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https://www.innovacioneducativa.unam.mx:8443/jspui/handle/123456789/5275| Título : | Instrumentación virtual para la enseñanza de sistemas de medición de bajo ruido basado en sensores de campo eléctrico |
| Autor : | Guadarrama Santana, Asur |
| Fecha de publicación : | 2016 |
| Resumen : | Se plantea el desarrollo e implementación de un sistema de medición de bajo ruido basado en instrumentación virtual, una etapa de sensado y acondicionamiento electrónico basado en sensores de campo eléctrico. El desarrollo e implementación de este sistema de medición mostrará didácticamente el funcionamiento de cada una de las etapas que lo conforman así como la función que desempeña la etapa de sensado utilizada. Se podrá mostrar el principio teórico de los sensores de campo eléctrico y sus efectos en tiempo real cuando se presentan perturbaciones de campo eléctrico debidas a variables físicas, químicas y/o biológicas de materiales o procesos temporales en estudio. Esto ayudará a demostrar y mostrar los principios teóricos y prácticos de la instrumentación de bajo ruido y la metodología de medición con la interacción entre sensores de campo eléctrico y variables físico-químicas y/o biológicas. Por lo general en los laboratorios de escuelas de ingeniería a nivel licenciatura, maestría y doctorado no cuentan con este equipo de instrumentación a causa de su alto costo. Este proyecto ayudará a entender estos sistemas en el campo del conocimiento de Ingeniería Eléctrica y Bioingeniería principalmente, aunque no se limita solo a estas. |
| URI : | http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/5275 |
| metadata.dc.contributor.responsible: | Guadarrama Santana, Asur |
| metadata.dcterms.callforproject: | 2016 |
| metadata.dc.coverage.temporal: | 2016-2018 |
| metadata.dcterms.educationLevel.SEP: | Licenciatura nivel superior |
| metadata.dc.description.objective: | El objetivo general del proyecto es desarrollar e implementar un sistema de medición de bajo ruido basado en instrumentación virtual con el fin de mostrar didácticamente el funcionamiento de cada una de las etapas que lo conforman así como el principio de sensado de perturbaciones de bajo ruido y la metodología de medición utilizada en un proceso físico-químico, o biológico en estudio. Los objetivos particulares son: -Diseño e implementación de los sensores con diferentes configuraciones, esto implica simulación y metodología de fabricación y caracterización. -Diseño e implementación de etapa de acondicionamiento electrónico, esto implica el diseño y fabricación del circuito impreso y el montaje de los componentes electrónicos. -Implementación del sistema virtual, esto implica el desarrollo de los instrumentos virtuales necesarios para integrar el sistema de medición en la plataforma de LabView. -Interconectar las etapas anteriores, esto implica digitalizar las etapas analógica y virtual por medio de la digitalización de las señales de referencia y sensado con un convertidor analógico digital. -Realizar pruebas de calibración para obtener el mínimo ruido base posible. -Realizar pruebas de sensado con algún material para determinar la resolución, sensibilidad y relación señal a ruido del sistema completo. -Realizar mediciones con diferentes sensores. -Implementar una conexión por red de datos para tener comunicación remota por internet. -Integrar el sistema para que pueda ser transportado fácilmente. |
| metadata.dc.description.hypothesis: | Debido a los actuales desarrollos tecnológicos los instrumentos de medición cada vez han alcanzado rangos de medición de señales eléctricas que abarcan desde los micros (10-6) hasta los femtos (10-15) de voltios y amperios de amplitud. Una de las técnicas de medición conocidas utiliza como instrumento principal un Amplificador Lock-in (ALI). Estos instrumentos son muy requeridos para realizar estudios de investigación en la caracterización eléctrica de materiales, procesos físico-químicos y biológicos en los cuales son necesarios medir señales eléctricas en las magnitudes mencionadas anteriormente. La característica principal de las mediciones realizadas con estos instrumentos es que en general las señales