Source: https://es.scribd.com/doc/102707070/Gutierrez-Galarza-Omar-Instrumento-Topografico-Carreteras
Timestamp: 2016-05-03 17:21:22+00:00

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OMAR ISSAC GUTIÉRREZ GALARZA
ASESOR: Ing. Miguel Cataño
Resumen La medición de secciones transversales en las carreteras permite cuantificar el material de terreno o material que se va a transportar en camiones para la construcción de la carretera, siendo esto un costo significativo. En la normatividad peruana se exige una medición del terreno bajo un método directo, que consiste en anotar mediciones de ángulos y distancias en la libreta de campo de forma manual para luego ser digitado en la computadora que procesará la información mostrando las estimaciones en los costos. Los instrumentos topográficos de origen extranjero no han sido diseñados para hacer tal medición directa de secciones transversales, por ella la necesidad de buscar alternativas para optimizar el proceso de medición. En el trabajo de tesis se presenta los componentes necesarios para el diseño de un instrumento topográfico para medir distancia y ángulos de forma electrónica para evitar el uso de métodos manuales. Utilizando las propiedades del láser se diseña un emisor y receptor para determinar la distancia utilizando el método del tiempo de vuelo. Se tiene el diseño de un circuito emisor con un diodo láser híbrido de la marca OSRAM. La etapa receptora se compone de fotodiodos y comparadores que se han utilizado en el método de discriminación del tiempo para poder detectar el punto del tiempo para empezar y terminar de contar el tiempo de viaje del rayo láser. Para la medición de ángulos de inclinación se optó por utilizar un inclinómetro electrónico que se encuentra en un encapsulado de manera comercial, tiene características particulares para su funcionamiento y en el trabajo de tesis se presenta el diseño del circuito necesario para implementarlo.
ÍNDICE Introducción CAPITULO 1 EL PROCESO DE MEDICIÓN DE LAS SECCIONES TRANSVERSALES Y LA PROBLEMÁTICA QUE EXISTE EN SU ENTORNO DE TRABAJO 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.5 CAPÍTULO 2 ADELANTOS TECNOLÓGICOS APLICADOS A LA TOPOGRAFÍA ESPECIFICAMENTE EN LA MEDICIÓN DE SECCIONES TRANSVERSALES 2.1 2.1.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.4 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.5 Estado del Arte Presentación del asunto de estudio El Láser y sus aplicaciones Definición del Láser Características del Láser Modos de funcionamiento Pulsado Continúo Aplicaciones del Láser Transductores Sensores de Inclinación. Fotodiodos. Convertidores de Tiempo a Digital Tecnologías para el estudio topográfico Teodolito Estación Total La Fotogrametría GPS Sistema Global de Posición Modelo Teórico 11 11 12 12 12 12 12 13 13 13 14 14 15 16 16 Definición de las Secciones Transversales y Topografía Plan de Desarrollo Vial Importancia de Mejorar la Infraestructura de Transporte Vial Integración de los Centros Poblados Variables Del Medio Ambiente Específico Normativa Vigente en el Diseño Vial Licitaciones Públicas para un Proyecto Vial La Competencia entre Empresas Consultoras Variables del Medio Ambiente Organizacional Recursos Financieros Destinados al Estudio de un Proyecto Vial Recursos Humanos Destinados Metodología en la Medición de Secciones Transversales Deficiencias en la Metodología de Medición de Secciones Transversales Declaración del Marco Problemático 2 3 4 4 5 6 6 6 7 7 9 10 1
CAPÍTULO 3 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICIÓN DE DISTANCIA Y ÁNGULO 3.1 3.2 3.2.1 3.2.1.1 3.2.1.2 3.2.1.3 3.2.1.4 3.3 3.3.1 3.3.1.1 3.3.1.2 3.3.1.3 3.3.1.4 3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2 3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 CAPITULO 4 PRUEBAS DE USO DEL SISTEMA DE MEDICIÓN 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3 Inclinómetro Medición de Distancia con Láser Pruebas de Emisión del Rayo Láser Recepción del Rayo Láser Pruebas de Medición del Tiempo. Costos derivados a las pruebas 33 34 34 35 37 38 40 41 42 Diagrama de Bloques 18 Medición de Angulo de Elevación y Depresión Inclinómetros 18 Descripción 18 Criterios para la Selección del Inclinómetro 19 Componente Seleccionado: SCA61T-FA1H1G de VTI Technologies Diseño del circuito para el empleo del SCA61T-FA1H1G 20 Medición de Distancia con Láser 22 El Emisor de Pulsos Láser. 23 Descripción 23 Criterio para la Selección del Diodo Láser 23 Componente Seleccionado: Diodo láser SPL LL85 de OSRAM 24 Diseño del Circuito para el SPL LL85 26 Receptor del Rayo Láser 28 Descripción 28 Circuito Receptor del Rayo Láser. 28 Convertidor de Tiempo a Digital 30 Descripción 30 TDC-GP2 de Acam Mess Electronic 31
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. 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
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. además que requiere de mano de obra especializada que podrían utilizarse en otras necesidades del proyecto. preciso y económico. 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. pero resulta que nuestra normativa peruana del Ministerio de Transportes y Comunicaciones exige la medición de secciones transversales por métodos convencionales directos. y sirve para poder cuantificar el movimiento de tierra y el costo de construir una carretera. En nuestro país se siguen utilizando los métodos directo convencionales a pesar que existe modernos instrumentos.
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. que viene a ser la vista o corte perpendicular al eje de una vía.
La sección transversal con los elementos que la componen. que contemple tanto los aspectos altimétricos como planimétricos. de una extensión cualquiera de terreno. Una sección transversal. Tiene un conjunto de operaciones que se necesita realizar para poder confeccionar una correcta representación gráfica planimétrica. Este plano es esencial para empezar correctamente cualquier obra que se desee llevar a cabo. está formado con puntos de ángulos en grados sexagesimales y distancia como se ve en el esquema anterior. sin dejar de considerar las diferencias de cotas o desniveles que presente dicha extensión. por medio de mediciones que determinan la posición relativa de puntos terrestres. o plano.CAPÍTULO 1 EL PROCESO DE MEDICIÓN DE LAS SECCIONES TRANSVERSALES Y LA PROBLEMÁTICA QUE EXISTE EN SU ENTORNO DE TRABAJO 1. En una carretera se acostumbra tomar secciones transversales cada 10 metros entre ellas
. así como lo es para elaborar cualquier proyecto.1.
