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DISEÑO Y CONSTRUCCION DE ACELEROMETRO AUTONOMO
REALIZADA POR
CESAR EDUARDO LUNA
ASESORADO POR
PROFESOR LUIS MARIO MATEUS M. Sc.
TESIS PRESENTADA A LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
COMO REQUISITO PARCIAL DE GRADO PROGRAMA DE PREGRADO EN INGENIERIA MECANICA
JUNIO DE 2005
BOGOTA, COLOMBIA
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AGRADECIMIENTOS
El presente proyecto de grado no hubiera sido realizable sin la colaboración de las siguientes personas a quienes les estoy muy agradecido: A mi asesor, el profesor Luis Mario Mateus quien desde el inicio del proyecto estuvo atento a modificaciones, sugerencias y desarrollo del mismo y quien dedico tiempo a revisar el presente documento. A mi hermana, Adriana Carolina Luna, estudiante de ingeniería electrónica de la Universidad Nacional quien me colaboró en los montajes electrónicos con sugerencias e indicaciones favorables en el diseño de estos. Al estudiante de ingeniería electrónica de la Universidad Nacional, Mauricio Cáceres, quien me colaboro en la programación de los microcontroladores usados en el proyecto. Al estudiante de ingeniería electrónica de la Universidad Nacional, Rafael Gil, quien me colaboro en la soldadura y elaboración de los circuitos finales en baquelitas. A mis padres y hermanos que hicieron posible que llegará a estas instancias de mi carrera con su colaboración y apoyo. A Yurdaly Medina quien sin su apoyo incondicional y su ánimo no hubiera tenido la voluntad de llegar a la terminación de este proyecto.
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TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCION
2. MARCO TEORICO
3. DISEÑO
3.1. GALGA EXTENSIOMETRICA
3.1.1. Análisis preliminar
3.1.2. Acondicionamiento de señal de la galga extensiométrica:
3.2. SENSOR FLEXIFORCE
3.2.1. Análisis preliminar
3.2.2. Acondicionamiento de señal del sensor flexiforce
3.3. ETAPA DE CONTROL Y DIGITALIZACION
3.4. ETAPA DE VISUALIZACIÓN
3.5. MONTAJE
4. EXPERIMENTACION Y RESULTADOS
4.1. MESA DE VIBRACION
4.2. PENDULO
5. CONCLUSIONES
6. SUGERENCIAS
BIBLIOGRAFIA
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INDICE DE FIGURAS
Figura 2.1: Esquema resorte-amortiguador.
Figura 3.1: Puente de Wheastone.
Figura 3.2: Circuito de acondicionamiento de la galga extensiométrico.
Figura 3.3: Sensor Flexiforce.
Figura 3.4: Prueba realizada al sensor flexiforce.
Figura 3.5: Circuito de acondicionamiento del sensor flexiforce.
Figura 3.6: Circuito de control y digitalización de la señal.
Figura 3.7: Visualización de los datos en el computador.
Figura 3.8: Fotografía de la estructura final del instrumento.
Figura 3.9: Fotografía de la estructura final del instrumento incluyendo las
baquelitas.
Figura 4.1: Gráfica de la galga vs. el acelerómetro en la mesa de vibración.
Figura 4.2: Gráfica de la galga vs. el acelerómetro detallando 5 segundos de tiempo.
Figura 4.3: Gráfica del sensor flexiforce vs. el acelerómetro en la mesa de vibración.
Figura 4.4: Gráfica del sensor flexiforce vs. el acelerómetro detallando los 5 primeros
segundos de tiempo.
Figura 4.5: Gráfica de la galga vs. el acelerómetro en el péndulo con aceleración
centrípeta.
Figura 4.6: Gráfica del flexiforce vs. el acelerómetro en el péndulo con aceleración
centrípeta.
Figura 4.7: Gráfica de la galga vs. el acelerómetro en el péndulo con aceleración
tangencial.
Figura 4.8: Gráfica del flexiforce vs. el acelerómetro en el péndulo con aceleración
tangencial.
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1. INTRODUCCION
Hoy se encuentran muchos avances en el área de los circuitos microelectrónicos, lo que permite tratar fenómenos físicos que en el pasado no eran medibles debido a la dificultad de hallar un método o instrumento que lo efectuara. El fenómeno físico que el presente proyecto trabaja es el de la aceleración lineal, estudiado desde la antigüedad pero que su medición se realizaba por métodos indirectos. El proyecto a desarrollar se enfocará en el diseño y construcción de un acelerómetro que mida la magnitud de la aceleración lineal, sin tener fuentes de alimentación externas e incluso no tenga conexiones con aparatos externos para obtener la medición. Los microcircuitos disponen de muchos componentes entre ellos, sensores de diferentes tipos, utilizables para diversas aplicaciones. Se conocen 2 específicamente: las galgas extensiométricas, que miden deformación y el sensor flexiforce, que mide fuerza y presión. Con unas adaptaciones apropiadas éstos sensores son capaces de registrar la aceleración lineal de algún mecanismo con el simple anclaje de los mismos al mecanismo. Inicialmente se debe implementar la etapa de acondicionamiento de señal para los sensores; ya que la señal original es muy pequeña para captarla directamente. Tal acondicionamiento deberá estar acompañado de una etapa de amplificación, que permita obtener un voltaje de salida en un rango de 0 a 5 voltios, siendo 0 V el mínimo y 5 V el máximo. El anterior rango de voltaje entrará a una etapa de control que tendrá como componentes principales dos microcontroladores jk3 de motorola, cada uno para un sensor. Los microcontroladores debieron ser programados previamente para cumplir las siguientes funciones: controlar el tiempo de toma de datos, digitalizar la señal de los censores, guardar en su memoria interna los datos y permitir la transmisión de los mismos al computador mediante el puerto paralelo, visualizando a continuación los datos en un programa realizado en Visual Basic. Es importante mencionar que el dispositivo de medición de la aceleración será portátil, puesto que funcionará con tres pilas cuadradas de nueve voltios. La estructura básica del mismo soporta dos sensores y dos circuitos en baquelita. Uno de los circuitos se encargará del acondicionamiento y amplificación; y el otro de control y digitalización de la señal. Por último, el instrumento se someterá a un proceso de pruebas y experimentación adecuados para calibrarlo, usando como patrón de calibración el acelerómetro de instrumentación que posee el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes.
