DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y CONTROL DE UN PROTOTIPO CON TECNOLOGÍA LÁSER PARA MEDICIÓN DE DIÁMETROS EN MATERIALES OPACOS

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y CONTROL DE UN PROTOTIPO CON TECNOLOGÍA LÁSER PARA MEDICIÓN DE DIÁMETROS EN MATERIALES

OPACOS.

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTAN:

Pérez Serrano Ricardo

Ruiz Mendoza Adán

ASESORES:

Dr. Alexandre Michtchenko.

Ing. José Ángel Mejía Domínguez.

MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE 2012

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(3)

II OBJETIVOS.

El objetivo de este proyecto es el diseño, construcción y control de un prototipo

con tecnología láser para realizar mediciones de diámetros en un intervalo de

1 cm a 3 cm con una exactitud micrométrica de 0.001mm.

Obtener mediciones de diámetros en elementos opacos y realizar una

comparación con los resultados obtenidos de otro instrumento de medición

(calibrador vernier).

Para lograr el objetivo planteado se propone una metodología de tipo documental

(4)

III PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

En el año 2012 la instrumentación en el campo de la metrología tiene diseños

mejorados comparado con años anteriores principalmente naciones

potencialmente tecnológicas, Esto se logra utilizando diferentes tecnologías

para la realización de este tipo de instrumentación entre las que se encuentra

la tecnología láser.

Por esta razón se toma la decisión de diseñar, construir y controlar un prototipo

utilizando tecnología láser para incursionar en el campo de la metrología,

realizando comparaciones contra otro instrumento ya existente de tecnología

(5)

IV JUSTIFICACIÓN

En la actualidad existe una gran variedad de instrumentos de medición para

diámetros y estos dan una medición precisa en el orden de las centésimas y

algunos hasta milésimas de milímetro (micras), se intenta implementar un

instrumento a base de tecnología láser que nos dará una medición milimetrica

además de ser una interfaz digital lo que facilita una rápida medición del usuario

sin error de paralelaje un error común en instrumentos de medición como el

calibrador vernier análogo además de poder obtener mediciones de objetos que

por su estado no sería recomendable que los usuarios estén en contacto físico con

él principalmente que estén a alta temperatura.

Este prototipo es muy semejante a instrumentos que venden en el marcado

algunos de ellos son portables estos últimos son mas exactos y su medición es

mas rápida a comparación de nuestro prototipo pero igualmente son hasta 8 veces

mas caros es por esta razón que se considera importante la realización de esta

(6)

V INDICE

Objetivos

II

Planteamiento del problema III

Justificación IV

Índice de Capítulos V

Índice de figuras VII

Índice de tablas IX

Capítulo 1. Generalidades de la luz láser. 1

1.1 Historia del rayo láser. 2

1.2 Modelo atómico de Niels Bohr 3

1.3 Emisión espontanea. 5

1.4 Emisión estimulada y absorción estimulada 5

1.4.1 Absorción y amplificación de luz. 6

1.4.2 Amplificador óptico 10

1.4.3 Oscilador óptico. 12

Capítulo 2. Láseres de Diodo. 14

2.1 Diferencia entre diodo láser y láser de diodo. 15

2.1.1 Funcionamiento del diodo láser. 17

2.1.2 Tipos de Láser 18

2.1.3 Características del diodo láser. 19

2.2 Colimación del haz de luz. 19

(7)

VI

2.4 Coherencia de los diodos láser de longitud. 23

2.5 Sensor a base de una fotorresistencia. 24

Capítulo 3. Metodología de diseño del prototipo para medición de diámetros a base de tecnología láser.

27

3.1 Principio de funcionamiento del prototipo 28

3.2 Fuente de poder para el medidor láser. 30

3.3 Simulación de la fuente de poder para el diodo láser. 32

3.3.1 Resultados de las simulaciones. 35

3.4 LABVIEW como interface del prototipo. 36

Capítulo 4. Construcción del prototipo para medición de diámetros con tecnología láser.