Figura 1. es el “corte” o vista perpendicular al eje de una vía.1. Es primordial contar con una buena representación gráfica.
Las secciones transversales se toman de forma directa. y se usa un instrumento netamente óptico y rudimentario llamado Eclímetro para medir ángulos. y las distancias se toman con cinta métrica de lona. La representación gráfica lo podemos ver en la Figura 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.
pero estudiará la viabilidad de las ampliaciones necesarias en el futuro. [1] Al término del gobierno aprista del 85. 1. decenas de obras de rehabilitación de carreteras. el MTC ejecutó con recursos del Tesoro Público y Endeudamiento Externo.
. la Marginal de la Selva y las carreteras de penetración. de 1991 a 1995. incluye objetivos bien definidos. puentes y aeropuertos. Durante esos años. En una primera etapa. los cuales están conformados por tramos importantes de las carreteras Panamericana en la Costa. construcción. Longitudinal de la Sierra.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. [1] El plan considera la priorización de desarrollo de tres circuitos viales básicos. 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. en ese entonces sólo el 12% de la Red Vial Nacional se encontraba en buenas condiciones.La sección transversal influye fundamentalmente en la capacidad de la vía. [1] El plan. en su costo de expropiación. moderno y esencial para el desarrollo del país. en la búsqueda implementar un sistema de transporte multimodal eficiente. conservación y también en la seguridad de la circulación. concebido como un aporte fundamental para el desarrollo y la lucha contra la pobreza. se ejecutó un programa de urgencia destinado a recuperar un nivel de accesibilidad mínimo indispensable. 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. 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. así como la interconexión con los países vecinos de América del Sur. Un proyecto realista deberá en general adaptarse a las condiciones existentes o previstas a corto plazo.
Un proyecto que se viene ejecutando es incorporar la construcción de un puente sobre el río de Madre de Dios. en febrero de 1992 se suscribe el primer contrato de préstamo con el BID para un programa de 322.Tiene una longitud total de 46.2 Integración de los Centros Poblados La infraestructura rural de transporte en el Perú.2. la red vial vecinal tiene las siguientes características: .” [3] 1. los logros alcanzados son evidentes. para proporcionar transporte de camino entre el estado brasileño del Acre y el departamento de Madre de Dios. el sistema fluvial y sus muelles.5 millones de dólares. con esfuerzos de mantener mejor la red nacional de las carreteras. En ese sentido. [4] Su principal componente. a servicios públicos (educación y salud fundamentalmente). 1.[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. especialmente en actividades de empleo asalariado no agropecuario. constituyendo más del 60 % de la red vial terrestre en el Perú. es la vía más importante desde el punto de vista de conectividad e integrabilidad entre centros poblados del país. de los cuales 210 millones aportada por el BID y 112. .2. Las obras correspondientes se inician en agosto de ese año.
. además con un proyecto para mejorar la integración entre los puertos peruanos y brasileños. está integrada por la red vial vecinal. pequeños aeródromos y los caminos de herradura.5 millones el Tesoro Público.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.Como punto de partida de un plan de mayor alcance. a mercados locales y regionales.909 Km.Permite accesibilidad al 30% de la población y al 90 % de pueblos del Perú. ya que un camino en mejores condiciones amplía las oportunidades de generación de ingresos de los hogares. a contar con información y en otros casos a mejorar la calidad de la información con que cuentan los agentes rurales. 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.
que el objetivo del diseño de los caminos es el de crear una carretera de tipo apropiado. por lo tanto requiere de mecanismos de subsidios y transferencias.) . etc. fallas geológicas.Es un bien público puro. a través de La Dirección General de Caminos.3. taludes inestables. . 1.Caminos que unen capitales de distrito con otras capitales de distrito y/o provincia. comunidades.En general son caminos con bajos niveles de servicio que hace complejo la autosostenibilidad financiera. Vivienda y Construcción de la República del Perú. es decir. con un vehículo u otro medio de transporte. para lo cual ha preparado el Manual de Diseño Geométrico de Carreteras (DG-2001). y. [5] La Guía de Diseño Geométrico del MTC reúne los métodos y procedimientos necesarios para proyectar el trazado de una carretera. 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. teniendo en cuenta las condiciones actuales del sistema vial del país.Son caminos que están ubicadas en el mundo andino que se caracteriza por tener elevadas pendientes y gran diversidad geográfica (topografía accidentada. anexos. cuando ya existe la vía. capitales de distrito con centros poblados. un consumidor no rivaliza con otro. por ejemplo.En la mayoría de casos son caminos que están al final del tejido vial. Las redes viales de mayor jerarquía como los departamentales y nacionales pierden importancia sin la presencia de estas vías. . con
. Comunicaciones. .3 1.1 Variables Del Medio Ambiente Específico Normativa Vigente en el Diseño Vial
El Ministerio de Transportes. Comunicaciones.Permite articulación y conformación de las redes viales en el Perú. Vivienda y Construcción (MTC).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. Son las vías que alimentan fundamentalmente a las vías secundarias. etc. no reduce el consumo de otra persona. ha promovido la actualización de la normativa vigente. . caseríos.. Sus disposiciones son de carácter explicativo y de recomendación para todos los proyectistas que realicen diseños contratados por el Ministerio de Transportes. que lo use otra persona. . No se debe perder de vista al definir las características geométricas de la vía.
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). Hay que obtener la economía o el menor costo posible. Si es rentable el estudio de factibilidad sirve para justificar ante el MEF. haciéndose más atractiva para ganar la licitación. En la licitación pública se evalúa dos aspectos: el económico y el técnico. tan grande como la demanda del proyecto.
. Es ganador del concurso el que tiene el mejor plan de trabajo. 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. 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. tanto de la ejecución de la obra.4 Variables del Medio Ambiente Organizacional
1. 1. etc.dimensiones y características de alineamientos tales que la capacidad resultante sea. el resultado será un sistema de carreteras bien equilibrado y económico. Donde se logre este objetivo. el mejor precio y con un mejor personal técnico. 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.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. 1. La elasticidad suficiente de la solución definitiva para prever posibles ampliaciones en el futuro. equipos topográficos. cuando menos. pero no tanto como para que su realización represente una extravagancia o un desperdicio. alcanzando siempre una solución de compromiso con el resto de objetivos o criterios. equipos de cómputo.4. 1. como del mantenimiento y la explotación futura de la misma. El ganador es el que tiene un mejor perfil económico y técnico para ejecutar el estudio vial.3. el consultor ganador determina si el proyecto es rentable o no.2 Licitaciones Públicas para un Proyecto Vial
Es una modalidad de selección que contempla la actual Ley de Contrataciones y Adquisiciones del Estado.3.