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2. MARCO TEORICO
Para obtener la aceleración esta disponible la teoría física que relaciona la posición y la velocidad con la aceleración mediante sus derivadas. Otra forma que se encuentra es medirle la fuerza a una masa de prueba al ser sometida a una aceleración. Este concepto es sencillo de implementar por esto, en este proyecto se usará esta forma para diseñar y construir el acelerómetro. Con el anterior concepto de masa de prueba se encuentran 2 tipos de formas de medición claramente diferenciadas, que son:
• Mecánica • Mecánica-eléctrica
El tipo mecánico se trata de usar componentes o mecanismos que sean simplemente mecánicos, como son resortes, rieles, amortiguadores, etc., que buscan tomar la fuerza generada y relacionarla de forma mecánica con la aceleración. La siguiente figura muestra un modelo del montaje que se haría con éste tipo mecánico.
Figura 2.1: Esquema resorte-amortiguador. El k es la constante de un resorte, el b es la constante de un amortiguador y m es la masa de prueba.1
El tipo mecánico eléctrico combina mecanismos mecánicos con componentes electrónicos. Este concepto será el que se usará en el desarrollo del presente proyecto, en razón a que la implementación de los componentes electrónicos se obtiene de forma más sencilla y eficaz.
• 1 JORGE FRANCISCO TOBAR DE LA PAVA. “Descripción del diseño de un acelerómetro a escala micrométrica”. Tesis (Ingeniero Electrónico) -Universidad de los Andes, 2004.
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Básicamente tenemos 2 tipos de sensores que se encuentran en el tipo mecánico eléctrico, basados en deformación y esfuerzo mecánico como las galgas extensiométricas y el sensor flexiforce. Estos dos sensores se tomarán para realizar el acelerómetro lineal; ya que de las opciones estudiadas, éstos fueron los de mejor adaptación y economía.
3. DISEÑO
3.1. GALGA EXTENSIOMETRICA: Este componente es un transductor de fuerza electromecánico que permite medir fuerza indirectamente. Se clasifica como un transductor resistivo, puesto que se basa en el cambio de resistencia a medida que se deforma. Se construyen con cintas de carbón o de película metálica, también se hacen con material semiconductor en algunos casos Las galgas extensiométricas dan directamente la micro deformación de una superficie con la que esta en contacto, y esta medida es posible relacionarla con el esfuerzo que se esta aplicando a esta superficie. Se ubican sobre la superficie a través de resinas epóxicas de tal forma que sufran el mismo esfuerzo. Una galga típica tendrá un factor de galga de aproximadamente 2, siendo en este caso 2.085, tendrá una resistencia de 120 ohmios y experimentará unas 1000 micro deformaciones al aplicarse esfuerzos cercanos al máximo permitido, para lo cual se obtendría un cambio en la resistencia alrededor de 0,24 ohmios, un valor relativamente pequeño. Tal cambio se presenta en referencia a 120 ohmios, por lo tanto se requerirá hacer un acondicionamiento de señal que permita tener esta diferencia en referencia a cero ohmios, por tanto uno de los principales acondicionamiento de señal para las galgas extensiométricas son los puentes de Wheatstone. En la siguiente figura podemos observar el arreglo más simple que se puede realizar: Figura 3.1.: Puente de Wheatstone.
