2017-02-27 05:17:24+00:00

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Escuela de Ingeniería Civil en Obras Civiles
“DISEÑO DE UN ACELERÓMETRO UTILIZANDO TECNOLOGÍA DE NAVEGACIÓN ÓPTICA A PARTIR DE UN MOUSE PARA COMPUTADOR”
Tesis para optar al título de: Ingeniero Civil en Obras Civiles
Profesor Patrocinante: Sr. Adolfo R. Castro Bustamante. Ingeniero Civil. M.Sc. en Ingeniería. Civil. Especialidad Estructuras.
CARLOS ALBERTO MONCADA DELGADO VALDIVIA -CHILE 2008
Quiero mencionar a algunas personas que hicieron posible que este trabajo haya tenido el rumbo y el resultado esperado. Al director del instituto de Obras Civiles Sr: Luis Collarte quien confió en el proyecto y canalizo apoyo económico para su realización, a Carlos Stange Ingeniero Civil Informático de la Universidad Austral quien desarrollo el software que complementa esta investigación y compartió conocimientos.
Resumen Resumen Técnico Summary
1.1 Introducción 1.2 Estado de la técnica 1.3 Planteamiento del problema 1.4 Hipótesis 1.5 Objetivos 1.6 Variables e indicadores 1 2 3 3 3 4
2.1 Vibraciones Mecánicas 2.1.1 Vibraciones Libres 2.1.2 Vibraciones Forzadas 2.2 Análisis Dinámico 2.2.1 Características esenciales de las solicitaciones dinámicas 2.2.2 Tipos de solicitaciones 2.2.2.1 Solicitaciones para acelerómetros de baja frecuencia 2.2.2.2 Solicitaciones para acelerómetros de alta frecuencia 2.2.3 Vibradores de un grado de libertad 2.2.4 Periodo propio de vibración 2.2.4.1 Método de Rayleight 2.2.5 Efecto de la aceleración gravitacional 5 6 7 8 8 8 10 11 12 12 13 14
2.2.6 Vibración amortiguada 2.2.6.1 Tipos de amortiguamiento 2.2.6.2 Tipos de amortiguadores 2.2.7 Ecuación de movimiento del vibrador libre amortiguado 2.2.7.1 Amortiguamiento crítico 2.2.7.2 Sistema Sobreamortiguado 2.2.7.3 Sistema Sub Amortiguado 2.2.7.4 Decremento Logarítmico 2.2.8 Vibración forzada
15 15 16 17 17 19 19 21 22
3.1 Introducción 3.2 Transductores de vibración 3.3 Características fundamentales de un acelerómetro 3.3.1 Sensibilidad 3.3.2 Resolución 3.3.3 Sensibilidad Transversal 3.3.4 Linealidad de la amplitud 3.3.5 Linealidad de la frecuencia 3.3.6 Limite de baja frecuencia 3.3.7 Limite de alta frecuencia 3.3.8 Efectos ambientales 3.3.9 Propiedades físicas 3.4 Funcionamiento de mouse como transductor 3.4.1 Características del transductor 3.4.2 Teoría de la operación 3.4.3 Funcionamiento de los chips CMOS y CCD 3.4.4 El transductor HDNS-2000 como odómetro 3.4.5 El transductor ADNS-2610 como cámara digital y scanner 26 27 28 28 28 29 29 30 31 31 32 34 35 36 37 44 45 45
Diseño del acelerómetro
4.1 Introducción 4.2 Sensor 4.2.1 Características de los sensores 4.2.2 Sensor de viga en volado 4.2.3 Sistema de amplificación de desplazamientos 4.2.4 Características del modelo experimental 4.3 Software controlador de dispositivo 4.3.1 Elaboración del software 4.3.2 Operación del software 47 48 48 48 50 55 59 59 60
5.1 Ensayo de determinación de error 5.2 Ensayo de determinación de frecuencia propia 5.3 Ensayo de determinación de amortiguamiento 5.4 Ensayo de determinación de sensibilidad 5.4.1 Ensayo de sensibilidad transversal 5.5 Ensayo de determinación de resolución 64 66 67 67 69 72
6.1 Introducción 6.2 Conclusiones 6.3 Trabajo futuro 6.4 Aplicaciones Bibliografía Anexos 78 81 84 85 86 88
Figura Nº1 Sismógrafo analógico Figura Nº2 Acelerómetro experimental Figura Nº3 Sismógrafo de Zhang Heng Figura Nº4 Acelerograma del terremoto de Kermadec Figura Nº5 Sensor en donde se aprecia la acción de la gravedad Figura Nº6 Amortiguamiento Critico Figura Nº7 Sistema Sub amortiguado Figura Nº8 Decremento logarítmico Figura Nº9 Diagrama vectorial rotatorio Figura Nº10 Amplificación dinámica Figura Nº11 Angulo de desfase Figura Nº12 Secuencia de funcionamiento del acelerómetro óptico propuesto Figura Nª13 Sensibilidad transversal Figura Nª14 Linealidad de la amplitud Figura Nª15 Limites de trabajo de un transductor Figura Nª16 Mouse Apple Figura Nª17 Mouse Genius utilizado en el modelo experimental Figura Nª18 Funcionamiento del Mouse, Imágenes continuas. Figura Nª19 Transductor Genius, Elevación Figura Nª20 Especificaciones principales del transductor Figura Nª21 Especificaciones generales del transductor Figura Nª22 Diagrama de bloque Figura Nª23 Tiempo de encendido Figura Nª24 Error lineal del transductor @1500fps Figura Nª25 Resolución v/s z Figura Nª26 Resolución v/s velocidad Figura Nª27 Mouse Agilent
6 6 7 10 14 18 20 21 22 24 25 27 29 30 32 35 35 37 37 38 39 40 41 41 41 42 42
Figura Nª28 Registro SQUAL (Surface Quality) Figura Nª29 Chip CCD Figura Nª30 Chip CMOS Figura Nª31 Chip CMOS, Vista microscópica Figura Nª32 Función Scanner Figura Nª33 Función Cámara Figura Nª34 Sensor de viga empotrada con amortiguamiento viscoso Figura Nª35 Rotula libre Figura Nª36 Rotula fija Figura Nª37 Diagrama sistema de amplificación Figura Nª38 Elevación acelerómetro (sin escala) Figura Nª39 Cortes acelerómetro (sin escala) Figura Nª40 Modelo acelerómetro 3D Figura Nª41 Foto de viga durante su fabricación Figura Nª42 Configuración de Windows Figura Nª43 Dispersión de la tabla Nº3 Figura Nª44 Dispersión de la tabla Nº 4
43 44 44 45 46 46 49 50 51 52 53 54 55 57 62 64 65
Figura Nª45 Acelerograma equipo experimental para obtener la sensibilidad transversal en X 70 Figura Nª46 Acelerograma equipo experimental para obtener la sensibilidad transversal en Y 71 Figura Nª47 Acelerograma equipo experimental para obtener el periodo propio y el grado de Amortiguamiento 1 Figura Nª48 Acelerograma equipo experimental para obtener el periodo propio y el grado de Amortiguamiento 2 Figura Nª49 Acelerograma equipo experimental para obtener el periodo propio y el grado de Amortiguamiento 3 Figura Nª50 Acelerograma equipo experimental para obtener el periodo propio y el grado de Amortiguamiento 4 Figura Nº51 Grafica de amplificación dinámica del acelerómetro Figura Nº52 Grafica de ángulo de desfase FI del acelerómetro 75 76 77 74 73 72
Tabla Nº1 Clasificación extraída del catalogo de acelerómetros Wilcoxon Tabla Nº2 Registro de aceleraciones Tabla Nº3 Desviación y error del sensor en X Tabla Nº4 Desviación y error del sensor en Y Tabla Nº5 Periodo propio Criterio 1 Tabla Nº6 Periodo propio criterio 2 Tabla Nº7 Grado de amortiguamiento Tabla Nº8 Sensibilidad con el método de inclinación @1600dpi Tabla Nº9 Sensibilidad con el método de la evaluación de la gravedad @1600dpi Tabla Nº10 Sensibilidad con el método de inclinación @800dpi Tabla Nº11 Sensibilidad con el método de la evaluación de la gravedad @800dpi Tabla Nº12 Sensibilidad transversal en X Tabla Nº13 Sensibilidad transversal en Y Tabla Nº14 Especificaciones del acelerómetro Tabla Nº15 Tabla de comparación
9 61 64 64 66 66 67 67 68 68 69 69 71 80 82
Contenido Anexo 1 Especificaciones de acelerómetros Wilcoxon Anexo 2 Especificaciones generales acelerómetro Wilcoxon 993B Anexo 3 Planilla para tratamiento de datos de aceleraciones Anexo 4 Archivo estándar de aceleración Anexo 5 Código Software Acelerómetro V1 Pág. 88 89 90 91 93
Se ha desarrollado un acelerómetro que opera en dos ejes de manera simultánea (vector aceleración) utilizando como elemento transductor el sensor óptico CMOS de un mouse para ordenador con un error lineal de lectura de 0.4% y una velocidad de muestreo de 1/10000seg. El equipo consiste en un sensor de viga en volado con un plomo en su extremo, la lectura se realiza sobre una cartulina reciclada solidaria a la viga, el sistema de amortiguamiento es de tipo viscoso. En la actualidad el mercado de acelerómetros se compone principalmente de transductores piezoeléctricos, piezorresistivos, ópticos, interferómetros de fibra óptica y capacitivos. Los equipos piezorresistivos y piezoeléctricos sufren de sensibilidad a la temperatura, debiendo incorporar compensadores y reguladores de esta. Los acelerómetros capacitivos no son dependientes de la temperatura sin embargo tienen muchos problemas con interferencia magnética. Los acelerómetros que operan con sensor óptico son inmunes a la temperatura y al calor. Los sensores de navegación óptica desarrollado por Agilent incorporados en los mouse operan entre -15 y 55ºc sin experimentar interferencias magnéticas. Dentro de las ventajas de utilizar este transductor se encuentra el bajo costo, la conectividad y lo avanzado de la técnica utilizada, debido a la importancia y crecimiento del mercado para el cual se ha desarrollado. El equipo se complementa con un Software controlador, y tiene el mismo soporte Plug & Play de los mouse convencionales. Una vez evaluadas las características del acelerómetro experimental es posible afirmar que el equipo posee algunas características superiores a los equipos con los que se comparó, destacan la velocidad de muestreo y la conectividad, en otras características importantes en muy inferior como por ejemplo sensibilidad, tamaño y rango de operación reducido. El equipo experimental puede ser optimizado mediante manufactura profesional y un nuevo diseño evolucionado del modelo experimental, esto le conferirá condiciones para ser utilizado y comercializado.
Summary “Design of an accelerometer using optical navigation technology from a computer mouse to”
It has developed an accelerometer that operates on two axes simultaneously (vector acceleration) used as the sensor element transducer CMOS optical mouse to a computer with an error linear reading of 0.4% and a sampling rate of 1/10000seg. The team consists of a sensor beam flown in with a lead at the end, the reading is done on a recycled cardboard solidarity to the beam, the system is a viscous damping. At present the market for accelerometers consists mainly of piezoelectric transducers, piezorresistivos, optical, fiber optic interferometers and capacitive. The teams piezorresistivos and piezoelectric suffer sensitivity to temperature, and must incorporate this compensators and regulators. The capacitive accelerometers are not dependent on temperature, however, have many problems with magnetic interference. The accelerometers that operate with optical sensor is immune to temperature and heat. The optical navigation sensors developed by Agilent embedded in the mouse operate between -15 and 55 ° C with no magnetic interference. Among the advantages of using this transducer is the low cost, connectivity and the lateness of the technique used, because of the importance and growth of the market for which has been developed. The team is complemented with a software driver, and has the same support Plug & Play of the conventional mouse. Once evaluated the characteristics of accelerometer pilot it can be said that the team has some characteristics superior to the teams with which they compared, highlighting the speed sampling and connectivity, in other very important features such as lower sensitivity, size and reduced operating range. The experimental equipment can be optimized through professional and manufacturing a new design evolved from experimental model, it does confer conditions to be used and marketed.
El resumen técnico se utiliza como apoyo al resumen y presenta las características del equipo algo más detalladas, con datos técnicos que posibilitan una visión resumida del desarrollo del instrumento y su fundamentación. (Este resumen ha sido elaborado con la finalidad de conseguir aportes de empresas de la zona para financiar la ampliación del proyecto) Un mouse para computador, se puede considerar como una herramienta con tecnología de punta, estos equipos periféricos han desarrollado sus cualidades explosivamente con la finalidad de satisfacer mercados cada vez más amplios y exigentes a precios muy competitivos. La electrónica incorporada con microprocesador ofrece un transductor flexible con una variedad de prestaciones (Palacín. et al., 2005). El mouse envía al computador información precisa sobre la velocidad del desplazamiento de su base con una frecuencia de 10.000 datos en un segundo1. Esta precisión junto a un diseño adecuado y un software le podrían permitir convertirse en un sistema de bajo costo. En la actualidad existen una variada gama de acelerómetros ópticos basados en foto sensores de gran precisión. Podemos encontrar publicaciones sobre diseño de acelerómetros biaxiales de fibra óptica, utilizando como elemento sensible una viga en voladizo (Dinev p., 1996). Basados en el mismo principio elaboramos un acelerómetro que detecta el desplazamiento de una masa en el extremo de una viga en voladizo utilizando una fotografía del reflejo de un LED (light-emitting diode) sobre una superficie reflejada en un sensor CMOS (complimentary metal-oxide semiconductor) el cual envía las imágenes a un DSP (digital signal processor) o microprocesador para un análisis de 18 millones de instrucciones por segundo. El proceso descrito corresponde al funcionamiento de un mouse óptico y la tecnología involucrada se denomina “Navegación Óptica”.
Un software toma los datos enviados por el microprocesador y lo identifica como un acelerómetro, posteriormente entrega los datos de la velocidad instantánea en una hoja de excel, posteriormente mediante un proceso matemático se deduce el valor del desplazamiento de la masa:
= velocidad instantánea y
el desplazamiento en (t,t+1).
Valores entregados por el software diseñado para este estudio
Fig. 1: Acelerómetro biaxial laser 1600DPI elaborado con una viga en voladizo Fig. 2: Acelerómetro mono axial de 800DPI
El sensor del mouse graba el desplazamiento de la masa que vibra por efecto de las excitaciones recibidas desde su base. El sensor es capaz de registrar la velocidad en 2 dimensiones simultáneamente. Las ecuaciones dinámicas que rigen el movimiento de la masa sísmicason dependientes de la masa (m), la rigidez (k) y el amortiguamiento (c) del sistema vibratorio, teniendo el vector D=(x,y) como desplazamientos y como la aceleración que se desea medir.
El valor de la aceleración se obtiene del análisis de dos variables: La amplificación dinámica desfase en el tiempo de respuesta del vibrador.
En la ecuación 2 se aprecia que la aceleración es igual al desplazamiento de la masa por un factor de escala , una función no lineal y un retraso en el tiempo . La no linealidad de se transforma
en el problema y la solución consiste en hacerla lineal por partes. Por ejemplo para amortiguamientos de 68% del critico la ecuación es cuasi lineal e igual a 1 para 0<r<0.6 según Paz M, (1991) y Clough R., (1995).
Se ha diseñado un software para Windows, que toma los datos justo después de que el OS (Operative System) reconoce el dispositivo como un mouse. Esto significa que podemos conectar un mouse Bluetooth, por ejemplo, y convertirlo en un dispositivo inalámbrico.
Fig. 3(izquierda): Pantalla de selección de mouse para ser reconocido como acelerómetro Fig. 4: Acelerográma arbitrario registrado por el equipo de la Figura 2
El software entrega una grafica en tiempo real y guarda en un archivo CSV (Formato compatible con Excel) los datos de la fecha, hora, segundos, y (velocidad en los ejes de lectura). Luego se integra numéricamente y se obtiene el acelerográma definitivo.