4. 1. estimando con cifras muy aproximadas el monto de la obra a ejecutar. con un presupuesto y equipos topográficos.
1. entonces convoca una licitación pública para el estudio definitivo.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. 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.3
Metodología en la Medición de Secciones Transversales
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.2). 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. pero antes necesita el estudio de ingeniería definitivo. o también sucede que se encuentran en lugares alejados del país sin acceso al teléfono que dificulta la comunicación con su sede. 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. que ya tiene partida del MEF.
. 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.4. El consultor ganador realiza el estudio de ingeniería.Luego el MTC lo incluye en su plan anual.
Usando cinta metrica y eclímetro
Se pierde tiempo en escribir los datos y con posibles errores de trascripción
Tomar mas medidas
Anotar los datos en una libreta de campo y pasar a la siguiente
Pasar a otra estaca o tomar mas medidas
Pasar a la siguiente estaca
¿Termino?
Transcribir datos a la computadora
Perdida de tiempo en ingresar los datos a la computadora
Figura 1.2. 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.
El topógrafo se ubica en el punto central del tramo del futuro proyecto vial.Calibrar instrumentos ópticos
Estos instrumentos se descalibran en cada trabajo por ser opto mecánicos
El topógrafo se ubica en el punto central
Mandar a ayudante ubicarse en algún punto de la vía (Izquierdo o Derecho) La medición no es exacta y toma mucho tiempo
Medir distancia y ángulo de inclinación desde el topógrafo hacia el ayudante. Luego un segundo ayudante mide la distancia con la cinta métrica. 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
Sucede también que el eclímetro para medir ángulos de elevación es un método óptico que depende del operario. Las secciones transversales se anotan en una libreta de campo.3.el primer ayudante. es decir se debe tener una buena visión y tener un buen pulso.
Figura 1. cada conjunto de puntos forma una sección transversal. Esto solo es el primer punto tiene que repetir lo mismo para otros puntos y así sucesivamente cada 10 metros. Sucede que por la mala caligrafía del operador y produciendo mediciones incorrectas. llenándose con el conjunto de datos de distancia y ángulos que forman los puntos de la sección transversal. Una representación del proceso. son con estos datos lo que son necesarios para el estudio definitivo.4.3. 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. 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.4
Deficiencias en la Metodología de Medición de Secciones Transversales por el desuso el instrumento se descalibran
Los instrumentos topográficos al ser manipulados en el campo o por estar expuestos a excesivo movimientos. Se tiene que llevar a centros especializados para
. y también volver a calibrarlos. Los datos de medición de distancia y ángulo de inclinación se anotan con una metodología en la libreta de campo.
hay miles de kilómetros de caminos que se necesitan construir o mejorar. En países más desarrollados esta metodología ha sido desplazada por métodos indirectos de cálculo de secciones transversales que utilizan equipos topográficos electrónicos más modernos. permitirá la viabilidad del proyecto.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. alquilar de equipos e instrumentos. por lo tanto la búsqueda de métodos que busquen ahorrar algún componente del presupuesto. Según información proporcionada el costo por Kilómetro de topografía esta unos 2000 soles por Kilómetro.por la densidad de datos. viáticos. 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 empresas consultoras en ingeniería contratan personal destinado a la mediciones topográficas para determinado proyecto y los costos para logística. Con los datos transcritos en la libreta de campo. 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.
. y si por cada kilómetro de carretera hay por lo menos 10 secciones. En el país. como la Estación Total y con ayuda de un software se estiman las secciones transversales de manera indirecta. cuando se termina la medición de todas las secciones se pasan a transcribir en algún software especializado. Las mediciones con eclímetro y cinta métrica de lona se hacen en un tiempo de 12min por cada sección transversal. siendo el 40% la intervención de la secciones transversales. 1. además de los ayudantes que mayormente se contratan en la misma zona. todos estos factores influyen en la competitividad de la empresa y su eficiencia para desarrollar proyectos viales. se transcriben defectuosamente o a veces necesita de mayor cuidado.
que necesariamente estos proyectos pasan necesariamente por un estudio topográfico previo para poder estimar los costos y beneficios de la obra a ejecutar. siendo la mayoría tecnología de origen extranjero.1 Presentación del asunto de estudio El Láser se ha vuelto un elemento muy útil y tan común para la vida actual. son semiconductores de pequeño tamaño y su uso es para la electrónica. Los diodos láser. Haremos recuento de los equipos que se utilizan en la actualidad. ópticos y mecánicos para los estudios topográficos. generando inconvenientes. Solo la imaginación es el límite para el desarrollo de aplicaciones para el Láser. Sus aplicaciones han llegado hasta la Topografía de precisión. es tan importante la construcción de infraestructura vial y de caminos rurales para la integración del País. Existe variedad de equipos electrónicos. pero el Láser tiene muchas tareas distintas. Pero estos equipos topográficos no se adaptan a ciertos requerimientos que existen en la geografía local. en países en vías de desarrollo. que van desde medicina hasta trabajos industriales. 2.2.1 Estado del Arte
2. Finalmente.1 Definición del Láser Un láser es un dispositivo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. En el presente capitulo se desarrolló la tecnología basado en Láser y luego abordaremos los instrumentos topográficos que existen. funcionan con circuitos especiales y operan de manera similar a un diodo LED. se evaluará las ventajas y desventajas de los equipos que se ha de mencionar. Al respecto.1.CAPÍTULO 2 ADELANTOS TECNOLÓGICOS APLICADOS A LA TOPOGRAFÍA ESPECIFICAMENTE EN LA MEDICIÓN DE SECCIONES TRANSVERSALES 2.2 El Láser y sus aplicaciones
2. produciendo un tipo muy especial de luz.
. con equipos electrónicos y con capacidad de almacenar datos. 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.
