El uso de sensores basados en fibra óptica se ha extendido desde su invención en el 2006 hasta la fecha. Los óptrodos se caracterizan por ser compactos (embebidos), no requieren de una señal de referencia, son inmunes a interferencia electromagnética y pueden ser interrogados remotamente. Buena parte de ellos, basan sus medidas en los cambios de fase, índice de refracción, polaridad de la onda, intensidad de luz (absorbida, emitida), tiempo de decaimiento de luminiscencia y espectros de vibración.
Los sensores basados en fibra óptica se pueden clasificar en puntuales o locales (interferómetros, microcurvaturas y polarización), cuasidistribuidos (redes de Bragg) y distribuidos (técnicas backscatter lineal: OTDR, OFDR; scattering Brillouin, scattering Raman). Con estos sensores se puede monitorear la temperatura, espesor, distancia, tensión, esfuerzo, ángulo de rotación y vibración, salinidad, vibraciones, etc., en obras de ingeniería civil, mecánica, agrícola y biomédica; también en las industrias química, energética y bioquímica, y en la caracterización de materiales.
Para el caso que se ocupa este artículo, su enfoque es a la ingeniería Civil, para medir sobrecarga vehicular con un tipo de sensor basado en fibra óptica del tipo puntual. Específicamente, algunas de las aplicaciones de los sensores basados en fibra óptica en la ingeniería civil (vías asfálticas) se enfocaron en la medida de corriente polarimétrico (FBG: Fiber Bragg Grating y sensores totalmente distribuidos) para medir deformación longitudinal y microdeformación en losas con respuesta lineal y alta resolución. Otras usaron la reflectometría óptica (sensor distribuido lineal OTDR) para la detección de grietas; también se utilizaron técnicas de modulación de la luz dispersada en inhomogeneidades aleatorias del índice de refracción del sensor para medir tensión en muestras de concreto.
Para el caso de esta investigación se buscó modelar un sensor basado en fibra óptica extrínseco, del tipo reflectivo paralelo, para detección de sobrecarga de vehículos C2. Este tipo de vehículos de carga son camiones de dos ejes, sin articulación y con MMA mayor a 7,5 t.; representan el 52,6% del parque automotor que circula en las carreteras de Colombia. A pesar de regularse el peso máximo permitido de este vehículo en 17 t., se excede en 10% el peso máximo bruto permitido.
Las sobrecargas además de causar daños considerables en los pavimentos dan lugar a mayores requerimientos para su mantenimiento, afectan la seguridad de circulación, y atentan contra la misma homologación de los vehículos en cuanto a que superan su capacidad. Adicionalmente, contaminan más el medio ambiente, ya que al desplazarse el C2 sobrecargado, emite al aire mayor cantidad de material particulado, polvo y humo.
Actualmente, el tránsito de vehículos de carga en las vías colombianas, se controla mediante dos tipos de pesaje: estático y dinámico. A pesar del número suficiente de básculas en Colombia, la mayoría presentan problemas de calibración; también, se evidencia costos elevados en la operación y mantenimiento de las ya existentes, y para la adquisición de nuevos sistemas; en este contexto, se propone una nueva configuración de sensor de sobrecarga vehicular C2, más económico, funcional y confiable.
Se entendió por sensor un dispositivo capaz de detectar un cambio en un estímulo físico (variable de instrumentación) para transformarlo en una variable eléctrica; de igual manera, se interpretaron los términos “modelo teórico” como un paradigma conceptual mediante el cual se caracteriza y simplifica un fenómeno físico.
Se buscó formular un modelo matemático numérico (ecuación, con variables y constantes) para el sensor basado en fibra óptica, que traduce la sobrecarga vehicular C2 en una medida del coeficiente de transmisión, como una relación entre las magnitudes de las señales recibida y transmitida del sistema.
Fundamentos Teóricos y Diseño Experimental
Para el desarrollo experimental de la investigación se partió de un tramo corto de fibra óptica multimodo, regular en la geometría del núcleo, homogénea y sin pérdidas; así mismo, se asumió una onda plana uniforme que se propagaba y confinaba en el núcleo en la dirección positiva de z. En este caso, la curvatura se ubicó en el eje z=0, y en ese punto se examinó el comportamiento de la luz como un modelo simplificado de rayos, mediante la ley de reflexión total.