39

4.1 Elementos necesarios para la construcción del medidor láser. 40

4.2. Construcción del sensor. 44

4.3. Haz de luz con diodo láser. 46

4.4. Colimación del haz de luz láser con lentes. 47

4.5 Implementación del programa en LABVIEW. 48 4.6 Elementos de control e indicadores en la interface. 50

Capítulo 5. Desarrollo experimental y cotizaciones del prototipo. 52

5.1 Pruebas experimentales con el prototipo. 53

5.2 Cotizaciones. 59

Conclusiones 61

Referencias 63

Anexos 64

(8)

VII ÍNDICE DE FIGURAS

Capítulo 1.

Figura1.1 Modelo atómico de Bohr 4

Figura1.2 Emisión y absorción estimulada 6

Figura1.3 Esquema de cavidad cilíndrica 6

Figura 1.4 Ejemplificación de amplificación de un flujo de fotones. 8

Figura 1.5 Ejemplificación de absorción de un flujo de fotones. 8

Figura 1.6 Grafica de pulsos son y sin amplificación previa. 11

Figura 1.7 Partes de un oscilador óptico. 12

Figura 1.8 Principio de funcionamiento de un resonador óptico 13

Capítulo 2.

Figura 2.1 Diodo láser 16

Figura 2.2 Láser diodo de Arseniuro de galio 16

Figura 2.3 Lentes para colimación. 20

Figura 2.4 Lentes para cambiar la dirección del rayo láser. 21

Figura 2.5 Tipos de lentes. 22

Figura 2.6 Flujo de fotones coherentes. 23

Figura 2.7 Tipos de luz coherente y no coherente. 24

Figura 2.8 Símbolo de una LDR. 25

Figura 2.9 LDR en su forma física. 26

Figura 2.10 Grafica que muestra el comportamiento de una LDR. 26

Capítulo 3.

Figura 3.1 Haz láser en forma de línea recta. 28

Figura 3.2 Principio de funcionamiento. 29

Figura 3.3 Arreglo para la fuente de poder. 30

Figura 3.4 voltaje máximo para alimentar el diodo láser. 33

(9)

VIII

Figura 3.6 Simulación para ver valores de I. 34

Figura 3.7 Fuente de poder soldada. 35

Figura 3.8 Panel frontal del software. 37

Figura 3.9 Panel correspondiente al diagrama de bloques. 38

Figura 3.10 Pantalla de configuración del DAQ 38

Capítulo 4.

Figura 4.1 Quemador de DVD 42

Figura 4.2 Carro del DVD. 43

Figura 4.3 Tarjeta NI.USB.6008. 44

Figura 4.4 Sensor a base de LDR 45

Figura 4.5 Montaje del sensor en carro. 45

Figura 4.6 Sensor control del motor 46

Figura 4.7 Diodo láser para el prototipo. 47

Figura 4.8 Lente para generar el haz. 48

Figura 4.9 Haz de luz en forma de línea recta. 48

Figura 4.10 Circuito de conexión de la NI-USB-6008 49

Figura 4.11 Conexión de las DAQ 50

Figura 4.12 Barra de herramientas de LABVIEW 50

Figura 4.13 Botón de inicio en el HMI 51

Figura 4.14 Indicadores de la HMI 51

Capítulo 5

Figura 5.1 Grafica de resultados 54

Figura 5.2 Cálculos en Excel 56

Figura 5.3 Grafica comparativa 58

Figura 5.4 Imagen del prototipo 58

Figura 5.5 Pieza medida 59

Figura 5.6 Micrómetro 1 64

(10)

IX ÍNDICE DE TABLAS

Capítulo 3

Tabla 3.1 Resultados de simulación. 36

Capítulo 5

Tabla 5.1 Muestra de las mediciones. 53

Tabla 5.2 Comparación de muestras 57

(11)

CAPÍTULO I.

GENERALIDADES DE LA LUZ LÁSER.

(12)

En este capítulo se hace mención de la historia del láser así como su significado y

los acontecimientos que lo rodean, se enuncian algunas de las aportaciones de la

física moderna para comprender la tecnología láser y el fenómeno de absorción y

amplificación estimulada.

