Source: https://es.scribd.com/document/102707070/Gutierrez-Galarza-Omar-Instrumento-Topografico-Carreteras
Timestamp: 2016-08-24 08:34:54+00:00

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Es por estas razones que existe una brecha donde se necesita un instrumento topográfico electrónico destinado a la medición de secciones transversales que sea directo. y sirve para poder cuantificar el movimiento de tierra y el costo de construir una carretera. El presente trabajo de tesis tiene como objetivo identificar los componentes electrónicos y tecnología necesaria para poder desarrollar un instrumento de medición que permita cubrir la necesidad de modernizar los métodos que existen en el campo de la topografía peruana y diseño de proyectos viales
. pero resulta que nuestra normativa peruana del Ministerio de Transportes y Comunicaciones exige la medición de secciones transversales por métodos convencionales directos. No existe un instrumento moderno que haga una medición directa de secciones transversales sino que se tiene métodos indirectos con la ayuda de la computadora. esto es debido a nuestra difícil y variada topografía que hace que estos métodos antiguos se sigan utilizando con instrumentos económicos y simples pero tienen el costo de exigir una labor más complicada que toma mayor tiempo y con errores. preciso y económico. En nuestro país se siguen utilizando los métodos directo convencionales a pesar que existe modernos instrumentos. además que requiere de mano de obra especializada que podrían utilizarse en otras necesidades del proyecto. que viene a ser la vista o corte perpendicular al eje de una vía.
Para el diseño de un proyecto vial se requiere previamente de un estudio topográfico y la medición de secciones transversales.Introducción La topografía es una ciencia que permite hacer una representación gráfica de la superficie de la tierra a través de métodos e instrumentos especiales.
es el “corte” o vista perpendicular al eje de una vía.
Las secciones transversales se toman de forma directa. por medio de mediciones que determinan la posición relativa de puntos terrestres. Una sección transversal. En una carretera se acostumbra tomar secciones transversales cada 10 metros entre ellas
. sin dejar de considerar las diferencias de cotas o desniveles que presente dicha extensión. que contemple tanto los aspectos altimétricos como planimétricos.CAPÍTULO 1 EL PROCESO DE MEDICIÓN DE LAS SECCIONES TRANSVERSALES Y LA PROBLEMÁTICA QUE EXISTE EN SU ENTORNO DE TRABAJO 1. para ubicar de buena forma un proyecto.1 Definición de las Secciones Transversales y Topografía La Topografía estudia el conjunto de procedimientos para determinar la posición de un punto sobre la superficie terrestre.1. así como lo es para elaborar cualquier proyecto. está formado con puntos de ángulos en grados sexagesimales y distancia como se ve en el esquema anterior. y las distancias se toman con cinta métrica de lona. Es primordial contar con una buena representación gráfica. La representación gráfica lo podemos ver en la Figura 1. de una extensión cualquiera de terreno. Este plano es esencial para empezar correctamente cualquier obra que se desee llevar a cabo.1. Tiene un conjunto de operaciones que se necesita realizar para poder confeccionar una correcta representación gráfica planimétrica. o plano.
Figura 1. La sección transversal con los elementos que la componen. y se usa un instrumento netamente óptico y rudimentario llamado Eclímetro para medir ángulos.
los cuales están conformados por tramos importantes de las carreteras Panamericana en la Costa. de 1991 a 1995. se ejecutó un programa de urgencia destinado a recuperar un nivel de accesibilidad mínimo indispensable. [1] El plan considera la priorización de desarrollo de tres circuitos viales básicos. pero estudiará la viabilidad de las ampliaciones necesarias en el futuro. conservación y también en la seguridad de la circulación. para luego emprender un programa de rehabilitación del sistema intermodal comercial de las zonas de alto potencial de recursos agropecuarios conectándolos con los mercados de consumo. puentes y aeropuertos. en la búsqueda implementar un sistema de transporte multimodal eficiente. el MTC ejecutó con recursos del Tesoro Público y Endeudamiento Externo. construcción. moderno y esencial para el desarrollo del país. [1] Al término del gobierno aprista del 85. la Marginal de la Selva y las carreteras de penetración. En una primera etapa. Un proyecto realista deberá en general adaptarse a las condiciones existentes o previstas a corto plazo. concebido como un aporte fundamental para el desarrollo y la lucha contra la pobreza. que van a permitir la incorporación de extensas regiones productoras y con altos niveles de riqueza no aprovechada a los centros urbanos de intercambio y los principales puertos marítimos y fluviales.
. decenas de obras de rehabilitación de carreteras.2 Plan de Desarrollo Vial El Ministerio de Transportes y Comunicaciones ha diseñado un ambicioso Plan de Desarrollo Vial el cual tiene por objetivo integrar los centros poblados con las zonas de producción y zonas turísticas más importantes del país. así como la interconexión con los países vecinos de América del Sur.La sección transversal influye fundamentalmente en la capacidad de la vía. la infraestructura vial se encontraba sumamente deteriorada y el país había alcanzado un crítico nivel de desarticulación e incomunicación que lo situaba al borde del colapso económico y social. Longitudinal de la Sierra. incluye objetivos bien definidos. Durante esos años. [1] El plan. en su costo de expropiación. en ese entonces sólo el 12% de la Red Vial Nacional se encontraba en buenas condiciones. 1.
constituyendo más del 60 % de la red vial terrestre en el Perú. a mercados locales y regionales. En 1995 se concluye la rehabilitación de la carretera Panamericana entre Aguas Verdes (Tumbes) y la Concordia (Tacna) así como la Carretera Central entre Lima y Huanuco.Tiene una longitud total de 46. [4] Su principal componente. Las obras correspondientes se inician en agosto de ese año.2 Integración de los Centros Poblados La infraestructura rural de transporte en el Perú. especialmente en actividades de empleo asalariado no agropecuario.2. en febrero de 1992 se suscribe el primer contrato de préstamo con el BID para un programa de 322. .2. para proporcionar transporte de camino entre el estado brasileño del Acre y el departamento de Madre de Dios. con esfuerzos de mantener mejor la red nacional de las carreteras. la red vial vecinal tiene las siguientes características: .Como punto de partida de un plan de mayor alcance. 1. está integrada por la red vial vecinal. además con un proyecto para mejorar la integración entre los puertos peruanos y brasileños.1 Importancia de Mejorar la Infraestructura de Transporte Vial
El gobierno está dando la prioridad de atraer inversión privada a la mejora de la infraestructura de transporte del Perú.Permite accesibilidad al 30% de la población y al 90 % de pueblos del Perú. En ese sentido.5 millones el Tesoro Público. a servicios públicos (educación y salud fundamentalmente). es la vía más importante desde el punto de vista de conectividad e integrabilidad entre centros poblados del país. ya que un camino en mejores condiciones amplía las oportunidades de generación de ingresos de los hogares.
.5 millones de dólares. a contar con información y en otros casos a mejorar la calidad de la información con que cuentan los agentes rurales. de los cuales 210 millones aportada por el BID y 112.[2] Escobal dice: “Los resultados muestran que las mejoras en la infraestructura rural de transporte pueden tener un impacto positivo sobre los ingresos rurales y su composición. pequeños aeródromos y los caminos de herradura.” [3] 1. el sistema fluvial y sus muelles. los logros alcanzados son evidentes.909 Km. Un proyecto que se viene ejecutando es incorporar la construcción de un puente sobre el río de Madre de Dios.