eléctricas de interés son muchas veces menores a los ruidos ambiental y presente en el arreglo experimental con el cual, se requiere monitorizar la caracterización de algún material o proceso temporal en estudio. Sin embargo, en ocasiones el propio instrumento de medición de bajo ruido (ALI) no es suficiente para realizar esta tarea. En estos casos, es necesario diseñar e implementar una etapa de sensado y acondicionamiento electrónico adecuados para obtener la medición de la señal eléctrica esperada utilizando técnicas de medición de bajo ruido. El diseño y fabricación del tipo de sensor utilizado para detectar perturbaciones del campo eléctrico sobre una superficie sensitiva es vital para obtener una señal que pueda dar información sobre algún fenómeno físico-químico temporal. Es posible probar experimentalmente diferentes geometrías y diferentes materiales para explicar el principio de sensado y que combinación será la mejor para un cierto experimento en estudio. Las áreas de estudio en que puede ser utilizado este principio de sensado abarca la caracterización de propiedades eléctricas de materiales, procesos físico-químicos o procesos biológicos en donde estos sensores junto con su etapa de medición de bajo ruido son muy utilizados. |
| metadata.dc.description.strategies: | Simulación de sensores capacitivos con diferentes geometrías - caracterizar la respuesta de los sensores y determinar sus dimensiones. Fabricación de sensores - diseño de plantillas para depósito de material conductor sobre sustratos dieléctricos. Diseño de etapa de acondicionamiento electrónico - etapa de compensación fase-amplitud - etapa diferencial - etapa de amplificación - etapa de alimentación - etapa de conversión analógica-digital y digital-analógica Integración de Instrumentación Virtual bajo la plataforma de LabView - implementación de generación de señal analógica de referencia - implementación de etapa Lock-in - implementación de etapa de análisis estadístico - implementación de etapa de conectividad a red de datos Integración de etapa de sensado-acondicionamiento electrónico con instrumentación virtual y pruebas de funcionamiento del sistema de medición completo. - pruebas de calibración - pruebas de funcionamiento con diferentes dispositivos sensores - pruebas de comunicación remota por medio de red de datos Validación de resultados del sistema de medición de bajo ruido con experimentos propuestos. - caracterización de respuesta del sistema de medición |
| metadata.dc.description.goals: | Metas 1er año. - Estudio, diseño y caracterización de sensores de campo eléctrico (coplanarios) - Estudio, diseño y caracterización de sensores de campo eléctrico (apuntador) - Fabricación de sensores de diferente geometría - Implementación de montura mecánica sobre platina xyz para sensor apuntador - implementación del controlador de platina xyz con LabView - Pruebas de funcionamiento - Diseño e implementación de la electrónica de sensado-acondicionamiento electrónico. Metas 2do año. - Implementación y prueba de los módulos que conforman el sistema de medición virtual con LabView. - Integración de los módulos del sistema con la etapa de sensado-acondicionamiento electrónico. - Pruebas de funcionamiento con el sistema completo con diferentes dispositivos sensores. - Pruebas de conexión remota por medio de red de datos. - Conjuntar el sistema de medición para facilitar su portabilidad. |
| metadata.dc.description.selfAssessment: | De los objetivos que se plantearon en este proyecto creo que se alcanzó un 90% a pesar de algunos contratiempos en la fabricación de las tarjetas electrónicas y compras de materiales requeridos. También por estrategia, la conexión remota del sistema virtual y el desarrollo de las puntas sensoras se pospusieron para el final del último período y solo se alcanzaron resultados preliminares de factibilidad para su desarrollo. El tiempo de diseño, fabricación, implementación, caracterización eléctrica, pruebas experimentales, programación y presupuesto requeridos rebaso las expectativas del alcance propuestas en estos rubros. Los resultados preliminares obtenidos nos indican que si es factible y vale la pena realizarlos aplicando la metodología de diseño y