1.1 HISTORIA DEL RAYO LÁSER.

El nombre LÁSER es un acrónimo para (Amplificación de luz por la Emisión

Estimulada de Radiación) por sus siglas en ingles.

En 1917, Albert Einstein primero teorizó sobre el proceso “Coeficientes de Einstein”

que hoy en día hace posible los láseres llamados “Emisión Estimulada”.

En 1958, Charles Townes y Schawlow Arthur teorizado y publicado artículos acerca

de un láser visible, un invento que utiliza el espectro de luz infrarroja y/o visible, sin

embargo, no procede a cualquier investigación en ese momento.

El láser de gas en primer lugar (helio-neón) fue inventado por Ali Javan en 1960.

El láser de gas fue el primer láser de luz continua y la primera para operar "en el

principio de conversión de energía eléctrica a una salida de luz láser".

En 1962, Robert Hall creó un revolucionario tipo de láser “Semiconductor de inyección

láser” que se utiliza todavía en muchos de los aparatos electrónicos y sistemas de

comunicación que usamos todos los días.

El láser de dióxido de carbono fue inventado por Kumar Patel en 1964.

2

Estas son las grandes aportaciones sobres los rayos láser, las cuales hoy en día

son fundamentales para el desarrollo de mejores tecnologías y aplicaciones en la

(13)

1.2 MODELO ATÓMICO DE NIELS BOHR

Niels Bohr fue un físico danés que después de finalizar su doctorado, comenzó a trabajar

en el equipo de Rutherford, en los Laboratorios Cavendish de Cambridge.

Tomando como punto de partida el modelo de Rutherford, Niels Bohr trató de incorporar

en él la teoría de “cuantos de energía” desarrollada por Max Planck y el efecto

fotoeléctrico observado por Albert Einstein.

En 1913, Bohr postuló la idea de que el átomo es un pequeño sistema solar con un

pequeño núcleo en el centro y una nube de electrones que giran alrededor del núcleo.

Hasta aquí, todo es como en el modelo Rutherford. [1]

Lo original de la teoría de Bohr es que afirma:

• a) que los electrones solamente pueden estar en órbitas fijas muy determinadas,

negando todas las demás.

• b) que en cada una de estas órbitas, los electrones tienen asociada una

determinada energía, que es mayor en las órbitas más externas.

• c) que los electrones no irradian energía al girar en torno al núcleo.

• d) que el átomo emite o absorbe energía solamente cuando un electrón salta de

una órbita a otra.

• e) que estos saltos de órbita se producen de forma espontánea.

• f) que en el salto de una órbita a otra, el electrón no pasa por ninguna órbita

intermedia.

En el modelo de Bohr, se estipula que la energía del electrón es mayor cuanto mayor sea

el radio r.

3

Por lo cual, cuando el electrón salta a una órbita de menor radio, se pierde energía. Esa

energía perdida es la que el átomo emite hacia el exterior en forma de un cuanto de luz.

(14)

Resumiendo: Los electrones no irradiarían energía (luz) si permanecieran en órbitas

estables.

Pero si saltan de una órbita de menor energía a una de mayor energía, el electrón

absorbe un cuanto de energía (una cantidad igual a la diferencia de energía asociada a

las órbitas concernidas).

Si el electrón pasa de una órbita de mayor energía a una de órbita más interna, pierde

energía y la energía perdida es lanzada al exterior en forma de radiación (luz): el electrón

desprende un cuanto de energía, un fotón.

