Sensor de Curvatura Construido con Fibra Óptica Plástica

Transcripción

1 Encuentro de Investigación en IE, 5 7 de Abril, Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica Zacatecas, Zac, Abril 5 7, 2006 Sensor de Curvatura Construido con Fibra Óptica Plástica Oscar Carranza Castillo, Rebeca Peregrino Hernández, Alma Reyna Adame Moreno. Escuela Superior de Cómputo Depto. de Sistemas Electrónicos, Instituto Politécnico Nacional, México, D. F. C. P Tel. +(55) Ext Fax Ext , correo-e: ocarranzac@ipn.mx, rphmetallica@hotmail.com, arafatmine@yahoo.com.mx Resumen Este sensor presenta el empleo de la fibra óptica como un sensor de curvatura, que permite la construcción de un guante para capturar los movimientos de una mano, para ser procesados para alguna aplicación especifica. Para su implementación se emplea fibra óptica plástica de 1 mm de diámetro. El sistema del sensor consta de una etapa de compensación que logra reducir los movimientos no deseados y solo sensar los movimientos deseados, que en este caso son el movimiento de uno de los dedos de la mano. Los niveles de voltaje de salida del sistema se encuentran en un intervalo de 0 a 5V para poder ser digitalizados por algún sistema de adquisición de datos para alguna aplicación deseada. Abstract This sensor presents the employment of the fiber optic like a bend sensor that it allows the construction of a glove to capture the movements of a hand, to be processed for some application it specifies. For their implementation plastic fiber optic of 1 mm of diameter is used. The system of the sensor consists of a compensatory stage that is able to reduce the not wanted movements and single sensar the wanted movements that are the movement of one of the fingers of the hand in this case. The levels of voltage of exit of the system are in an interval from 0 to 5V to be able to be digitized by some data acquisition system for some wanted application. Palabras clave fibra óptica, Sensor de curvatura, sistema de compensación. I. INTRODUCCIÓN La fibra óptica es tan sólo una diminuta varilla que bien puede ser de vidrio o de plástico con un gran índice de refracción mediante la cual se transmiten haces de luz, que previamente modulados transmiten información de un punto a otro. Es importante establecer que si la fibra es estirada, generamos una curvatura, esta sujeta a la influencia de la temperatura, o incluso a la influencia de ondas electromagnéticas, la señal de luz que viaja a través de ella puede cambiar la polarización o la amplitud de manera proporcional a la magnitud de la perturbación, por lo que se tienen sensores de esas perturbaciones [1]. Como sabemos hoy en día, uno de los accesorios más famosos para la realidad virtual es el guante de datos. El guante se utiliza para localizar la posición y la orientación de la mano, además de la flexión y deflexión de los dedos de las personas. Existen varios tipos de guantes comerciales, la principal diferencia que existe entre ellos es la forma de sensar los movimientos de la mano, así como el tipo de sensores que se utilizan, a continuación mencionaremos las desventajas, en comparación con nuestro sistema, de algunos tipos de guantes comerciales que se fabrican para diferentes aplicaciones y los sensores utilizados. La desventaja del Sistema Electromecánico es que requiere de un proceso de calibración al inicio de cada jornada. El sistema con sensores de curvatura es que requiere un puente de wheatstone, lo cuál complica la implementación de este dispositivo. El sistema de galgas extensiométricas nos entrega un valor de voltaje muy pequeño, por tanto necesita una etapa de amplificación para que sea más visible. El sistema con fibra óptica es una tecnología usa un sensor de fibra óptica sobre cada dedo. En los extremos de las articulaciones de los dedos, la pared de la fibra es tal que ninguna luz se absorbe cuando la fibra es recta (sin doblarse), en cambio,