3. En un láser pulsado en un intervalo pequeño de tiempo. de orden pequeño. causando un solo color.2 Continúo Se caracteriza por un nivel continuo de potencia emitida.2. LOLA funciona enviando pulsos de luz láser que rebotan en la superficie lunar mientras se encuentra en órbita alrededor de la Luna.2. Es el caso de numerosas aplicaciones de corte.2.2. [6] Los haces de láser son estrechos y no se dispersan como los demás haces de luz. Al medir el tiempo que tarda la luz en viajar a la superficie y regresar.4 Aplicaciones del Láser El Proyecto "LOLA". que emiten tan sólo algunos milivatios y son capaces de producir una elevada intensidad en un rayo de un milímetro de diámetro. 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. LOLA puede calcular la distancia del viaje de ida y vuelta. la potencia láser sufre variaciones periódicas. 2. Los láser pueden producir muchos miles de vatios continuamente.1 Pulsado.3.3 Modos de funcionamiento
2. 2.2. La luz láser es coherente y monocromática. Es ampliamente utilizado para aplicaciones industriales. Fue lanzado en Junio del 2009 y forma parte de uno de los siete instrumentos a bordo de la nave Lunar de Reconocimiento Orbital. Por ello es posible focalizarlos en un punto muy pequeño Esta cualidad se denomina direccionalidad. en elevada potencias para el taladrado y marcado. siglas en inglés para el Lunar Orbiter Láser Altimeter ó en español Altímetro Láser del Orbitador Lunar. 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.2
Es una luz intensa. soldadura y tratamientos térmicos de metales. LOLA puede cronometrar los pulsos con una precisión de 0.6
[7] En Cuba se realizó el proyecto que consistía en la comprobación de la eficacia terapéutica.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.
Sensor electrónico empleado para determinar el ángulo de inclinación de un sistema con respecto a la horizontal. salida analógica y/o digital con bajo consumo de poder.nanosegundos. Los inclinómetros son instrumentos electrónicos de alta sensibilidad.3. fotoconductiva.2 Fotodiodos. es el detector más importante utilizado en los sistemas de comunicación.3. Existen basados en mercurio o midiendo la aceleración de la gravedad.3.
Son dispositivos semiconductores construidos con una unión PN. Se piensa desarrollar armas que tengan precisión de apuntar el objetivo a más de 10 a 15km y emitir una potencia alrededor de 100kW. donde el diodo opera con polarización inversa. En otras palabras mide el
. correspondiente a un error de distancia de no más de 10 centímetros.3 2. para uso militar. [10] 2. Para que su funcionamiento sea correcto se polarizarán inversamente.1 Transductores Sensores de Inclinación. donde no hay fuente de polarización aplicada al diodo. 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. conocido también como inclinómetros. con lo que producirán una cierta circulación de corriente cuando sean excitados por la luz. Los fotodiodos pueden operar en dos modalidades: fotovoltaico. sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja.
El convertidor de tiempo a digital se base en un simple contador de alta frecuencia. 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. 2. son una pantalla alfanumérica de cristal líquido (LCD). Es portátil y manual. 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. y con las cuales no cuentan los teodolitos. iluminación independiente de la luz solar.tiempo entre dos eventos consecutivos y con una precisión de picosegundos. entre otras capacidades. está hecho para fines topográficos. y seguidor de trayectoria y la posibilidad de guardar información en formato electrónico.
. leds de avisos. Un equipo más moderno y sofisticado es el teodolito electrónico. ámbito en el cual tiene una precisión elevada. lo cual permite utilizarla posteriormente en ordenadores personales. horizontales.4.4 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. más conocido como estación total. el cálculo de coordenadas en campo. Este instrumento consiste en la incorporación de un distanciómetro a un teodolito electrónico y un microprocesador.2 Estación Total Se denomina estación total a un instrumento topográfico electro-óptico cuyo funcionamiento se apoya en la tecnología electrónica. distanciómetro.1 Teodolito
El teodolito es un instrumento de medición mecánico-óptico que sirve para medir ángulos verticales y. sobre todo. Vienen provistas de diversos programas sencillos que permiten. Con ayuda de una mira y mediante la taquimetría puede medir distancias. Algunas de las características que incorpora. calculadora. 2.4. 2.
más recientemente. En primer plano figuran. y para mostrar las alturas exactas de todos los puntos del área que abarcará el mapa. el levantamiento fotogramétrico es la aplicación de la fotogrametría a la Topografía.
Figura 2.3 La Fotogrametría La fotogrametría es el conjunto de métodos y procedimientos mediante los cuales podemos deducir de la fotografía de un objeto. la forma y dimensiones del mismo. Trazado de curvas de nivel sobre una fotointerpretación.4. desde satélites artificiales como los spot [11]. el parcelamiento moderno. A esto se suman una gran variedad de mapas especiales y fotoplanos para los fines de la Economía. la variedad de
Una gran cantidad de labores distintas surgieron para la fotogrametría durante los últimos decenios. Algunos ejemplos de las anteriores son: La urbanización. Una aplicación de la fotogrametría se ve en la Figura 2. en numerosos países. utilizan pares estereoscópicos de fotografías tomadas en levantamientos y.1.1. del tráfico. Muchos mapas topográficos se realizan gracias a la fotogrametría aérea. En las fotografías deben aparecer las medidas horizontales y verticales del terreno. Se requieren cámaras adecuadas y equipos de trazado de mapas muy precisos para representar la verdadera posición de los elementos naturales y humanos. el planeamiento de ciudades. el catastro. pueblos y villas.2. los levantamientos topográficos del territorio. de la Ciencia y de la administración. Estas fotografías se restituyen en modelos tridimensionales para preparar la realización de un mapa a escala.
en la mayoría de los casos se complementan. este pulso que se emite inicia el conteo del tiempo. y llega a un fotodiodo receptor que es polarizado. las radioseñales emitidas por los satélites no pueden penetrar una vegetación muy espesa o densa. edificios o accidentes geográficos [13].levantamientos forestales y agrícolas. 2. ya que no requiere una línea de vista entre una antena y otra.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. Los GPS Topográficos tienen precisiones desde varios milímetros hasta menos de medio metro. por ello se opta por utilizar el láser por su característica de direccionalidad (ver figura 2. el tiempo que tardo el pulso láser en ir y regresar se registra para con ello determinar una distancia recorrida. su posición en cualquier parte del planeta. El pulso láser es reflejado por el prisma. Es en levantamientos de gran extensión donde el GPS resulta particularmente practico. 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. la geografía científica y aplicada con sus numerosas ramas especiales y ciencias limítrofes. además de tener el GPS la gran limitante de trabajar solo en espacios con vista al cielo. Básicamente. se utilizara el método de medición por “tiempo de vuelo” (TOF).4. en lugar de abrir una brecha para tener visual entre la estación total y el prisma. 2. y todo lo que se levante con la estación estará georeferenciado. [12] El GPS no reemplaza a la estación total.