. comunidades. por ejemplo.En la mayoría de casos son caminos que están al final del tejido vial. etc. que el objetivo del diseño de los caminos es el de crear una carretera de tipo apropiado. No se debe perder de vista al definir las características geométricas de la vía. Son las vías que alimentan fundamentalmente a las vías secundarias.. con un vehículo u otro medio de transporte.Son caminos que están ubicadas en el mundo andino que se caracteriza por tener elevadas pendientes y gran diversidad geográfica (topografía accidentada. caseríos.El mantenimiento rutinario (todos los días) de estos caminos requiere poca calificación y usa una tecnología intensiva en el uso de la mano de obra. 1.En general son caminos con bajos niveles de servicio que hace complejo la autosostenibilidad financiera. . a través de La Dirección General de Caminos. cuando ya existe la vía. Las redes viales de mayor jerarquía como los departamentales y nacionales pierden importancia sin la presencia de estas vías. Comunicaciones.Permite articulación y conformación de las redes viales en el Perú. Comunicaciones. fallas geológicas. Vivienda y Construcción (MTC).) . es decir.Es un bien público puro. . taludes inestables. no reduce el consumo de otra persona.Caminos que unen capitales de distrito con otras capitales de distrito y/o provincia. ha promovido la actualización de la normativa vigente. un consumidor no rivaliza con otro. etc. Vivienda y Construcción de la República del Perú.3 1. anexos. para lo cual ha preparado el Manual de Diseño Geométrico de Carreteras (DG-2001). Es muy caro establecer puestos de identificación a los usuarios ya sea para cobrar peajes o excluir del consumo a los que no lo hacen. capitales de distrito con centros poblados.1 Variables Del Medio Ambiente Específico Normativa Vigente en el Diseño Vial
El Ministerio de Transportes. [5] La Guía de Diseño Geométrico del MTC reúne los métodos y procedimientos necesarios para proyectar el trazado de una carretera. teniendo en cuenta las condiciones actuales del sistema vial del país. por lo tanto requiere de mecanismos de subsidios y transferencias. que lo use otra persona. . . y. .3. Sus disposiciones son de carácter explicativo y de recomendación para todos los proyectistas que realicen diseños contratados por el Ministerio de Transportes.
1 Recursos Financieros Destinados al Estudio de un Proyecto Vial El Ministerio de Transportes convoca a un concurso público para realizar el estudio de factibilidad de la carretera.3 La Competencia entre Empresas Consultoras
Son las empresas privadas encargadas en realizar el diseño y costo de un proyecto vial para ello cuenta con un staff de ingenieros especializados. que lo ingrese al SNIP (Sistema Nacional de Inversión Pública). el consultor ganador determina si el proyecto es rentable o no. como del mantenimiento y la explotación futura de la misma. el mejor precio y con un mejor personal técnico. Este conjunto hace que una empresa sea sólida y competitiva para una licitación pública ya que tendrá mejores costos y podrá ofrecer sus servicios a menor costo por kilómetro. pero no tanto como para que su realización represente una extravagancia o un desperdicio.4 Variables del Medio Ambiente Organizacional
1. En la licitación pública se evalúa dos aspectos: el económico y el técnico.3. El hecho de que se convoque a una licitación pública es porque se cuenta con el financiamiento necesario y ya se tiene un precio base de lo que va costar el estudio.3. etc. equipos de cómputo. Si es rentable el estudio de factibilidad sirve para justificar ante el MEF. haciéndose más atractiva para ganar la licitación. equipos topográficos. alcanzando siempre una solución de compromiso con el resto de objetivos o criterios. El ganador es el que tiene un mejor perfil económico y técnico para ejecutar el estudio vial. 1. Hay que obtener la economía o el menor costo posible. 1.2 Licitaciones Públicas para un Proyecto Vial
Es una modalidad de selección que contempla la actual Ley de Contrataciones y Adquisiciones del Estado. por la cual una entidad estatal como el Ministerio de Transportes realiza un concurso público para seleccionar el mejor postor para efectuar el estudio de un proyecto vial.
. La elasticidad suficiente de la solución definitiva para prever posibles ampliaciones en el futuro.dimensiones y características de alineamientos tales que la capacidad resultante sea. Donde se logre este objetivo. el resultado será un sistema de carreteras bien equilibrado y económico. tan grande como la demanda del proyecto. tanto de la ejecución de la obra.4. Es ganador del concurso el que tiene el mejor plan de trabajo. 1. cuando menos.
Luego el MTC lo incluye en su plan anual.3
Para la medición de secciones transversales se cuenta con un eclímetro para la medición de ángulos de inclinación con respecto a una horizontal y de una cinta métrica de lona para medir distancias. El topógrafo que se va encargar de las mediciones de secciones transversales lleva sus equipos necesarios y si lo requiere a su personal de apoyo o lo que sucede en la mayoría de veces se contrata ayuda local para que sirvan de asistentes. El eclímetro es un instrumento opto mecánico entonces antes de empezar a utilizarlo hay que verificar si se encuentra bien equilibrado sino se obtendría malos datos (ver figura 1. o también sucede que se encuentran en lugares alejados del país sin acceso al teléfono que dificulta la comunicación con su sede. El consultor ganador realiza el estudio de ingeniería.4.2 Recursos Humanos Destinados
La empresa consultara ganadora de la licitación de pública para el estudio definitivo del proyecto vial reúne a sus especialista en diseño vial y los manda a la obra en el interior de país. con un presupuesto y equipos topográficos. 1. que ya tiene partida del MEF. estimando con cifras muy aproximadas el monto de la obra a ejecutar. pero antes necesita el estudio de ingeniería definitivo. entonces convoca una licitación pública para el estudio definitivo.2).4.
1. El presupuesto con el que cuentan este bien medido y deben administrarlo muy bien pues requerir más dinero significa viajar un par de horas para llegar a un banco para recibir una transferencia bancaria o a veces la empresa consultora tiene problemas de liquidez y se le dificulta girarle un dinero adicional. En la obra la experiencia del jefe de la brigada es muy importante ya que estarán sometidos a diversas presiones debido a condiciones ambientales que puedan atrasar su avance como la lluvia.
El topógrafo se ubica en el punto central del tramo del futuro proyecto vial. Flujo del proceso de medición de las secciones transversales. Manda al primer ayudante ubicarse en algún punto de la vía (Izquierdo o Derecho perpendicular a su posición) esto depende del criterio del topógrafo y el tipo de terreno donde mande a posicionarse al ayudante. Luego un segundo ayudante mide la distancia con la cinta métrica. Usando cinta metrica y eclímetro
Figura 1. entre el primer ayudante que se ubicó en una posición determinada y el topógrafo luego toma el ángulo de inclinación que tiene respecto a la horizontal hacia
.Calibrar instrumentos ópticos
Medir distancia y ángulo de inclinación desde el topógrafo hacia el ayudante.2.
Los instrumentos topográficos al ser manipulados en el campo o por estar expuestos a excesivo movimientos.
Figura 1.el primer ayudante. y también volver a calibrarlos. Sucede también que el eclímetro para medir ángulos de elevación es un método óptico que depende del operario. es decir se debe tener una buena visión y tener un buen pulso. cada conjunto de puntos forma una sección transversal. Sucede que por la mala caligrafía del operador y produciendo mediciones incorrectas. se presenta en la Figura 1. Representación de la metodología para la medición de secciones transversales
1. Para la medición de secciones transversales se realiza entre varias personas y con cinta métrica de lona que con el tiempo se van estirando además los lugares son a veces difíciles de acceder. Una representación del proceso. llenándose con el conjunto de datos de distancia y ángulos que forman los puntos de la sección transversal. Al finalizar la obra el topógrafo habrá llenado una buena cantidad de libretas de campo que servirán para ser digitadas en la computadora para su procesamiento.4. Se tiene que llevar a centros especializados para
.3. Los datos de medición de distancia y ángulo de inclinación se anotan con una metodología en la libreta de campo. son con estos datos lo que son necesarios para el estudio definitivo. Esto solo es el primer punto tiene que repetir lo mismo para otros puntos y así sucesivamente cada 10 metros.3. Las secciones transversales se anotan en una libreta de campo.