La onda plana uniforme puede incidir de dos maneras en el doblez: de modo normal y de modo oblicuo. Para el segundo caso, un rayo de luz en el medio 1 (nucleo) que incide con ángulo θi, una parte del rayo se refleja con ángulo θr en direccion negativa de z y la otra se refracta con ángulo θt hacia el medio 2 (revestimiento). Con base en estas condiciones iniciales, se consideran dos casos: 1) El campo E es perpendicular al plano de incidencia, 2) El campo E es paralelo al plano de incidencia. Cualquier otra polarización representa una combinación lineal de estos dos casos.
Para caracterizar el doblez de la fibra óptica se aplicaron conceptos de geometría euclidiana. El triángulo con base y, y altura h, cuenta con un ángulo α en el vértice. Este se evalúa como dos veces la función arcotangente de la relación y/2h.
Etapas de la Investigación
Se dividió en tres etapas: la primera consistió en pruebas de transmisión de señales no moduladas y moduladas a través del panel DL 2570 de fibra óptica. También se calibró el resorte, caracterizó el doblez de la fibra y se simuló en SolidWorks Student Edition®, el comportamiento intrínseco de la fibra óptica frente al esfuerzo.
Los objetivos de esta etapa fueron seleccionar la señal de referencia -la de menor atenuación y variación de frecuencia en las pruebas-, calibrar el resorte, caracterizar el doblez y evaluar la capacidad de esfuerzo al cual se podía someter la fibra óptica. La segunda etapa consistió en medir la carga vehicular mediante el coeficiente de transmisión de la luz (T).
La fuerza ejercida por la máquina universal (que simula el peso del semieje direccional y no direccional del C2) deforma un resorte (muelle), sobre el cual se configura el doblez de un tramo de fibra óptica. Al transmitirse un tono modulado por intensidad de luz a través de la fibra óptica, una parte continua hacia el LED receptor, y otra parte se refleja y refracta en el doblez. Se mide la magnitud de la señal recibida y se divide sobre la magnitud de la señal transmitida (que no cambia) para sacar T.
En la tercera y última etapa, se analizaron y promediaron los resultados de las pruebas, se construyeron curvas e hicieron regresiones para obtener el modelo teórico buscado.
Materiales y Métodos
Las herramientas básicas utilizadas en esta investigación fue la máquina universal Shimadzu Corporation®, modelo AGS-x, con características de capacidad máxima de 10 KN, un conjunto de muelles y el panel DL 2570, que fabricado por Electronics for Telecommuncations, y que minimiza las pérdidas por inserción de señal, apertura numérica y por conectores.
La fibra multimodo con longitudes de 0.5 m y 5m, utilizada en el experimento, es el enlace de los módulos transmisor y receptor (analógico y digital) del panel DL 2570 que, de acuerdo a sus especificaciones, puede ser operado en el rango de temperatura entre 0 - 70°C. El medio está compuesto por un núcleo de fibra de plástico ULV-0 (D=1mm), y un recubrimiento de polietileno PE (D=2.2mm); a través de la fibra óptica se pueden propagar ondas electromagnéticas analógicas o digitales (luz) en la primera ventana de transmisión: 880nm.
La fuente emisora de luz es un diodo LED rojo a 660 nm con apertura numérica de 0.35, y el receptor cuenta con un diodo PIN con amplificación de transimpedancia integrado. Los experimentos en el laboratorio se hicieron en condiciones controladas, siguiendo un protocolo y para una carga estática equivalente al vehículo C2. Este tipo de vehículo tiene un peso máximo de 17 t, distribuido en dos ejes simples: direccional de llanta simple (6 t) y no direccional de llanta simple para el camión pequeño, o de llanta doble para el camión grande (11 t).
El peso ejercido por el neumático con una presión de inflado de 5.92kg/cm2, sobre el área de contacto se representa de manera simplificada con una presión vertical de magnitud uniforme W sobre un círculo de radio a (a =10,5cm).
La superficie sobre la cual se hicieron los experimentos es un tapete con características equivalentes a las de un pavimento para un corredor de alto tráfico:
- Módulo de elasticidad: 3464.8 MPa.
- Coeficiente de capa: 0.30
- Coeficiente de drenaje: 1
- Espesor: 330.2 mm.
- Módulo de elasticidad: 206.8 MPa.