3 2 1 0 3.344 3.5471 3.6724 3.8135 3.984 4.0782 4.2342 4.3754 4.5313 4.6095 4.7346 4.8597 5.047 5.1721 5.2814 5.4692
Fig. 5(izquierda): Acelerográma de la vibración libre del acelerómetro de la figura 2 después de una excitación inicial. Fig. 6: Rango de trabajo de equipo experimental.
De este grafico obtenemos los rangos de frecuencia de trabajo del instrumento. También es posible medir la sensibilidad de lectura.
Los acelerómetros en la actualidad, son utilizados en variadas disciplinas, la diferenciación principal entre uno y otro tiene que ver con el rango de operación de frecuencias del instrumento, la que esta condicionada por su periodo propio. Otras diferenciaciones importantes son la sensibilidad, la susceptibilidad a la temperatura y a campos magnéticos. La tecnología utilizada en la gran mayoría de los instrumentos comercializados en la actualidad corresponde a acelerómetros de transductor piezoeléctrico y cuerpo a cizallamiento (Eller. et al., 1995). Estos acelerómetros requieren un preamplificador PCI (de circuito integrado) y un amplificador externo que envía señales digitales a un computador. Cabe destacar las diferencias de costo de estos equipos dependiendo de la tecnología involucrada y la demanda implicada en su fabricación. Podemos decir que los acelerómetros de alta frecuencia, usados mayormente en maquinas para prevenir desperfectos (aeronáutica, industria en general), tienen un valor comercial bajo en comparación a los equipos sísmicos de gran sensibilidad. Consideré como motivación de desarrollo de este tema: “La generación de tecnología a partir de elementos cotidianos como el mouse”.
1.2 Estado de la técnica
El campo de aplicaciones de los acelerómetros es muy amplio. Este hecho ha motivado la necesidad de hacer dispositivos con prestaciones elevadas a un bajo coste, originando un gran auge e incremento de los acelerómetros comerciales basados en tecnologías de micro mecanización del silicio. El primer acelerómetro de silicio fue desarrollado por Roylance en (1979). Los principales tipos de acelerómetros de silicio según sus elementos sensores son: Los piezorresistivos. Los acelerómetros piezorresistivos sufren de una gran dependencia con la temperatura lo cual hace necesaria la implementación de un sistema de compensación en temperatura. Por otra parte, los acelerómetros capacitivos no dependen de la temperatura pero, debido a los pequeños valores de las capacidades que se pueden obtener en los sensores capacitivos micro electrónicos, tienen muchos problemas con las interferencias electromagnéticas. En algunas aplicaciones es necesario que los acelerómetros sean insensibles a las radiaciones electromagnéticas a las que pueden estar sujetos, los acelerómetros ópticos tienen la ventaja de ser inmunes a las radiaciones electromagnéticas y los efectos de la temperatura el control del amortiguamiento de la estructura y los sistemas de protección de choques dotan a los acelerómetros de mejores prestaciones. Como ejemplo un control del amortiguamiento y un sistema de protección de choques fue diseñado por NOVASENSORS utilizando una tecnología basada en la soldadura directa silicio-silicio para definir el sistema de protección de choques y soldadura silicio-vidrio para controlar el amortiguamiento. Los sistemas de testeo automático dotan a los dispositivos de la posibilidad de determinar su correcto funcionamiento. El desarrollo de sistemas de testeo automático es de gran interés en el caso de los acelerómetros.
Existe un tipo de sensor desarrollado para los mouse comerciales que puede ser adaptado y usado como transductor en distintos tipos de aplicaciones. Existen investigaciones acerca de su incorporación como odómetro en robots automatizados, visores con funcionalidad ocular para robots y scanner. La velocidad de crecimiento del mercado de ordenadores y periféricos ha permitido que estos transductores sean lo suficientemente agiles para ser el corazón de sistemas de medición cada vez mas precisos.
Dada las características de los transductores utilizados en los mouse comerciales, es posible diseñar acelerómetros de prestaciones similares a las de los equipos convencionales.
1.5 Objetivos Objetivo General
Se intenta desarrollar un acelerómetro utilizando un mouse como transductor
- Generar la tecnología involucrada en un acelerómetro digital. - Construir evolutivamente diferentes modelos experimentales de acelerómetros digitales.
- Contribuir al desarrollo de instrumentación de menor costo que la utilizada actualmente. - Abrir un campo de investigación sobre desarrollo de acelerómetros digitales. - Contribuir al desarrollo de futuras producciones comerciales de acelerómetros.
1.6 Variables e indicadores
1 Características del transductor
Sensibilidad Resolución Velocidad de lectura Rango de operación dependiente de variables físicas (temperatura , humedad)
2 Características del sensor
Cualidades físicas (m, c, k) Frecuencias de operación lineal Rango de operación dependiente de variables físicas (temperatura, humedad)
3 Funcionalidad del sistema transductor
Conectividad Software Velocidad de muestreo Interfaz usuario ordenador Rango de operación del sistema transductor dentro del sistema Operativo
Se recopila la información necesaria para evaluar las características del acelerómetro y así compararlo directamente con un catalogo de acelerómetros comerciales.
” Vibraciones”
2.1 Vibraciones Mecánicas
El estudio de las vibraciones se refiere a los movimientos oscilatorios de los cuerpos o medios y a las fuerzas asociadas con ellos. Las características de las vibraciones son dependientes de factores intrínsecos del vibrador como su masa (m), rigidez (k) y amortiguamiento(c), además de la forma o tipo de excitación solicitante. La cuantificación de vibraciones se efectúa mediante instrumentos que miden aceleración (Acelerómetros) y otros que miden directamente el desplazamiento del suelo o del lugar donde están instalados (sismómetros). También existen sensores de velocidad. En la Figura Nº1 y 2 se aprecia un sismómetro de lectura análoga y un acelerómetro de lectura digital.
Figura Nº 1 y 2: Instrumentos de medición de vibraciones: a la izquierda representación de un sismógrafo analógico que registra sobre un rollo de papel, a la derecha un acelerómetro óptico captura el desplazamiento de la masa con un dispositivo extraído de un mouse óptico.
2.1.1 Vibraciones Libres
Las vibraciones libres ocurren cuando un sistema oscila bajo la acción de fuerzas inherentes al mismo y cuando las fuerzas externas aplicadas son inexistentes. El sistema bajo vibración libre vibrará a una o más de sus frecuencias naturales o modos de vibrar que son propiedades del sistema dinámico dependientes de su distribución de masa y rigidez. Es conveniente detallar las propiedades de un oscilador libre en un sistema conservativo para
determinar las características propias del vibrador independientes de la fuerza excitadora y el amortiguamiento. De la ecuación 1 se desprende el diagrama de cuerpo libre.
Ecuación 1 La solución general para esta ecuación corresponde a una vibración sinusoidal del tipo: Ecuación 1.1 ) Ecuación 1.2
Ecuación 1.3
2.1.2 Vibraciones Forzadas
Las vibraciones que tienen lugar bajo la excitación de fuerzas externas son vibraciones forzadas; cuando la excitación es oscilatoria, el sistema es obligado a vibrar a la frecuencia de la excitación, y si ésta coincide con una de las frecuencias naturales del sistema, se produce una situación de resonancia pudiendo generar oscilaciones peligrosamente grandes.
Fig. Nº 3 Sismografo de Zhang Heng. Construido en china el año 130dc. Es considerado el primer instrumento de detección de vibraciones moderno.
2.2 Análisis Dinámico
El análisis dinámico ofrece distintos métodos para modelar y predecir el comportamiento de un acelerómetro o una estructura sometida a cargas que varían en el tiempo. Esto permite considerar fenómenos como la resonancia, además de modelar casi cualquier vibración mediante series de Fourier. Actualmente existen registros y control permanente de aceleraciones sísmicas, lo que permite analizar la naturaleza de las vibraciones para elegir correctamente el diseño de nuestras estructuras como edificios y viviendas. El análisis dinámico de un vibrador, asociado a un sistema de captura de datos, ofrece las herramientas necesarias para modelar matemáticamente un acelerómetro o un sismómetro.
2.2.1 Características Esenciales de las Solicitaciones Dinámicas
Se deben considerar dos características esenciales para comprender las solicitaciones dinámicas: a) La variación de la intensidad en el tiempo, lo que requiere de análisis especial para determinar cuál es la situación más desfavorable para el oscilador o instrumento de medición. b) La aparición de fuerzas inerciales debido a la deformabilidad dan origen al problema vibratorio.
2.2.2 Tipos de Solicitaciones
Las solicitaciones corresponden a las fuerzas externas que generan algún tipo de excitación medible por el acelerómetro, por lo tanto es importante definir las aceleraciones que nos interesa medir, y las que podemos medir. Los acelerómetros generalmente se caracterizan por el rango de respuestas frecuenciales y la sensibilidad de lectura, desde esta perspectiva existen acelerómetros de alta frecuencia (utilizados mayormente para medir vibraciones en maquinas) y acelerómetros de baja frecuencia que se ajustan a rangos de excitación más bajos como un sismo llegando lo más cerca posible del cero.
Sensibilidad Tolerancia mV/(m/s2) %
Respuesta @3dB T(Hz)
Resonancia Kcpm Khz
Acelerómetros Sísmicos Baja Frecuencia 731A 731-207 793L 799LF 799M 793 797 784A 786A 777 / 777B 712F 732A/732AT 736/736T 1020 1020 51 51 102 10,2 10,2 10,2 10,2 10,2 10,2 1,02 1,02 10 10 5 5 5 5 5 20 5 10 10 10 10 0,05 0,2 0,2 0,1 0,2 0,5 1 2 0,5 0,5 3 0,5 2 500 1300 2300 2500 2500 15000 12000 10000 14000 12000 25000 25000 25000 49 144 900 1080 1080 1500 1560 1500 1800 1800 2700 3600 3600 0,815 2,4 15 18 18 25 26 25 30 30 >45 60 60 Alta Frecuencia
Acelerómetros de Baja Frecuencia
Acelerómetros para Propósitos Generales
Acelerómetros de Alta Frecuencia
Tabla Nº 1: Clasificación extraída del catalogo de acelerómetros Piezoeléctricos Wilcoxon. En fila clasificación comercial, en columna clasificación general.
2.2.2.1 Solicitaciones Para Acelerómetros de Baja Frecuencia
Este tipo de acelerómetros es utilizado mayormente en campos como la Ingeniería Civil, Geología, Medicina y Automatización, ajustan su banda de diseño a frecuencias bajas muy cercanas al cero (Tabla Nº1) Podemos describir los siguientes tipos:
a) Cargas Sísmicas:
El desplazamiento del suelo generador por el paso de ondas sísmicas pone a las estructuras en movimiento, esto genera fuerzas de inercia que actúan de manera conjunta a la excitación del suelo. Esta interacción da lugar a un comportamiento complejo que es necesario analizar en profundidad para predecir las condiciones más desfavorables. En el caso de la geología es muy importante medir las aceleraciones tan cercanas a cero como sea posible, de esta manera se puede (Mediante doble integración) medir desplazamientos casi imperceptibles del suelo.
Figura Nº4: Acelerograma del terremoto de Kermadec, 11 de Junio de 1957.
b) Efecto del Viento:
En la práctica, para el diseño en ingeniería, el viento se evalúa como una carga estática, sin embargo, dado sus condiciones de variación en el tiempo para elementos esbeltos tales como edificios de gran altura, chimeneas industriales, antenas, es necesario considerarlo como una carga dinámica. Para el caso de los edificios de altura se han diseñado sistemas de contrapeso que contrarrestan la respuesta vibratoria de las estructuras generada por el viento. Estos edificios son monitoreados con sistemas automatizados de acelerómetros y contrapesos. Para este caso el acelerómetro no mide directamente la carga solicitante sino la respuesta del vibrador.
c) Monitoreo del movimiento de un cuerpo:
Este tipo de solicitación corresponde a las aceleraciones descritas por un cuerpo del cual se quiera conocer su movimiento (aceleración, velocidad y desplazamiento) como un auto, un misil teledirigido o incluso una persona. La utilización de acelerómetros para estos fines requiere alta sensibilidad en la lectura y respuestas a frecuencias lo más cercanas a cero posibles. Para el caso de monitoreo de personas existe una aplicación que intenta medir la energía liberada en niños con el fin de determinar parámetros de conducta sedentarismo y tendencia a algunas enfermedades a largo plazo.
2.2.2.2 Solicitaciones Para Acelerómetros de alta Frecuencia
Este tipo de acelerómetro responde a una banda frecuencia alejada del cero, lo que le impide medir aceleraciones estáticas como la gravedad. Se utiliza masivamente en motores y sistemas mecánicos para percibir desbalance de piezas por ejemplo. Muy común en la industria aeronáutica
a) Vibraciones causadas por maquinas
Estas vibraciones afectan principalmente a estructuras soportantes; Fundaciones, acoples, elementos de sujeción además de cualquier elemento o estructura que se encuentre cerca o se vea perturbado por la vibración. Su utilización se encuentra masificada para equipos industriales con el fin de prevenir desgaste y des balanceo de piezas. También se utilizan masivamente en sistemas que requieren de un alto nivel de seguridad como aviones y helicópteros, permitiendo predecir tempranamente una falla.
2.2.3 Vibradores de un grado de libertad
Existen variados tipos de acelerómetros; de 1, 2 y hasta 6 Grados de Libertad (DOF), considerando desplazamiento y giro en 3 ejes, sin embargo, en su estructura intrínseca los aparatos se pueden modelar de 1 DOF a la vez y se supondrá un acelerómetro de 3 DOF como 3 sensores de 2 DOF montados en sus respectivos ejes. Como veremos más adelante todo el movimiento de los acelerómetros propuestos puede analizarse de esta manera. Primero definiremos un eje sobre el cual se desplazara el vibrador, veremos como las características más relevantes para nuestro análisis se analizan sobre este eje. A continuación definiremos distintas estructuras que pueden ser modeladas separando la masa, la rigidez y el amortiguamiento presente en el sistema.
2.2.4 Periodo Propio de Vibración
El periodo propio es un parámetro muy importante para determinar las cualidades de un vibrador, dependiente de las características de rigidez y distribución de masa, es el parámetro central en el análisis dinámico y en el diseño de instrumentación sísmica definiendo entre otras cosas el rango de trabajo del acelerómetro. Mediante el método de la energía, considerando un sistema conservativo y un movimiento armónico sinusoidal se obtiene la Ecuación 2.
Para diversas configuraciones y distribuciones de masa y rigidez no es posible aplicar directamente la Ecuación 2, que se encuentra idealizada para el modelo de vibrador libre de la Figura 3 donde la masa y la rigidez se encuentran aisladas y representadas de manera separada. A continuación estudiaremos métodos que nos permitan modelar de buena manera el periodo propio de los vibradores utilizados en los acelerómetros, esto será enfrentado con los valores obtenidos de manera empírica.
2.2.4.1 Método de Rayleigh
Este método nos será de utilidad para determinar el periodo propio del vibrador a partir de las ecuaciones de rigidez y configuración deformada del vibrador elegido como acelerómetro. En condiciones de masa y rigidez distribuidas podemos utilizar el método de Rayleigh para modelarlas como estructuras de un grado de libertad. Para esto es necesario suponer una configuración deformada que se ajuste lo más posible a la forma que tendrá el vibrador al deformarse producto de su distribución de masa. Con esta hipótesis se calculan los valores de energía potencial y cinética máximos como se describe en las Ecuaciones 3 y 4.
Ecuación 3 Ecuación 4
Donde transversal.
es la rigidez a flexión,
es la masa por unidad de longitud y
es la deformación
Si suponemos que la deformación transversal tomara la forma de la función coordenada
, y que la variación se da en la
, que define la amplitud de manera sinusoidal durante la vibración libre se tiene: Ecuación 5 Ecuación 3.1 Ecuación 4.1
2.2.5 Efecto de la Aceleración Gravitacional
El efecto de la aceleración gravitacional en un vibrador actuando axialmente a las coordenadas estudiadas ,como en el caso de la viga en volado utilizada en el diseño de acelerógrafos que veremos más adelante tiene un efecto des estabilizante como se muestra a continuación:
Figura Nº5: modelo de sensor donde se aprecia la distorsión en la medición debido a la gravedad.