hay miles de kilómetros de caminos que se necesitan construir o mejorar. permitirá la viabilidad del proyecto. alquilar de equipos e instrumentos. viáticos. Las empresas consultoras en ingeniería contratan personal destinado a la mediciones topográficas para determinado proyecto y los costos para logística. Según información proporcionada el costo por Kilómetro de topografía esta unos 2000 soles por Kilómetro. 1. En el país. siendo el 40% la intervención de la secciones transversales. y si por cada kilómetro de carretera hay por lo menos 10 secciones. En países más desarrollados esta metodología ha sido desplazada por métodos indirectos de cálculo de secciones transversales que utilizan equipos topográficos electrónicos más modernos. cuando se termina la medición de todas las secciones se pasan a transcribir en algún software especializado. un proyecto de regular magnitud toma semanas completar las mediciones y además sin tomamos el tiempo que toma la trascripción de datos a la computadora para su procesamiento estos plazos se vuelven importantes en la estimación de los costos. Las mediciones con eclímetro y cinta métrica de lona se hacen en un tiempo de 12min por cada sección transversal.5 Declaración del Marco Problemático La metodología para la medición directa de secciones transversales es de las más antiguas y en nuestro país se siguen utilizando debido a nuestra topografía accidentada que tenemos. se transcriben defectuosamente o a veces necesita de mayor cuidado. También un ahorro en los costos hará reducir los precios de contrato al momento que el Estado hace las licitaciones para diversos proyectos viales. la cantidad de secciones es variada pero toma bastante tiempo y exige un cuidado de no introducir datos erróneamente. Con los datos transcritos en la libreta de campo. además de los ayudantes que mayormente se contratan en la misma zona.
. por lo tanto la búsqueda de métodos que busquen ahorrar algún componente del presupuesto. todos estos factores influyen en la competitividad de la empresa y su eficiencia para desarrollar proyectos viales.por la densidad de datos. como la Estación Total y con ayuda de un software se estiman las secciones transversales de manera indirecta.
en países en vías de desarrollo. siendo la mayoría tecnología de origen extranjero. produciendo un tipo muy especial de luz. Sus aplicaciones han llegado hasta la Topografía de precisión. Pero estos equipos topográficos no se adaptan a ciertos requerimientos que existen en la geografía local. ópticos y mecánicos para los estudios topográficos. son semiconductores de pequeño tamaño y su uso es para la electrónica. con equipos electrónicos y con capacidad de almacenar datos.1 Estado del Arte
2. generando inconvenientes. que van desde medicina hasta trabajos industriales. que necesariamente estos proyectos pasan necesariamente por un estudio topográfico previo para poder estimar los costos y beneficios de la obra a ejecutar. Al respecto. se evaluará las ventajas y desventajas de los equipos que se ha de mencionar. Los diodos láser. Existe variedad de equipos electrónicos. Solo la imaginación es el límite para el desarrollo de aplicaciones para el Láser.
.1 Definición del Láser Un láser es un dispositivo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación.1. funcionan con circuitos especiales y operan de manera similar a un diodo LED. pero el Láser tiene muchas tareas distintas.2 El Láser y sus aplicaciones
2. En el presente capitulo se desarrolló la tecnología basado en Láser y luego abordaremos los instrumentos topográficos que existen.CAPÍTULO 2 ADELANTOS TECNOLÓGICOS APLICADOS A LA TOPOGRAFÍA ESPECIFICAMENTE EN LA MEDICIÓN DE SECCIONES TRANSVERSALES 2. es tan importante la construcción de infraestructura vial y de caminos rurales para la integración del País.2. Finalmente. los encontramos desde en forma de lápiz para la presentación de transparencias o diapositivas durante conferencias y hasta en discotecas que sirven para hacer juego de luces.1 Presentación del asunto de estudio El Láser se ha vuelto un elemento muy útil y tan común para la vida actual. Haremos recuento de los equipos que se utilizan en la actualidad. 2.
Esto significa que todas las ondas luminosas procedentes de un láser se acoplan ordenadamente entre sí y producen luz de una sola longitud de onda.4 Aplicaciones del Láser El Proyecto "LOLA". Los láser pueden producir muchos miles de vatios continuamente.1 Pulsado.2.6
. La luz láser es coherente y monocromática. otros son capaces de producir billones de vatios en un impulso cuya duración es tan sólo la mil millonésima parte de un segundo. la potencia emitida se encuentra entre los 10 W y 100 W Esto es útil en el corte de esquinas agudas en chapa. en elevada potencias para el taladrado y marcado.3 Modos de funcionamiento
2. que emiten tan sólo algunos milivatios y son capaces de producir una elevada intensidad en un rayo de un milímetro de diámetro. 2. soldadura y tratamientos térmicos de metales. Por ello es posible focalizarlos en un punto muy pequeño Esta cualidad se denomina direccionalidad. [6] Los haces de láser son estrechos y no se dispersan como los demás haces de luz. En un láser pulsado en un intervalo pequeño de tiempo. siglas en inglés para el Lunar Orbiter Láser Altimeter ó en español Altímetro Láser del Orbitador Lunar. LOLA funciona enviando pulsos de luz láser que rebotan en la superficie lunar mientras se encuentra en órbita alrededor de la Luna.3.2.2. Es ampliamente utilizado para aplicaciones industriales.2.2. causando un solo color.2 Continúo Se caracteriza por un nivel continuo de potencia emitida. 2.2. la potencia láser sufre variaciones periódicas. LOLA puede calcular la distancia del viaje de ida y vuelta. Fue lanzado en Junio del 2009 y forma parte de uno de los siete instrumentos a bordo de la nave Lunar de Reconocimiento Orbital. Al medir el tiempo que tarda la luz en viajar a la superficie y regresar. Es el caso de numerosas aplicaciones de corte. LOLA puede cronometrar los pulsos con una precisión de 0. 2. de orden pequeño.3.2
Es una luz intensa.
donde el diodo opera con polarización inversa.2 Fotodiodos. [10] 2. Se piensa desarrollar armas que tengan precisión de apuntar el objetivo a más de 10 a 15km y emitir una potencia alrededor de 100kW. 2. en algunas de las patologías donde ha sido usada con éxito la terapia láser de baja potencia [8] En la Universidad Illes Balears participan en un proyecto que sentará las bases teóricas para descifrar la última predicción de Einstein Una nueva generación de interferómetros de láser se aprestan a detectar la radiación gravitacional [9] Desde hace 30 años el programa de Gobierno para la Defensa de los Estados Unidos viene desarrollando tecnología Láser. 2. Los fotodiodos pueden operar en dos modalidades: fotovoltaico.
Sensor electrónico empleado para determinar el ángulo de inclinación de un sistema con respecto a la horizontal.nanosegundos. Existen basados en mercurio o midiendo la aceleración de la gravedad. sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja.
Son dispositivos semiconductores construidos con una unión PN. donde no hay fuente de polarización aplicada al diodo. fotoconductiva. Para que su funcionamiento sea correcto se polarizarán inversamente. correspondiente a un error de distancia de no más de 10 centímetros. salida analógica y/o digital con bajo consumo de poder. con lo que producirán una cierta circulación de corriente cuando sean excitados por la luz. para uso militar.3 2. es el detector más importante utilizado en los sistemas de comunicación.3. Los inclinómetros son instrumentos electrónicos de alta sensibilidad.1 Transductores Sensores de Inclinación. conocido también como inclinómetros. En otras palabras mide el
. [7] En Cuba se realizó el proyecto que consistía en la comprobación de la eficacia terapéutica.3.3 Convertidores de Tiempo a Digital En la electrónica de instrumentación y procesamiento de señales se conoce al convertidor de tiempo a digital al dispositivo que convierte la señal entre dos pulsos separados por un tiempo y lo representa de forma digital.3.