Vs Vo
RbRa
Galga Rc
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Las unidades de Rb, Rc, Ra y de la galga serán en ohmios mientras que Vs y Vo serán dadas en voltios. Si en el circuito anterior se hace Rb igual a Rc y Ra igual al valor de la galga sin ser deformada, se tiene que Vo será cero, entonces el puente estará equilibrado. Luego al ser deformada la galga se tendrá un cambio en su resistencia, de tal forma que la salida Vo será:
( )xxVV s +
=220 (4.1)
Donde x es ∆R/R, siendo R la resistencia de base de la galga de 120 ohmios y ∆R el cambio que se presenta al someter la galga a una deformación. Debido a que x es muy pequeño la ecuación se puede aproximar a:
RRVV s 40
∆= (4.2)
De esta ecuación se observa que el voltaje de salida es proporcional al esfuerzo aplicado, puesto que la galga relaciona la deformación con el esfuerzo. 3.1.1. Análisis preliminar: Para el uso de la galga extensiométrica es fundamental realizar un análisis del elemento o pieza en donde se colocará la galga. El elemento que más se acomoda para colocar la galga en este caso son las vigas delgadas rectas, montaje que se nombrará como viga en cantilever o viga en voladizo, puesto que esta estará empotrada en uno de sus extremos a un marco de referencia. Como la galga registra la deformación es importante seleccionar un material que permita ser deformado fácilmente, pero que esta deformación no sea permanente. Para esto se deben tener en cuenta varios factores, que a continuación se analizarán. El material escogido por su facilidad de obtención en el mercado, por su costo relativamente bajo y por sus características propias del material que será muy conocido será el aluminio 6063, con un modulo de elasticidad de 71 GPa. Para hacer el análisis de la viga en voladizo se usará la siguiente ecuación:
I
cM *=σ (4.3)
Se sabe que:
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I
cdF **=σ (4.4)
Donde: σ es el esfuerzo en Pa. M es el momento en N*m. c es la distancia desde el eje neutro a la fibra exterior en m. F es la fuerza en N. d es la longitud de la viga desde la galga hasta la masa de prueba en m. I es el momento de inercia en m4. El momento de inercia I y la longitud efectiva c serán constantes con valores de: I = 1,6689828*10-12 m4. c = 0,000523 m. Además:
mFa = (4.5)
Siendo m la masa de prueba. En este punto se definirá la aceleración máxima que será de 10m/s2 y la mínima será de 0,5 m/s2.
Según las pruebas realizadas a la galga extensiométrica se observó que el esfuerzo mínimo debe estar por encima de aproximadamente 500kPa para que la caja de deformímetros que se usa para las galgas extensiométricas capte la señal. La ecuación (4.4) relacionará este esfuerzo mínimo con la fuerza mínima:
IcdFkPamínimo
**500 ==σ
Despejamos F de la anterior ecuación:
Ncd
IF 02,0
**min ==
σ
Debido a que esta fuerza es algo pequeña, la deformación causada por la misma es difícil de captar en la caja de deformímetros, por tanto a continuación se buscará que la deformación que se capte sea algo mayor para facilitar su medición, para esto se necesita una masa de prueba m y una longitud d adecuados. Suponiendo una masa de prueba de 10 gramos se obtiene lo siguiente: Si amin = 0,5 m/s2 entonces F = m*a = 0,01*0,5 = 0,005N
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Y el esfuerzo mínimo será:
( )( )( ) kPammN 35,12510*66898,1
000523,008,0005,012min == −σ
Este valor esta por debajo de los 500kPa, por consiguiente es necesario incrementar la masa de prueba. De este resultado deducimos que con 100 gramos de masa de prueba el esfuerzo mínimo será de σ = 1253,5 kPa, valor que esta por encima de los 500 kPa que se requieren. Ahora suponemos m = 60 gramos y d = 0,08m con lo cual se obtiene: Fmin = m*a = (0,06Kg)(0,5m/s2) = 0,03 N
( )( )( ) kPammN 07.725
10*6689828,1000523,008,003,0
12min == −σ
Fmax = (0,06Kg)(10m/s2) = 0,6N
( )( )( ) kPammN 49,1504110*6689828,1000523,008,06,0
12max == −σ
El esfuerzo máximo obtenido estará por debajo del esfuerzo de cedencia del aluminio que es de aproximadamente 200000kPa, entonces se observa que el factor de seguridad es bastante alto (superior a 10), lo que permite que el instrumento pueda ser sometido a aceleraciones incluso mayores de 10 m/s2. Finalmente se usará como masa de prueba para el instrumento m = 60 gramos y la longitud entre la galga extensiométrica y la masa de prueba será de d = 8 cm. 3.1.2. Acondicionamiento de señal de la galga extensiométrica: Como se mencionó anteriormente las galgas extensiométricas necesitan de un acondicionamiento de señal para que la señal de salida se pueda usar en la etapa de control y luego para ser mostrada en la etapa de visualización de la señal. El puente de Wheatstone será el arreglo que usaremos inicialmente para que la señal de salida, al estar sin carga la galga, tenga una diferencia de voltaje de cero. Hay que tener presente que la salida del puente de Wheastone no estará referenciada a tierra razón por la cual se necesitará