2.2.6 Vibración Amortiguada
El amortiguamiento de un sistema vibratorio es su capacidad de disipar energía durante la vibración. Amortiguadores existen de diversas clases y diseñados para diversos usos, como los amortiguadores de los
vehículos diseñados para evitar que siga vibrando después de una excitación vertical. Así mismo las edificaciones modernas poseen configuraciones en sus estructuras que favorecen un alto porcentaje de disipación, procurando controlar la energía desatada sobre la estructura durante un sismo y canalizarla como deformaciones plásticas y calor.
El tipo y grado de amortiguación es de vital importancia en el diseño del acelerómetro siendo un elemento clave en la sensibilidad del sistema.
2.2.6.1 Tipos de amortiguamiento
Analizaremos principalmente tres tipos de amortiguamiento como los más comunes, estos explican el comportamiento de los acelerómetros que estudiaremos mas adelante. Podemos clasificarlos en:
a) Amortiguamiento Viscoso o de Fluido: Este tipo de amortiguamiento
la resistencia que opone un fluido a un cuerpo que lo traspasa, esta resistencia varía dependiendo de la viscosidad del fluido y es proporcional a la velocidad del desplazamiento. Este tipo de amortiguamiento es mayoritariamente utilizado en modelos matemáticos de vibradores por la simplicidad que representa el tratamiento de la ecuación, así será más sencillo realizar una transformación equivalente del amortiguamiento general del vibrador (compuesto por varios tipos de amortiguamiento) a amortiguamiento viscoso. Actualmente existe un uso masivo uso de amortiguadores que funcionan con este principio, en la industria automotriz y de bicicletas, motos, amortiguadores para puertas y diversos sistemas que requieren disipar energía. En la ecuación del vibrador se incorpora el término para describir la constante de amortiguamiento
c proporcional a la velocidad del desplazamiento.
b) Amortiguamiento de Fricción: Este tipo de amortiguamiento representa la resistencia
al movimiento ofrecida por la fuerza de roce ya sea estático o cinético y es constante en el movimiento lo que lo hace muy relevante al principio y al final de la vibración. Se puede representar matemáticamente como “Amortiguamiento de Coulomb o por fricción en seco”. Este modelo entrega una ecuación no lineal, porque la característica del amortiguamiento es lineal por partes. Esta propiedad de linealidad por partes se puede utilizar para determinar la solución del sistema.
Para el estudio y posterior diseño de un acelerómetro este tipo de amortiguamiento es especialmente indeseable por varias razones:
El roce estático disminuye la sensibilidad al inicio de la lectura: Cada vez que el vibrador se detenga y
vuelva a ponerse en movimiento la sensibilidad inicial del instrumento se verá condicionada por el roce estático, esto aporta ruido a la lectura incorporando una zona de registro en blanco por lo que el diseño debe apuntar a evitarlo lo más posible.
El roce cinético incorpora ruido principalmente en situaciones de lectura sensible: El roce al ser
constante afecta principalmente las lecturas de baja intensidad, este tipo de amortiguamiento es indeseable y incorpora ruido a la lectura.
c) Amortiguamiento Estructural: Este amortiguamiento se produce por el roce interno de las
partículas de un material sometido a ciclos de deformación sumado a la plastificación (rotura interna de enlaces) y se representa proporcional a la deformación. Algunos metales como el plomo son ideales ya que disipan gran cantidad de energía al deformarse. En todos los tipos de amortiguamiento antes mencionados la componente disipativa se opone a la velocidad del movimiento.
2.2.6.2 Tipos de Amortiguadores
En la práctica existe una variada gama de elementos que pueden operar como amortiguadores, siendo los más populares los amortiguadores viscosos utilizados por los vehículos. Estos se diseñan de acuerdo al peso y rigidez de los resortes que soportan el vehículo para ofrecer un amortiguamiento casi critico. Con esto se evita el rebote y posterior oscilación al ser expuesto a una excitación vertical. Este tipo de amortiguadores y algunas variaciones de los anteriormente mencionados ofrecen varias ventajas para ser utilizados en un acelerómetro ya que presentan un amortiguamiento proporcional a la velocidad por lo que no afectan la lectura en el inicio como el caso del amortiguamiento por roce.
2.2.7 Ecuación de Movimiento del Vibrador Libre Amortiguado
Para representar el amortiguamiento utilizaremos la Ecuación 7 que considera el amortiguamiento proporcional a la velocidad, es decir amortiguamiento viscoso. La solución que satisface la Ecuación 7 es , sustituyendo:
Ecuación 7.1 Ecuación 7.2
Las raíces de la Ecuación 7.2 son el vector
de la Ecuación 8:
La solución general de la Ecuación 7 es la superposición de dos posibles soluciones: Ecuación 9
constantes de integración determinadas por las condiciones de contorno.
2.2.7.1 Amortiguamiento Crítico
Las soluciones de la Ecuación 9 son dependientes del signo del radical de la Expresión 8 existiendo tres posibilidades:
Ecuación 8.2
Para la Ecuación 8.1 tenemos amortiguamiento crítico
Ecuación 8.4
La solución de la Ecuación 9 para el caso de amortiguamiento critico:
Ecuación 9.1
Como ambas raíces son iguales la solución general está dada por la Ecuación 9.2 la cual entrega solo una constante de integración y una solución independiente:
Ecuación 9.2
Otra solución independiente puede ser encontrada utilizando:
Ecuación 9.3
La solución para el sistema críticamente amortiguado esta dada por la superposición del las dos soluciones vistas anteriormente.
Figura Nº6: Respuesta del oscilador libre para amortiguamiento crítico
2.2.7.2 Sistema sobreamortiguado
Para sistemas sobreamortiguados donde , Ecuación 8.2, las soluciones de la Ecuación 8 son reales y distintas por lo que la solución está dada directamente por la Ecuación 9.
2.2.7.3 Sistema Sub Amortiguado
Cuando el valor del amortiguamiento es menor al crítico la expresión de la Ecuación 8.2 es negativa, por lo que las soluciones de la Ecuación 8 son complejas y conjugadas. Ecuación 11
Para este caso es conveniente utilizar las ecuaciones trigonométricas exponenciales de Euler:
Ecuación 11.1
La sustitución de las raíces
de la Ecuación 11 en la Ecuación 9 utilizando las soluciones de Euler
entregan un resultado conveniente para el sistema sub amortiguado.
Ecuación 12
Donde A y B son constantes de integración y
la frecuencia amortiguada del sistema.
Ecuación 13.1
Ecuación 14 Finalmente sustituyendo las condiciones iníciales de velocidad y desplazamiento la Ecuación 12 tenemos: y , sustituimos en
En la Figura 6 se muestra la grabación del desplazamiento de una vibración con periodo amortiguado calculado con la Ecuación 16.
Figura Nº7: Respuesta de un oscilador libre para un sistema Sub Amortiguado
2.2.7.4 Decremento Logarítmico
Este método permite determinar el grado de amortiguamiento , nos será de utilidad más adelante, ya que con la grabación de la vibración obtenida por el acelerómetro se podrá determinar el amortiguamiento del mismo. Este procedimiento permite una auto calibración del instrumento. Primero definimos el decremento logarítmico peak sucesivos. como el logaritmo natural de dos amplitudes máximas o
Ecuación 17 Una manera simplificada de la Ecuación 12: Ecuación 12.1
Figura Nº8: Amplitudes máximas o peak X1, X2, y X3.
Para el cálculo podemos suponer dos peak consecutivos en
) Ecuación 12.2 Ecuación 12.3
Finalmente tenemos el valor del decremento logarítmico. Ecuación 18
2.2.8 Vibración Forzada
La teoría de los movimientos armónicos forzados nos permitirá dilucidar las características más importantes del acelerómetro. Su desarrollo nos será de utilidad para medir cualquier tipo de carga.
Ecuación 19 Ecuación 19.1
Un oscilador amortiguado por sí solo dejará de oscilar en algún momento debido al roce, pero podemos mantener una amplitud constante aplicando una fuerza que varíe con el tiempo de una forma periódica a una frecuencia definida. Si la fuerza impulsora se aplica con una frecuencia cercana a la natural, la amplitud de oscilación es máxima. Este fenómeno se denomina resonancia. Ecuación 20 La Ecuación 19 representa la relación entre la frecuencia excitadora y la frecuencia propia del sistema. La Respuesta en estado de régimen para la carga armónica es de la forma:
Ecuación 21 La relación entre la fuerza excitadora y la respuesta del vibrador nos permite graficarlas en un diagrama vectorial rotatorio.
Figura Nº9: Diagrama vectorial rotatorio
Las fuerzas involucradas en el diagrama de la Figura Nº 9 se describen a continuación: Ecuación 22 Ecuación 23 Ecuación 24 Del análisis vectorial podemos deducir las siguientes relaciones: Ecuación 25 Ecuación 26 Definimos la deformación estática del sistema aplicando la solicitación de manera cuasiestática: Ecuación 27 Ecuación 28 Ecuación 29 De la Ecuación 28 “Amplificación Dinámica” y la Ecuación 29 “Angulo de desfase” se efectúa el análisis de las características esenciales de la respuesta dinámica.
Figura Nº10: Amplificación dinámica. Cuando r =1, el valor de la amplificación dinámica es máxima.
Figura Nº18: Angulo de Desfase . Cuando r =1, el valor del ángulo de desfase es .
Finalmente la lectura del acelerómetro
se puede representar como la siguiente función:
Ecuación 30
Podemos decir que para
=cte=1.00 y
es proporcional a r.
Este rango de trabajo es el comúnmente utilizado para el diseño de acelerómetros y controla el rango de trabajo, y la fidelidad de la representación grafica de las mediciones.
“Transductores de vibración”
Un transductor es un dispositivo o elemento al que se aplica una energía de entrada y devuelve una energía de salida; esta energía de salida suele ser diferente al tipo de energía de entrada. Por ejemplo, en un medidor de temperatura una espiral metálica convierte la energía térmica aplicada, en el movimiento mecánico de la aguja del marcador. Debido a la facilidad con la que se transmite y amplifica la energía eléctrica, los transductores más utilizados son los que convierten otras formas de energía, como calor, luz o sonido, en energía eléctrica. Algunos ejemplos son los micrófonos, que convierten la energía sonora en energía eléctrica; los materiales fotoeléctricos, que convierten la luz en electricidad, y los cristales piroeléctricos, que convierten calor en energía eléctrica.
3.2 Transductores de Vibración
Algunos materiales en estado sólido responden eléctricamente a la fuerza mecánica. Estos elementos son los más comúnmente utilizados en la elaboración de transductores de vibración. Generalmente estos materiales exhiben una rigidez altamente elástica y se dividen principalmente en dos categorías: el tipo autogenerador, en que la carga eléctrica es resultado directo de la fuerza aplicada, y del tipo circuito pasivo, en el que la fuerza aplicada produce un cambio en las características eléctricas del material. Entonces un material piezoeléctrico como el usado comúnmente en acelerómetros es aquel que produce una carga eléctrica proporcional a la tensión aplicada sobre él, dentro de su rango elástico lineal. Un material
piezorresistente es aquel cuya resistencia eléctrica depende de la fuerza aplicada. Los transductores
piezorresistente son del tipo circuito pasivo. Un transductor de vibraciones, también denominado captador o sensor es un dispositivo que convierte el impacto o la vibración en una señal óptica, mecánica o mas habitualmente en eléctrica que es proporcional a un parámetro del movimiento experimentado. La parte del transductor que logra la conversión del movimiento en señal se denomina elemento transductor. Un instrumento de medida o un sistema de medida convierte el movimiento del impacto o la vibración en un formato observable que es directamente proporcional a un parámetro del movimiento experimentado. Puede consistir en un transductor con un elemento transductor, un equipamiento acondicionador de la señal y un aparato para mostrar la señal. Un instrumento contiene todos estos elementos en un paquete, en tanto que un sistema utiliza varios paquetes. Un acelerómetro es un transductor cuya salida es proporcional a la aceleración de entrada. 1
Sensor o Captador
•vibrador con m, k y c conocido •Trabaja en una rango cuasilineal
Elemento Transductor
•LED •Chip CCD o CMOS
•Microprocesador
•Software Controlador •Interfaz Usuario
Figura Nº12: Secuencia de funcionamiento del acelerómetro óptico propuesto
Definición de transductor y acelerómetro de Manual de medidas acústicas y control de ruido, C. 7 Transductores de Vibración. E. E. Eller. R. M. Whittier.
La secuencia descrita en la figura 1 muestra el funcionamiento básico de los modelos de acelerómetros propuestos en este trabajo. Denominamos intérprete primario al microprocesador ya que este mediante un proceso de interpretación de imágenes consecutivas completa el trabajo del elemento transductor. Sin embargo es confuso definir si forma parte del elemento transductor o es un proceso posterior como se muestra en el diagrama.
3.3 Características fundamentales de un Acelerómetro 3.3.1 Sensibilidad:
La sensibilidad de un acelerómetro es la relación entre su salida eléctrica y su entrada mecánica. Como se aprecia en el Capítulo II, Tabla I, los acelerómetros piezoeléctricos Wilcoxon 2 indican su sensibilidad en mV/g, (mili volt/g), para otros instrumentos será análogo, voltaje por unidad de desplazamiento o velocidad. Esta especificación de sensibilidad es suficiente para elementos autogeneradores, este el caso de sensores piezoeléctricos. Para el caso de equipos activos en los cuales el sensor no es autogenerador como sensores piezorresistentes, es necesario incluir el parámetro de energía aportada al instrumento, entonces nuestra relación se transforma en energía eléctrica ingresada por energía eléctrica de salida por aceleración. En general la sensibilidad hace referencia a la capacidad de captar energía y transfórmala adecuadamente. Para nuestro caso de acelerómetro algunas consideraciones útiles para otros instrumentos no lo son tanto ya que por ejemplo el voltaje de entrada y de salida en un mouse es una constante en el tiempo por lo que no sería representativo como sensibilidad para este tipo de instrumento con un proceso más complejo dentro del transductor. Para efectos prácticos haremos referencia a la sensibilidad odométrica del mouse indicada en DPI o PPP (Puntos por pulgada) a una determinada velocidad máxima de lectura.
3.3.2 Resolución:
La resolución como definición para transductores convencionales es el cambio más pequeño en la entrada mecánica para la que es discernible e interpretable un cambio en la salida eléctrica. La resolución de un acelerómetro es una función del elemento transductor y del diseño mecánico. El sistema de registro de aceleraciones será fundamental para determinar la resolución del instrumento y el sistema de medida. Esta se determinara en variadas pruebas consecutivas como la menor variación de aceleración detectada en los datos antes mencionados. La resolución puede verse limitada por los diferentes niveles de ruido en el instrumento, ya sea por roce de algún tipo o interferencia eléctrica o campos magnéticos para el caso de transductores piezoeléctricos o piezorresistentes. En términos generales, cualquier señal que se encuentre por debajo del nivel de ruido será enmascarada por este, de esta manera el ruido muchas veces determina la resolución de los sistemas de medida.
Ver catalogo de acelerómetros en anexo
3.3.3 Sensibilidad transversal
Un transductor cuando es sometido a uno de sus ejes de sensibilidad puede experimentar una respuesta pequeña en otro eje, esto se conoce como sensibilidad transversal.
Figura Nº13: Representación de la sensibilidad transversal típica en un transductor de vibraciones
3.3.4 Linealidad de la amplitud
La relación entre la entrada mecánica y la señal de salida de un transductor (sensibilidad) debe ser lineal en un rango definido con un error estimado, entonces podemos decir que la respuesta del transductor jamás es perfectamente lineal con respecto a la excitación que mide, sino que se acomoda convenientemente un sector de la banda de frecuencias de lectura, de manera de hacerla lineal mediante una tolerancia o error en esta banda de trabajo. La linealidad por partes antes descrita es una función que depende de varias variables propias del acelerómetro: Del diseño mecánico del sensor, del transductor y de la interpretación e integración numérica posterior. La variable incidente más importante es la Amplificación Dinámica que es función de las características propias del vibrador (c, m, k) y de las frecuencias solicitantes. Digo que esta variable es la más importante porque es la que condiciona más fuertemente en el diseño del sensor y por tanto del acelerómetro.