Vienen provistas de diversos programas sencillos que permiten. son una pantalla alfanumérica de cristal líquido (LCD). Algunas de las características que incorpora. el cálculo de coordenadas en campo. lo cual permite utilizarla posteriormente en ordenadores personales. sobre todo. y seguidor de trayectoria y la posibilidad de guardar información en formato electrónico. y con las cuales no cuentan los teodolitos. 2.tiempo entre dos eventos consecutivos y con una precisión de picosegundos. entre otras capacidades.1 Teodolito
El teodolito es un instrumento de medición mecánico-óptico que sirve para medir ángulos verticales y.4 Tecnologías para el estudio topográfico
Siendo la topografía la ciencia que estudia el conjunto de procedimientos para determinar la posición de un punto sobre la superficie de la Tierra. está hecho para fines topográficos. distanciómetro. leds de avisos. iluminación independiente de la luz solar.2 Estación Total Se denomina estación total a un instrumento topográfico electro-óptico cuyo funcionamiento se apoya en la tecnología electrónica. más conocido como estación total. Este instrumento consiste en la incorporación de un distanciómetro a un teodolito electrónico y un microprocesador. 2. Un equipo más moderno y sofisticado es el teodolito electrónico.4.
. tanto en planimetría como en altimetría En esta sección se presentan unas breves reseñas sobre las tecnologías que existen para el estudio topográfico del terreno. ámbito en el cual tiene una precisión elevada. Es portátil y manual. horizontales. El convertidor de tiempo a digital se base en un simple contador de alta frecuencia.4. 2. Con ayuda de una mira y mediante la taquimetría puede medir distancias. calculadora. replanteo de puntos de manera sencilla Hay que recalcar que la desventaja de la Estación Total es su dificultad en la toma de secciones transversales pues no ha sido diseñado para ese uso porque se toma mas tiempo estacionando el equipo y hay que hacer una serie de artificios en la configuración del equipo para que se pueda tomar secciones transversales pero siendo aún dificultoso hacerlo.
Una aplicación de la fotogrametría se ve en la Figura 2. en numerosos países.3 La Fotogrametría La fotogrametría es el conjunto de métodos y procedimientos mediante los cuales podemos deducir de la fotografía de un objeto. los levantamientos topográficos del territorio. En primer plano figuran. el catastro.1. el planeamiento de ciudades.4. Estas fotografías se restituyen en modelos tridimensionales para preparar la realización de un mapa a escala. A esto se suman una gran variedad de mapas especiales y fotoplanos para los fines de la Economía. más recientemente. Muchos mapas topográficos se realizan gracias a la fotogrametría aérea.
Figura 2.1. pueblos y villas.2. En las fotografías deben aparecer las medidas horizontales y verticales del terreno. el parcelamiento moderno.
Una gran cantidad de labores distintas surgieron para la fotogrametría durante los últimos decenios. desde satélites artificiales como los spot [11]. Algunos ejemplos de las anteriores son: La urbanización. y para mostrar las alturas exactas de todos los puntos del área que abarcará el mapa. de la Ciencia y de la administración. la variedad de
. Trazado de curvas de nivel sobre una fotointerpretación. la forma y dimensiones del mismo. del tráfico. el levantamiento fotogramétrico es la aplicación de la fotogrametría a la Topografía. Se requieren cámaras adecuadas y equipos de trazado de mapas muy precisos para representar la verdadera posición de los elementos naturales y humanos. utilizan pares estereoscópicos de fotografías tomadas en levantamientos y.
por ello se opta por utilizar el láser por su característica de direccionalidad (ver figura 2. El pulso láser es reflejado por el prisma.
. Los GPS Topográficos tienen precisiones desde varios milímetros hasta menos de medio metro.2). rocas.5 Modelo Teórico
Para la implementación de un instrumento para la medición de secciones transversales se necesita primero contar con un sistema de medición de distancia preciso. se utilizara el método de medición por “tiempo de vuelo” (TOF). y llega a un fotodiodo receptor que es polarizado. El instrumento emitirá un pulso láser con una potencia entre 5 a 50W en un intervalo de tiempo de 2 a 50 ns. Así mismo es común hacer el levantamiento de dos puntos con GPS (línea de control) y posteriormente usar la estación y en lugar de introducir coordenadas arbitrarias introducimos coordenadas geográficas. Para la medición de la distancia utilizando láser. en lugar de abrir una brecha para tener visual entre la estación total y el prisma. este pulso que se emite inicia el conteo del tiempo. Básicamente.levantamientos forestales y agrícolas. [12] El GPS no reemplaza a la estación total. 2. ya que no requiere una línea de vista entre una antena y otra. y todo lo que se levante con la estación estará georeferenciado. su principal funcionalidad es que permite al usuario conocer. además de tener el GPS la gran limitante de trabajar solo en espacios con vista al cielo. mediante un receptor. la geografía científica y aplicada con sus numerosas ramas especiales y ciencias limítrofes. en la mayoría de los casos se complementan. llegando a un prisma reflector que viene hacer el objetivo que se desea saber su distancia. las radioseñales emitidas por los satélites no pueden penetrar una vegetación muy espesa o densa.4.4 GPS Sistema Global de Posición Consiste en un sistema que permite calcular las coordenadas de cualquier punto de la superficie terrestre a partir de la recepción de señales emitidas desde una constelación de satélites en órbita. su posición en cualquier parte del planeta. el tiempo que tardo el pulso láser en ir y regresar se registra para con ello determinar una distancia recorrida. 2. edificios o accidentes geográficos [13]. Es en levantamientos de gran extensión donde el GPS resulta particularmente practico.
2. eliminar. o modificar las secciones transversales a medida que se encuentra en el campo tomando los datos.
. Teniendo los datos de distancia y ángulo estos se almacena en bancos de memoria del instrumento para su transmisión serial hacia la computadora con un software especial para topografía. se utiliza un sensor de inclinación con una salida digital. El instrumento necesitara de una interfaz con el usuario para poder agregar. se procede a medir el ángulo de inclinación con un sensor electrónico en grados sexagesimales. Representación Gráfica del Modelo Teórico.Una vez determinado la distancia.
2. en la medición de secciones transversales los ángulos se miden en grados sexagesimales.2.CAPÍTULO 3 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICIÓN DE DISTANCIA Y ÁNGULO 3.2
3. Diagrama de Bloques del sistema de medición.1 Diagrama de Bloques
Figura 3.1 Descripción Los inclinómetros son sensores que transforman ángulos de elevación o depresión en voltajes analógicos y también en datos digitales.1.1. tienen una gran sensibilidad a los cambios de inclinación.
3. Para el conjunto del instrumento topográfico es un componente importante tener datos de ángulo con buena exactitud. Donde se observa que un microcontrolador recolecta la información de distancia y ángulo que luego almacena en una memoria y lo presenta al usuario.1 Inclinómetros 3. el instrumento que se diseña debe tomar de manera inmediata varias muestras para que luego sean promediadas obteniendo un resultado final que representara un ángulo de
23° grados sexagesimal
. el ADIS16203 [15] de Analog Devices y el SCA61T-FA1H1G[16] de VTI Technologies. Eclímetro o Nivel) que miden en un rango de +-90° grados sexagesimal y tiene un costo por encima de los $100 (Cien Dólares Americanos). Un cuadro comparativo con sus características se presenta en la Tabla 3. forma.2. con medir la inclinación con una exactitud de +-1° grado sexagesimal bastaría. ya que la solución que presento debe ser más económica. 3. sin embargo valores más precisos permitirá tener modelos más exactos durante el procesamiento de la información. Existen opciones ópticas para medir ángulo de elevación o depresión que existen comercialmente (Ej.1.