- Coeficiente de capa: 0.14
- Coeficiente de drenaje: 1
- Espesor: 152.4 mm.
- Módulo de elasticidad: 103.4 MPa.
- Coeficiente de capa: 0.11
- Coeficiente de drenaje: 1
- Espesor: 533.4 mm.
Resultados
La transmisión de una señal no modulada de onda continua a través del panel DL 2570, con longitudes de fibra óptica de 5 m y 0.5 m, es la que presenta menor atenuación y variación de frecuencia, mientras que las señales moduladas presentan atenuación y variación de frecuencia. En la simulación en SolidWorks de los esfuerzos debidos a una carga distribuida W=3 t., a los que estuvo expuesto el cable de fibra de 0.5m, se presentaron desplazamientos transversales y longitudinales máximos del orden de 53.14 µm y 2.81µm respectivamente.
La calibración del resorte (muelle) y la caracterización del doblez de la fibra óptica que se realiza en esta investigación es en realidad una caracterización de su respuesta, pero en ningún momento se pretende realizar calibraciones rigurosas en términos de patrones homologados. Con esta perspectiva, se determinó la constante elástica del resorte K (muelle) mediante la ley de Hooke; para ello, se hicieron pruebas de laboratorio para medir la compresión de un muelle cuando era sometido a una carga (fuerza) en un intervalo de 0N a 811N (análisis de la curva de carga en condiciones estáticas); posteriormente se aplicó la ley de Hooke: F=- KΔx.
Teóricamente los puntos obtenidos debían estar sobre una recta de pendiente K según predice la ley de Hooke, pero los errores experimentales hicieron que quedaran fuera de ella. En este escenario, se halló una recta cuyos puntos se separasen lo menos posible de todos los hallados y que quedaran lo más equidistante posible a todos ellos. Una vez hallada la recta se eligieron dos puntos bastante separados para hallar su pendiente.
La ecuación que relaciona la deformación del resorte Δx con el ángulo α, fue: Δx=y-2htan(α/2), donde y es la altura del resorte y h es la distancia del arco. Despejando el ángulo de la expresión Δx se obtuvo la ecuación 5. La ecuación que relacionó la fuerza ejercida por el vehículo C2 sobre el resorte con el ángulo del doblez de la fibra óptica, fue la expresión F=-KΔx, donde K era la constante elástica del muelle. Al reemplazar Δx en F, se obtuvo: F=K[y-2htan(α/2)]. Los valores iniciales del sistema sensor, antes que fuera sometido a sobrecarga, fueron de: y=365mm y h=150mm.
Debido a las grandes magnitudes de sobrecarga que debía soportar el muelle (hasta 11 t en el semieje no direccional), que fácilmente lo podía deformar más allá de su punto crítico (punto en el cual se ponen en contacto dos espiras adyacentes), se optó por seleccionar 4 muelles idénticos y agruparlos en un conjunto. Con este arreglo, la sobrecarga se distribuyó de manera proporcional y no se superó la limitación mencionada arriba. El conjunto se configuró para cubrir el área del neumático del vehículo C2.
Las tres pruebas del sistema sensor (panel DL 2570, doblez de la fibra, máquina universal y el conjunto de muelles) arrojaron resultados de variables, que se promediaron, estas fueron: ΔYpro (mm), representa la deformación promedio del resorte, cuando es sometido a distintas cargas (que también se promediaron Cargapro); el voltaje resultante y promediado (Vpro), medido con un multímetro, a la salida del panel permitió hallar el coeficiente de trasmisión promedio (Tpro) de las mismas pruebas.
Con los datos obtenidos, se trazó la curva característica T vs F. Teniendo en cuenta el comportamiento de los datos mostrados, se optó por una regresión no lineal a una función polinomial. Para este caso de estudio, la regresión polinomial se ajustó a tres términos de la variable independiente: y= a+bx+cx2. Sí se deriva esta ecuación con respecto a sus coeficientes, se obtiene un sistema de ecuaciones Sam, donde msimboliza el número de pares de datos. Para el sistema en cuestión se necesitó m = 8, debido a los ocho términos registrados del coeficiente de transmisión.