2 260 Encuentro de Investigación en IE, 5 7 de Abril, 2006 cuando la fibra se dobla algunas cantidades de luz es absorbida. II. DESARROLLO A. SENSORES MODULADOS EN INTENSIDAD El desarrollo de este proyecto de sensor de curvatura con fibra óptica plástica, se basa en los sensores de intensidad modulada. La variación de la variable física causa un cambio en la intensidad de luz recibida, lo cual es una función del fenómeno que esta siendo medido [2]. anatómicamente a la mano humana y permitir los movimientos de los sensores con mayor naturalidad. Sobre el guante de lycra se fijara la fibra óptica ajustada de manera que se acople a una de las articulaciones de los dedos para provocar en la fibra la variación que nos permite sensar la pérdida de potencia óptica cuando se mueva el dedo donde se tiene montada la fibra. B. CURVATURA EN LAS FIBRAS ÓPTICAS Describiremos que es lo que ocurre cuando hay curvaturas en una fibra óptica. La figura 1 muestra claramente el efecto de una curvatura sobre un rayo meridional que pasa a través de la fibra, el ángulo del rayo de luz esta definido por el ángulo φ. Sin embargo, cuando la fibra es doblada, el plano de reflexión y el rayo sufren una rotación en un ángulo δ. Por lo tanto, para una fibra doblada, el ángulo entre el rayo reflejado y la tangente en el punto de reflexión es φ-δ. En una fibra recta, para ángulos φ>φc los rayos de luz serán totalmente reflejados. En una fibra doblada, el ángulo crítico efectivo es disminuido en δ grados. Por lo tanto, los rayos que inciden entre φc y φc-δ se perderán a través del recubrimiento óptico de la fibra. El ángulo crítico efectivo es disminuido en una fibra doblada, y la cantidad de luz que se inyecta en ella se reduce. Figura 1. Efecto de curvatura en un rayo meridional a través de la fibra óptica La figura 2 muestra una fibra doblada con algunos rayos producidos debido a la reflexión total interna. La perdida por curvatura ocurre principalmente en la transición de la parte recta a la curva y a los diferentes ángulos de curvaturas. C. EL GUANTE Para su implementación el sistema utiliza un sensor con fibra óptica el cual es montado sobre un guante de lycra, ya que este material tiene la característica de ajustarse Figura 2. Fibra óptica con curvatura constante. D. EL SENSOR El sensor es uno del tipo modulado en intensidad, opera bajo el fenómeno de curvaturas en la fibra óptica, con esto se genera pérdidas en la potencia óptica transmitida por dicha fibra lo cual se relaciona con el movimiento del dedo. La fibra óptica empleada es de plástico, ya que presenta las mayores pérdidas al generar las curvaturas que las de vidrio, y tiene un diámetro de 1 mm con una cubierta de polietileno para darle protección mecánica [2]. Para su construcción se utiliza un transmisor óptico, que es, una fuente de luz con potencia óptica constante, esto es, con el fin de que la fluctuaciones que se reciban sean del movimiento del dedo que contiene la fibra y no de la variaciones que tenga la fuente óptica. Otro de los elementos del sistema es un receptor óptico, el cual tiene la finalidad de convertir la señal óptica en una señal eléctrica y así poderla trabajar. La figura 4 muestra el sistema con sus elementos básicos. Figura 3. Esquema del sensor. El sensor se instala sobre el guante de lycra para que permita realizar los movimientos de uno de los dedos y se genere la deflexión en la fibra óptica sensora. Esto se ilustra en la figura 4, donde se observa el guante y la fibra óptica sensora instalada.

3 Encuentro de Investigación en IE, 5 7 de Abril, Figura 5. Transmisor Óptico Figura 4 Sensor montado en el guante. E. TRANSMISOR ÓPTICO Las variaciones que se van a detectar con el sensor deben ser proporcionadas solo por las curvaturas producidas en la fibra óptica y no por las fluctuaciones de la fuente óptica; ya que la potencia que emite una fuente óptica varía de acuerdo con el envejecimiento y con el cambio de temperatura del ambiente, entre otros factores. Por lo cual se debe construir una fuente óptica que tenga una buena estabilidad óptica. Dadas las características de cada una de las fuentes ópticas y el tipo de fibra óptica empleada se decidió utilizar un diodo emisor de luz (LED) [3] debido a que la señal que se desea introducir al sensor es continua por lo que no requiere un ancho de banda grande, se desea un bajo costo, circuitos simples para su fácil implementación y reproducción. La técnica de control automático de polarización, que es la que se uso, consiste en sensar de alguna manera la corriente del LED para que de esta manera se controle a través de un dispositivo electrónico dicha corriente, tratándola de mantener constante el mayor tiempo posible, esto se realiza con la ayuda de una referencia de presición. [4]. Además como el sistema del sensor implementa una etapa de compensación, la cual trata de minimiza aun más las diversas variaciones de la potencia óptica que no dependan de los movimientos del dedo o del sensor de curvatura. Esto hace que no sea tan crítica la estabilidad de la potencia óptica de salida del transmisor. La figura 5 muestra el circuito empleado para el transmisor óptico con la estabilidad de control automático de polaridad del LED. F. RECEPTOR ÓPTICO El receptor tiene la función de convertir la potencia óptica proveniente de la fibra óptica en una señal eléctrica mediante algunos dispositivos electrónicos y optoelectrónicos, debido a que la amplitud de la señal óptica que sale de la fibra óptica sensora contiene la información referente a la deflexión que se tiene en el dedo. El detector óptico es el dispositivo que convierte una señal óptica en una señal eléctrica, de manera que este elemento es esencial en un receptor óptico. Para aplicaciones con fibras ópticas este debe cubrir los siguientes requisitos. Alta sensibilidad en el intervalo de longitudes de onda que se requiera. Un incremento mínimo en el ruido del sistema. Una velocidad de respuesta rápida. Los fotodetectores que cumplen básicamente con estos requisitos son el fotodetector PIN, el fotodiodo de avalancha y el fototransistor, los cuales tienen sus características muy particulares para cada aplicación. Para cubrir la necesidad de un detector óptico que tenga alta respuesta se selecciona un fototransistor, entre el fotodiodo PIN y el de avalancha. Se selecciona el NTE3032, el cual tiene una buena respuesta a la potencia óptica y su tiempo de estabilización de la corriente de salida es de amenos de 1 segundo. Para evaluar la corriente generada por el fototransistor una vez acoplado a la fibra, se emplea el transmisor óptico, el cual se coloca en un extremo de la fibra y el otro extremo se coloca al fototransistor NTE3032 con el conector para la fibra óptica.