ADIS16203 Rango de Medición Exactitud +-180° grados sexagesimal +-0. en su conjunto de poco tamaño y peso para que sea transportable. entonces un inclinómetro deberá tener un precio inferior. Como se desea un instrumento practico y portátil.62° grados sexagesimal
SCA61T-FA1H1G +-90° grados sexagesimal +-0.1.1. un integrado menor a un área de 4cm2 Rango. 3. El microcontrolador va a recibir un dato binario para procesar y convertirlo en ángulo sexagesimal. Además si su implementación requiere de pocos componentes adicionales podría reducir el tamaño del circuito impreso. entonces el inclinómetro que forma parte del instrumento topográfico deberá ser menor 4cm2 y un peso inferior a los 100 gramos. tamaño y costo. de +.elevación o depresión.2. el instrumento requiere que mida de -90° a 90° grados sexagesimal.3 Componente Seleccionado: SCA61T-FA1H1G de VTI Technologies En el mercado existe una variedad de inclinómetros de distinta aplicación. Costo.2 Criterios para la Selección del Inclinómetro Para la selección del inclinómetro se necesitara tomar en cuenta los siguientes factores: • • • • Exactitud. inferior a $100 (dólares americanos)
Para el caso de medición de secciones transversales. para el estudio se tuvo que elegir entre dos modelos.1° grado sexagesimal Tamaño.
2.4 Diseño del circuito para el empleo del SCA61T-FA1H1G El circuito que se implementó siguiendo las indicaciones del fabricante necesario para utilizar el SCA61T-FA1H1G se presenta a continuación en la figura 3.0. se presenta las siguientes características adicionales: Rango de medida Exactitud Sensibilidad Resolución Comunicación : : : : : De -90 a +90 grados sexagesimales +.35cm x 8. La salida digital ahorra la necesidad de contar con un ADC adicional.07 ° / LSB.52 Dólares Americanos
0.025 ° / LSB 9. El inclinómetro SCA61T cuenta con el estándar de comunicación entre circuitos integrados el SPI. Conversor ADC interno de 11 bits Soporte para comunicación serial entre circuitos – SPI Este modelo especialmente tiene salidas de tipo analógico y digital.16 Dólares Americanos
Tabla 3.23 grados sexagesimal 35 mV/° 0.3.
. por ello se recomienda el uso de fuente regulada y estar verificando que la tensión se mantenga.48cm x 11.07° /LSB según hoja de datos [16]. Cuadro Comparativo entre el ADIS16203 y SCA61T-FA1H1G
Haciendo una comparación es seleccionado es el SCA61T-FA1H1G de la empresa VTI Technologies porque se encuentra justo en el rango necesario y tiene una mejor exactitud. 3.1.31cm 49.2.Resolución Digital Tamaño Precio
0. Una desventaja es que la salida del inclinómetro es dependiente de la tensión de alimentación que es 5v que si cambia de valor también el resultado cambiaría. con 11 bits tenemos una resolución de 0. así los datos binarios representados con una resolución de 11 bits irían directamente al microcontrolador para que sean transformados a ángulo sexagesimal. esto facilitará su uso con un microcontrolador que también soporte SPI.1. Esto se indica en su hoja de datos en la sección 2.37cm 49.07 ° / LSB 10.
El SCA61T tiene una salida de tensión proporcional (PIN7 VOUT) al ángulo de inclinación como se indica en la siguiente figura 3.2. Para el envió de datos se utiliza la comunicación serial en SPI. MOSI. El SCA61T mide en la dirección X mientras se va girando el componente. Las salidas digitales y analógicas se conectan a un conector del tipo MOLEX para su posterior conexión con el módulo de pruebas que se tiene en los laboratorios de la universidad.Figura 3.
El SCA61T se alimenta con 5v y debe ser una fuente regulada.2 que son valores obtenidos de la hoja de datos del componente.2. Circuito esquemático para el inclinómetro SCA61T.
. que necesita 3 líneas SCK. La salida analógica es el PIN7 y tiene un filtro pasa bajo para reducir los ruidos proveniente del reloj interno que tiene el componente. Valores de operación del SCA61T obtenido de la hoja de datos. según recomienda el fabricante en su hoja de datos. como se observa en la Tabla 3.
Tabla 3. Se mencionó anteriormente que su salida que representa el ángulo depende de su alimentación por eso se coloca un condensador de 100nF adicional para garantiza la estabilidad de una fuente externa lejana. MISO y una línea más de habilitación que viene del microcontrolador.3.
el sistema también puede incluir un atenuador óptico y un microprocesador que mide la potencia de la señal recibida y los controles de funcionamiento del atenuador óptico. un receptor de dos canales. Este sistema se conoce como el método de tiempo de vuelo (TOF). indicada en su hoja de datos.
. sus componentes se estudiaran en los siguientes apartados.4. El sistema de medición consiste en un transmisor. el SCA61T tiene una salida digital que envía el ángulo en un formato binario de 11 bits. dos discriminadores del tiempo y una unidad de medida del tiempo. es por la línea MISO (PIN2) que se transfiere el dato binario al microcontrolador. Funcionamiento del inclinómetro.3
El diagrama de bloques de un medidor de distancia láser de doble canal que se estudia en este trabajo se presenta en la Figura 3.
Además de una salida analógica. Además. Valor de compensación nominal = 1024 Sensibilidad del dispositivo = 819
3. Los pulsos de inicio se toman directamente de la radiación saliente de la reflexión difusa.3.Figura 3. y que es convertido a ángulo mediante la siguiente expresión. es un valor en un rango de 0 a 2048.
Salida digital de 11 Bits. a medida que gira alrededor de su eje X el voltaje de salida varia.
porque nos permitirá apuntar donde queremos medir.
.3.3. 3.1 El Emisor de Pulsos Láser. y que llegaría finalmente al fotodiodo.4. Los diodos láseres. además de medir ángulos. es necesario medir distancias. Otra propiedad es que su rayo es estrecho y no se dispersa como otras fuentes de luz.1. En esa ocasión se coge un diodo láser pulsado.1. Con la potencia indicada se podría llegar a distancias mayores a los 10 metros con la suficiente energía para activar el fotodiodo receptor.Figura 3. son semiconductores que emiten láser cuando la corriente pasa a través de ella. pulsado y continúo. Esta cualidad llamada direccionalidad nos será muy importante. 3. El láser tiene la propiedad de ser coherente esto quiere decir que la longitud de onda que emite es solo una luz monocromática.2 Criterio para la Selección del Diodo Láser Del capítulo 2 se conoce que existen dos tipos de funcionamiento del diodo láser.1 Descripción En la medición de secciones transversales. Por su pequeño tamaño y peso son ideales para el uso en un equipo electrónico portátil. Para obtener dicha distancia se ha optado por usar el láser por su característica que tiene de direccionalidad que se explicó en el capítulo 2 y que es aplicable a la solución que deseamos. que sería suficiente para el viaje de ida y vuelta que daría el rayo con ayuda de un espejo para dar el rebote. Diagrama simplificado del método de tiempo de vuelo (TOF)
3. debido a que emite una potencia mayor a los 10W en menos de un microsegundo.3.
por ese motivo se escoge el SPL LL85 que es de fácil uso porque a diferencia del otro. es un láser hibrido que contiene internamente unos condensadores y mosfet que sirven para energizar el diodo laser de una manera muy rápida y solo necesitan de una controlador de mosfet de disparo.6 extraída de su hoja de datos se puede verificar la longitud de onda que se emite.El diodo láser debe emitir su rayo en una longitud de onda que no esté en el espectro visible para que no sea interferida con otros tipos de fuente de Luz. En la figura 3.5.3. La configuración de los pines del diodo laser SPL LL85 se presenta en la Figura 3.
Tabla 3. Diodo Hibrido de Laser de Pulsos. los modelos SPL PL85 [19] y el SPL LL85[18].
Figura 3. suficiente para el fotodiodo receptor de la misma longitud de onda que se tenía disponible. 3. SPL LL85.5.3.3 Componente Seleccionado: Diodo Láser SPL LL85 de marca OSRAM Se presenta en la tabla 3. de la marca OSRAM.