. Para la medición de la distancia utilizando láser.2).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. rocas. llegando a un prisma reflector que viene hacer el objetivo que se desea saber su distancia. su principal funcionalidad es que permite al usuario conocer. mediante un receptor. El instrumento emitirá un pulso láser con una potencia entre 5 a 50W en un intervalo de tiempo de 2 a 50 ns.
se utiliza un sensor de inclinación con una salida digital. o modificar las secciones transversales a medida que se encuentra en el campo tomando los datos. eliminar.
Figura 2. 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 procede a medir el ángulo de inclinación con un sensor electrónico en grados sexagesimales.2. El instrumento necesitara de una interfaz con el usuario para poder agregar. Representación Gráfica del Modelo Teórico.Una vez determinado la distancia.
1 Inclinómetros 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 Diagrama de Bloques
Como hemos mencionado el equipo topográfico debe ser capaz de medir ángulos y distancias para ello se presenta un diagrama de bloques en la Figura 3.
Figura 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
.1. Diagrama de Bloques del sistema de medición.2.1 Descripción Los inclinómetros son sensores que transforman ángulos de elevación o depresión en voltajes analógicos y también en datos digitales.CAPÍTULO 3 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICIÓN DE DISTANCIA Y ÁNGULO 3.
3. tienen una gran sensibilidad a los cambios de inclinación.2
Medición de Angulo de Elevación y Depresión
3.2.1.1. en la medición de secciones transversales los ángulos se miden en grados sexagesimales.
un integrado menor a un área de 4cm2 Rango.1. para el estudio se tuvo que elegir entre dos modelos. el instrumento requiere que mida de -90° a 90° grados sexagesimal. inferior a $100 (dólares americanos)
Para el caso de medición de secciones transversales.elevación o depresión. el ADIS16203 [15] de Analog Devices y el SCA61T-FA1H1G[16] de VTI Technologies. Costo. Un cuadro comparativo con sus características se presenta en la Tabla 3.1° grado sexagesimal Tamaño.1. 3. entonces un inclinómetro deberá tener un precio inferior. con medir la inclinación con una exactitud de +-1° grado sexagesimal bastaría.23° grados sexagesimal
. forma. Eclímetro o Nivel) que miden en un rango de +-90° grados sexagesimal y tiene un costo por encima de los $100 (Cien Dólares Americanos). 3. 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. sin embargo valores más precisos permitirá tener modelos más exactos durante el procesamiento de la información. tamaño y costo.3 Componente Seleccionado: SCA61T-FA1H1G de VTI Technologies En el mercado existe una variedad de inclinómetros de distinta aplicación. Como se desea un instrumento practico y portátil.62° grados sexagesimal
SCA61T-FA1H1G +-90° grados sexagesimal +-0.
ADIS16203 Rango de Medición Exactitud +-180° grados sexagesimal +-0.2. en su conjunto de poco tamaño y peso para que sea transportable.2. de +.1. Existen opciones ópticas para medir ángulo de elevación o depresión que existen comercialmente (Ej. El microcontrolador va a recibir un dato binario para procesar y convertirlo en ángulo sexagesimal. ya que la solución que presento debe ser más económica.2 Criterios para la Selección del Inclinómetro Para la selección del inclinómetro se necesitara tomar en cuenta los siguientes factores: • • • • Exactitud.
52 Dólares Americanos
. Esto se indica en su hoja de datos en la sección 2.Resolución Digital Tamaño Precio
0.1.3.16 Dólares Americanos
Tabla 3. 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.37cm 49. Conversor ADC interno de 11 bits Soporte para comunicación serial entre circuitos – SPI Este modelo especialmente tiene salidas de tipo analógico y digital. La salida digital ahorra la necesidad de contar con un ADC adicional.07 ° / LSB 10.07° /LSB según hoja de datos [16].2.025 ° / LSB 9.35cm x 8. esto facilitará su uso con un microcontrolador que también soporte SPI. 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. así los datos binarios representados con una resolución de 11 bits irían directamente al microcontrolador para que sean transformados a ángulo sexagesimal.48cm x 11. se presenta las siguientes características adicionales: Rango de medida Exactitud Sensibilidad Resolución Comunicación : : : : : De -90 a +90 grados sexagesimales +.0.2.31cm 49. con 11 bits tenemos una resolución de 0.1.23 grados sexagesimal 35 mV/° 0. por ello se recomienda el uso de fuente regulada y estar verificando que la tensión se mantenga. 3.07 ° / LSB.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. El inclinómetro SCA61T cuenta con el estándar de comunicación entre circuitos integrados el SPI.
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. MISO y una línea más de habilitación que viene del microcontrolador. Para el envió de datos se utiliza la comunicación serial en SPI. La salida analógica es el PIN7 y tiene un filtro pasa bajo para reducir los ruidos proveniente del reloj interno que tiene el componente.2 que son valores obtenidos de la hoja de datos del componente.3.
El SCA61T tiene una salida de tensión proporcional (PIN7 VOUT) al ángulo de inclinación como se indica en la siguiente figura 3. según recomienda el fabricante en su hoja de datos. MOSI. 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.Figura 3. como se observa en la Tabla 3. El SCA61T mide en la dirección X mientras se va girando el componente.2.2. que necesita 3 líneas SCK.
El SCA61T se alimenta con 5v y debe ser una fuente regulada.
. Circuito esquemático para el inclinómetro SCA61T.
Tabla 3. Valores de operación del SCA61T obtenido de la hoja de datos.
. Este sistema se conoce como el método de tiempo de vuelo (TOF). Funcionamiento del inclinómetro. es por la línea MISO (PIN2) que se transfiere el dato binario al microcontrolador. a medida que gira alrededor de su eje X el voltaje de salida varia.4. dos discriminadores del tiempo y una unidad de medida del tiempo. y que es convertido a ángulo mediante la siguiente expresión. Los pulsos de inicio se toman directamente de la radiación saliente de la reflexión difusa. El sistema de medición consiste en un transmisor. es un valor en un rango de 0 a 2048.Figura 3. Valor de compensación nominal = 1024 Sensibilidad del dispositivo = 819
Además de una salida analógica. 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.3. un receptor de dos canales. el SCA61T tiene una salida digital que envía el ángulo en un formato binario de 11 bits.