4 262 Encuentro de Investigación en IE, 5 7 de Abril, 2006 G. ETAPA DE COMPENSACIÓN La etapa de compensación, es parte esencial del sistema sensor, ya que permite minimizar las fluctuaciones del transmisor óptico y las pérdidas por curvatura en la fibra óptica que no son referentes a los movimientos del dedo donde se encuentra alojada la fibra óptica sensora. También se trata de minimizar el problema de los fototransistores que no cuentan con las mismas características de fabricación (Ganancia en corriente, β), aun cuando sea la misma matricula. En la actualidad existen diversas técnicas de compensación, en sensores de fibra óptica modulados en intensidad, los cuales proporcionan inmunidad contra pérdidas ópticas aleatorias en la intensidad que, en la mayoría de los casos provienen del transmisor óptico, debido a la inestabilidad térmica de este y a los cambios de la trayectoria de la fibra portadora de la señal medida. En estas técnicas una señal adicional de referencia, viaja junto con la señal de medición, para hacer una medición diferencial que elimina las variaciones indeseables [5]. Las técnicas que usan una señal de referencia en los sistemas de compensación, se dividen en los siguientes esquemas: Puente Óptico balanceado. Derivación de la señal óptica. Desvío de la señal de monitoreo. Sistema con dos longitudes de onda. Para la parte de recepción de las señales ópticas la técnica de desvió de la señal de monitoreo, solicita que se tenga dos receptores con las mismas característica. Por lo que se implementan dos NTE3032 para este fin, dado que puede variar la β de cada uno de estos fototransistores se realiza una etapa de acondicionamiento para que dicho problema no afecte la etapa de compensación. Como el principio que se emplea es que la corriente fotogenerada en el fototransistor se pase a través de un resistor y por ley de ohm obtener un voltaje para un mejor manejo de la señal, se pone el resistor, como un resistor variable (trimpot de 20 vueltas) que permita el ajuste de este resistor y así conseguir que se tenga la misma respuesta en cada receptor. Una vez obtenidos los receptores iguales se pasa a un proceso de restar la señal de referencia a la señal sensada de tal manera que se obtiene la variación del voltaje dependiendo de la deflexión en el dedo donde esta montado el sensor. Además como se desea que las variaciones del voltaje de salida debido a la curvatura sean en el intervalo de 0 a 5 volts; se implementa un amplificador de instrumentación para realizar ambas funciones. La figura 6 muestra el diagrama eléctrico de esta parte del sistema. Para la etapa de compensación de este trabajo, se utiliza la Técnica de Desvío de la Señal de Monitoreo, dado que acopla más a las necesidades y características del sistema, debido a que emplea una fibra óptica sensora y una fibra óptica de referencia la cual debe de seguir la trayectoria de la fibra sensora a excepción del momento en que actúa la perturbación física en la fibra, emplea solo un divisor de haz de 3 db y dos receptores idénticos. Para obtener dos fibras con la misma cantidad de potencia óptica, la técnica de desvió de la señal de monitoreo propone el uso de un divisor de haz de 3 db de manera de tener 50% de la potencia óptica en cada una de ellas a través de una sola fibra. Debido a que el divisor de haz es muy difícil de conseguir, además de muy costoso, se introducen las dos fibras al conector, de manera que a las dos el LED les radie directamente la potencia óptica, para obtener el mismo principio del divisor de haz donde a las dos obtengan la misma potencia óptica. Figura 6. Sistema de compensación con receptores ópticos. La figura 7 muestra el guante con las dos fibras empleadas, esto es, la fibra sensora y la fibra de referencia, para eliminar algunos problemas, se emplea una placa de metal en la parte superior del guante para mejorar la compensación y de esta manera, solo se reflejen las variaciones debidas al movimiento del dedo.