Figura Nº14: Representación de la cuasi linealidad en un rango de sensibilidad definido
3.3.5 Linealidad de la frecuencia
Al igual que el caso de la amplitud el instrumento debe trabajar en un rango que asegure la linealidad de la frecuencia para la cual está trabajando. La linealidad de la frecuencia y la amplitud están íntimamente ligadas ya que la amplificación dinámica es una función de las frecuencias propias y excitadoras del instrumento. La linealidad de la frecuencia se puede traducir en la linealidad del desfase en el tiempo del registro del instrumento, este desfase es también función de r y del grado de amortiguamiento del instrumento. El retraso en el tiempo se genera como una respuesta natural del vibrador y el diseño contempla encontrar un rango que dentro de márgenes establecidos previamente tenga un comportamiento lineal 3. Lógicamente todo el proceso informático asociado al registro desde la captura hasta su interpretación asociada a una variable tiempo tiene también un desfase propio de su funcionamiento, este desfase corresponde al tiempo en que el microprocesador demora en discernir acerca de la información entregada por el chip fotográfico y asociarla a una variable tiempo. Podemos decir que este tiempo es inferior o igual 1/10000seg que es a su vez la velocidad de entrega de datos máxima 10000datos por segundo. Esto nos indica que la posible no linealidad del microprocesador en la velocidad de entrega de datos debido a una mayor o menor carga de información no es relevante a la hora de establecer parámetros de linealidad. Sin embargo será considerada en los análisis posteriores.
Ver capítulo II Figura 11”Angulo de desfase”
3.3.6 Limite de baja frecuencia
Los limites frecuenciales del transductor dependen de los rangos de linealidad de amplitud y frecuencia para los cuales haya sido diseñado, además de la sensibilidad del instrumento. Si los límites de linealidad de la amplitud y la frecuencia se han escogido desde cero, entonces la sensibilidad y el ruido tienen la palabra. Si el transductor se ha diseñado con rangos lineales que contemplan como inicio de la linealidad un valor mayor a cero entonces ese valor, evaluado sobre la sensibilidad del instrumento determina el rango inferior de frecuencias de trabajo para el equipo. Para el caso de acelerómetros que contemplan su rango lineal desde cero el límite inferior lo establece su sensibilidad. Estas problemáticas en los acelerómetros capacitivos dificultan enormemente su diseño para el tipo de equipos sísmicos que requiere por defecto operar en rangos frecuenciales lo más cercano a cero como sea posible. Los equipos activos y mecánicos evitan varios de los problemas mencionados en los acelerómetros piezoeléctricos, como su potencia de salida es constante no existen problemas de amplificación de señal, tampoco se considera como importante el ruido electromagnético, entonces será la sensibilidad y la resolución, que está determinada por la amplificación del desplazamiento de la masa o amplificación mecánica, las que determinaran que tan cerca del cero se pueden medir las aceleraciones.
3.3.7 Limite de alta frecuencia
El límite de alta frecuencia como en el caso de baja frecuencia, depende de los límites de linealidad de la amplitud y frecuencia que a su vez es función de r. las características determinadas por la resonancia estableciendo el límite superior dependen de la amortiguación del sistema. Acelerómetros con bajo amortiguamiento o no amortiguados tenderán a exagerar armónicos incluidos en frecuencias más bajas, este fenómeno puede incorporar un ruido importante a la medición y es una problemática de diseño de los acelerómetros de este tipo ya que si bien el hecho de no utilizar amortiguamiento puede ser muy beneficioso el rango de frecuencias útil es un tanto incierto ya que es muy difícil predecir la magnitud de armónicos más agudos que vienen incorporados en armónicos mas graves y que terminan por amplificarlos. De esto podemos aprender que es importante al momento de especificar el rango de frecuencias de respuestas de el equipo que regularmente durante los acontecimientos sísmicos existen frecuencia altas solapadas que terminaran por distorsionar y amplificar la lectura por lo que hay que tomar rangos de seguridad apropiados y convenientes para evitar este tipo de problemáticas al momento de la medición.
Figura Nº15: Representación de los límites de trabajo de un transductor de vibraciones
3.3.8 Efectos Ambientales
La temperatura es un valor típicamente estudiado y mencionado en acelerómetros La
comerciales, especialmente aquellos que cuentan con elementos piezorresistivos o piezoeléctricos.
temperatura puede afectar la sensibilidad, la frecuencia natural, la amortiguación y el correcto funcionamiento de microprocesadores y equipos electrónicos. Los efectos y el grado de incidencia dependerán del tipo de transductor o de equipo transductor a utilizarse y de ahí también puede derivar su uso. La sensibilidad puede aumentar o reducirse con la temperatura, o en algunos casos permanecer constante. Existen dos mecanismos conocidos para compensar los efectos de la temperatura. 1-. La temperatura de captación puede mantenerse constante mediante captación o enfriamiento local. 2-. Puede medirse en función a la temperatura, de esta manera se realiza una corrección de las características del instrumento dependiente de la temperatura de operación en función del tiempo. En equipos cuyo sensor este conformado por materiales sensibles al calor las características de rigidez y amortiguamiento variaran introduciendo ruido en el sistema. Para efectos de utilización de amortiguamiento viscoso el fluido amortiguador variara sus características de viscosidad en función a la temperatura de operación, esta problemática ha sido abordada con el desarrollo de aceites multigrado, que adecuan su viscosidad en función a la temperatura contrarrestando el efecto. Para el caso de transductores piezoeléctricos la temperatura además de afectar las cualidades mecánicas afecta sus cualidades piezoeléctricas o piezorresistentes, existe una temperatura en que los materiales piezoeléctricos pierden sus cualidades llamada “Punto de Curie” fenómeno descubierto por Pierre Curie durante sus estudios acerca de la piezoelectricidad.
Humedad: Esta puede afectar las características de algunos instrumentos de medida de vibraciones,
en términos generales un transductor que opera bajo una impedancia eléctrica alta se ve más afectado por la humedad que aquel que opera a baja impedancia. Habitualmente no resulta práctico corregir los efectos generados por la humedad, sin embargo los instrumentos que de otra forma se vean afectados son sellados herméticamente para protegerlos de ella. Para el caso de los transductores ópticos de nuestro interés la humedad en condiciones normales no debería afectar el buen funcionamiento del elemento transductor obtenido del mouse ya que estos están diseñados para operar en estas mismas condiciones sin presentar problemas aparentes. Como manera de obtener información asociada al tema no se aislara el acelerómetro mayormente para ser utilizado en interiores, para uso en exteriores se proveerá de una aislación suficiente para conservar las características similares al interior de una vivienda.
Ruido Acústico: Algunas veces las aceleraciones que deseamos medir vienen acompañadas de
fuertes vibraciones acústicas o ruidos, estos pueden estar en rangos de frecuencia de ultrasonido, audibles o de infrasonido. También es importante la presión sonora. Estas vibraciones consideradas de un rango de frecuencia más alto al que comúnmente deseamos medir se enmascaran en las ondas mas grandes amplificándolas en diferentes magnitudes, contra más baja sea la frecuencia, o para decirlo de otra manera contra más cerca de la resonancia para valores de r>1, mayor será la amplificación y el error de lectura o ruido incorporado a nuestra medición. Es importante también diferencia que es lo que queremos medir, si la vibración acústica es capaz de hacer vibrar el instrumento en ese caso se inducirán errores graves en la vibración. En algunos casos la vibración que se desea medir es la fuente de la energía acústica, en otros casos la energía acústica genera la vibración, solo en este último caso la relación entre la energía acústica y la energía de vibración podrá inducir a errores graves en a medición. Como dato general un acelerómetro para medidas de vibración de alta frecuencia produce una salida eléctrica equivalente a 1g hasta que el nivel de presión sonora de ruido acústico supera los 150 dB según Eller. Et al., 1995. Para medir una aceleración pequeña en un campo de presión sonora alta es conveniente verificar primero la respuesta de acelerómetro al campo de presión sonora y determinar el efecto del ruido acústico en la lectura. Se propone como parte de esta investigación y entendiendo que el foco de diseño es un acelerómetro de baja frecuencia se recomienda realizar una aislación de las vibraciones que puedan interferir en las mediciones acústicas del acelerómetro. Esta aislación puede ser una de base que filtre las frecuencias no deseadas impidiendo o amortiguando el camino hacia el sensor.
“El aislador de base transforma el periodo propio de la estructura del acelerómetro en un conjunto algo más flexible quedando menos expuesto a las aceleraciones de frecuencias más altas que incorporaran ruido”.
3.3.9 Propiedades Físicas
El tamaño y peso son variables muy importantes en algunos casos, si el diseño del acelerómetro contempla un equipo de un tamaño grande puede requerir una estructura de montaje que altere las propiedades físicas locales del lugar en donde se desea medir la vibración. De la misma manera la masa añadida del transductor puede producir cambios en la respuesta vibratoria de la estructura, en general la frecuencia de una estructura se altera al añadirle masa.
Ecuación 31
= Frecuencia natural de la estructura. = Cambio en la frecuencia natural. = Masa de la estructura. = Aumento de masa de la estructura.
Finalmente podemos decir que distintos tipos de acelerómetros como los de masa muelle suelen tener altas sensibilidad, se dice que un sensor de transducción de vibraciones es más sensible a medida que aumenta su masa, sin embargo un sensor piezoeléctrico de bajo peso será mucho más conveniente al momento de montarlo en un avión o un misil por ejemplo.
3.4 Funcionamiento del mouse como transductor
El mouse óptico es un odómetro de precisión que ha sido creado para remplazar al antiguo mouse de bola, este último utiliza un transductor que consiste en una bola de acero forrada de una capa de goma que al girar sobre una superficie desplaza dos rodillos dispuestos en dos ejes perpendiculares. Los rodillos poseen unas paletas que interrumpen una señal eléctrica varias veces en un giro. Un software interpreta los pulsos como desplazamientos de largo fijo y los asocia a una variable tiempo .
El mouse óptico llego para remplazar definitivamente al ratón de bola, con una tecnología distinta es un transductor que evita el funcionamiento mecánico interno, aumenta considerablemente la velocidad de lectura, la sensibilidad y la resolución. Finalmente ha aparecido un nuevo tipo de mouse que remplaza el LED tradicional por uno laser de bajo consumo, acompañado de un chip más sensibles ha vuelto a aumentar la resolución y sensibilidad de los mouse comerciales. Desarrollado por Agilent Technologies la nueva generación de mouse ópticos entro al mercado en 1999.
Figura Nº16 y 17: A la izquierda mouse Apple de última generación, a la derecha mouse Genius inalámbrico con tecnología laser de 1600DPI
El funcionamiento consiste en un chip CMOS (Complimentary metal-oxide semiconductor); fotosensor que captura imágenes a una velocidad de 10.000 por segundo, un LED (Ligth emiting diode) que se encarga de iluminar la superficie fotografiada y finalmente un microprocesador integrado de 18 millones de instrucciones por segundo toma patrones de las fotografías y calcula los desplazamientos de los patrones en las imágenes consecutivas.
3.4.1Características del transductor
Características del Mouse Mouse Genius Traveler 9151 Laser de la Figura 24 Características generales: - mini ratón delgado para ordenador - Tecnología laser de mayor rendimiento y precisión - Sensor de resolución regulable entre 1600/800 DPI - tecnología anti interferencia de 2.4GHz, rango de trabajo 10 mts. - Bajo consumo, baterías duran hasta 6 meses. - indicador de baja potencia - puerto: USB 12309985-0 Requisitos de sistema: - Pentium 233MHZ o superior - Windows Vista/XP x64/2003/XP/2000/Me/98SE - Macintosh con MAC-OS X o más adelante - Linux Ubuntu 7.04 - puerto disponible USB Especificaciones: - Interfaz: USB - Frecuencia de RF: 2.4GHz - resolución: motor laser de 1600dpi (por defecto) /800dpi - baterías: 2 baterías del AAA Soporte de sistema: - Windows Vista/XPx64/2003/XP/2000/Me/98SE - Macintosh con OS X o más adelante - Linux Ubuntu 7.04 - peso corporal: 95g - dimensiones: 94x56x24m m El sensor desarrollado por Agilent, ha sido pensado para ser utilizado en sensores odométricos periféricos digitales de alto rendimiento para ordenadores. Su tamaño permite diseños de ratones de altas prestaciones pequeños y livianos. La tecnología involucrada se denomina “Navegación Óptica”, que consiste en la adquisición continua de imágenes de una superficie (Frames). Simultáneamente se determina matemáticamente la dirección y magnitud del vector desplazamiento.
3.4.2 Teoría de la Operación
El sensor opera con la tecnología de navegación Optica. Esta consiste en un sistema de adquisición de imágenes IAS (Image Acquisition System), un microprocesador DSP (Digital Signal Processor) y un puerto serial de dos canales.
El IAS captura repetidas imágenes de la superficie y el DSP mediante operaciones matemáticas identifica patrones en la superficie calculando posteriormente un valor ΔX y ΔY que corresponden al vector desplazamiento.
Figura Nº18: Imágenes continuas utilizadas por el sistema transductor para calcular el vector desplazamiento
Es muy importante considerar que los lentes y la iluminación del sistema óptico han sido elaborados de manera que operen eficientemente bajo un rango de distancia de la superficie que denominaremos Z.
Figura Nº 19: Elevación del transductor indicando las distancias recomendadas para operación óptima
A continuación se describen las características generales entregadas por el fabricante:
Figura Nº20: Especificaciones principales del transductor
Figura Nº21: Especificaciones generales del transductor
Figura Nº 22: Diagrama de bloque recomendado por el fabricante para el montaje del sensor
El sensor se toma 3020µs o 0.00302seg en realizar la primera interpretación de imágenes luego de ser encendido.
Figura Nº23: Diagrama de tiempo de encendido del transductor
Figura Nº24: Error lineal del transductor @1500fps
Figura Nª 25: Resolución v/s z típica de un transductor de 400DPI v/s Z en diferentes superficies
Figura Nº 26: Resolución v/s velocidad típica de un transductor de 400DPI v/s velocidad @1500fps en diferentes superficies
Se ha escogido “Manila Folder”, que en traducción corresponde a papel café reciclado, utilizado para la fabricación de carpetas como superficie de lectura para el acelerómetro diseñado más adelante.
Figura Nº27: Sección transversal de un mouse Óptico Agilent
El transductor se puede utilizar de diferentes maneras, de ahí su versatilidad, estas se pueden separar en 4 características que le dan las distintas funcionalidades:
A. Trayectoria del Mouse. Se realiza una lectura continua a los registros Delta X y Delta Y que se va
añadiendo a la posición absoluta del mouse para mostrar un dibujo con la trayectoria espacial seguida por el mouse.
B. Seguimiento de Rasgos Visibles. Esta característica del sensor es utilizada en un mouse para
detectar el desplazamiento. A mayor número de rasgos visibles, mayor precisión en la medición del desplazamiento. Para implementar la función, se ha realizado una lectura continua al registro SQUAL (surface QUALITY). Esta característica es relevante ya que la calidad de la superficie y la distancia del sensor a la misma producen variaciones en la calidad de la lectura (Figura Nº28)
Figura Nº 28: Grafico de registro SQUAL v/s Z
C. Seguimiento de la media de Píxeles.
del registro Pixel Zum.
Aporta información sobre la luminosidad de la
superficie sobre la que se encuentra el mouse. Para implementar la función, es necesaria una lectura continua
D. Captura de Imágenes. Esta función obtiene la imagen capturada por la cámara CMOS del mouse.
Para ello, se necesita acceder al registro Pixel Dato 324 veces, dado que a cada lectura se obtiene un píxel y la imagen es de 18x18 píxeles. Este acceso tiene el problema de que el sensor está continuamente obteniendo nuevas imágenes, lo que provoca la aparición de píxeles en una imagen de distintas capturas.