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implementar un arreglo donde su salida si este referenciada a tierra. Por último se realizará una etapa de amplificación de esta señal para que el voltaje de salida este entre 0 V y 5 V, puesto que con este rango de voltaje se trabajará en la etapa de control. A continuación se muestra un esquema de la etapa de acondicionamiento de señal de la galga extensiométrica: Figura 3.2.: Circuito de acondicionamiento de la galga extensiométrica La galga extensiométrica se conecta como una de las resistencias del puente de Wheastone, y con la resistencia variable de 1 kΩ se calibra para que en la salida el voltaje sea cero. La salida de la señal en el puente de Wheatstone será los nodos A y B, y cada uno de estos nodos pasarán a unos seguidores de voltaje que usando amplificadores LM324 logran aislar la impedancia de la salida y la entrada para que no se afecte posteriormente la amplificación. De cada uno de estos seguidores de voltaje se pasa la señal al amplificador LM324 que más que lograr una amplificación lo que hace es tomar la diferencia de este voltaje y lo saca en diferencia con respecto a tierra. Finalmente se hace una amplificación con el LM324 que será la que permite obtener el rango de voltaje entre 0 V y 5 V, y de aquí ya se pasará la señal a la etapa de control que se analizará más adelante. 3.2. SENSOR FLEXIFORCE: Este sensor es un componente electrónico fabricado por la empresa Tekscan, Inc. Es un desarrollo muy novedoso que se presento a la industria hace poco tiempo. Su funcionamiento se basa en captar el esfuerzo que se aplica con una masa de prueba apropiada en un área de prueba circular que posee el componente, por medio de un cambio en la resistencia misma del sensor. Este cambio en la resistencia se observa entre las salidas
Vref
- +
- +
-+ +
-
120 Ω 1 kΩ
1 kΩ 100 Ω
100 Ω
3,2 kΩ
3,2 kΩ
1 kΩ
1 kΩ 2 kΩ
A B
-
Seguidores de voltaje
Galga LM324
LM324
LM324 LM324
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exteriores de este sensor, dejando la de en medio sin conexión. Esta resistencia varia desde un valor de 20 Megaohmios cuando esta descargado a una resistencia aproximada de 10 Kilohmios, dependiendo de la carga. El flexiforce A201 es un circuito impreso flexible ultra delgado, con un grosor de 0,208 mm, que tiene dos tiras de substrato (poliéster/poliamida) que salen del área de medición como se ve en la siguiente figura:2
Figura 3.3.: Sensor Flexiforce.3 Desafortunadamente este cambio de resistencia no es lineal, decae de manera potencial, lo que hace necesario implementar un circuito de acondicionamiento de señal que permita obtener un comportamiento lineal en la salida y así poder tener una señal de voltaje que se relacione con la medición de aceleración de manera lineal. Para lograr esto, se implemento un circuito que toma la corriente que sale del sensor cuando se tenga en funcionamiento y convierte esta señal en un voltaje lineal, circuito que se llamará convertidor de corriente a voltaje lineal. 3.2.1. Análisis preliminar: Inicialmente se realizaron unas pruebas a este sensor para determinar algunas características que se requieren para medir fuerzas que varían en el tiempo. Tekscan recomienda que este sensor sea utilizado en la medición de fuerza en impacto, más que en fuerzas continuas que varían en el tiempo, puesto que en estas últimas hay tendencia a tener un mayor error en la medición. En estas pruebas se observa que el sensor presenta una variación en las medidas que se toman en pruebas similares, pero que estas diferencias no son muy grandes, de menos del 5 %, por lo tanto no se tendrán en cuenta.
2 http://www.tekscan.com/flexiforce/flexiforce.html 3 http://www.tekscan.com/flexiforce/flexiforce.html
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En el siguiente gráfico se puede observar una de las pruebas realizadas al sensor flexiforce:
Prueba A
0
5
10
15
20
25
0 9,27 5,3 4,52 4,47 4,44
Masa(g)
Res
iste
ncia
(Moh
mni
os)
SensorFlexiforceLinea detendencia
Figura 3.4.: Prueba realizada al sensor flexiforce. Curva de Resistencia en MΩ vs. Masa en gramos. De la gráfica vemos que con una masa muy pequeña, del orden de 5 gramos, el cambio en la resistencia será muy grande, y luego este cambio en la resistencia se atenúa, comportándose, como se mencionó anteriormente, de manera potencial con la siguiente ecuación: y = 15,722x-2,0247. En el acondicionamiento de señal se desea linealizar este comportamiento, para obtener una salida en voltaje que se relacione linealmente con el esfuerzo realizado. 3.2.2. Acondicionamiento de señal del sensor flexiforce: Como se mencionó anteriormente es necesario implementar un circuito de acondicionamiento de señal como se observa en el siguiente esquema: Figura 3.5.: Circuito de acondicionamiento del sensor flexiforce.