Sistemas de Medición en el Mundo
Diversos sistemas han sido implementados en el mundo con el fin de estimar las cargas que circulan sobre pavimentos. Los más utilizados son aquellos en los cuales se puede estimar la cantidad y magnitud de carga vehicular sin tener que parar el tránsito. A este tipo de tecnología se les denomina "peso en movimiento" (WIM por sus siglas en inglés). El estado actual del conocimiento en esta área es que a pesar que la tecnología WIM ha sido estudiada desde la década de los 50’s, aún no se ha podido determinar una configuración definitiva de un equipo que pueda predecir con exactitud la magnitud y distribución de las cargas rodantes sobre una vía.
A pesar de sus amplias ventajas técnicas para la determinación de cargas vehiculares en movimiento sobre estructuras viales, presentan como principales desventajas, que las técnicas actuales son costosas de instalar y mantener, y experimentan baja precisión. Adicionalmente, en algunas ocasiones, esta tecnología subestima las cargas impuestas por el parque automotor lo que genera una sobrestimación de la vida útil de las estructuras viales.
Existen diversos tipos de sensores WIM. Los más utilizados en estudios viales son: placas en flexión, celdas de carga, sensores piezoeléctricos, de capacitancia y fibras ópticas.
Una placa en flexión es una placa de acero con galgas de deformación colocados en la zona inferior de la misma. Cuando un vehículo pasa sobre la superficie de la vía, la deformación inducida por la carga vehicular puede ser medida y convertida a carga dinámica. Este tipo de sensor puede ser utilizado sobre vías con vehículos circulando a baja y alta velocidad. La precisión de las mediciones en campo utilizando este tipo de sensor es alta. Desventajas: dificultad para realizar su instalación y mantenimiento, y es un mecanismo costoso. Adicionalmente cuando se quieren realizar medidas sobre pavimentos flexibles es necesario construir una cimentación en concreto para soportar la placa en flexión.
De acuerdo con Liu et al. (2006), dentro de los sensores WIM, las celdas de carga son las más sensibles y exactas para medir cargas dinámicas. Este tipo de sensores se montan centralmente bajo un marco con cámara acorazada de acero que se encuentra dispuesta en la rasante de la vía. Estas celdas son colocadas de tal forma que las llantas de los neumáticos de los vehículos circulen sobre ellas. Es un mecanismo costoso y difícil de instalar.
El sensor piezoeléctrico se utiliza por lo general, para medir cargas a altas velocidades. A bajas velocidades o bajo cargas estáticas, las mediciones de este tipo de sensor son bastante deficientes. Las principales ventajas de este sensor son sus bajos costos de operación en comparación con los otros tipos, y su facilidad de uso e instalación. La principal desventaja de utilizar sensores piezoeléctricos es que normalmente las mediciones no son tan exactas. Estos sensores son fabricados con un material que genera una carga eléctrica cuándo es mecánicamente deformado. Su nombre proviene del griego piezo que significa yo aplico presión. Este tipo de sensor puede ser instalado dentro del pavimento para uso permanente o colocado en la vía dentro de un mecanismo portable.
Un sensor de capacitancia presenta dos o más placas metálicas colocadas de manera paralela, entre las cuales se colocan conductores eléctricos con cargas diferentes. Cuando un vehículo se mueve sobre este tipo de sensor, la distancia entre las placas decrece y la capacitancia incrementa. Con esta información de distancia y capacitancia es que se obtiene la estimación de la carga del eje que circula sobre la vía. Generalmente los materiales usados para fabricar estos mecanismos son acero inoxidable, aluminio, poliuretano y caucho.
Los sensores de fibra óptica tienen como principal ventaja que pueden ser utilizados en lugares donde otros sensores WIM pueden ser afectados o no utilizados (p.e., puentes, cerca de ferrovías o en centrales eléctricas). Adicionalmente, la fibra óptica presenta mejores resultados y exactitud en la estimación de cargas rodantes en comparación con equipos piezoeléctricos.
Descripción del Prototipo
En el diagrama de bloques se pueden distinguir las etapas que se llevaron a cabo para realizar el prototipo. En esta figura se pueden distinguir cinco etapas principales: el sensor, acondicionamiento de la señal, conversor análogo a digital, el procesador PSOC el cual realiza la adquisición, adecuación, procesamiento de la señal del sensor utilizado para medir el espectro de carga, y el PC.