3.4.3 Funcionamiento del los chips CMOS y CCD:
El chip CMOS es el corazón del transductor del mouse, y fue introducido por Agilent. Este chip de fotosensor cumple la misma función que un chip CCD pero con distinta tecnología. Las diferencias han hecho posible la diversificación de los chips CMOS ya que tiene un costo de manufactura hasta 100 veces menor. Esto explica también que se esté utilizando actualmente en cámaras digitales de menor costo, a continuación se describe una comparación entre los dos transductores: Los sensores del CCD, crean imágenes de alta calidad, de poco ruido. Los sensores del CMOS, son tradicionalmente más susceptibles al ruido. Cada pixel en un sensor CMOS tiene varios transistores situados al lado de él, la sensibilidad de un fotosensor CMOS tiende a ser más baja ya que muchos de los fotones golpean los transistores en vez del fotodiodo. El uso de un chip CCD es un proceso que consume gran cantidad de energía. Un sensor CCD consume 100 veces más energía que un sensor equivalente CMOS. Los sensores del chip CMOS se pueden fabricar en cualquier cadena de producción estándar del silicio, así que tienden a ser extremadamente baratos en comparación a los sensores del chip CCD. Los sensores del chip CCD se han producido en masa por un período largo de tiempo, por cuanto la técnica se encuentra más desarrollada.
Figura Nº 29 y 30: A la izquierda chip CCD de una cámara digital moderna, a la derecha chip CMOS Sony de bajo consumo.
Figura Nº31: Vista microscópica de un chip CMOS a color
La versatilidad del chip es muy amplia pudiendo ser utilizado para distintos fines como odómetro, scanner y cámara digital.
3.4.4 El transductor HDNS-2000 como odómetro
Según Palacín. Et al. (2005) un sensor Agilent ADNS-200 ha sido sometido a pruebas de laboratorio sobre una guía y se ha desplazado repetidas veces 1, 2, 3, 4 y 5 centímetros para estimar una desviación estándar S=0.6325 pulsos/cm. Esto nos indica, considerando que este sensor tiene una resolución de 400DPI, que puede ser utilizado como odómetro debido a la baja desviación y a la repetitividad.
3.4.5 El transductor ADNS-2610 como cámara digital y scanner
En este caso se ha utilizado un sensor ADNS-2610 mediante el puerto paralelo de un ordenador para acceder a la información de sus registros y a la imagen capturada por su cámara.
1 Utilización como Scanner: Esta función es una combinación de la información de la trayectoria
del mouse y la captura de imágenes. La idea consiste en obtener una imagen y colocarla en su posición espacial correspondiente.
Figura Nº32: Resultado de la función scanner.
2 Utilización como cámara: Para ello se ha reemplazado la lente original del sensor por una
convencional (F=5.5 mm) y se ha encapsulado el sensor para evitar que la luz incida en el sensor de forma incontrolada. Este experimento sólo ofrece imágenes interpretables al enfocar directamente una fuente de luz (figuraNº33). Dado que las fuentes de luz son objetos normalmente fijos en el techo, podría diseñarse un robot que los buscara y los utilizara como puntos de referencia en su desplazamiento.
Figura Nº33: Imagen de un fluorescente.
“Diseño del acelerómetro”
Este capítulo se enfoca al método utilizado para el diseño de manera de obtener un acelerómetro óptimo dentro de las limitaciones. El diseño consiste en la planificación un acelerómetro experimental, para proceder posteriormente a su elaboración.
Las características dinámicas del equipo se evalúan parcialmente en el diseño de manera de marcar un lineamiento para la fabricación, posteriormente con el equipo experimental se evaluaran mediante ensayos las características reales del equipo. Las limitaciones de diseño son elementos que por sus características no podemos cambiar como el tamaño del transductor o sus cualidades sensibles. También son limitantes los procesos de fabricación que excedan el presupuesto de esta investigación o estén fuera del marco teórico de esta. Como ejemplo la miniaturización del transductor podría consistir en una nueva disposición de los elementos electrónicos y el retiro de los elementos no utilizados. Esta ventaja aparente es una limitación de diseño pues no se estudia el componente electrónico.
El sensor es el corazón del acelerómetro por lo que será lo primero y más importante a diseñar. Para El caso de acelerómetros piezoeléctricos o piezorresistivos el sensor y el transductor son un solo elemento, para nuestro caso el sensor será totalmente separado del transductor lo para algunos casos puede significar una ventaja comparativa.
4.2.1 Características de los sensores
“El sensor de cualquier acelerómetro es un vibrador con una masa encargada de recoger la aceleración
de su base a través de una deformación de una de sus partes o de sí misma ”.
Las características más importantes son: La rigidez debe mantenerse en un rango lineal o se pueda corregir posteriormente de manera satisfactoria, el tamaño debe ser reducido y los desplazamientos que entrega al transductor deben ser lo suficientemente grandes. En definitiva el sensor debe adaptarse al transductor. Otra característica decidora es el tipo de amortiguamiento al cual esta sometido el sensor. Se intentara evitar el roce estático que enmascara una parte de la señal y perjudica la lectura notablemente.
4.2.2 Sensor de viga en volado
Este tipo de sensor consiste en una viga de sección circular empotrada en un extremo y en el otro una masa. El sensor ha sido utilizado en acelerómetros piezoeléctricos, y se denomina “sensor a flexión” ya que la rigidez soportante opera a flexión. Existen también sensores diseñados al corte o a la compresión. Para el caso de nuestro trabajo este tipo de diseño es conveniente ya que este sensor trabaja en dos ejes simultáneos, situación que se adapta al transductor. Un inconveniente en la utilización de este sensor es la necesidad de amplificar los desplazamientos generados por su masa, esto debido a que nuestro transductor funciona de manera optima en rangos de desplazamiento relativamente altos (0-1.5cm), esto se puede conseguir teniendo un sensor con un periodo
propio muy bajo lo cual intentamos evitar ya que un valor de frecuencia propia bajo generara el problema de tener un rango útil de trabajo del equipo demasiado reducido. La solución que hemos adoptado para subsanar esta situación es acoplar al elemento sensor un sistema de amplificación de desplazamientos, este sistema no debe aportar demasiada rigidez e inercia al sistema de manera de aumentar solo el desplazamiento y no el periodo propio. Bajo estas condiciones modelaremos las características del sensor considerando solo los elemento de masa, rigidez y amortiguamiento preponderantes para el sistema, los elementos que conformaran el elemento amplificador no serán considerados, las características reales del equipo se verificaran una vez se encuentre en funcionamiento.
Masa Sensor Aceite SAE 40 Esponja
Figura Nº34: Sensor viga empotrada con sistema de amortiguamiento viscoso.
La figura 41 muestra el sensor diseñado con un sistema de amortiguamiento consistente en una esponja embebida en aceite con una viscosidad aun no determinada. La viscosidad del aceite y la posibilidad de cambiarlo mediante un tapón permitirá aumentar o reducir el amortiguamiento del sistema, el aceite una vez embebido en la esponja ocupara los intersticios de la misma, al momento de vibrar la masa el aceite se verá forzado a desplazarse por entre los intersticios de la esponja de un lado para otro constantemente, transformando parte de la energía en calor dentro de la esponja, esto es lo que se llama comúnmente amortiguamiento viscoso y la capacidad disipativa es una función del tamaño de los intersticios, y de la viscosidad del aceite a utilizar.
Para el caso de pequeñas deflexiones a partir de la posición de equilibrio el desplazamiento entonces podemos decir que:
viga en volado con una masa en el extremo es linealmente proporcional a la aceleración externa aplicada,
Ecuación 25 La Frecuencia natural del sistema es de la siguiente forma:
En las ecuaciones anteriores masa del extremo.
corresponde a la masa de la viga distribuida uniformemente, y M es la
4.2.3 Sistema de amplificación de desplazamientos RL-RF
El sistema ideado en este trabajo para amplificar los desplazamientos del sensor consiste en un conjunto mecánico conformado por una rotula libre y una rotula fija, de ahí el nombre RL-RF. El sistema amplifica mecánicamente el desplazamiento sin alterar significativamente las cualidades físicas del vibrador por lo que su construcción se realizara en materiales de bajo peso como plástico, con el fin de disminuir la inercia y las rotulas serán de Goma como se muestra en las figuras siguientes:
Amplificador Adesivo epoxi Manguera de goma
Figura Nº35: Rotula libre
La rotula aportara rigidez y amortiguamiento al sistema, este aporte será cuantificado mediante una comparación de los resultados empíricos realizados con el Software de Acelerómetro y los resultados que se desprendan del cálculo sin su consideración.
Figura Nº36: Rotula fija
El concepto de rotula libre se refiere a una rotula que no restringe desplazamientos, la rotula fija en cambio permite solo giros en 2 ejes y restringe los desplazamientos. Finalmente el sistema resulta amplificando el desplazamiento de manera proporcional a la relación de separación de sus rotulas como esquematiza la figura siguiente:
Rotula fija
D1 Rotula libre
Figura Nº37: Diagrama sistema amplificador rotula fija rotula libre
Como se aprecia en el diagrama la relación de desplazamientos amplificación.
de donde se obtiene el factor de
50mm Transductor
15.31 109.24
Fact. Amp. X6 Volumen 504 cm3
Rotula libre
Figura Nº38: Elevación acelerómetro con sistema de amplificación (Sin escala).
50.01 56.14 20.73
Figura Nº39: Cortes A-A y B-B (Sin escala)
Resultados preliminares acerca del sistema de amplificación:
El prototipo anterior presento problemas ya que el sistema amplificador introduce un periodo independiente al del sensor. Este hecho se intento evitar usando materiales liviano y rígidos, sin embargo la elasticidad de las rotulas generaron un periodo de 0.006 seg que aparece vibrando independiente en los ensayos por lo que se ha optado por eliminar el sistema RL-RF.
4.2.4 Características del modelo experimental
Con el objetivo de evaluar las características de los sensores en estudio se elaboro un modelo experimental definitivo de sensor acoplado a un transductor de mouse laser con sensor CMOS. (El acelerómetro es el mismo de la planimetría anterior con modificaciones leves y sin el sistema de amplificación)
Figura Nº40: Modelo de acelerómetro experimental 3D
El diseño de este equipo es homologo al equipo de la FiguraNº40, con algunas variaciones en su elaboración por razones constructivas: 1) Se ha aumentado la altura del empotramiento de 13 a 30mm. 2) Se ha aumentado la altura la altura de la viga desde el empotramiento hasta la masa de 40 a 50mm. 3) Se ha remplazado el sistema amplificador por una conexión directa a la superficie de lectura (sin rotulas): Esta modificación fue efectuada en una segunda instancia ya que el sistema amplificador incorporo demasiado ruido a la lectura. 4) Se ha remplazado la lectura directa del led por lectura sobre superficie de cartón reciclado. A continuación se analizan las características dinámicas del sensor. a) Rigidez del sistema: La rigidez del sistema vibratorio es aportada principalmente por dos partes 1) Rigidez aportada por la viga: -material: acero para muelles (tratado para aumentar la rigidez y el rango elástico del acero), se desconoce la elasticidad del material empleado, la viga tiene un largo de 5cm y un diámetro de 1.5mm la inercia de la viga I = 0.0000248cm4 2) Rigidez aportada por la esponja: Se desconoce y se inferirá de los resultados. b) Masa: La masa principal de plomo se elaboro en un molde con un con un volumen de 24.6cm3, y un peso de 0.28kgf. La masa de la viga tiene un volumen de 0.37cm3 y un peso de 0.0288kgf. La masa de la esponja es dependiente del volumen traslacional de la misma, ya que no toda la esponja de desplaza solidaria a la viga, por esta razón considerando que la esponja aportara una masa total de 0.03Kgf lo consideramos despreciable. La masa de la viga desde la masa hasta la superficie de lectura incluida esta se considero despreciable en el cálculo
c) Amortiguamiento: El amortiguamiento se midió en experimentos detallados mas adelante como el 20.5% del crítico mediante el método de decremento logarítmico para una cantidad de 65cc de aceite SAE 90. La esponja ocupa un volumen de 123.2cm3 lo que permite eventualmente agregar aceite hasta su capacidad de llenado máxima que se estima en un 85% para prevenir derrames, por lo anterior tenemos un volumen de servicio máximo de 104.7cm3.
Figura Nº41: Foto de viga con empotramiento y masa durante su fabricación
Calculo del periodo propio:
Los ensayos del sensor montado en el acelerómetro revelaron una frecuencia propia de 0.05seg. Remplazando en la ecuación 26
Obtenemos un valor representativo de EI=1508.59 kg*cm2, Wn=11.32 rad/seg.
“Podemos concluir que el valor del periodo propio T=0.088 seg será inferior al periodo real ya que no se considero la rigidez de la esponja.”
5.3 Software controlador de dispositivo Requerimientos de Software
Los requerimientos de software se plantearon intentando optimizar las prestaciones del acelerómetro:
Conectividad: El software debe tomar los datos del transductor justo después de que Windows lo
reconoce como mouse. Esto asegura soporte “Plug & Play” para los equipos que cumplan el protocolo estándar. Esto ocurre en la totalidad de los mouse comercializados actualmente.
Máxima resolución: El software tomara la información proveniente del equipo transductor en
el lugar en donde se encuentre la totalidad de los datos entregados a Windows. En una primera etapa de la tesis se desarrollo un software que tomaba los desplazamientos como pixeles, esto deteriora considerablemente la resolución.
Interfaz Eficiente: La interfaz usuario debe ser simple, y permitir al usuario administrar de la
manera más sencilla la información entregada por el transductor. Además deberá mostrar una grafica en tiempo real de las lecturas en cuestión.
Almacenamiento: La información deberá guardarse ordenada de la siguiente manera: Fecha,
Hora, t, ∆x, ∆y. y deberá encontrarse en un formato compatible con Excel.
5.3.1 Elaboración del Software
La lectura del mouse fue realizada por medio de las API de Windows, específicamente al archivo
user32.dll que expone los servicios de Windows al programador, en nuestro caso acceder a dispositivos de
mouse. En Windows existen varias formas de comunicar el PC con el humano, a estas formas se les llama dispositivos de entrada o INPUT. Estos dispositivos, electrónicos, envían señales al PC que son transformadas en datos, pero para que ocurra debe existir un canal de comunicación, es decir, emisor y receptor que se entiendan, “ he aquí
la funcionalidad de un driver, entender lo que dice el dispositivo y hacer la conversión a datos ”.
El mouse envía una palabra de bits, unos y ceros donde los 1 indican activación de un sensor, por ejemplo, movimiento en x, movimiento en y, clic en algún botón, etc. Estos datos son recibidos por el driver y por medio de la user32.dll son accesibles por lo que se denomina Raw Input, por lo tanto un mouse es un tipo especial de estos Raw Inputs con propiedades idénticas al funcionamiento del mouse.
Cuando un software solicita datos a user32.dll debe decir que dispositivo quiere y la forma en que los datos le van a ser entregados, para el caso del mouse, son los delta x, delta y, estos valores van a depender del hardware del mouse, debido a que algunos tienen más detalle o delta que otros, debido a los memoria del chip CMOS, esto se encuentra en lo que se denomina DPI.
5.3.2 Operación del software:
El controlador opera con una interfaz grafica que permite echar a andar y detener el registro (biaxial), se pueden soportar operando simultáneamente varios registros por lo que se podría controlar una red de una cantidad aún no definida de acelerómetros con un solo ordenador. Es importante aclarar que el tiempo entregado en el registro de aceleraciones como SEGUNDOS corresponde al momento en que fue entregada la muestra al ordenador. Es decir el acelerómetro entrega un ∆(x,y)/∆t implícito, es por eso que a la variable ∆(x,y) se le considera como una velocidad. Es por esa razón que el transductor en su forma más simple es un velocímetro de lectura en 2 ejes con un rango de operación que varía entre ∆(x,y) . ∆t=1/10000 Seg. y equivale a la velocidad de muestreo.
