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Análisis sistémico de los sensores basados en fibras ópticas, para la medición de flexiones

Dr. Mario Alberto Ibarra ManzanoLaboratorio de Procesamiento Digital de Señales

Departamento de Ingeniería Electrónica

División de Ingenierías del Campus Irapuato-Salamanca

Quinto Seminario de Pensamiento Sistémico y Análisis de Sistemas

122 de Junio del 2015

Introducción

• ¿Por qué medir un variable?

• ¿Cómo medir una variable?

• ¿Qué se puede medir?

• ¿Cuándo se utiliza un transductor y cuándo un sensor?

• ¿Dónde se puede colocar un sensor?

• ¿Fibras ópticas?



Contenido

• Introducción

• Principio de transducción

• Acondicionamiento

• Filtrado

• Modelado

• Análisis comparativo

• Conclusiones y perspectivas



Características de los sensores

Estáticas

• Exactitud

• Precisión

• Repetividad

• Reproducibilidad

• Sensibilidad

• Linealidad

• Resolución

• Histéresis

Dinámicas

• Error dinámico

• Tiempo de respuesta

• Retardo

22 de Junio del 2015Quinto Seminario de Pensamiento

Sistémico y Análisis de Sistemas4

Sensores con fibra óptica

Ventajas

• Sensores distribuidos

• Inmunidad a la interferencia eléctrica

• Alta velocidad de respuesta

• Alta inmunidad a la temperatura

Desventajas

• Procesamiento particular

• Modelos no lineales

• Modelos con discontinuidades

• Sensado de múltiples variables



Detección de flexiones en articulaciones



Diagrama a bloques



Principio de sensado



Diagrama a bloques



Linealidad del sensor



Diagrama a bloques



Filtro RLS (Recursive Least-Square)



Efecto del filtro RLS en la linealidad

Sin filtrar Filtrada



Efecto del filtro RLS en el retardo



Efecto del filtro RLS en el RMSE



Diagrama a bloques



Modelo de mezcla de gaussianas



Efecto del filtro RLS en el modelo de mezclas de gaussianas



Desempeño del sistema

Ángulo 0° 22.5° 45°

0° 97.0% 3.0% 0.0%

22.5° 0.8% 86.6% 12.6%

45° 0.0% 10.4% 89.6%



Pruebas experimentales



Análisis comparativo

Característica Sensor sin filtroSensor con filtro

(t=3)Sensor con filtro

(t=7)

Exactitud (grados) 2.2925 1.9587 1.6692

Sensibilidad 0.8422 V 0.8470 V 0.8527 V

Desviación estándar 0.2584 0.1600 0.1476

Tiempo de respuesta

10 uS 100 uS 100 uS

Procesamiento en tiempo real

Sí Sí Sí

R-Square (R2) 0.9639 0.9710 0.9804

Adjusted R-Square(aR2)

0.9635 0.9706 0.9801

Root Mean SquaredError (RMSE)

2.588 2.2694 1.8651



Análisis comparativo



CaracterísticaSensor con filtro (t=3)

SensorNishiyama

SensorDa Silva

SensorSilva

1 Loop

Sensor Silva

4 Loop

Exactitud (grados)

1.9587 0.6800 2.000 --- ---

Sensibilidad 0.8470 V 0.9400 dB --- 0.1970 dBm 0.6400 dBm

Desviación estándar

0.1600 0.7000 --- 0.8000 1.0000

Tiempo de respuesta

100 uS --- 31 mS – 500 uS 100 mS 100 mS

Procesamiento en tiempo real

Sí Sí Sí Sí Sí

R-Square (R2) 0.9710 --- --- 0.9630 0.9890

Adjusted R-Square (aR2)

0.9706 --- 0.9993 --- ---

Root Mean Squared Error (RMSE)

2.2694 --- --- --- ---

Conclusiones

• Sensor de flexión con fibra óptica

• Sensor discreto y continuo

• Factores de diseño a considerar:

– Desempeño vs. Procesamiento (Particular)

– Procesamiento vs. Tiempo real

– Linealidad vs. Sensibilidad

– Retardo vs. Exactitud



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