5 Encuentro de Investigación en IE, 5 7 de Abril, En las figuras 8 se muestran de las variaciones en la fibra de compensación y la fibra sensora. En la figura 9 se muestra la salida del sistema de compensación, y se aprecia claramente que es completamente lineal y además que se encuentra dentro de un intervalo de 0 a 5V. 385 Figura 7. Guante con las fibras ópticas. Voltaje de Salida (m V) III. RESULTADOS Los resultados obtenidos por el sistema del sensor de deflexión fueron muy favorables, ya que se adaptaron a las necesidades que se tienen y permiten corroborar la parte teórica que se tiene. Los datos obtenidos se muestran el la Tabla I donde se referencia un dobles en relación del ángulo de inclinación que toma un dedo al empezar a flexionarse, cabe mencionar que estos valores corresponden al sensor de curvatura cuando se encuentra estático, es decir, cuando las fibras se encuentra sin movimiento alguno. TABLA I. Resultados obtenidos para el sensor de curvatura estático Angulo de Inclinación Voltaje en fibra de comp. (mv) Voltaje en fibra sensora (mv) Voltaje en el sistema de comp. (V) 0º º º º º º º º º º º º º º º º º º º Voltaje de Salida 355 Voltaje en la fibra de Compensación Voltaje en la fibra sensora Figura 8. Grafica del Voltaje de Salida provocado por la fibra de Compensación y la fibra sensora Figura 9. Grafica del Voltaje de Salida del Sistema de Compensación, cuando el sensor de curvatura se encuentra estático En la Tabla II se muestran los resultados obtenidos, cuando el sensor de curvatura se encuentra en movimiento con relación a un punto fijo de referncia. Se aprecia que el sistema de compensación cumple con su función ya que las fluctuaciones debidas a movimientos que no se desean sensar no afectan en lo absoluto a la salida de voltaje de este, que permanece de 0 a 5V. En la figura 10 se muestra la salida de voltaje provocada por la fibra de compensación y la fibra sensora, cuando el sensor de curvatura se encuentra en movimiento, nótese que las fluctuaciones en las mediciones son mayores, más sin embargo como se aprecia en la Figura 11, a la salida del sistema de compensación obtenemos los valores deseados que son de 0 a 5V.

6 264 Encuentro de Investigación en IE, 5 7 de Abril, 2006 Voltaje de Salida TABLA II. Resultados obtenidos para el sensor de curvatura en movimiento Angulo de Inclinación Voltaje en fibra de comp. (mv) Voltaje en fibra sensora (mv) Voltaje en el sistema de comp. (V) 0º º º º º º º º º º º º º º º º º º º Voltaje en la Fibra de Compensación Voltaje en la Fibra Sensora Figura 10. Grafica del Voltaje de Salida provocado por la fibra de Compensación y la fibra sensora. IV. CONCLUSIÓN Se demuestra que la fibra óptica puede ser empleada como elemento sensor y en este caso en particular se emplea como un sensor de curvaturas que permite captar los movimientos de un dedo, ofreciendo las bondades de la fibra. Comparado con los sensores de galgas extensiométricas tienen una mayor duración, porque no presentan envejecimiento y deterioro como la galga, en la cual el material resistivo se deteriora y genera una mala medición o hasta un mal funcionamiento. Después de la recepción de la señal y una vez convertida la señal óptica en eléctrica, el sistema electrónico instalado, así como la fibra de referencia permiten un adecuado funcionamiento para minimizar los movimientos que no se desean sensar, entregando a la salida niveles de voltaje que permiten su fácil conversión de la señal analógica a digital para su posterior procesamiento. REFERENCIAS [1] Giollorenzi, T. Buraco, J. Anthony Dandridge, G Optical Fiber Sensor Technology in J. of Quantum Electronics, 18, 4, pp [2] Krohn, D Fiber Optic Sensor, Fundamentals and Applications, Instrument Societry of America. [3] Keiser, G., Optical Fiber Comunications, McGraw-Hill [4] Albanese, A An Automatic Bias Control ABC circuit for injection laser, in Bell System Tech. Jour., Vol. 57, No. 5, pp , [5] Murtaza, G. Señor, J Referencing Strategies for intensity modulated optical fibre sensors: a review in Optical & Laser Technology, Vol. 25, No. 4, pp , 6 5 Voltaje de Salida Figura 11. Grafica del Voltaje de Salida del Sistema de Compensación, cuando el sensor de curvatura se encuentra en movimiento.