Dout = Dout @ 0° =
Salida digital de 11 Bits.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. indicada en su hoja de datos. sus componentes se estudiaran en los siguientes apartados.
Figura 3. es necesario medir distancias. 3.
.3.2 Criterio para la Selección del Diodo Láser Del capítulo 2 se conoce que existen dos tipos de funcionamiento del diodo láser. y que llegaría finalmente al fotodiodo. Por su pequeño tamaño y peso son ideales para el uso en un equipo electrónico portátil. Esta cualidad llamada direccionalidad nos será muy importante. Con la potencia indicada se podría llegar a distancias mayores a los 10 metros con la suficiente energía para activar el fotodiodo receptor. 3. El láser tiene la propiedad de ser coherente esto quiere decir que la longitud de onda que emite es solo una luz monocromática. En esa ocasión se coge un diodo láser pulsado.1.4.3.1 El Emisor de Pulsos Láser. Los diodos láseres.3. son semiconductores que emiten láser cuando la corriente pasa a través de ella. debido a que emite una potencia mayor a los 10W en menos de un microsegundo. 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. además de medir ángulos. 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)
3.1. Otra propiedad es que su rayo es estrecho y no se dispersa como otras fuentes de luz. porque nos permitirá apuntar donde queremos medir.1 Descripción En la medición de secciones transversales. pulsado y continúo.
suficiente para el fotodiodo receptor de la misma longitud de onda que se tenía disponible. Diodo Hibrido de Laser de Pulsos.3 dos opciones de diodo laser.1.
. Cuadro Comparativo entre el SPL PL85 y SPL LL85
Los dos modelos son similares pero su diferencia se encuentra en su facilidad de aplicación. La configuración de los pines del diodo laser SPL LL85 se presenta en la Figura 3. SPL LL85.5.
SPL PL85 Tipo Potencia Óptica Voltaje de Operación Longitud de Onda Implementación Diodo Laser de Pulsos 10W 3V 850nm Compleja
SPL LL85 Diodo Laser de Pulsos Hibrido 14W < 9V 850nm Sencilla
Tabla 3. 3.3.
Figura 3.3. En la figura 3. 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. los modelos SPL PL85 [19] y el SPL LL85[18].5.3 Componente Seleccionado: Diodo Láser SPL LL85 de marca OSRAM Se presenta en la tabla 3.6 extraída de su hoja de datos se puede verificar la longitud de onda que se emite. para que el circuito receptor sea más sencillo y requiera de menores filtros. de la marca OSRAM. por ese motivo se escoge el SPL LL85 que es de fácil uso porque a diferencia del otro.
El diodo láser hibrido SPL LL85 de la marca OSRAM emite un rayo de longitud de onda de 850 nm.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.
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.6. En la Figura 3. A la derecha la representación esquemática del diodo láser.6.7 se presenta dos curvas características de funcionamiento del diodo laser. 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.Figura 3. se puede apreciar su representación en la Figura 3. todo integrado en una sola cápsula.
El SPL LL85 es un módulo laser hibrido porque tiene internamente dos condensadores. Veremos más adelante que esto nos simplifica su aplicación. A la izquierda se ve lo estrecho que es el rayo láser que emite. Sin embargo su punto de operación ideal es con una potencia óptica de salida de 14W con un voltaje de carga de 7v. uno de ellos es el ancho de pulso de salida óptico (FWHM). Los capacitores internos conectados en paralelo suman 47nF. hacerlo operar de manera diferente le quitaría tiempo de vida al diodo laser.
. un MOSFET además del diodo laser. siendo 850nm.
. La curva de potencia óptica de salida del SPL LL85 a la izquierda.1. el circuito se activara con una señal TTL proveniente del microcontrolador.Figura 3. La tensión de carga como se explicó anteriormente es de 7 voltios.
3.7. la resistencia de 100 ohmios es para cargar los condensadores internos del diodo laser representado por Q2. 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. Para cumplir los requerimientos se revisa las recomendaciones del fabricante y que procedemos a indicar. que es suficiente para obtener el máximo ancho de pulso óptico del diodo laser (FWHM 30ns). A la derecha el ancho del pulso de salida óptica.8.3. con un determinado ancho de pulso.4 Diseño del Circuito para el SPL LL85 Se requiere diseñar un circuito que permite emitir pulsos de rayo láser. El circuito diseñado para operar el diodo laser se presenta en la figura 3.
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. Es importante mencionar que la frecuencia de trabajo máxima que soporta el diodo laser es de 0. Con recomendación del fabricante se utiliza el MIC4420 de Micrel que resuelve este requerimiento simplificando el diseño del circuito que se ha presentado.Figura 3. 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].
.7uF es para minimizar los ruidos de la tensión de 12v que opera el MIC4420. 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]. El MIC4420 es un circuito integrado que se activa con una señal TTL en nivel positivo (5v). que se obtendrá del microcontrolador en una señal PWM.1%. Los diodos Schottky es para prevenir los sobre voltajes y el condensador C1 de 4. Esta señal puede ser generada por un controlador MOSFET de disparo de alta velocidad de conmutación y que se activa con una señal TTL.8.
como se explicó en el modelo teórico teniendo el tiempo de vuelo que tuvo el rayo láser se puede determinar una distancia de recorrido.3.9 y que procederemos a describir su funcionamiento.3. 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. Como se explicó en el modelo teórico.2. Kari Määttä.2 Circuito Receptor del Rayo Láser. El circuito que se plantea se basa en el esquema simplificado de los autores Ari Kilpelä. El voltaje de salida del LM741 es el producto de la corriente que pase por el fotodiodo por la resistencia de 330 ohmios.3. Se optó por usar un arreglo de fotodiodos para mejorar el área de recepción. como el rayo láser tiene una longitud de onda de 850nm que lo hace invisible al ojo humano este proceso se hace dificultoso. La señal en voltaje amplificada pasara a la etapa siguiente conocida como discriminador del tiempo [14].2 Receptor del Rayo Láser 3. Cuando se recibe el rayo láser luego que es reflejada del objetivo. 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. 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. el rayo láser rebota en una superficie reflectante. Si el diodo laser emite una longitud de onda de 850nm se necesita de un fotodiodo que tenga mayor sensibilidad en ese valor. se tiene que alinear los fotodiodos para la recepción el rayo rebotado.2. en el siguiente capítulo se explica cómo se hizo las pruebas. Juha Kostamovaaraddiseñado de la Universidad de Oulu en Finlandia [14] se presenta en la figura 3. El circuito está compuesto por una etapa de amplificación.