El diodo láser hibrido SPL LL85 de la marca OSRAM emite un rayo de longitud de onda de 850 nm. para que el circuito receptor sea más sencillo y requiera de menores filtros.3 dos opciones de diodo laser. Cuadro Comparativo entre el SPL PL85 y SPL LL85
Los dos modelos son similares pero su diferencia se encuentra en su facilidad de aplicación.1.
uno de ellos es el ancho de pulso de salida óptico (FWHM). siendo 850nm.7 se presenta dos curvas características de funcionamiento del diodo laser. un MOSFET además del diodo laser. En la Figura 3. se puede apreciar su representación en la Figura 3. Sin embargo su punto de operación ideal es con una potencia óptica de salida de 14W con un voltaje de carga de 7v. Veremos más adelante que esto nos simplifica su aplicación.6.
. hacerlo operar de manera diferente le quitaría tiempo de vida al diodo laser. A la derecha la representación esquemática del diodo láser. A la izquierda se ve lo estrecho que es el rayo láser que emite.6. siendo su máximo de 30ns en un rango de 5 a 30ns esto explica que si el ancho de pulso de disparo en su puerta del MOSFET es mayor a 30ns su FWHM se mantendrá en el máximo siempre. todo integrado en una sola cápsula. Los capacitores internos conectados en paralelo suman 47nF.Figura 3. Además se puede observar que el pico máximo de potencia óptica de salida en el SPL LL85 es de 18W con un voltaje de carga de 9v.
El SPL LL85 es un módulo laser hibrido porque tiene internamente dos condensadores.
A la derecha el ancho del pulso de salida óptica. Con los módulos de laboratorio de la universidad se generara una señal PWM de 1Khz de nivel TTL con un ancho de pulso de 1us. La curva de potencia óptica de salida del SPL LL85 a la izquierda. que es suficiente para obtener el máximo ancho de pulso óptico del diodo laser (FWHM 30ns).3.8. con un determinado ancho de pulso. Para cumplir los requerimientos se revisa las recomendaciones del fabricante y que procedemos a indicar.
3. La tensión de carga como se explicó anteriormente es de 7 voltios. el circuito se activara con una señal TTL proveniente del microcontrolador.7.4 Diseño del Circuito para el SPL LL85 Se requiere diseñar un circuito que permite emitir pulsos de rayo láser. la resistencia de 100 ohmios es para cargar los condensadores internos del diodo laser representado por Q2.1. El circuito diseñado para operar el diodo laser se presenta en la figura 3.Figura 3.
Es importante mencionar que la frecuencia de trabajo máxima que soporta el diodo laser es de 0.
. sobrepasar este límite produce el calentamiento de la empaquetadura generando una degradación de la potencia de salida óptica y quitarle tiempo de vida al componente [17].1%. El MIC4420 es un circuito integrado que se activa con una señal TTL en nivel positivo (5v). Circuito diseñado para emitir rayos láser con el SPL LL85
El mosfet interno que tiene el diodo laser SPL LL85 posee una puerta de entrada con una capacitancia puerta-fuente de 300pF y se debe cargar el voltaje umbral necesario de 5v muy rápido [17]. que se obtendrá del microcontrolador en una señal PWM. Finalmente se ha usado de entrada de alimentación y control un conector de tipo MINIUSB de 4 pines de montaje superficial para poder hacer un circuito impreso muy pequeño para así poder apuntar mejor el diodo laser hacia el objetivo que queremos. Esta señal puede ser generada por un controlador MOSFET de disparo de alta velocidad de conmutación y que se activa con una señal TTL. Con recomendación del fabricante se utiliza el MIC4420 de Micrel que resuelve este requerimiento simplificando el diseño del circuito que se ha presentado.8.Figura 3.7uF es para minimizar los ruidos de la tensión de 12v que opera el MIC4420. Los diodos Schottky es para prevenir los sobre voltajes y el condensador C1 de 4.
Si el diodo laser emite una longitud de onda de 850nm se necesita de un fotodiodo que tenga mayor sensibilidad en ese valor. El circuito que se plantea se basa en el esquema simplificado de los autores Ari Kilpelä. en el siguiente capítulo se explica cómo se hizo las pruebas.3.3. luego seguido de una etapa discriminadora del tiempo que es la que indica el momento de detener la cuenta del reloj en el convertidor de tiempo a digital.3.1 Descripción El receptor sirve para poder recibir el pulso del rayo láser y generar una señal de voltaje para detener la cuenta del tiempo de vuelo.2 Circuito Receptor del Rayo Láser. 3. El circuito está compuesto por una etapa de amplificación.
.9 y que procederemos a describir su funcionamiento. como se explicó en el modelo teórico teniendo el tiempo de vuelo que tuvo el rayo láser se puede determinar una distancia de recorrido. se tiene que alinear los fotodiodos para la recepción el rayo rebotado.2. Juha Kostamovaaraddiseñado de la Universidad de Oulu en Finlandia [14] se presenta en la figura 3. Kari Määttä. Cuando se recibe el rayo láser luego que es reflejada del objetivo.2 Receptor del Rayo Láser 3. Juha Ylitalo. Al esquema original presentando por Ari Kilpelä se le agrega el arreglo de fotodiodos con el fotodiodo PNZ334 [20] seguido de un LM741 en realimentación negativa para amplificar y transformar la señal de corriente del fotodiodo a una señal de voltaje.2. como el rayo láser tiene una longitud de onda de 850nm que lo hace invisible al ojo humano este proceso se hace dificultoso. El voltaje de salida del LM741 es el producto de la corriente que pase por el fotodiodo por la resistencia de 330 ohmios. Se optó por usar un arreglo de fotodiodos para mejorar el área de recepción. Como se explicó en el modelo teórico.3. La señal en voltaje amplificada pasara a la etapa siguiente conocida como discriminador del tiempo [14]. el rayo láser rebota en una superficie reflectante.
Se puede observar que el punto del tiempo es la línea vertical discontinua (Timing event) y que esta no se ve muy afectada si es que el pulso recibido varía su amplitud que podría suceder dependiendo de cómo regresa de la superficie a medir. el punto de cruce del último tramo de pulso recibido y con la parte principal del mismo pulso pero retardado y con un voltaje de compensación marca el tiempo donde empieza o termina un evento de medición seguido en el método TOF.10 se presenta una descripción del método para su mejor entendimiento. Se presenta dos eventos. cada uno se encuentra con su pulso original seguido del mismo pulso retardado (líneas discontinuas) y con un pequeño voltaje de compensación. En la figura 3.
.9. Receptor del rayo láser para longitud de onda de 850nm
La etapa que sigue luego de la amplificación. se conoce como el discriminador del tiempo [14]. que consiste en que el pulso amplificado de entrada es dividido en dos partes de la misma amplitud. uno de ellos es retardado.Figura 3.
Figura 3. La formación del punto de tiempo. Para medir la distancia se está utilizando el método del tiempo de vuelo del pulso de rayo láser.1 Descripción Para el caso de la medición de secciones transversales.10.3. esto es necesario para usar el método de discriminación del tiempo.
3. hay que destacar que el autor del método Ari Kilpelä [14] recomienda el uso de comparadores de alta velocidad de respuesta y de lógica de emisores acoplado (ECL).10). El arreglo de resistencias en la entrada del comparador inferior sirve para añadir el voltaje de compensación entre las entradas del comparador ultra rápido. se requiere una exactitud de 1cm similar al que tiene la cinta métrica de lona. como se conoce la velocidad de la luz es aproximadamente 300 000 km/s
. se tiene dos comparadores.3 Convertidor de Tiempo a Digital 3.3.3. Se puede ver en el circuito que existe una línea de retardo que se logra usando un componente electrónico para hacer retardos pequeños de orden de los 5ns a los 10 nanosegundos (ver retardo en Figura 3. en un rango de 60cm a 50m. El comparador inferior determina el punto de tiempo donde parara la cuenta el convertidor de tiempo a digital. el superior sirve como habilitador del segundo y sirve para descartar los pulsos recibidos producidos por algún ruido en el circuito.10). este voltaje se ajustara según la potencia que se tiene en la recepción del pulso de rayo láser.