----------------------------- INIT --------------------------FECHA MUESTRA SEGUNDOS 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 07/10/2007 12:27 DELTA X 0.188 0.204 0.2041 0.2042 0.25 0.2501 0.2502 0.2503 0.2504 0.297 0.2971 0.2972 0.2973 0.2974 0.2975 0.344 0.3441 0.3442 0.3443 0.3444 0.3445 0.36 -1 -9 -11 -15 -15 -16 -14 -8 -3 2 3 8 12 16 14 14 12 14 12 10 6 4 DELTA Y 2 11 12 15 14 13 12 5 4 0 -3 -5 -7 -8 -8 -10 -6 -8 -6 -4 0 0
Tabla Nº2: Fragmento de un registro de aceleraciones con el formato entregado por el software
Para correr el software del acelerómetro, para el caso de Windows XP se requiere instalar Microsoft Net Framework 2.0 o superior, para Windows Vista no es necesario ya que Net Framework viene incorporado. También es necesario cambiar la configuración regional y asegurarse que la coma se utilice como separador de miles y el punto como separador decimal. De lo contrario se exportaran erróneamente los datos de las aceleraciones a excel.
Figura Nº42: Pantalla de configuración regional de Windows
“Ensayos y resultados utilizando el modelo de acelerómetro experimental”
5.1 Ensayos de determinación de error del sensor
El ensayo consiste en utilizar el sensor sobre una guía elaborada con una regla metálica sobre una superficie de “manila folder” o carpeta de papel reciclado correspondiente al mismo material utilizado como superficie de lectura en el prototipo. Se realizaran repetidos desplazamientos sobre la guía solidaria al papel y luego se registra en una planilla la cantidad de pulsos de desplazamiento entregados por el transductor, estos pulsos se comparan en desplazamientos sucesivos para estimar una Desviación Estándar. Es importante aclarar que este experimento no representa el error del equipo, solo del transductor. El equipo debería incorporar un grado de error algo mayor que esta asociado a la fabricación.
CM 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) PROM PROM/CM DESVEST %error
1600DPI 1 652 645 648 651 645 648 643 647,429 647,429 3,309 0,511 2 1302 1299 1290 1298 1293 1305 1296 1297,571 648,786 5,127 0,395 3 1956 1952 1942 1941 1940 1944 1953 1946,857 648,952 6,594 0,339 4 2604 2582 2592 2580 2601 2607 2592 2594,000 648,500 10,536 0,406 5 3228 3252 3234 3249 3255 3240 3261 3245,571 649,114 11,928 0,368 PROMEDIO 650,320 648,213 647,027 648,360 647,883 649,650 648,440 648,556 648,556 2,618 0,404
PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM %
Tabla Nº3: Valores obtenidos para determinar la desviación y el error del sensor en x.
4000 pulsos 3000 2000 1000 0 0 1 2 3 cm 4 5 6
Series2 Series3 Series4 Series5 Series6
Figura Nº43: Grafica de dispersión de la tabla Nº3.
1600DPI 1 642 648 648 648 651 648 651 648,000 648,000 3,000 0,463 2 1293 1299 1299 1296 1303 1300 1296 1298,000 649,000 3,266 0,252 3 1944 1939 1950 1944 1953 1938 1944 1944,571 648,190 5,412 0,278 4 2586 2601 2592 2592 2580 2604 2592 2592,429 648,107 8,203 0,316 5 3216 3260 3249 3243 3231 3249 3250 3242,571 648,514 14,616 0,451 PROMEDIO 645,240 649,217 649,060 648,120 648,940 648,960 649,000 648,362 648,362 2,282 0,352
PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM PULSOS/CM
Tabla Nº4: Valores obtenidos para determinar la desviación y el error del sensor en y.
Dispersion y
4000 pulsos 3000 2000 1000 0 0 1 2 3 cm 4 5 6 Series1 Series2 Series3 Series4 Series5 Series6
Figura Nº44: Grafica de dispersión de la tabla Nº4.
Obtenemos para el eje x un promedio de 648.556 Pulsos/cm y una desviación estándar de 2.618 Pulsos/cm con un error lineal de 0.404%. Para el eje y el promedio corresponde a 648.362 Pulsos/cm y una desviación estándar de 2.282 Pulsos/cm con un error lineal de 0.352%.
5.2 Ensayo de determinación de frecuencia propia
Este ensayo consistirá en excitar repetidamente el acelerómetro induciéndolo a que vibre antes de detenerse. Los resultados deberán ser mayores a los calculados con el vibrador fuera de la carcasa debido a la rigidez aportada por la esponja y el amortiguamiento del sistema.
PERIODO PROPIO MAXIMO Y MINIMO TIEMPO(SEG) 2,5941 2,6411 2,672 2,7041 2,7191 2,797 2,829 2,891 2,907 2,938 2,969 2,985 3,516 3,532 PROM
MAX MIN -105 26 -26 10 -7 4 -4 3 -1 1 -1 1 -1 1
t(SEG) 0 0,094 0,062 0,064 0,03 0,156 0,064 0,124 0,032 0,062 0,062 0,032 1,062 0,032 0,054
f(HZ) 0 10,638 16,181 15,576 33,333 6,4185 15,625 8,0645 31,25 16,129 16,129 31,25 0,9416 31,25 20,603
Tabla Nº5: Tabla para estimar el periodo propio con el criterio de máximo y mínimo.
CERO TIEMPO(SEG) 2,485 2,625 2,657 2,6881 2,7041 2,7351 2,8131 2,8291 2,8911 2,922 2,9381 2,9691 3,5 3,5161 3,547 PROM
CERO 0 -15 5 -2 10 -3 0 -3 2 -1 1 -1 0 -2 1
t(SEG) 0 0,28 0,064 0,0622 0,032 0,062 0,156 0,032 0,124 0,0618 0,0322 0,062 1,0618 0,0322 0,0618 0,051
f(HZ) 0 3,5714 15,625 16,077 31,25 16,129 6,4103 31,25 8,0645 16,181 31,056 16,129 0,9418 31,056 16,181 21,712
Tabla Nº6: Tabla para estimar el periodo propio con el criterio de cruces por cero.
5.3Ensayo de determinación de amortiguamiento
Este ensayo se realizara con las curvas obtenidas en el experimento 5.2 y el método a utilizar consistirá en determinar el decrecimiento de la vibración desde el momento en que el equipo es excitado, vibra libremente y se detiene. La metodología a utilizar se denomina Decremento Logarítmico, y el amortiguamiento del sistema se mostrara como un grafico en función de la velocidad del desplazamiento. Se incorpora en esta etapa experiencias que se desprenden del análisis del primer prototipo estudiado y que servirá para observar las inconveniencias de incorporar el roce friccional (dos superficies) en el diseño del equipo.
GRADO DE AMORTIGUAMIENTO METODO DE CALCULO: DECREMENTO LOGARITMICO TIEMPO(SEG) 2,5941 2,672 2,7191 2,829 2,907 2,969 3,516 PROM MAX MIN -105 -26 -7 -2 -1 -1 -1 LN X2/X1 1,39586381 1,31218639 1,25276297 0,69314718 0 0 AMORT 0,21687081 0,20443 0,19553424 0,10965233 0 0 20,5611683 %
Tabla Nº7: Tabla para estimar el grado de amortiguamiento ξ .
5.4 Determinación de sensibilidad
Este ensayo consiste en inclinar el acelerómetro hasta obtener la primera lectura, luego obtenemos la componente de la gravedad para evaluar el valor más pequeño de la aceleración que produce una señal eléctrica en el equipo. Las unidades utilizadas en este caso son de aceleración (m/s2 o g) como se explica convenientemente en el capítulo III.
1600 alfa(grados) 5 4 3 4 3 2 5 3 2 3 3 4 4 3,461538462 0,967417922 dpi comp(m/s2) 0,854999831 0,684312605 0,51341693 0,684312605 0,51341693 0,342364863 0,854999831 0,51341693 0,342364863 0,51341693 0,51341693 0,684312605 0,684312605 0,592235728 0,165311692
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 PROM DESVEST
g 0,08715595 0,06975664 0,05233608 0,06975664 0,05233608 0,03489958 0,08715595 0,05233608 0,03489958 0,05233608 0,05233608 0,06975664 0,06975664 0,06037061 0,01685134
Tabla Nº8: Tabla para estimar la sensibilidad del acelerómetro con el método de inclinación a 1600dpi.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 PROM DEVESP
1600dpi pulsos 120 114 125 120 116 120 122 116 132 120 119 116 120 120 4,63680925
pulso (m/seg2) 0,08175 0,08605263 0,07848 0,08175 0,08456897 0,08175 0,08040984 0,08456897 0,07431818 0,08175 0,08243697 0,08456897 0,08175 0,08185804 0,00303306
Tabla Nº9: Tabla para estimar la sensibilidad del acelerómetro con el método de evaluación de g a 1600dpi.
800 alfa(grados) 4 3 3 5 3 3 4 3 4 3 2 3 2 3,230769231 0,832050294
dpi comp(m/s) 0,684312605 0,51341693 0,51341693 0,854999831 0,51341693 0,51341693 0,684312605 0,51341693 0,684312605 0,51341693 0,342364863 0,51341693 0,342364863 0,552814299 0,142195437
g 0,06975664 0,05233608 0,05233608 0,08715595 0,05233608 0,05233608 0,06975664 0,05233608 0,06975664 0,05233608 0,03489958 0,05233608 0,03489958 0,05635212 0,01449495
Tabla Nº10: Tabla para estimar la sensibilidad del acelerómetro con el método de inclinación a 800dpi.
800dpi pulsos 61 56 59 58 61 58 60 62 60 60 60 55 58 59,0769231 2,01913919
pulso(m/seg2) 0,16081967 0,17517857 0,16627119 0,16913793 0,16081967 0,16913793 0,1635 0,15822581 0,1635 0,1635 0,1635 0,17836364 0,16913793 0,16623787 0,00581014
Tabla Nº11: Tabla para estimar la sensibilidad del acelerómetro con el método de evaluación de g a 800dpi.
5.4.1 Ensayo de determinación de sensibilidad transversal.
El equipo será montado en un carro fabricado con un montante para cajón de escritorio, y será sometido a desplazamientos arbitrarios en un solo eje. Posteriormente se evaluara el grado de sensibilidad en % del eje transversal al eje del carro. El procedimiento se repetirá para ambos ejes.
X EXITADO 10 7 6 9 10 9 10 9 6 10 10 7 9 11 10 PROM
TRANSVERSAL 2 1 0 1 2 1 2 1 0 2 2 1 1 2 2
% 20 14,28571429 0 11,11111111 20 11,11111111 20 11,11111111 0 20 20 14,28571429 11,11111111 18,18181818 20 14,07984608
Tabla Nº12: Tabla para estimar la sensibilidad transversal del acelerómetro en x.
Figura Nº 45: Grafica entregada por el acelerómetro en tiempo real para la evaluación de la sensibilidad transversal en x.
Y EXITADO 25 30 22 26 29 30 26 23 24 20 26 29 31 23 29 PROM
TRANSVERSAL 4 5 3 2 3 4 3 2 3 4 4 3 1 3 2
% 16 16,66666667 13,63636364 7,692307692 10,34482759 13,33333333 11,53846154 8,695652174 12,5 20 15,38461538 10,34482759 3,225806452 13,04347826 6,896551724 11,95352614
Tabla Nº13: Tabla para estimar la sensibilidad transversal del acelerómetro en 5.
Figura Nº46: Grafica entregada por el acelerómetro en tiempo real para la evaluación de la sensibilidad transversal en y.
5.5 Ensayo de determinación de resolución
La resolución del equipo se determinara con la información recopilada en los ensayos anteriores, y consistirá en evaluar la cantidad de pulsos o señales que el equipo es capaz de enviar al ordenador en una distancia determinada. Las unidades a utilizar serán las mismas que usa el fabricante DPI (Puntos por pulgada) y servirá para cruzar la información entregada por el mismo. La resolución media del sensor es de 648.452 Pulsos/cm. o 1660.037 Pulsos/pulgada o DPI.
Figura Nº47: Grafico de velocidad de los datos utilizado para la evaluación del periodo propio y el grado de amortiguamiento del acelerómetro.
Figura Nº48: Grafico de aceleración de los datos utilizado para la evaluación del periodo propio y el grado de amortiguamiento del acelerómetro.
Figura Nº49: Grafico de velocidad de los datos utilizado para la evaluación del periodo propio y el grado de amortiguamiento del acelerómetro.
Figura Nº50: Grafico de aceleración de los datos utilizado para la evaluación del periodo propio y el grado de amortiguamiento del acelerómetro.
1.5 AD 1
0 0 0.1766733 0.3533466 0.5300199 0.7066932 0.8833665 1.0600398 1.2367131 1.4133864 1.5900597 1.766733 1.9434063 2.1200796 2.2967529 2.4734262 2.6500995 2.8267728 3.0034461 3.1801194 3.3567927 3.533466 3.7101393 3.8868126 4.0634859 4.2401592 4.4168325 4.5935058 4.7701791 Figura Nº51: Grafico de Amplificación dinámica v/s r para ω0(hz)=20.603 y 20.56% de amortiguamiento
Del grafico de amplificación dinámica se estima el rango de frecuencias de operación del equipo para que la amplitud sea lineal.
Se establece un rango lineal de 0 a 2hz, AD (2hz)=1.0087
Para el rango de frecuencias 0-2hz el valor de. FI (2)= 0.04 rad
Figura Nº52: Grafico de angulo de desfase FI(rad) v/s r para ω0(hz)=20.603 y 20.56% de amortiguamiento
0 0.164053779 0.328107557 0.492161336 0.656215114 0.820268893 0.984322671 1.14837645 1.312430229 1.476484007 1.640537786 1.804591564 1.968645343 2.132699121 2.2967529 2.460806679 2.624860457 2.788914236 2.952968014 3.117021793 3.281075572 3.44512935 3.609183129 3.773236907 3.937290686 4.101344464 4.265398243 4.429452022 4.5935058 4.757559579
Este capitulo presenta los resultados descritos en el capitulo anterior de forma ordenada en un formato similar al formato de presentación de acelerómetros comerciales consistente en un listado de las características del acelerómetro ordenado por categorías. A continuación se hace referencia a las conclusiones finales.
Acelerómetro Biaxial AL01 CARACTERISTICAS GENERALES FABRICANTE CHIP FABRICANTE TRANSDUCTOR TIPO DE CHIP TECNOLOGIA INVOLUCRADA FABRICANTE SOFTWARE FABRICANTE EQUIPO CARACTERISTICAS DINAMICAS EJES SENSIBILIDAD RESOLUCION RANGO DE ACELERACION ACC MAX de lectura VEL MAX de lectura VEL DE MUESTREO RESPUESTA LINEAL DE FRECUENCIAS RESONANCIA AMORTIGUAMIENTO SENSIBILIDAD TRANSVERSAL RESPUESTA A TEMPERATURA CARACTERISTICAS ELECTRICAS REQUERIMIENTOS ELECTRICOS RUIDO ELECTRICO IMPEDANCIA resonador VOLTAJE DE SALIDA VOLTAJE RADIOTRANSMISOR BATERIAS
Agilent Genius Fotosensor CMOS Navegación Óptica Proyecto UACH Proyecto UACH
2 0,06g@1600dpi 800/1600dpi Intercambiable 0-5,4g estática 8g 51,2 cm/seg x,y simultaneo 1/10000seg 0-2hz 20,603HZ 20,56% Regulable 11,9/14,08% -
2,8volt N/A 55Ω 0,4v 5v 2AAA
AMBIENTALES RANGO DE TEMPERATURA HUMEDAD SENSIBILIDAD ELECTROMAGNETICA SELLADO VARIABLES FISICAS DISEÑO DEL SENSOR FLUIDO AMORTIGUADOR PESO ACELEROMETRO PESO RADIOTRANMISOR MATERIAL DEL CUERPO MONTAJE MONTAJE DE CONEXIÓN ALMACENAMIENTO CONECTIVIDAD Y SOFTWARE COMUNICACIÓN ALCANCE EFECTIVO LIBRE CONECTIVIDAD SOFTWARE BITRATE
-15/55ºC N/A N/A Epoxi
viga en volado (acero plomo) Aceite Sintético SAE90
PVC Manual N/A HDD EXTERNO
Radiofrecuencia 24KHZ 10m Plug & Play Acelerómetro V1 1,188kb/seg
Tabla Nº14: Especificaciones del acelerómetro.