Niels Bohr dedujo que la frecuencia de la luz emitida por un átomo, está relacionada con

el cambio de energía del electrón, siguiendo la regla cuántica de Planck "cambio de

energía/frecuencia=constante de Planck". [1]

Figura 1.1 El modelo atómico de Bohr, describe los diferentes niveles de un átomo y cuando es generado un fotón por el salto de un electrón de un nivel a otro nivel inferior. [1]

(15)

1.3 EMISIÓN ESPONTANEA.

En 1917 Einstein descubre un nuevo mecanismo de interacción entre la luz y la materia,

llamado emisión estimulada. Los mecanismos de interacción conocidos con anterioridad

eran los de absorción y de emisión espontánea. En el proceso de absorción, el átomo en

su estado de mínima energía absorbe un fotón (cuanto de radiación propuesto por

Einstein en 1905) y pasa, en consecuencia, a un estado de mayor energía; en el proceso

de emisión espontánea, un átomo excitado (mayor energía que la mínima) emite

espontáneamente un fotón y cae al estado de menor energía. En el proceso de emisión

estimulada, un átomo en estado excitado interacciona con un fotón incidente y emite otro

fotón de las mismas características, obteniéndose como resultado una amplificación

coherente del haz incidente. Este proceso resultó esencial para el desarrollo del láser

(luz amplificada por emisión estimulada de radiación) en la década del 60. [1]

1.4 EMISIÓN ESTIMULADA Y ABSORCIÓN ESTIMULADA.

Cuando un electrón se encuentra en un nivel de energía elevado, tiende a caer

espontáneamente a un nivel de energía inferior con la subsiguiente emisión de luz. Esto

es lo que se llama emisión espontánea y es la responsable de la mayor parte de la luz

que vemos. Por otro lado, un fotón puede estimular la caída de un electrón a un nivel

inferior si tiene una energía igual a la diferencia entre los dos niveles, en ese caso se

emitirá un segundo fotón idéntico al que ha inducido la transición. Esta es la llamada

emisión estimulada. El proceso contrario, aquel en el que el fotón se absorbe induciendo

la subida de un electrón a un nivel de energía superior, se llama absorción estimulada.

5

El hecho de que la emisión estimulada produzca dos fotones idénticos a partir de un

fotón inicial es precisamente lo que permite amplificar la luz y es también responsable de

que la luz generada por emisión estimulada sea coherente, es decir que las ondas

electro-magnéticas que forman el haz de luz marchen “al paso”. Pero, para que sea

posible amplificar la luz por emisión estimulada, es necesario además que en el medio

activo haya un número mayor de electrones en el nivel de energía superior que en el

(16)

electrones en el nivel inferior que en el superior, entonces predominaría la absorción, y el

medio amortiguaría la energía de la luz en vez de amplificarla.

La inversión de población es el “principio vital” de los láseres, y se consigue mediante el

bombeo adecuado de ciertos materiales con niveles de energía electrónicos meta

estables, es decir, con niveles de energía en los cuales los electrones tardan un tiempo

relativamente largo en des excitarse por emisión espontánea, lo cual favorece

precisamente la acumulación de electrones en el estado de energía superior. [1]

Figura 1.2 La luz láser se amplifica por emisión estimulada: por cada fotón incidente se producen dos fotones idénticos, si el electrón se encuentra en el nivel 1 el fenómeno de absorción ocurrirá por lo tanto

en lugar de generar un fotón este es absorbido por el electrón. [11]

1.4.1 ABSORCIÓN Y AMPLIFICACIÓN DE LUZ

En esta sección discutiremos cómo podemos describir la interacción de grandes

cantidades de fotones con átomos. Consideremos un flujo S de fotones propagándose a

lo largo de una cavidad cilíndrica de longitud L, en la figura 1.4 se muestra un ejemplo.

[1]

Figura 1.3 Cavidad cilíndrica para la amplificación de los fotones que contiene una cantidad N de átomos en estado base y una cantidad N de átomos en estado excitado. [8]

(17)

Dicha cavidad contienen átomos por unidad de volumen a esta cantidad la

identificaremos como N átomos , de los cuales N2 son átomos que se encuentran

en su estado excitado y por otro lado también se encuentra N1 átomos que están en

su estado base, en la figura 1.4 se muestran estos diferentes tipos de átomos, por lo

tanto el numero total de átomos por unidad de volumen que representamos como N

esta dado por la suma de los que se encuentran excitados y los que están en su

estado base por lo tanto tenemos la siguiente formula:

N = N

1

+ N

2

(1.2)

De la ecuación 1.2 se tiene:

N= átomos (adimensional)

N1= átomos en estado base (adimensional).