Siguiendo con la explicación del circuito (ver figura 3. la señal original y la retardada son comparadas.
Haciendo una analogía quiere decir que en 1us la luz láser viaja 30metros por ese motivo si deseamos implementar un contador de tiempo de vuelo en algún microcontrolador o con un contador sería imposible tener medición de distancia con la exactitud requerida. Este dispositivo mide intervalos de tiempo entre un inicio y una parada (tiene canales de entrada respectivo) funciona como un contador de alta frecuencia. depende de la aplicación para lo que se quiere usar. Cuadro Comparativo entre los dos modos de medición del TDC-GPS2
Por lo visto la mejor opción que cubre el rango para la medición de distancia en secciones transversales seria en el de rango 1 que consiste en un canal que inicia la cuenta y dos canales de parada. debido a la velocidad que corren estos es de 116Mhz se necesitaría una velocidad mayor a los 100Mhz de frecuencia para cubrir el requerimiento de 1cm de exactitud.3.entonces conociendo el tiempo de ida y vuelta del pulso se podría determinar con exactitud la distancia recorrida.5ns a 1. Para tener la exactitud requerida se necesita de un contador del tiempo con una resolución de 67ps. El TDC-GP2 tiene dos modos de medición. 3.4. El TDC-GP2 es un encapsulado de 32 pines (QFN32) tiene dos fuentes de alimentación como indica en su hoja de datos.5ns a 1. una es para alimentar los puertos I/O y la otra para el núcleo. saldría un Dmin y Dmax tal. además posee capacidad de comunicación serial (SPI).
Medición Rango 1 Canales de Inicio Canales de Parada Resolución Rango de medición 1 Canal 2 Canales 65ps 3.
.8us esto equivaldría teniendo como referencia la velocidad de la luz.2 TDC-GP2 de Acam Mess Electronic Se presenta el convertidor de tiempo a digital de propósito general TDC-GP2 de Acam [22].3. el resto se encuentra patentado para usos específicos.4. es el único comercial con información disponible. las diferencias lo presentamos en la Tabla 3.8us
Tabla 3. Con este modo de medición se puede medir intervalos de tiempo entre 3. el intervalo de tiempo medido lo representa digitalmente y lo entrega al microcontrolador.
5ns.
Figura 3.66 metros. En la figura 3. Dmax = 1. El convertidor de tiempo a digital TDC-GP2 puede medir también el intervalo de tiempo entre dos eventos sucesivos que sucede en su entrada.11 extraído de su hoja de datos podemos ver una representación de los rangos de tiempo que puede medir el TDC-GP2.24 centímetros.Dmin = 3.11. en el caso del TDC-GP2 posee dos entradas de parada (STOP1 y STOP2) que sirven para poder comparar dos eventos distintos. por ejemplo el Tss es el tiempo mínimo medible entre el inicio y la parada que sería de 3.5ns x 1cm / 67ps = 52. Diagramas de tiempo del funcionamiento del TDC-GP2
.8us x 1cm / 67ps = 268.
.1 se muestra un resumen de los ángulos medidos en el momento de las pruebas.CAPITULO 4 PRUEBAS DE USO DEL SISTEMA DE MEDICIÓN 4.23 grados sexagesimales 35mV/° Conversor ADC interno de 11 bits Soporte SPI
En la figura 4. y a la derecha de la figura el circuito indica ángulos positivos.0.1. la interfaz usada es la herramienta de HyperTerminal que tiene el Windows XP. Se realiza las conexiones necesarias entre el inclinómetro y la computadora.1 observamos el inclinómetro implementado en su circuito impreso. por cumplir con los requerimientos y teniendo las siguientes características: Rango de Medida Exactitud Sensibilidad Resolución Comunicación : : : : : De -90 a +90grados sexagesimales +.1 Inclinómetro Como se presentó en el capítulo 3 se escogió como inclinómetro el SCA61T-FA1H1G.
Para las pruebas en los laboratorios de la Universidad se usó el módulo de pruebas AVR PUCP que tiene puerto serial RS232 que nos servirá para enviar el ángulo medido a la computadora.2 se ve la pantalla de la computadora mostrando el ángulo de inclinación respecto a la horizontal que tiene el circuito impreso. según el esquemático que se presentó en el capítulo anterior. como se puede apreciar en la figura 4.
Figura 4. En la tabla 4.2 se inclina el circuito impreso en ángulos negativos. Inclinómetro implementado en su circuito impreso. A la izquierda de la Figura 4.
se ve como se muestra el ángulo que tiene el circuito impreso.1.448833
Ángulos Positivos. Resumen de los resultados de prueba con el SCA61T-FA1H1G.
Se presenta en la figura 4.170719 -34.Figura 4. Pruebas del inclinómetro con la computadora.3 los circuitos implementado según el esquemático del capítulo anterior.994919 83.2 4.
.037270 79.060303 81. usando el diodo láser SPL LL85 de 850nm se fabricó dos versiones que operan de la misma forma. el primero es de empaquetado DIP y el segundo es usando montaje superficial. 85.390831
Tabla 4.2.509632 -35.2.580887 -34. la diferencia es en el tamaño y el tipo de mosfet de disparo.
Ángulos Negativos -33.
siendo invisible para el ojo humano.2.Figura 4. En la parte superior la primera versión con mosfet de disparo DIP. Pero como se deseaba comprobar que el circuito diseñado emitía el rayo láser y si era estrecho. En la figura 4. la foto a la derecha fue tomada en un ambiente totalmente oscuro. Dos versiones de emisor de rayos láser.4 se ve el rayo láser emitido observado desde una cámara. la segunda versión usando un mosfet de disparo superficial. En la figura 4.2 Recepción del Rayo Láser Para la recepción del rayo láser se usó el fotodiodo PNZ334 [21] que tiene mayor sensibilidad en 850nm de longitud de onda.
Cuando el circuito se le hace funcionar no se puede ver el rayo láser ya que su longitud de onda de 850nm.
Figura 4. también conocer la forma del pulso recibido.4.5 se presenta a la derecha el fotodiodo a una
. El objetivo de esta prueba es conocer como el fotodiodo reacciona al recibir el pulso de rayo láser. para ello se usó una cámara digital para poder observarlo.3. Fotografías del rayo láser emitido obtenidos con una cámara digital
6 se ve el pulso emitido por el microcontrolador que activa el circuito del diodo láser produciendo el rayo.
. Se empieza a enviar una señal PWM a nivel TTL para que el circuito comience a emitir pulsos de rayo láser.5. se puede apreciar la diferencia de tiempo entre el rayo emitido y recibido es casi nula por la cercanía entre el emisor y receptor. en la parte inferior se ve el pulso de corriente transformado en voltaje recibido por el fotodiodo y que es producido por el láser. Pruebas de recepción del pulso láser. En la parte superior de la figura 4. La prueba se realizó a una distancia de 10 cm para comprobar que el rayo láser se recibe en el fotodiodo y que efectivamente el emisor está mandando los pulso laser. esto es para asegurar que el rayo llegara al fotodiodo. esto quiere decir utilizar el LM741 en realimentación negativa. aproximadamente unos 10 centímetros. se procedió a conectar el circuito emisor de rayo láser con el módulo de pruebas AVR-PUCP de la universidad. a la derecha el fotodiodo y a la izquierda el diodo láser que se encuentran alineados. Se va a utilizar el osciloscopio de los laboratorios de la universidad pero primero se tiene que pasar el pulso de corriente a un pulso de voltaje proporcional.distancia muy cerca al diodo láser que está a la izquierda. para ello se implementa en un protoboard parte del circuito de recepción del capítulo anterior.