Durante el desarrollo de este trabajo se elaboraron 4 acelerómetros de distintas características, los cuales intentaron incorporar técnicas para mejorar las prestaciones dinámicas de los equipos, dos fueron desechados por tener inconsistencias en su fabricación y planteamiento, el cuarto equipo, fruto de la experiencia acumulada, dio como resultado un acelerómetro inalámbrico que fue motivo de estudio en los capítulos anteriores. Hipótesis
Realizando un análisis de las características enumeradas en el capitulo V en comparación con la gama de características de acelerómetros, con especial énfasis en el catálogo de equipos Wilcoxon 4, podemos determinar que el equipo estudiado supera en algunas prestaciones a los equipos convencionales, en otras cumple con estándares normales y en otras es inferior. Existen características que se pueden mejorar con técnicas de fabricación profesionales incorporando otras tecnologías usadas en la elaboración de sensores, también existen características fijas que no es posible mejorar y que son dependientes de la evolución futura de los mouse comerciales.
A continuación se detallan las prestaciones superiores, normales e inferiores y se menciona la posibilidad de mejora inmediata mediante procesos de fabricación e incorporación de tecnologías:
Véase catalogo de acelerómetros Wilcoxon en Anexo.
CARACTERISTICAS DEL TRANSDUCTOR Sensibilidad
comparación Inferior
estructura Mejorable
comentario aplicación de transductores mas sensibles, sistemas de amplificación aplicación de transductores de mayor resolución no existe punto de comparación homologo a equipos ópticos
Rango de operación dependiente de variables fisicas CARACTERISTICAS DEL SENSOR Cualidades físicas (m,c,k)
Mediante sistemas de fabricación profesionales Mediante sistemas de fabricación profesionales Mediante sistemas de fabricación profesionales
Frecuencias de operación lineal
Rango de operación dependiente de variables físicas FUNCIONALIDAD DEL SISTEMA TRANSDUCTOR Conectividad
Plug & Play, en todos los SO
no existe punto de comparación 10 veces mayor a los equipos convencionales no existe punto de comparación se presume inferioridad por el desarrollo del software se pueden operar una cantidad indefinida de equipos con un SO y un ordenador
Rango de operación dentro del SO
Tabla Nº15: Tabla de comparación
Dadas las características antes mencionadas podemos decir que es posible fabricar equipos a partir de transductores CMOS obtenidos de mouse con buenas prestaciones, algunas superiores a los equipos convencionales.
6.3 Trabajo futuro
Es importante mencionar que se ha omitido una cantidad importante de experimentos y estudios dirigidos a proporcionar más información referente a las características del equipo y a sus posibles aplicaciones. Lo anterior debido a la necesidad de acotar el problema. Dentro de los experimentos omitidos tiene relevancia la calibración del acelerómetro instalándolo junto a un equipo de uso convencional, este experimento se puede realizar en una universidad en donde existan otros equipos o mesas vibradoras. También seria relevante enfocar el trabajo en el diseño del sensor incluyendo un sistema de amplificación de desplazamientos. Todo indica que esto debería mejorar la sensibilidad del acelerómetro. Otro factor es la fabricación profesional, esto permitirá mejorar características como el peso y tamaño, sensibilidad transversal y mediante la incorporación de una superficie de lectura fabricada con el radio de curvatura de la viga mejorar la calidad de lectura (SQUAL). También se pueden adquirir mouse que contengan sistemas transductores mucho más sensibles lo que mejorara considerablemente todas las prestaciones. Como ultimo punto se debe adquirir bibliografía especializada referente al tema, de manera de poder contar con el mismo material con que han contado trabajos similares a este.
6.4 Aplicaciones
Las aplicaciones para el sistema Transductor-Software son muy variadas. Ya se ha mencionado en otros capítulos la versatilidad del transductor y del software. A continuación se enumeran alguna:
1) Medición de aceleraciones: Calibración de ejes en maquinas: dada las características inalámbricas es posible montar el acelerómetro solidario al eje a calibrar. Mantenimiento en maquinas: es posible monitorear la frecuencia y la amplitud de las mismas detectando tempranamente una condición de desbalance. Medición de sismos fuertes: Es posible medir fenómenos sísmicos fuertes e instalas redes acelerográficas con un solo ordenador a costos mínimos. Instalación sobre un carro de laboratorio Elaboración de una mesa vibradora: Es posible diseñar una mesa vibradora a partir de el acelerómetro, un motor con una masa excéntrica y un regulador de voltaje, acoplados a una estructura (mesa) que ofrezca la rigidez necesaria.
2) Medición de velocidad: Es posible acoplar el transductor a una hélice y calibrarlo para medir la velocidad de rotación directamente en el eje. (será necesario verificar la linealidad de la hélice. De esta manera se puede medir la velocidad de diversos fluidos en movimiento como viento agua u otro.
Clough, Raw W. 1995; Dynamics of Structures, Ed: McGraw-Hill, Computers & Structures, University Ave. Berkeley, CA 94704 USA Eller E.; R. Whittier; Manual de medidas acústicas y control de ruido, C. 7 Transductores de Vibración. Ruiz Patricio. 1974 Dinámica de Estructuras, Programa de especialización en ingeniería UC, Publicación Nº 74-2, Santiago, Chile.(236 Pag.) Palacín J., V. A. Blas. 2005; Nuevas Aplicaciones del Sensor del Mouse Óptico. Departamento de Informática de Ingeniería Industrial. Universidad de Lleida. Jaume II, 69. 25001 Lleida Chopra, Anil K. 2001; “Dynamics of Structures- theory and applications to earthquake engineering”. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice-Hall, Paz Mario. 1991; “Structural Dynamics”, New York : Van Nostrand Reinhold, Burgos Henríquez, Sandra Lucía.1989; “Introducción a la sismología y construcción de un sismólogo” Tesis UACH. Martínez Durá, Rafael J, 2001 Estructura de computadores y periféricos, México: Alfaomega/RA-MA. Bosch Solsona, José, 1980 “Interconexión de periféricos a microprocesadores”, Barcelona: Marcombo,. Allen H., S. C. Terry , D. W. de Bruin, Accelerometer systems with selfs-testable features, Sensors and Actuators, 20, pp.153-161, 1989 P.D. Dinev, (1996) Sci. Instrum. 67, 1. Roylance L. M,J. Angel, , 1979; A batch-fabricated silicon accelerometer, IEEE Trans. on Electron Devices, ED-26. pp. 1911-1917
Product brief catalog, Wilcoxon accelerometers. En: http://www.wilcoxon.com Consultado el: 05/06/2006.
Product brief catalog, Kinemetrics accelerometers. En: http://www.kinemetrics.com Consultado el: 07/06/2006.
Product brief catalog, Analog-Devices accelerometers. En: http://www.Analog.com Consultado el: 07/06/2006.
Product brief ,900/868 MHz G-Link® Wireless Accelerometer Node. En: http://www.microstrain.com/g-link.aspx Consultado el: 07/06/2006.
Product brief Agilent ADNB-6031 and ADNB-6032 Low Power Laser Mouse Bundles En: http://www.agilent.com/ Consultado el: 09/06/2006.
Product brief Agilent ADNS-2610 Optical Mouse Sensor Data Sheet. En: http://www.genius-europe.com/en/produktdetail.php?ID2=66&ID=24&ID3=357 Consultado el: 09/06/2006.
Avago Tecnologies, Agilent ADNS-2610 Optical Mouse Sensor Data Sheet, En: http://www.agilent.com/ semiconductors Consultado el: 09/06/2006
Anexo 1: Especificaciones de acelerómetros Wilcoxon (extracto)
Anexo 2: Especificaciones generales de acelerómetro 993B
Anexo 3: Planilla para tratamiento de datos de aceleraciones
Anexo 4: Archivo estándar de aceleración
Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingenieria, Valdivia
81594511- 063212330
AECHIVO ESTANDAR DE ACELERACION FORMATO NOMBRE DEL ARCHIVO FECHA U HORA DE CREACION DATOS DE LA ESTACION NOMBRE DE LA ESTACION CLAVE DE LA ESTACION LOCALIZACION DE LA ESTACION COORDENADAS DE LA ESTACION:
1 datalog633243685058125000 04-09-2007 15:51
TIPO DE SUELO RESPONSABLE DATOS DEL ACELEROMETRO MODELO DEL ACELEROGRAFO NUMERO DE SERIE DEL ACELEROGRAFO TRANSDUCTOR SENSOR NUMERO DE CANALES ORIENTACION VEL. DE MUESTREO X,Y (1/SEG) DENSIDAD DE MUESTREO M/SEG ESCALA DE SENSORES X,Y (g) FREC. NAT. DE SENSORES X,Y (HZ) AMORTIGUAMIENTO DE SENSORES INTERVALO DE MUESTREO X,Y (SEG) UMBRAL DE DISPARO X,Y (G) MEMORIA BRITRATE (KB/S) FRECUENCIA DE TRABAJO
Laboratorio Puerto Montt 41º28'59.11" S 72º58'50.54" 238 Pies CARLOS MONCADA
MODELO EXPERIMENTAL A2O V2 OPTICO, MOUSE FLEXION 2 /V/X,Y/N90E,N00E /10000/10000 91,46425203 /K1/K2 /17/17 /2.4/2.4 /0.0001/0.0001 DISPARO MANUAL HDD EXTERNO 1,188 -
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82
DATOS DEL REGISTRO HORA DE LA PRIMERA MUESTRA EXACTITUD DEL TIEMPO DURACION DEL REGISTRO X,Y (s) TOTAL DE MUESTRAS ACEL. MAX.(G) ACEL. MAX., V,X,Y EN LA MUESTRA UNIDADES DE LOS DATOS CALIDAD DEL ACELEROGRAMA
04-09-2007 15:51 0,0001 /46.188/46.188 3100
REGISTRO DIGITAL COMPLETO, TIEMPO ABSOLUTO CORRECTO COMENTARIOS LAS ACELERACIONES REGISTRADAS CORRESPONDEN A EXITACIONES PROVOCADAS INTENCIONALMENTE CON EL FIN DE CONOCER LAS C ARACTERISTICAS DEL SENSOR Y EL TRANSDUCTOR
DATOS DE ACELERACION X V 0,6324555 0,7071068 0,400125 N00E 0,2 0,5 0,4 Y N90E 0,6 -0,5 -0,01 56,3669 3,5625 13,6591 T
Este archivo ha sido elaborado en base al ARCHIVO ESTANDAR DE ACELERACION de sismos fuertes en Mexico, el que a su vez a sido elaborado a partir del archivo estandar ASCII El archivo original tiene como objetivo la estandarizacion de las lecturas sismicas en Mexico¹.
¹ http://www.unam.mx/db/spanish/aea2.html
Anexo Nº5: Código Software Acelerómetro V1
FRMMOUSE.CS
using System; using System.Collections.Generic; using System.ComponentModel; using System.Data; using System.Drawing; using System.Text; using System.Windows.Forms; using ZedGraph; using System.IO; namespace mouse { public partial class frmMouse : Form { Mouse Mo; bool Lectura = false; int tickStart = 0; LineItem curveDeltaX; LineItem curveDeltaY; IPointListEdit listY; IPointListEdit listX; TextWriter Log; void init() { Mo=new Mouse(this.Handle); int ms = Mo.EnumerateDevices(); Console.WriteLine("Detected " + ms + " mouses"); foreach (Mouse.DeviceInfo inf in Mo.deviceList.Values) { this.cbMouses.Items.Add(inf.Name); Console.WriteLine("______________________________"); Console.WriteLine("Mouse " + inf.deviceName + " " + inf.Name); } Console.WriteLine("______________________________"); Mo.MouseEvent += new Mouse.DeviceEventHandler(m_mouseEvent); Mo.isReady = true; Log = new StreamWriter("datalog"+DateTime.Now.Ticks+".csv",true); } double lTime = 0; int micro = 0; private void m_mouseEvent(object sender, Mouse.DeviceInfo e) { if (this.cbMouses.Text == e.Name && Lectura == true) { double time = ((double)(Environment.TickCount - tickStart))/1000; if (lTime == time) { micro++;time += (double)micro / 10000; } else { micro = 0; lTime = time; } listX.Add(time, e.LastX); listY.Add(time, e.LastY); if (this.checkBox1.Checked){
Log.WriteLine( DateTime.Now.ToString()+ ";" + time.ToString() + ";" + e.LastX + ";" + e.LastY ); } } } public frmMouse() { InitializeComponent(); init(); } protected override void WndProc(ref Message message) { if (Mo != null && Mo.isReady) Mo.ProcessMessage(message); base.WndProc(ref message); } private void frmMouse_Load(object sender, EventArgs e) { initGraph(); } private void initGraph() { GraphPane myPane = this.chartDelta.GraphPane; myPane.CurveList.Clear(); myPane.Title.Text = ""; myPane.XAxis.Title.Text = ""; myPane.YAxis.Title.Text = ""; RollingPointPairList plistX = new RollingPointPairList(5000); RollingPointPairList plistY = new RollingPointPairList(5000); curveDeltaX = myPane.AddCurve("Delta X", plistX, Color.Blue, SymbolType.None); curveDeltaY = myPane.AddCurve("Delta Y", plistY, Color.Red, SymbolType.None); listX = this.curveDeltaX.Points as IPointListEdit; listY = this.curveDeltaY.Points as IPointListEdit; // Sample at 50ms intervals timer1.Interval = 50; timer1.Enabled = true; // Just manually control the X axis range so it scrolls continuously // instead of discrete step-sized jumps myPane.XAxis.Scale.Min = 0; myPane.XAxis.Scale.Max = 30; myPane.XAxis.Scale.MinorStep = 1; myPane.XAxis.Scale.MajorStep = 5; // Scale the axes chartDelta.AxisChange(); //init tickStart = Environment.TickCount; listX.Clear(); listY.Clear(); timer1.Stop(); } private void frmMouse_Resize(object sender, EventArgs e) { }
private void btInicio_Click(object sender, EventArgs e) { if (btInicio.Tag.ToString() == "1") { btInicio.Tag = "0"; btInicio.Text = "Iniciar"; Lectura = false; this.cbMouses.Enabled = true; timer1.Stop(); } else { btInicio.Tag = "1"; btInicio.Text = "Parar"; Lectura = true; this.cbMouses.Enabled = false; initGraph(); Log.WriteLine("\n----------------------------- INIT ---------------------------\n"); Log.WriteLine("FECHA MUESTRA;SEGUNDOS;DELTA X;DELTA Y"); timer1.Start(); } } private void timer1_Tick(object sender, EventArgs e) { // Time is measured in seconds double time = (Environment.TickCount - tickStart) / 1000.0; // Keep the X scale at a rolling 30 second interval, with one // major step between the max X value and the end of the axis Scale xScale = chartDelta.GraphPane.XAxis.Scale; if (time > xScale.Max - xScale.MajorStep) { xScale.Max = time + xScale.MajorStep; xScale.Min = xScale.Max - 30.0; } chartDelta.AxisChange(); chartDelta.Invalidate(); } private void frmMouse_FormClosed(object sender, FormClosedEventArgs e) { Log.Close(); } }
FRMMOUSE.DESIGNER.CS
namespace mouse { partial class frmMouse { /// <summary> /// Required designer variable. /// </summary> private System.ComponentModel.IContainer components = null; /// <summary> /// Clean up any resources being used. /// </summary> /// <param name="disposing">true if managed resources should be disposed; otherwise, false.</param> protected override void Dispose(bool disposing) { if (disposing && (components != null)) { components.Dispose(); } base.Dispose(disposing); } #region Windows Form Designer generated code