N2= átomos en estado excitado (adimensional).

Al propagarse el flujo S de fotones a través de la cavidad y entrar en interacción con

átomos que estén excitados, ocurrirá el proceso de emisión estimulada, este proceso

traerá como consecuencia la amplificación del flujo inicial de fotones S. Esto debido a

que, como ya sabemos, cada fotón del flujo incidente que interactúe con un átomo

inicialmente excitado puede dar lugar por medio del proceso de emisión estimulada a la

emisión de un segundo fotón, conjuntamente con la transición del átomo del estado

excitado al estado base o no excitado. Sin embargo, debido a que en dicha cavidad

también tenemos átomos que se encuentran en su estado base, al interactuar el flujo S

de fotones con dichos átomos tenemos presente el proceso de absorción de fotones y

con esto disminuye el flujo inicial S de fotones. Ello se debe a que cada fotón que

interactúe con un átomo inicialmente en su estado base será absorbido por dicho átomo

y éste pasará a un estado excitado. [1]

7

Ahora consideramos solamente el proceso de emisión estimulada, vemos que la

amplificación de un flujo incidente, que designaremos por S1, después de propagarse a lo

(18)

mayor si la cantidad de átomos excitados N2 crece. Es decir, mientras mayor sea N2,

mayor será el incremento en el flujo inicial de fotones. Claro está que mientras mayores

sean las distancias recorridas (X) por el flujo inicial de fotones, también aumentará la

amplificación que el mismo sufrirá. Por tanto, si aumentamos cualquiera de las

cantidades X, N2 o S1, el incremento en el flujo inicial de fotones también aumentará.

Figura 1.4 El flujo de fotones S1 es amplificado al recorrer la cavidad si la cantidad N2 es mayor considerando por el

principio de la amplificación estimulada. [8]

Ahora consideramos únicamente el proceso de absorción, vemos que la absorción del

flujo incidente S1 después de propagarse a lo largo del eje Y una distancia arbitraria X

(véase la figura 1.6) será mayor cuanto más grande sea la cantidad de átomos N1 que

se encuentran en su estado base. Cuando crece N1, mayor será el decremento en el

flujo inicial de fotones. Esto es, por un razonamiento análogo al anterior tenemos que el

decremento en el flujo inicial de fotones será mayor cuando crezca la longitud X en que

se propaga dicho flujo, la cantidad de átomos en su estado base N1 y la cantidad inicial

de fotones S1. Aumentando cualquiera de las cantidades X, N1 o S1, el decremento en

el flujo inicial de fotones también aumentará, lo cual significa que en lugar de amplificar

tendremos una disminución. [1]

Figura 1.5 El flujo de fotones S1 será absorbido al recorrer la cavidad si la cantidad N1 es mayor a este fenómeno se

le conoce como absorción estimulada. [8]

(19)

Sin embargo, en la realidad debemos considerar simultáneamente ambos procesos

anteriores de emisión estimulada y de absorción. Dado que el primer proceso tiende a

amplificar el flujo incidente dependiendo de la cantidad de átomos que se encuentran en

el nivel superior N2, mientras que el segundo proceso tiende a disminuir el flujo incidente

dependiendo de la cantidad de átomos que se encuentran en el nivel base N1, al

considerar simultáneamente los dos procesos el resultado final dependerá de la cantidad

de átomos que se encuentran en el estado excitado y en el base. Si estas cantidades son

iguales, tendremos entonces que en promedio la amplificación y la absorción que sufre el

pulso inicial son iguales, y por tanto el flujo final no será ni mayor ni menor que el flujo de

fotones inicialmente incidente. Esto es, si: [1]

N2 = N1

De esta manera el cambio neto del flujo de fotones por unidad de longitud es cero, esto

significa que la cantidad de fotones que sale es la misma cantidad que entra.