Una vez alineados el diodo laser con el fotodiodo.
Figura 4. Una punta del osciloscopio se conecta a la salida del amplificador LM741 y la otra punta se conecta en la entrada del emisor laser donde recibe la PWM.
En los laboratorios de la universidad se cuenta con un osciloscopio de 60 MHz que se utilizara para medir el tiempo de vuelo del rayo de luz para una distancia de 20m entre el emisor y un espejo.2.3
Pruebas de Medición del Tiempo a varias Distancias. cada uno con sus respectivos puntas de osciloscopio. Señal de voltaje recibido en el receptor del rayo láser utilizando el osciloscopio.7. (Ver figura 4. para alinear el espejo se utilizó un puntero laser de luz visible rojo para determinar el trayecto que realizara el láser.Figura 4. además se utilizó un espejo para que el rayo láser de un rebote.
Figura 4.7).6. Esquema de la distribución de los elementos para hacer la medición de tiempo de vuelo
4. Para efecto del experimento se coloca los elementos de manera similar a la prueba con 10 cm que se hizo para comprobar la recepción. el emisor se conectó al módulo de pruebas del AVR-PUCP y el receptor se coloca cerca de él.
pero esto se compensa en el cálculo de la distancia. En la figura 4.8.
.5% El error se produce porque existe un retardo en el circuito emisor y receptor por sus componentes que tienen un retardo de nanosegundos se puede ver en sus respectivas hojas de datos. Esto representa un error de: Error = (57-40) / 40 x 100 = 42.3 Costos derivados a las pruebas Para la realización de las pruebas se tuvo que incurrir a los costos de fabricar los circuitos impresos y adquirir los componentes.8 se presenta una captura del osciloscopio en el momento cuando el espejo se encuentra a una distancia de 20 metros.
Figura 4. Rayo recibido por el receptor a una distancia de 20 metros del espejo. Con la ayuda del osciloscopio y sus cursores se puede medir el tiempo que demora y es aproximadamente de 190 ns. las resistencias. condensadores y conectores que se encontraron en el mercado local pero los diodos laser e inclinómetros se tuvieron que importar. multiplicando este tiempo por la velocidad de la luz (299 792 458 m/s) se obtiene un resultado de 57 metros que viene a ser el total de la distancia recorrida de ida y vuelta.
4. En las instalaciones del laboratorio de la universidad no se tenía más espacio para probar distancias mayores.Luego de tener la distribución de los elementos se comenzó la prueba activando el AVR-PUCP para enviar la señal PWM que activa el circuito emisor de rayos láser.
3 se describen los gastos para la fabricación del circuito emisor y receptor de pulsos de rayo láser.
.2 se presentan los gastos para realizar las pruebas de medición de ángulos utilizando el inclinómetro SCA61T de VTI Technologies. el diodo laser.
En la tabla 4.Cantidad 2 Unidades 2 Unidades
En la tabla 4. Costos para la realización de las pruebas de medición de distancia con láser. Condensadores Conectores Gastos de Envió e Importación Precio 25 soles 270 soles 24 soles 16 soles 3 soles 4 soles 90 soles Total 432 soles
Tabla 4. controlador y el fotodiodo fueron componentes importados.3. Cantidad 2 Unidades 2 Unidades 2 Unidades 2 Unidades Componente Circuito Impreso Diodo Laser de Pulsos SPL LL85 Controlador MOSFET de disparo Fotodiodo de 850nm Resistencias.2. Costos para la realización de las pruebas con el Inclinómetro. Condensadores Conectores Gastos de Envió e Importación
el inclinómetro que se utilizó cumplió con los requisitos para la medición de secciones transversales. En el trabajo de tesis se termina implementando la emisión y recepción para el pulso laser. Existe una parte adicional para el desarrollo del instrumento que no se ha abarcado en el presente trabajo que es la óptica y conjunto de lentes necesarios para poder recibir el rayo láser de regreso a una distancia mayor a los 10 metros.
. En definitiva el uso de un módulo de diodo láser hibrido nos ha permitido simplificar la electrónica necesaria y realizar de manera sencilla la emisión de rayos Láser y que podríamos utilizar para otras aplicaciones.CONCLUSIONES Se puede concluir que la posibilidad de desarrollar equipos electrónicos de medición tanto para el estudio de proyectos de carreteras hasta para la industria y automatización se hace viable juntando pequeños componentes y armar sistemas para la resolución de problema propios de nuestro medio. Con el osciloscopio se pudo medir el tiempo de vuelvo y se calculó una distancia. realizar las pruebas en laboratorio y apuntar el diodo láser para poder recibir los rayos por los fotodiodos ha sido de mucha dificultad poder alinearlos. En el caso de la medición de ángulos se pudo concluir obteniendo ángulos de elevación en tiempo real con ayuda de la computadora. La etapa de recepción con fotodiodos. comparadores ECL. El receptor se puede mejorar en futuros diseños teniendo un amplificador de ganancia variable que dependa de la amplitud del pulso recibido. Si bien para hacer realizable un instrumento topográfico para medir secciones transversales se ha presentado la mayor parte de la electrónica y su realización se presenta bastante viable porque se ha encontrado los componentes necesarios dentro de los requisitos pedidos. y con el método de discriminación de tiempo se vienen presentando en investigaciones en un solo circuito integrado para aplicarlo en sonares o telémetros para usos más ambiciosos. se pudo comprobar la forma del pulso laser y la potencia que podía emitir el diodo laser. y que en el desarrollo del presente trabajo se ha ido describiendo su funcionamiento e implementación.
pero además existen otros tipos de inclinómetros que utilizan mercurio o mecanismos para conseguir el ángulo de inclinación. Además existe toda una variedad de teorías por estudiar para la discriminación del tiempo y técnicas ópticas. está por estudiar otras opciones que existan en el mercado. Esta por estudiar el uso de los fotodiodos de avalancha y los amplificadores de transimpedancia integrados con mayor ancho de banda. minas. Puesto que no siempre se encuentran soluciones tecnológicas en el extranjero para los retos que se presentan en el país. y que con la economía creciente en que estamos es necesario desarrollar nuestra propia tecnología. En el trabajo de tesis use un inclinómetro basado en un acelerómetro. con otros tipos de diodos de diferente potencia de salida y característica. Recomiendo indagar y encontrar soluciones a los problemas de las tareas en otras áreas de la ingeniería que no necesariamente están relacionadas a la electrónica. sin embargo el error que se produce al montarlo de manera casera teniendo los defectos de no tener circuitos impresos industriales hacen que el inclinómetro no este sobre una superficie lo suficientemente fiable que sea totalmente horizontal. etc. Probando el inclinómetro nos resultó bastante preciso. como la ingeniería civil. El inclinómetro que hemos utilizado tiene un sensor de temperatura que sirve para poder mejorar la medición que varía por efecto de la temperatura. buscando mejorar la ganancia en la recepción del rayo láser permitiendo abarcar otros campos como la telemetría o radares. con una determinada formula descrita en su hoja de datos se podría compensar la variación producto de la temperatura. El convertidor de tiempo a digital (TDC) si bien su rango de medición se encuentra en el requerimiento para la medición de secciones transversales se podría usar otros rangos de medición para otro tipo de aplicaciones.RECOMENDACIONES Es posible encontrar otras alternativas para la emisión de rayos láser. A medida que la tecnología avanza el uso de convertidores de tiempo a digital se volvería más comercial y alcanzable poder diseñar instrumentos con otros tipos de fines.
. geología. Se podría compensar este error manejándolo internamiento en la programación que se tiene en el microcontrolador para disminuir el error producto del montaje.
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