1 kΩ 5 kΩ
1 kΩ
Sensor
-+ -
+
Vref -> 5V
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El sensor flexiforce se conecta en la entrada del convertidor de corriente a voltaje lineal y funciona similar a una resistencia variable (un potenciómetro). En la salida del convertidor tendremos un voltaje lineal y que está referenciado a tierra. Este voltaje es menor a 1 V por lo tanto se requerirá una amplificación para lograr el rango de voltaje de 0V a 5V. 3.3. ETAPA DE CONTROL Y DIGITALIZACION Esta etapa tiene varias funciones que son importantes para el funcionamiento adecuado del instrumento. Para homogeneizar la entrada de la señal de los dos sensores a esta etapa se especificó un rango de 0 V a 5 V, que se logró en la etapa de acondicionamiento de señal. Para esta etapa se diseño un circuito que tiene como componentes principales dos microcontroladores jk3 de motorola, cada uno de los cuales funcionará con un sensor, esto para tener mayor capacidad de memoria de los datos muestreados y un mejor control del instrumento. En la figura siguiente se observa un esquema del circuito que se diseño para esta etapa:
Figura 3.6. Circuito de control y digitalización
D1
LED
PIN3
D4
LED
PIN13
+5
D2
LEDPIN11
GND
C1
1n
1 2
Batt
CON2
12
+5R15
1k
Vbat
n16
PIN12
GND
PIN5
+5
GND
n3
SEN
CON2
12
R13
1k
GND
PIN12
n172
R10
1k
GND
REGLM7805C/TO220
1 3
2
IN OUT
GN
D
MICRO1
CON20A
135791113151719
2468
101214161820
PIN11
+5
n16
GND
PIN5
C10
1n
POT
CON3
123
R14
1k
PIN2
PARALL
CON25
123456789
10111213141516171819202122232425
n17
PIN2
GND
n8
PIN13
GND
PIN13PIN12
BOTON
CON4
1234
+5
PIN4
n1
BOTON2
CON4
1234
R6
1k
GND
GND
GND
n172
n1
R7
1k
R5
1k
n16
MICRO2
CON20A
135791113151719
2468
101214161820
n1
PIN4
PIN10
GND
PIN3
R9
1k
C3
1n
1 2
D3
LED
R3
1mEG
GND
FF
CON2
12
GND
n4
PIN10PIN13
n3
CRISTAL
CRISTAL
12C4
1n1 2
GND
n8
R11
GND
n17
C5
1n
1 2
PIN11
PIN10
GND
GND
n8
GND
GND
R1
1k
Vbat
n4
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Las funciones que se tendrán en esta etapa y que se logran al programar cada micro de manera similar son las siguientes: - Digitaliza la señal que viene de los amplificadores. - Permite el control del tiempo total de muestreo (Tt) y con este tiempo ajusta el intervalo de tiempo entre medidas (∆t). - Contiene la opción de inicio de la toma de datos y otra opción de apagado de los microcontroladores para ahorrar energía. - Guarda en la memoria interna de cada microcontrolador los datos tomados. - Captura los datos de la memoria y los transmite a través del puerto paralelo al computador. Las anteriores funciones son programables en los microcontroladores y como son las mismas para cada sensor, la programación de los micros será la misma. Para el control de tiempo se usará una resistencia variable lineal con variación de tiempo desde 2 segundos en la posición mínima de resistencia hasta 30 segundos en la máxima. Se tienen además 2 botones de control, uno para encendido y apagado de los micros para economizar energía y el otro botón servirá para iniciar la toma de datos del instrumento. 3.4. ETAPA DE VISUALIZACION Los datos captados por los dos sensores serán, finalmente visualizados en un programa de computador que mostrará la gráfica de aceleración con el eje x como el tiempo medido en segundos y el eje y como la aceleración medida en m/s2. Los datos pasan de los micros al computador a través del puerto paralelo, y estos datos vienen en formato plano, lo que significa que los datos vienen en un archivo de texto plano que el usuario observará directamente y que en éste caso viene en parejas de datos de tiempo y aceleración; éstos archivos no tienen una estructura específica, no vienen encriptados, ni codificados, ni comprimidos, lo que facilitará el manejo de los mismos en el computador. Se creó un subprograma que se llamará “acelerómetro” dentro del programa Visual Basic, y a continuación se muestra el código usado en la creación de este subprograma: $include 'acelerometro.inc' ; archivo de definición de registros ; posiciones de memoria RAM EQU $0080 ; inicio de la memoria ram FLASH EQU $EC00 ; inicio de la memoria flash IRQ EQU $FFFA ; vector de interrupción RESET EQU $FFFE ; vector de reset ; constantes del programa MUESTRA EQU $64 ; 128 muestras (máximo de la memoria jk3/jl3) org FLASH ; organiza el programa en la memoria flash inicio mov #$03,CONFIG1 ; deshabilita el cop (watchdog) y ahbilita la instrucción stop
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menu rsp ; inicializa el stack pointer cli ; habilita las interrupciones clr DDRB ; establecemos el puerto b como entrada bset 1,PDCR ; habilitamos el pull up del puerto d7 mov #$30,DDRD ; configuramos el puerto d como entrada analoga/salida leds clr PTD ; apagamos el indicador de captura bset 4,PTD ; encendemos el indicador de encendido menu2 brclr 5,PTB,captura ; llama la subrutina de captura brset 6,PTB,envio ; llama la subrutina de envio al pc bra menu2 ; ninguna tecla fue presionada captura clr PTD ; apagamos el indicador de encendido bset 5,PTD ; encendemos el indicador de captura mov #$08,ADSCR ; configura la conversion analoga digital por el puerto D3 brclr 7,ADSCR,* ; espera a que se complete la conversión analoga digital [16ciclos] lda ADR ; carga la conversón que corresponde al tiempo de muestreo bne inicap ; si es diferente de 0 inicia la captura inca ; establece el minimo tiempo de muestreo inicap