El sensor utilizado es un acelerometro tipo mems MMA7260QT de freescale semiconductor de tres ejes, el cual entrega una señal analoga, con una sensitividad de 66mv por gravedad, este sensor es capaz de medir aceleraciones desde 0.1g hasta 6g y opera en un rango de voltaje de 2.4v a 3.6v. El diseño del acelerómetro posibilita obtener una señal eléctrica proporcional a la aceleración de la superficie donde haya sido fijado éste.
Los sistemas programables en un chip, también conocidos como PSoC (Programmable System-on-Chip), constituyen un arreglo configurable de ‘señal mezclada’ (parte analógica y digital) con controlador en una tarjeta. Estos dispositivos conjugan las ventajas de los SoC, con la flexibilidad de los sistemas programables. Estos microcontroladores han sido diseñados para substituir a los múltiples y tradicionales MCU por un único dispositivo programable de bajo coste. Los PSoC incluyen bloques configurables tanto analógicos como digitales, configurables mediante software. Esta arquitectura permite al usuario crear configuraciones de periféricos optimizados para los requerimientos de cada "Embedded Systems". Adicionalmente, una CPU rápida, una memoria flash programable, una memoria de datos SRAM y puertos E/S configurables están incluidos.
Para el desarrollo del protoripo fue necesario parametrizar la señal que se obtiene por medio del acelerómetro de las vibraciones producidas sobre el pavimento cuando circulan los vehículos sobre la capa de rodadura. Se realizaron mediciones de la señal de salida del acelerómetro obteniendo señales como las que se ilustran en la Figura 7.
Control de Acceso Vehicular
Es una solución de Control de Acceso Vehicular especialmente diseñada para accesos restringidos de Condominios, edificios residenciales y de oficinas. El kit incorpora Cámara de Reconocimiento de Patentes (LPR), Barrera Automática y Software de Gestión. Reconocimiento con el vehículo en movimiento. Ampliamente valorado en accesos a condominios, ya que el vehículo no debe detenerse, lo que brinda una sensación de seguridad invalorable. El sistema permite mantener listas de vehículos autorizados (“listas blancas”) y no autorizados (“listas negras”).
Accesorios para Portones Eléctricos
Los portones eléctricos batientes y correderas, además del motor, brazos, centrales electrónicas, cremalleras, chapas y controles remotos que son elementos fundamentales e imprescindibles para el funcionamiento normal, existen los accesorios que en algunos casos son optativos y en otros casos son fundamentales para tener una instalación segura y eficiente.
Lazo Inductivo
La dinámica de funcionamiento más simple se trata de que el vehículo se pose sobre el recuadro de alambre soterrado, generando un pulso a la central del motor, logrando que el portón automático se abra y una vez haya avanzado el vehículo el portón se cierre inmediatamente.
Una vez suba la pluma con algún dispositivo de apertura y mientras el vehículo se encuentre posado sobre el recuadro de alambre soterrado la pluma no se baje, y una vez salga el vehículo de dicho recuadro la pluma de la barrera automática baja inmediatamente, pero también se puede usar a la inversa que la pluma suba cuando se pose en el recuadro, o bien, ambas opciones juntas.
Baliza para Portón Automático
Es un dispositivo de iluminación amarillo que sirve para alertar, alarmar o visibilizar la apertura y cierre del portón eléctrico, en resumen la salida y entrada de vehículos. Por norma deben ser amarillas, no rojas como normalmente se cree, existen de luz destellante y foco de rotación, con led y con ampolletas, de 24 V y 220 V, con y sin sonido de alarma. Normalmente van conectadas a la central de motor del portón automático, pero también se pueden armar un mecanismo con dip switch, interruptores o similares.
En resumen, pese a su simpleza es un accesorio de seguridad fundamental e indispensable en portones automático de alto tráfico de empresas, fábricas, condominios y edificios, no puede faltar en portones eléctricos ubicados en veredas y calles de alto tráfico de peatonas y vehículos.
Tabla 1: Características del Pavimento Utilizado en los Experimentos
| Capa | Módulo de Elasticidad (MPa) | Coeficiente de Capa | Coeficiente de Drenaje | Espesor (mm) |
|---|---|---|---|---|
| Superficie | 3464.8 | 0.30 | 1 | 330.2 |
| Intermedia | 206.8 | 0.14 | 1 | 152.4 |
| Base | 103.4 | 0.11 | 1 | 533.4 |
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