Receptor del rayo láser para longitud de onda de 850nm
La etapa que sigue luego de la amplificación.9. 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.10 se presenta una descripción del método para su mejor entendimiento. En la figura 3. que consiste en que el pulso amplificado de entrada es dividido en dos partes de la misma amplitud.Figura 3. se conoce como el discriminador del tiempo [14].
. uno de ellos es retardado. Se presenta dos eventos. 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. cada uno se encuentra con su pulso original seguido del mismo pulso retardado (líneas discontinuas) y con un pequeño voltaje de compensación.
El comparador inferior determina el punto de tiempo donde parara la cuenta el convertidor de tiempo a digital.3. el superior sirve como habilitador del segundo y sirve para descartar los pulsos recibidos producidos por algún ruido en el circuito.10). La formación del punto de tiempo. El arreglo de resistencias en la entrada del comparador inferior sirve para añadir el voltaje de compensación entre las entradas del comparador ultra rápido. como se conoce la velocidad de la luz es aproximadamente 300 000 km/s
.1 Descripción Para el caso de la medición de secciones transversales.
Siguiendo con la explicación del circuito (ver figura 3. se tiene dos comparadores.3. Para medir la distancia se está utilizando el método del tiempo de vuelo del pulso de rayo láser.10.Figura 3.
3. esto es necesario para usar el método de discriminación del tiempo.10). en un rango de 60cm a 50m. se requiere una exactitud de 1cm similar al que tiene la cinta métrica de lona. 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). 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. este voltaje se ajustara según la potencia que se tiene en la recepción del pulso de rayo láser. la señal original y la retardada son comparadas.3.3 Convertidor de Tiempo a Digital 3.
Medición Rango 1 Canales de Inicio Canales de Parada Resolución Rango de medición 1 Canal 2 Canales 65ps 3.4.2 TDC-GP2 de Acam Mess Electronic Se presenta el convertidor de tiempo a digital de propósito general TDC-GP2 de Acam [22]. 3.entonces conociendo el tiempo de ida y vuelta del pulso se podría determinar con exactitud la distancia recorrida. además posee capacidad de comunicación serial (SPI). una es para alimentar los puertos I/O y la otra para el núcleo. Para tener la exactitud requerida se necesita de un contador del tiempo con una resolución de 67ps. 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. es el único comercial con información disponible. el intervalo de tiempo medido lo representa digitalmente y lo entrega al microcontrolador.8us
Medición Rango 2 1 Canal 1 Canal 65ps 500ns a 4ms
Tabla 3. el resto se encuentra patentado para usos específicos. 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.8us esto equivaldría teniendo como referencia la velocidad de la luz. saldría un Dmin y Dmax tal.4. las diferencias lo presentamos en la Tabla 3.5ns a 1. El TDC-GP2 es un encapsulado de 32 pines (QFN32) tiene dos fuentes de alimentación como indica en su hoja de datos. El TDC-GP2 tiene dos modos de medición. depende de la aplicación para lo que se quiere usar. Con este modo de medición se puede medir intervalos de tiempo entre 3. 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.
. Este dispositivo mide intervalos de tiempo entre un inicio y una parada (tiene canales de entrada respectivo) funciona como un contador de alta frecuencia.3.3.5ns a 1.
en el caso del TDC-GP2 posee dos entradas de parada (STOP1 y STOP2) que sirven para poder comparar dos eventos distintos.66 metros.5ns.8us x 1cm / 67ps = 268.24 centímetros. Diagramas de tiempo del funcionamiento del TDC-GP2
.Dmin = 3. Dmax = 1. por ejemplo el Tss es el tiempo mínimo medible entre el inicio y la parada que sería de 3. El convertidor de tiempo a digital TDC-GP2 puede medir también el intervalo de tiempo entre dos eventos sucesivos que sucede en su entrada.11.5ns x 1cm / 67ps = 52.
Figura 3.11 extraído de su hoja de datos podemos ver una representación de los rangos de tiempo que puede medir el TDC-GP2. En la figura 3.
por cumplir con los requerimientos y teniendo las siguientes características: Rango de Medida Exactitud Sensibilidad Resolución Comunicación : : : : : De -90 a +90grados sexagesimales +. Inclinómetro implementado en su circuito impreso.
Figura 4. Se realiza las conexiones necesarias entre el inclinómetro y la computadora.1.1 observamos el inclinómetro implementado en su circuito impreso. la interfaz usada es la herramienta de HyperTerminal que tiene el Windows XP.23 grados sexagesimales 35mV/° Conversor ADC interno de 11 bits Soporte SPI
En la figura 4. A la izquierda de la Figura 4.1 se muestra un resumen de los ángulos medidos en el momento de las pruebas.2 se inclina el circuito impreso en ángulos negativos.1 Inclinómetro Como se presentó en el capítulo 3 se escogió como inclinómetro el SCA61T-FA1H1G. En la tabla 4. y a la derecha de la figura el circuito indica ángulos positivos.CAPITULO 4 PRUEBAS DE USO DEL SISTEMA DE MEDICIÓN 4.
.0. como se puede apreciar en la figura 4.
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.
2 4.1.060303 81.Figura 4. el primero es de empaquetado DIP y el segundo es usando montaje superficial.2. la diferencia es en el tamaño y el tipo de mosfet de disparo.
.170719 -34.
4. se ve como se muestra el ángulo que tiene el circuito impreso.1
Medición de Distancia con Láser Pruebas de Emisión del Rayo Láser
Se presenta en la figura 4.509632 -35.580887 -34. usando el diodo láser SPL LL85 de 850nm se fabricó dos versiones que operan de la misma forma.
Ángulos Negativos -33.3 los circuitos implementado según el esquemático del capítulo anterior. 85.390831
Tabla 4.994919 83.448833
Ángulos Positivos.2.037270 79. Pruebas del inclinómetro con la computadora. Resumen de los resultados de prueba con el SCA61T-FA1H1G.