sta TMODH ; guarda el dato en el vector clr TMODL ; de comparacion del timer ldx #MUESTRA ; iniciamos el contador de muestras ciclo mov #$30,TSC ; para el timer y lo resetea mov #$03,TSC ; reinicia el conteo configurado con preescaler de 16 mov #$09,ADSCR ; configura la conversion analoga digital por el puerto D2 brclr 7,ADSCR,* ; espera a que se complete la conversión analoga digital [16ciclos] lda ADR ; carga la conversón sta RAM-1,X ; guarda el dato en la memoria ram brclr 7,TSC,* ; espera el tiempo para la siguiente muestra dbnzx ciclo ; toma la siguiente muestra bra menu ; vuelve al menu envio brclr 7,PTB,menu2 ; revisa si realmente se inicio la tansmisión al pc clr PTD ; apagamos los indicadores mov #$0F,DDRB ; configuramos el puerto b como salida paralela ldx #MUESTRA+1 ; cargamos el contador de muestras lda TMODH ; enviamos el periodo de muestreo ciclo2 sta PTB ; lo colocamos en el puerto paralelo espera1 brclr 7,PTB,menu ; revisa si realmente se inicio la tansmisión al pc brset 6,PTB,espera1 ; espera la recepcion en el pc nsa ; cambiamos a los bits mas significativos sta PTB ; lo colocamos en el puerto paralelo espera2 brclr 7,PTB,menu ; revisa si realmente se inicio la tansmisión al pc brclr 6,PTB,espera2 ; espera la recepcion en el pc lda RAM-2,X ; cargamos el siguiente dato de la memoria RAM dbnzx ciclo2 ; comprueba si ya termino de enviar todos los datos
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clr PTB bra menu ; vuelve al menu apaga ldx #$FF dbnzx * ; hacemos un pequeño delay para evitar el rebote brclr 1,PDCR,menu ; si esta apagado, reencendemos el micro bclr 1,PDCR ; deshabilitamos el pull up del puerto d7 clr PTB clr PTD ; apagamos los puertos clr DDRB clr DDRD stop ; coloca el micro en el mínimo consumo de energía sin perder la información org IRQ ; establece el vector de retorno de interrupción dw apaga ; vuelve al menú si se reactiva el micro org RESET ; establece el vector de reseteo dw inicio ; vuelve al inicio si se resetea La presentación de los datos de ambos sensores se presenta a la vez en dos ventanas de muestra, tal como se puede apreciar en la siguiente figura de ejemplo:
Figura 3.7.: Visualización de los datos en el computador. Por ultimo, hay que mencionar que los archivos de datos se les coloco una terminación propia para distinguirlos de los demás archivos, pero por ser planos pueden ser trabajados con Excel o con block de notas.
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3.5. MONTAJE: Para el montaje final del instrumento se escogió una material liviano, de buenas características mecánicas para dar soporte al conjunto y que además es muy presentable por su brillo; este material es el aluminio 6063 que comercialmente es fácil de obtener. Para lograr la estructura base del instrumento se especificó claramente una dirección de medición de la aceleración, puesto que los sensores deben quedar dirigidos de tal forma que la dirección de la aceleración que midan sea la misma. Es de aclarar que la aceleración se medirá solamente en una de las tres componentes espaciales. Debido a que la galga extensiométrica esta unida a una lamina, y que esta lamina tiene que estar empotrada en un marco de referencia, este sensor será el que definirá la forma de la estructura, además porque el sensor flexiforce es muy adaptable a cualquier montaje debido a que es flexible y a que el área de medición es bastante reducida. Por lo anterior, la estructura que se construyó, se hizo con base en una viga en voladizo. Se tomaron dos barras de sección cuadrada de aluminio de ½” de lado y un largo de 20 cm., que al unirlas nos da un marco adecuado para empotrar la viga en voladizo. A una barra se le realizó dos ranuras de 1 mm de profundidad por 1,8 cm. de ancho, donde se empotraran dos laminas de aluminio. Vale aclarar que el sensor flexiforce se montará sobre una de estas láminas, de manera similar al otro sensor, pero con la salvedad que esta lamina solo le servirá de base y no tendrá funcionalidad en la medición. Luego se practicaran agujeros de 1/8” en 4 zonas de estas dos barras, en los extremos y en cada centro donde se realizaron las ranuras, que luego con tornillos se fijarán, posterior a la colocación de las láminas. A continuación se tiene una foto de este montaje:
Figura 3.8.: Fotografía de la estructura final del instrumento.
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En cuanto a las masas de pruebas se montaron de acuerdo al sensor. En el flexiforce se elaboró una ingeniosa jaula para alojar la masa de prueba que no es más que un cilindro de acero de masa 9,5 gramos con un refrentado fino en la punta para mejorar su contacto con el área de medición. La masa de prueba de la galga son dos bloques pequeños de acero de dimensiones similares que tienen una masa juntos de 60 gramos, y que se colocaron con dos tornillos de 1/8 al extremo externo de la viga previamente de haber realizado los agujeros. Con este montaje, la dirección de medición de la aceleración es perpendicular a las barras de aluminio que se colocaron como base para empotrar las vigas y además, en la dirección hacia donde la viga se flexionará. También se deja espacio para un posterior montaje de las baquelitas a la estructura base y de las pilas que se usarán que son tres en total.
Figura 3.9.: Fotografía de la estructura final del instrumento incluyendo las baquelitas.