/// <summary> /// Required method for Designer support - do not modify /// the contents of this method with the code editor. /// </summary> private void InitializeComponent() { this.components = new System.ComponentModel.Container(); this.cbMouses = new System.Windows.Forms.ComboBox(); this.label1 = new System.Windows.Forms.Label(); this.btInicio = new System.Windows.Forms.Button(); this.checkBox1 = new System.Windows.Forms.CheckBox(); this.chartDelta = new ZedGraph.ZedGraphControl(); this.timer1 = new System.Windows.Forms.Timer(this.components); this.SuspendLayout(); // // cbMouses // this.cbMouses.FormattingEnabled = true; this.cbMouses.Location = new System.Drawing.Point(135, 12); this.cbMouses.Name = "cbMouses"; this.cbMouses.Size = new System.Drawing.Size(141, 21); this.cbMouses.TabIndex = 0; // // label1 // this.label1.AutoSize = true; this.label1.Location = new System.Drawing.Point(12, 15); this.label1.Name = "label1"; this.label1.Size = new System.Drawing.Size(117, 13); this.label1.TabIndex = 1; this.label1.Text = "Seleccione Dispositivo:"; // // btInicio // this.btInicio.Location = new System.Drawing.Point(283, 12); this.btInicio.Name = "btInicio"; this.btInicio.Size = new System.Drawing.Size(75, 21); this.btInicio.TabIndex = 2; this.btInicio.Tag = "\"ALGO\""; this.btInicio.Text = "Iniciar"; this.btInicio.UseVisualStyleBackColor = true; this.btInicio.Click += new System.EventHandler(this.btInicio_Click); // // checkBox1 // this.checkBox1.AutoSize = true; this.checkBox1.Location = new System.Drawing.Point(15, 39); this.checkBox1.Name = "checkBox1"; this.checkBox1.Size = new System.Drawing.Size(191, 17); this.checkBox1.TabIndex = 3; this.checkBox1.Text = "Guardar lectura en un archivo CSV"; this.checkBox1.UseVisualStyleBackColor = true; // // chartDelta // this.chartDelta.Anchor = ((System.Windows.Forms.AnchorStyles)((((System.Windows.Forms.AnchorStyles.Top | System.Windows.Forms.AnchorStyles.Bottom) | System.Windows.Forms.AnchorStyles.Left) | System.Windows.Forms.AnchorStyles.Right))); this.chartDelta.EditButtons = System.Windows.Forms.MouseButtons.None; this.chartDelta.EditModifierKeys = System.Windows.Forms.Keys.None; this.chartDelta.IsEnableHPan = false; this.chartDelta.IsEnableHZoom = false; this.chartDelta.IsEnableVPan = false; this.chartDelta.IsEnableVZoom = false; this.chartDelta.IsPrintFillPage = false; this.chartDelta.IsPrintKeepAspectRatio = false; this.chartDelta.IsPrintScaleAll = false; this.chartDelta.IsShowContextMenu = false; this.chartDelta.IsShowCopyMessage = false; this.chartDelta.Location = new System.Drawing.Point(12, 62); this.chartDelta.Name = "chartDelta"; this.chartDelta.ScrollGrace = 0; this.chartDelta.ScrollMaxX = 0;
this.chartDelta.ScrollMaxY = 0; this.chartDelta.ScrollMaxY2 = 0; this.chartDelta.ScrollMinX = 0; this.chartDelta.ScrollMinY = 0; this.chartDelta.ScrollMinY2 = 0; this.chartDelta.Size = new System.Drawing.Size(495, 223); this.chartDelta.TabIndex = 2; // // timer1 // this.timer1.Tick += new System.EventHandler(this.timer1_Tick); // // frmMouse // this.AutoScaleDimensions = new System.Drawing.SizeF(6F, 13F); this.AutoScaleMode = System.Windows.Forms.AutoScaleMode.Font; this.ClientSize = new System.Drawing.Size(518, 294); this.Controls.Add(this.chartDelta); this.Controls.Add(this.checkBox1); this.Controls.Add(this.btInicio); this.Controls.Add(this.label1); this.Controls.Add(this.cbMouses); this.Name = "frmMouse"; this.Text = "Acelerografo v1 2007"; this.FormClosed += new System.Windows.Forms.FormClosedEventHandler(this.frmMouse_FormClosed); this.Resize += new System.EventHandler(this.frmMouse_Resize); this.Load += new System.EventHandler(this.frmMouse_Load); this.ResumeLayout(false); this.PerformLayout(); } #endregion private System.Windows.Forms.ComboBox cbMouses; private System.Windows.Forms.Label label1; private System.Windows.Forms.Button btInicio; private System.Windows.Forms.CheckBox checkBox1; private ZedGraph.ZedGraphControl chartDelta; private System.Windows.Forms.Timer timer1; }
using System; using System.Collections; using System.IO; using System.Runtime.InteropServices; using System.Windows.Forms; using Microsoft.Win32; namespace mouse { class Mouse { public Hashtable deviceList = new Hashtable(); public bool isReady = false; public delegate void DeviceEventHandler(object sender, DeviceInfo e); public event DeviceEventHandler MouseEvent; #region const definitions // The following constants are defined in Windows.h private const int RIDEV_INPUTSINK = 0x00000100; private const int RID_INPUT = 0x10000003; private const int FAPPCOMMAND_MASK = 0xF000; private const int FAPPCOMMAND_MOUSE = 0x8000; private const int FAPPCOMMAND_OEM = 0x1000; private const int RIM_TYPEMOUSE = 0; private const int RIM_TYPEKEYBOARD = 1;
private const int RIM_TYPEHID = 2; private const int RIDI_DEVICENAME = 0x20000007; private const int WM_KEYDOWN = 0x0100; private const int WM_SYSKEYDOWN = 0x0104; private const int WM_INPUT = 0x00FF; private const int VK_OEM_CLEAR = 0xFE; private const int VK_LAST_KEY = VK_OEM_CLEAR; // this is a made up value used as a sentinel #endregion const definitions #region structs & enums /// <summary> /// An enum representing the different types of input devices. /// </summary> public enum DeviceType { Key, Mouse, OEM } /// <summary> /// Class encapsulating the information about a /// keyboard event, including the device it /// originated with and what key was pressed /// </summary> public class DeviceInfo { public string deviceName; public string deviceType; public IntPtr deviceHandle; public string Name; public string source; public ushort key; public string vKey; public int LastX; public int LastY; public int X; public int Y; } #region Windows.h structure declarations // The following structures are defined in Windows.h [StructLayout(LayoutKind.Sequential)] internal struct RAWINPUTDEVICELIST { public IntPtr hDevice; [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] public int dwType; } [StructLayout(LayoutKind.Explicit)] internal struct RAWINPUT { [FieldOffset(0)] public RAWINPUTHEADER header; [FieldOffset(16)] public RAWMOUSE mouse; [FieldOffset(16)] public RAWKEYBOARD keyboard; [FieldOffset(16)] public RAWHID hid; } [StructLayout(LayoutKind.Sequential)] internal struct RAWINPUTHEADER { [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] public int dwType; [MarshalAs(UnmanagedType.U4)]
public int dwSize; public IntPtr hDevice; [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] public int wParam; } [StructLayout(LayoutKind.Sequential)] internal struct RAWHID { [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] public int dwSizHid; [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] public int dwCount; } [StructLayout(LayoutKind.Sequential)] internal struct BUTTONSSTR { [MarshalAs(UnmanagedType.U2)] public ushort usButtonFlags; [MarshalAs(UnmanagedType.U2)] public ushort usButtonData; } [StructLayout(LayoutKind.Explicit)] internal struct RAWMOUSE { [MarshalAs(UnmanagedType.U2)] [FieldOffset(0)] public ushort usFlags; [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] [FieldOffset(4)] public uint ulButtons; [FieldOffset(4)] public BUTTONSSTR buttonsStr; [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] [FieldOffset(8)] public uint ulRawButtons; [FieldOffset(12)] public int lLastX; [FieldOffset(16)] public int lLastY; [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] [FieldOffset(20)] public uint ulExtraInformation; } [StructLayout(LayoutKind.Sequential)] internal struct RAWKEYBOARD { [MarshalAs(UnmanagedType.U2)] public ushort MakeCode; [MarshalAs(UnmanagedType.U2)] public ushort Flags; [MarshalAs(UnmanagedType.U2)] public ushort Reserved; [MarshalAs(UnmanagedType.U2)] public ushort VKey; [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] public uint Message; [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] public uint ExtraInformation; } [StructLayout(LayoutKind.Sequential)] internal struct RAWINPUTDEVICE { [MarshalAs(UnmanagedType.U2)] public ushort usUsagePage; [MarshalAs(UnmanagedType.U2)] public ushort usUsage; [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] public int dwFlags; public IntPtr hwndTarget; }
#endregion Windows.h structure declarations #endregion structs & enums #region DllImports [DllImport("User32.dll")] extern static uint GetRawInputDeviceList(IntPtr pRawInputDeviceList, ref uint uiNumDevices, uint cbSize); [DllImport("User32.dll")] extern static uint GetRawInputDeviceInfo(IntPtr hDevice, uint uiCommand, IntPtr pData, ref uint pcbSize); [DllImport("User32.dll")] extern static bool RegisterRawInputDevices(RAWINPUTDEVICE[] pRawInputDevice, uint uiNumDevices, uint cbSize); [DllImport("User32.dll")] extern static uint GetRawInputData(IntPtr hRawInput, uint uiCommand, IntPtr pData, ref uint pcbSize, uint cbSizeHeader); #endregion DllImports private string ReadReg(string item, ref bool isMouse) { // Example Device Identification string // @"\??\ACPI#PNP0303#3&13c0b0c5&0#{884b96c3-56ef-11d1-bc8c-00a0c91405dd}"; // remove the \??\ item = item.Substring(4); string[] split = item.Split('#'); string id_01 = split[0]; // ACPI (Class code) string id_02 = split[1]; // PNP0303 (SubClass code) string id_03 = split[2]; // 3&13c0b0c5&0 (Protocol code) //The final part is the class GUID and is not needed here RegistryKey OurKey = Registry.LocalMachine; string findme = string.Format(@"System\CurrentControlSet\Enum\{0}\{1}\{2}", id_01, id_02, id_03); OurKey = OurKey.OpenSubKey(findme, false); //Retrieve the desired information and set isKeyboard string deviceDesc = (string)OurKey.GetValue("DeviceDesc"); string deviceClass = (string)OurKey.GetValue("Class"); if (deviceClass.ToUpper().Equals("MOUSE")) { isMouse = true; } else { isMouse = false; } return deviceDesc; } public Mouse( IntPtr hwnd ) { //Create an array of all the raw input devices we want to //listen to. In this case, only keyboard devices. //RIDEV_INPUTSINK determines that the window will continue //to receive messages even when it doesn't have the focus. RAWINPUTDEVICE[] rid = new RAWINPUTDEVICE[1]; rid[0].usUsagePage = 0x01; rid[0].usUsage = 0x02; rid[0].dwFlags = RIDEV_INPUTSINK; rid[0].hwndTarget = hwnd; if( !RegisterRawInputDevices( rid, (uint)rid.Length, (uint)Marshal.SizeOf( rid[0] ))) { throw new ApplicationException( "Failed to register raw input device(s)." ); } } public int EnumerateDevices() { int NumberOfDevices = 0; uint deviceCount = 0;
int dwSize = (Marshal.SizeOf(typeof(RAWINPUTDEVICELIST))); if (GetRawInputDeviceList(IntPtr.Zero, ref deviceCount, (uint)dwSize) == 0) { IntPtr pRawInputDeviceList = Marshal.AllocHGlobal((int)(dwSize * deviceCount)); GetRawInputDeviceList(pRawInputDeviceList, ref deviceCount, (uint)dwSize); for (int i = 0; i < deviceCount; i++) { DeviceInfo dInfo; string deviceName; uint pcbSize = 0; RAWINPUTDEVICELIST rid = (RAWINPUTDEVICELIST)Marshal.PtrToStructure( new IntPtr((pRawInputDeviceList.ToInt32() + (dwSize * i))), typeof(RAWINPUTDEVICELIST)); GetRawInputDeviceInfo(rid.hDevice, RIDI_DEVICENAME, IntPtr.Zero, ref pcbSize); if (pcbSize > 0) { IntPtr pData = Marshal.AllocHGlobal((int)pcbSize); GetRawInputDeviceInfo(rid.hDevice, RIDI_DEVICENAME, pData, ref pcbSize); deviceName = (string)Marshal.PtrToStringAnsi(pData); if (deviceName.ToUpper().Contains("ROOT")) {continue;} if (rid.dwType == RIM_TYPEMOUSE) { dInfo = new DeviceInfo(); dInfo.deviceName = (string)Marshal.PtrToStringAnsi(pData); dInfo.deviceHandle = rid.hDevice; dInfo.deviceType = "MOUSE"; bool IsDevice = false; string DeviceDesc = ReadReg(deviceName, ref IsDevice); dInfo.Name = DeviceDesc; if (!deviceList.Contains(rid.hDevice) && IsDevice) { NumberOfDevices++; deviceList.Add(rid.hDevice, dInfo); } } Marshal.FreeHGlobal(pData); } } Marshal.FreeHGlobal(pRawInputDeviceList); return NumberOfDevices; } else { throw new ApplicationException("An error occurred while retrieving the list of devices."); } } public void ProcessMessage(Message message) { switch (message.Msg) { case WM_INPUT: { ProcessInputCommand(message); } break; } } public void ProcessInputCommand( Message message ) { uint dwSize = 0; GetRawInputData( message.LParam, RID_INPUT, IntPtr.Zero, ref dwSize, (uint)Marshal.SizeOf( typeof( RAWINPUTHEADER )));
IntPtr buffer = Marshal.AllocHGlobal( (int)dwSize ); try { if (buffer != IntPtr.Zero && GetRawInputData(message.LParam, RID_INPUT, buffer, ref dwSize, (uint)Marshal.SizeOf(typeof(RAWINPUTHEADER))) == dwSize) { RAWINPUT raw = (RAWINPUT)Marshal.PtrToStructure(buffer, typeof(RAWINPUT)); if (raw.header.dwType == RIM_TYPEMOUSE) { DeviceInfo dInfo = null; if (deviceList.Contains(raw.header.hDevice)) { dInfo = (DeviceInfo)deviceList[raw.header.hDevice]; if (raw.mouse.usFlags == 0) { dInfo.LastX = raw.mouse.lLastX; dInfo.X += raw.mouse.lLastX; dInfo.LastY = raw.mouse.lLastY; dInfo.Y += raw.mouse.lLastY; } MouseEvent(this, dInfo); } else { string errMessage = String.Format("Handle :{0} was not in hashtable. The device may support more than one handle or usage page, and is probably not a standard mouse.", raw.header.hDevice); throw new ApplicationException(errMessage); } } } } finally { Marshal.FreeHGlobal( buffer ); } } } }
using System; using System.Collections.Generic; using System.Runtime.InteropServices; using System.Windows.Forms; namespace mouse { class Program { static void Main(string[] args) { Application.EnableVisualStyles(); Application.SetCompatibleTextRenderingDefault(false); Application.Run(new frmMouse()); } } }
Leer más sobre este usuarioSkip carousel1-TIPOS_Y_CARACTERISTICAS_DE_LOS_RODAMIENTOS.pdf'Docslide.us German Grammar Sparkcharts.pdf'man_8070_opt.pdfDescargar Primer CapituloCapÃ­tulo+7-Wireframe+and+Surface+DesignConf Aerotrends 13 v030613Practica3 APractica2 APractica1 A79443826 Alivio Tensiones Por VibracionAIRBUS - 3D Modelling Rules for CATIA V5133301139 Manual Uni Graphics Nx8595078 Ansys Example 0153 Offshore Structure24104435-ansys-example0151-struPractical Business English Info PackChines is ChUbungsgrammatik DaF Wiederholund Der Grundstufe MittelstufeAutomated DinamicsMarco Metodologico e Indicadores HotelFlash 1nullnullnullRetrieve File
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