Figura 4.Figura 4. El objetivo de esta prueba es conocer como el fotodiodo reacciona al recibir el pulso de rayo láser. siendo invisible para el ojo humano. para ello se usó una cámara digital para poder observarlo.3. también conocer la forma del pulso recibido.4.2.4 se ve el rayo láser emitido observado desde una cámara. En la figura 4.5 se presenta a la derecha el fotodiodo a una
. Fotografías del rayo láser emitido obtenidos con una cámara digital
4. la segunda versión usando un mosfet de disparo superficial. Pero como se deseaba comprobar que el circuito diseñado emitía el rayo láser y si era estrecho. En la parte superior la primera versión con mosfet de disparo DIP. Dos versiones de emisor de rayos láser. En la figura 4.
Cuando el circuito se le hace funcionar no se puede ver el rayo láser ya que su longitud de onda de 850nm. la foto a la derecha fue tomada en un ambiente totalmente oscuro.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.
Figura 4.6 se ve el pulso emitido por el microcontrolador que activa el circuito del diodo láser produciendo el rayo.
Una vez alineados el diodo laser con el fotodiodo. 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 quiere decir utilizar el LM741 en realimentación negativa. esto es para asegurar que el rayo llegara al fotodiodo. a la derecha el fotodiodo y a la izquierda el diodo láser que se encuentran alineados. En la parte superior de la figura 4. 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. Se empieza a enviar una señal PWM a nivel TTL para que el circuito comience a emitir pulsos de rayo láser. 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. se puede apreciar la diferencia de tiempo entre el rayo emitido y recibido es casi nula por la cercanía entre el emisor y receptor. aproximadamente unos 10 centímetros. se procedió a conectar el circuito emisor de rayo láser con el módulo de pruebas AVR-PUCP de la universidad. en la parte inferior se ve el pulso de corriente transformado en voltaje recibido por el fotodiodo y que es producido por el láser.5.distancia muy cerca al diodo láser que está a la izquierda. Pruebas de recepción del pulso láser. para ello se implementa en un protoboard parte del circuito de recepción del capítulo anterior.
además se utilizó un espejo para que el rayo láser de un rebote. Para efecto del experimento se coloca los elementos de manera similar a la prueba con 10 cm que se hizo para comprobar la recepción.
4. para alinear el espejo se utilizó un puntero laser de luz visible rojo para determinar el trayecto que realizara el láser. el emisor se conectó al módulo de pruebas del AVR-PUCP y el receptor se coloca cerca de él.
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.7). cada uno con sus respectivos puntas de osciloscopio. (Ver figura 4.2.Figura 4.6. Esquema de la distribución de los elementos para hacer la medición de tiempo de vuelo
. Señal de voltaje recibido en el receptor del rayo láser utilizando el osciloscopio.3
Pruebas de Medición del Tiempo a varias Distancias.7.
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. Rayo recibido por el receptor a una distancia de 20 metros del espejo. las resistencias.
4. En la figura 4.8 se presenta una captura del osciloscopio en el momento cuando el espejo se encuentra a una distancia de 20 metros.
.8.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. pero esto se compensa en el cálculo de la distancia. condensadores y conectores que se encontraron en el mercado local pero los diodos laser e inclinómetros se tuvieron que importar.
Figura 4. En las instalaciones del laboratorio de la universidad no se tenía más espacio para probar distancias mayores.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. Con la ayuda del osciloscopio y sus cursores se puede medir el tiempo que demora y es aproximadamente de 190 ns.
controlador y el fotodiodo fueron componentes importados.2. Condensadores Conectores Gastos de Envió e Importación
Precio 25 soles 336 soles 3 soles 1 sol 70 soles Total 435 soles
Tabla 4. el diodo laser. 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 4.2 se presentan los gastos para realizar las pruebas de medición de ángulos utilizando el inclinómetro SCA61T de VTI Technologies.3.Cantidad 2 Unidades 2 Unidades
Componente Circuito Impreso Inclinómetro SCA61T de VTI Technologies Resistencias.
.3 se describen los gastos para la fabricación del circuito emisor y receptor de pulsos de rayo láser.
En la tabla 4. Costos para la realización de las pruebas con el Inclinómetro. Costos para la realización de las pruebas de medición de distancia con láser. 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.
se pudo comprobar la forma del pulso laser y la potencia que podía emitir el diodo laser. 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 que en el desarrollo del presente trabajo se ha ido describiendo su funcionamiento e implementación. comparadores ECL. 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. 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 trabajo de tesis se termina implementando la emisión y recepción para el pulso laser.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. En el caso de la medición de ángulos se pudo concluir obteniendo ángulos de elevación en tiempo real con ayuda de la computadora. El receptor se puede mejorar en futuros diseños teniendo un amplificador de ganancia variable que dependa de la amplitud del pulso recibido. Con el osciloscopio se pudo medir el tiempo de vuelvo y se calculó una distancia. el inclinómetro que se utilizó cumplió con los requisitos para la medición de secciones transversales. La etapa de recepción con fotodiodos.
. 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.
El inclinómetro que hemos utilizado tiene un sensor de temperatura que sirve para poder mejorar la medición que varía por efecto 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. está por estudiar otras opciones que existan en el mercado. 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. con otros tipos de diodos de diferente potencia de salida y característica. geología. y que con la economía creciente en que estamos es necesario desarrollar nuestra propia tecnología. Esta por estudiar el uso de los fotodiodos de avalancha y los amplificadores de transimpedancia integrados con mayor ancho de banda. buscando mejorar la ganancia en la recepción del rayo láser permitiendo abarcar otros campos como la telemetría o radares.
. 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. etc. pero además existen otros tipos de inclinómetros que utilizan mercurio o mecanismos para conseguir el ángulo de inclinación. minas. Se podría compensar este error manejándolo internamiento en la programación que se tiene en el microcontrolador para disminuir el error producto del montaje. Puesto que no siempre se encuentran soluciones tecnológicas en el extranjero para los retos que se presentan en el país.RECOMENDACIONES Es posible encontrar otras alternativas para la emisión de rayos láser. como la ingeniería civil. Además existe toda una variedad de teorías por estudiar para la discriminación del tiempo y técnicas ópticas. En el trabajo de tesis use un inclinómetro basado en un acelerómetro. 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. Probando el inclinómetro nos resultó bastante preciso. con una determinada formula descrita en su hoja de datos se podría compensar la variación producto de la temperatura.
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