desarrollo propuesta en este proyecto. Sin embargo y a pesar de estos contratiempos los objetivos principales se cubrieron con el desarrollo e implementación de un sistema de medición de bajo ruido con equipo de laboratorio convencional y con un sistema virtual portable. Además se obtuvieron productos académicos como una tesis de maestría en Ingeniería Eléctrica (Instrumentación), 4 trabajos en congresos en los que se muestran los resultados experimentales obtenidos con el prototipo de sensado y acondicionamiento electrónico que es parte del sistema de medición propuesto. Se propusieron dos prácticas de laboratorio para el Posgrado de Ingeniería Eléctrica (Instrumentación) principalmente, pero que es viable adaptarlas para un nivel de licenciatura en Ingeniería y hasta de bachillerato, proponiendo diferentes objetivos y arreglos experimentales. También, se presenta un informe técnico en el que se muestra la metodología de diseño y fabricación de sensores capacitivos con el uso de herramientas de programación para realizar un estudio teórico electrostático. Este bien podría ser un tema de interés en alguna clase de teoría en Electrostática a nivel bachillerato, licenciatura, maestría y doctorado. El prototipo de sistema de medición propuesto puede utilizarse con un Amplificador Lock-in comercial o con el sistema virtual programado en LabView. Este sistema virtual tiene la ventaja de ser portable. Es posible utilizar los arreglos experimentales propuestos en los trabajos presentados en los congresos mencionados anteriormente. El sistema virtual puede mejorarse con la integración de los módulos que lo componen y optimizando su código de programación para aprovechar al máximo sus etapas de conversión analógica digital (CAD) y digital analógica (CDA) de 24 bits. |
| metadata.dc.description.goalsAchieved: | Metas del 1er año: -Realización del estudio y el diseño de sensores de campo eléctrico coplanarios con dos diferentes geometrías de electrodos depositados sobre un substrato de vidrio y aislados por una película dieléctrica de óxido de silicio. De este trabajo se realizó un informe técnico. -Fabricación de dispositivos modulares en circuito impreso con arreglo de electrodos coplanarios rectos con diferente número de electrodos. -Caracterización eléctrica de dispositivos sensores con puente digital y con Amplificador Lock-in comercial. Se propuso una práctica de laboratorio. -Desarrollo de etapa de sensado y acondicionamiento electrónico en circuito impreso para conectar diferentes dispositivos modulares intercambiables y pruebas experimentales. -Propuesta de metodología de medición con líquidos solventes para caracterizar procesos físico-químicos con los dispositivos sensores desarrollados. Los resultados se presentaron en un congreso y se propuso una práctica de laboratorio. Metas del 2° año: -Propuesta de metodología para identificar diferentes sustancias con partículas dieléctricas y conductoras mezcladas con un líquido solvente utilizando sunsores coplanarios en susbtrato de vidrio. Los resultados se presentaron en un congreso. -Propuesta de metodología de cacracterización eléctrica de muestras biológicas (gota de sangre entera). Los resultados se presentaron en un congreso. -Implementación de un prototipo de lock-in virtual basado en LabView para utilizarse con las etapas de sensado y acondicionamiento electrónico desarrolladas. Se esdribió un manual de operación del sistema virtual y se presentó en un congreso el esquema básico del sistema virtual con una conexión remota. -Realización de las primeras etapas de la conexión remota con el sistema virtual, continua en desarrollo de programación. -Realización de las primeras pruebas de medición de un prototipo de puntas sensoras capacitivas sobre una platina xyz con el sistema de medición desarrollado con lock-in comercial. Continua el desarrollo en diseño mecánico y programación. |
| metadata.dcterms.provenance: | Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico (CCADET) |
| metadata.dc.subject.DGAPA: | Ingenierías |
| metadata.dc.type: | Proyecto PAPIME |
| Aparece en las colecciones: | 1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías |
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