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4. EXPERIMENTACION Y RESULTADOS: 4.1. MESA DE VIBRACION: Como un primer montaje para realizar pruebas del instrumento se uso la mesa de vibración que esta en el laboratorio de ingeniería mecánica de la Universidad de los Andes. Se colocó la mesa de vibración en una frecuencia muy baja de vibración (entre 5 y 6 Hz, según medida propia de la mesa), y así se tenía una oscilación lenta que en principio nos permite medir la aceleración del instrumento. Junto con el instrumento se colocó el acelerómetro que también tiene el laboratorio de ingeniería mecánica para que captara la misma aceleración y poder comparar los dos resultados. A continuación tenemos por separado los resultados de la galga vs. el acelerómetro, y posteriormente el flexiforce vs. el acelerómetro.
galga-acelerómetro
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0 5 10 15 20 25
tiempo(s)
acel
erac
ión(
m/s
^2)
galgaacelerómetro
Figura 4.1.: Grafica de la galga vs. el acelerómetro en la mesa de vibración
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galga-acelerómetro
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0 1 2 3 4 5 6
tiempo(s)
acel
erac
ión(
m/s
^2)
galgaacelerómetro
Figura 4.2.: Gráfica de la galga vs. el acelerómetro detallando 5 segundos de tiempo. En la mesa de vibración, la galga extensiométrica presenta un porcentaje de error promedio de 25,5 % y un error máximo de 30,2% entre los datos más alejados entre si. Este error esta por debajo del 30 %, referencia que se suele utilizar como máximo permisible cuando se prueban instrumentos de medición4. Aún así, el error es considerablemente alto, además que se tiene una vibración extra de la viga en voladizo, puesto que se observó que la frecuencia de resonancia de la viga en voladizo y de la mesa de vibración se presentaba en aproximadamente 10 Hz, valor cercano a la frecuencia que se estaba utilizando en la prueba. Se observa que los datos que se toman con la galga no son suficientes para seguir la curva que se tiene con el acelerómetro, esto debido a que el acelerómetro toma más del doble de datos en el mismo tiempo de medición.
flexiforce-acelerómetro
-6,00E+00
-4,00E+00
-2,00E+00
0,00E+00
2,00E+00
4,00E+00
6,00E+00
8,00E+00
0,00E+00 5,00E+00 1,00E+01 1,50E+01 2,00E+01 2,50E+01
tiempo(s)
acel
erac
ión(
m/s
^2)
flexiforceacelerómetro
Figura 4.3.: Grafica del sensor flexiforce vs. el acelerómetro en la mesa de vibración 4 Notas de clase de Campos Electromagnéticos del Ingeniero Francisco Amórtegui, profesor de Física adscrito al Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Nacional, semestre I de 2004.
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flexiforce-acelerómetro
-6,00E+00
-4,00E+00
-2,00E+00
0,00E+00
2,00E+00
4,00E+00
6,00E+00
8,00E+00
0,00E+00
1,00E+00
2,00E+00
3,00E+00
4,00E+00
5,00E+00
6,00E+00
tiempo(s)
acel
erac
ión(
m/s
^2)
flexiforceacelerómetro
Figura 4.4.:Gráfica del sensor flexiforce vs. el acelerómetro detallando los 5 primeros segundos de tiempo. El sensor flexiforce presenta un porcentaje de error promedio de 20.8 % y un error máximo de 31.9 % entre los datos más alejados. Se observa que en el experimento de la mesa de vibración, el error es más alto que en las otras pruebas que se le realizaron a este sensor, por consiguiente al tener aceleraciones cíclicas se presenta mucha variabilidad en los datos. A pesar de esto, se considera que este sensor cumple su función aceptablemente, pero se recomienda en mediciones de corta duración, además que si se tienen repeticiones de la aceleración se tenga en cuenta el posible error que se puede tener. 4.2. PENDULO: El segundo experimento que se basó en el movimiento de un péndulo, fue realizado con la adaptación del mecanismo de prueba de impacto que esta en el departamento de ingeniería mecánica. Se fijó el instrumento justo a la masa del péndulo, primero de forma que el instrumento captará la aceleración tangencial y luego con una pequeña modificación se captará aceleración centrípeta. A continuación se muestra los resultados de estas pruebas, comparando cada sensor por separado con el acelerómetro, colocándose primero la aceleración centrípeta y luego la aceleración tangencial.
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galga-acelerómetro
-4,00E+00
-2,00E+00
0,00E+00
2,00E+00
4,00E+00
6,00E+00
0,00E+00 5,00E+00 1,00E+01 1,50E+01
tiempo(s)
acel
erac
ión(
m/s
2)
acelerometrogalga
Figura 4.5.: Grafica de galga vs. acelerómetro en el péndulo con aceleración centrípeta. El error promedio de la galga respecto al acelerómetro fue de 24,8 % y el error máximo entre los datos más alejados fue de 36.1 %. De la gráfica se puede observar que la tendencia de los datos de ambos instrumentos es muy cercana, pero se presentan errores grandes entre algunos datos, en parte debido a que la masa de prueba de la galga tiende a tener un efecto extra en la aceleración centrípeta, por la colocación un poco distinta que tiene la estructura base del instrumento construido.
flexiforce-acelerómetro
-4,00E+00
-2,00E+00
0,00E+00
2,00E+00
4,00E+00
6,00E+00
0,00E+00 5,00E+00 1,00E+01 1,50E+01
tiempo(s)
acel
erac
ión(
m/s
2)
flexiforceacelerómetro
Figura 4.6.: Gráfica del flexiforce vs. acelerómetro en el péndulo con aceleración centrípeta. El sensor flexiforce presenta un error promedio de 16.7 % y un error máximo de 22.5%. La tendencia de los datos del flexiforce es muy similar al acelerómetro de instrumentación, por esto mismo el error promedio es relativamente bajo.
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galga-acelerómetro
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
0 10 20 30 40
tiempo(segundos)
Ace
lera
ción
(m/s
2)
galgaacelerómetro
ggala
Figura 4.7.: Gráfica de la galga vs. acelerómetro en el péndulo con aceleración tangencial. El error promedio de los datos obtenidos de la galga comparativamente con el acelerómetro en la aceleración tangencial fue de 26.1 % y el máximo error fue de 33 %. Se observa que los datos de la galga siguen a grandes rasgos la tendencia de los datos del acelerómetro, pero se presenta una vibración secundaria que influye en aumentar un poco el error promedio.
flexiforce-acelerómetro
-8,00E+00
-6,00E+00
-4,00E+00
-2,00E+00
0,00E+00
2,00E+00
4,00E+00
6,00E+00
0 10 20 30 40
tiempo(segundos)
acel
erac
ión(
m/s
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flexiforceacelerómetro
Figura 4.8.: Gráfica del flexiforce vs. acelerómetro en el péndulo con aceleración tangencial. En la prueba de aceleración tangencial del sensor flexiforce se tiene un error promedio en los datos de 6.05 % y un error máximo de 17.7 %. Este es el error promedio más bajo de todas las pruebas realizadas a este sensor, posiblemente debido a que la resistencia de la masa de prueba fue muy baja en esta prueba, permitiendo que su acción fuera muy efectiva sobre el área de medición del sensor.
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5. CONCLUSIONES
• La aceleración es una cantidad física que es bastante difícil de medir directamente, puesto que en cualquier fenómeno de la naturaleza donde se presente aceleración, esta es muy variable y su cambio es muy rápido, lo que dificulta la medición.
• Es satisfactorio encontrar en la actualidad gran cantidad de avances como son los componentes microelectrónicos, que permiten realizar montajes para diversos usos, como en el presente proyecto que busca lograr mediciones de la aceleración lineal.
• Se logró implementar el diseño de los circuitos de acondicionamiento de señal para la galga extensiométrica y para el sensor flexiforce, aunque existen otros componentes electrónicos que logran mejorar lo que se hizo, como los amplificadores de instrumentación, claro que tienen sus desventajas para el objetivo que se buscaba.
• El circuito de control como se llamó en este proyecto al circuito que contenía los 2 microcontroladores fue muy bien logrado, el cual, luego de ser montado en baquelita, funcionó sin problemas mayores.
• La estructura base es muy sencilla de manejar para montar y desmontar los sensores, aunque se es consiente que se puede mejorar el diseño para conseguir un poco más de practicidad en el momento de realizar las mediciones.
• El manejo de las galgas extensiométricas es muy delicado, puesto que esto su montaje y su uso requerían de sumo cuidado para que no se estropearán, puesto que si esto sucedía se tenia que desechar y usar uno nuevo.
• Las pilas presentaron un desgaste bastante considerable al poner en funcionamiento del instrumento, por consiguiente se requerían remplazarlas habitualmente. El circuito que más energía consume es el de control, puesto que tiene 2 microcontroladores como componentes.
• Para la lectura de las mediciones es aconsejable tener un computador portátil, debido a que al tomar datos se requiere transmitir rápidamente estos al computador para desocupar la memoria y no perder la medición si se realiza otra. Es conveniente decir que este proceso es un poco engorroso, puesto que se tiene que manejar frecuentemente el puerto paralelo, conectando y desconectado en cada medición.
• El sensor flexiforce por tener un diseño flexible permite que su manejo sea sencillo y más duradero que la galga extensiométrica, además que su cuidado no es tan delicado.
• El sensor flexiforce presenta un error promedio más bajo que la galga extensiométrica en las diferentes pruebas realizadas; a pesar de esto se observa que la fricción de la jaula de la masa del sensor aumenta considerablemente el error obtenido.
• Los datos tomados por la galga extensiométrica tienden a seguir la tendencia de los datos del acelerómetro base pero como son muy pocos datos de muestreo la curva finalmente tendrá un mayor error promedio.
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6. SUGERENCIAS
• Se sugiere para disminuir los porcentajes de error, hacer uso de 2 o más galgas estensiométricas, colocándolas en la misma lamina una opuesta a la otra si son 2 y en parejas de 2 si son 4.
• Para un mejoramiento del aparato sería benéfico colocar una memoria extra al circuito de control para aumentar la capacidad de almacenamiento de datos.
• Se propone implementar una opción extra a la etapa de control para tener una conexión abierta o un swith, que permita trasmitir datos continuamente al computador, de manera que se puedan aumentar los datos medidos.
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BIBLIOGRAFIA
• http://www.tekscan.com/flexiforce • http://www.skf.com/ • http://www.tekcien.com/ • BECKWITH, THOMAS G.“Mechanical Measurements”. 5a. Edición. Addison-
Wesley, 1993. • DOEBELIN, ERNEST O. “Measurement systems”. 4a. Edición. McGraw-Hill,
1990 • JORGE FRANCISCO TOBAR DE LA PAVA. “Descripción del diseño de un
acelerómetro a escala micrométrica”. Tesis (Ingeniero Electrónico) -Universidad de los Andes, 2004.
• http://devices.sapp.org/component/flex/