Por otra parte, si el número de átomos excitados N2 es menor que el número de átomos

en su estado base N1, el resultado total será de una reducción del flujo inicial de fotones.

Por lo tanto tendríamos menor incidencia de fotones a la salida que en la entrada.

Esto se pude representar de la siguiente manera: [1]

N2<N1

Finalmente, si el número de átomos excitados N2 es mayor que el número de átomos en

estado base N1, el resultado promedio total será de un incremento al flujo inicial de

fotones. Por lo tanto si existe amplificación de los fotones que entran. Esto se

representa de la siguiente forma: [1]

N2>N1

(20)

1.4.2 AMPLIFICADOR ÓPTICO.

Ahora explicaremos el funcionamiento básico del amplificador óptico, este es

conocido también como amplificador láser. Este es un sistema tal que al introducirle un

flujo inicial de fotones S1 nos proporciona en su salida un flujo final de fotones S2 mayor

que el flujo inicial S1.

Dichos amplificadores ópticos generalmente tienen un aspecto similar al mostrado en la

figura 1.4, es decir un cilindro por un extremo del cual entra en flujo inicial de fotones S1

y otro por el cual sale el flujo final de fotones amplificado como S2.

Como hemos visto en la sección anterior, la condición necesaria para tener amplificación

del flujo inicial de fotones S1 es que el número de átomos excitados N2 que se encuentra

en la cavidad amplificadora sea mayor que el número de átomos que se encuentra en su

estado base N1. La condición anterior se conoce como condición de inversión de

población y el problema central para la realización práctica de un amplificador óptico está

en cómo lograr dicha inversión de población.

Es decir, el problema es conseguir que la mayoría de los átomos que se encuentran en

la cavidad amplificadora pasen de su estado base, que es el estado normal en que

cualquier átomo se encuentra cuando no es perturbado, a un estado excitado.

Para lograr tal efecto es necesario algún dispositivo que proporcione la energía que los

átomos requieren para pasar de su estado base a un estado excitado. Este dispositivo

recibe el nombre de "sistema de bombeo" y puede ser de varios tipos, aunque los más

usuales son de tipo óptico o de tipo eléctrico.

10

En el caso de un sistema de bombeo de tipo óptico lo que tenemos es la cavidad

amplificadora circundada por una o varias lámparas luminosas de destello flash muy

potentes. Cuando estas lámparas sean disparadas, los fotones que éstas emiten son

absorbidos por los átomos de la cavidad amplificadora, los cuales pasan de su estado

(21)

Por otro lado en un sistema de bombeo de tipo eléctrico se produce una intensa

descarga eléctrica a través de los átomos. De este modo los energéticos electrones de la

descarga transfieren por colisiones electrón-átomo parte de su energía a los átomos

contenidos en la cavidad, logrando que éstos pasen de su estado base a un estado

excitado. Así se da la inversión de población.

Para amplificar un pulso de luz usando un amplificador óptico dotado de un sistema de

bombeo óptico o eléctrico, se sincroniza el paso del pulso de luz con el disparo del

sistema de bombeo.

Esto es importante por que los dos eventos tienen que estar perfectamente

sincronizados, pues si el sistema de bombeo es disparado antes o después de que

llegue el pulso de luz al amplificador, dicho pulso no será amplificado.

La figura 1.7 muestra un ejemplo de ambos pulsos, puede observarse el pulso inicial y

el pulso final amplificado. [1]

Figura 1.6 Grafica de la salida de dos pulsos de luz uno con amplificación estimulada y otro sin amplificación.[3]

(22)

1.4.3 OSCILADOR ÓPTICO.

Después de conocer el principio básico de operación de un amplificador óptico,

podemos fácilmente comprender el principio de funcionamiento de un oscilador óptico.

Consideremos una cavidad amplificadora con un sistema de bombeo, a la cual hemos

colocado en sus extremos un par de espejos planos (o ligeramente cóncavos) tal como

se muestra en la figura 1.8 donde la línea punteada indica el eje óptico del sistema. [1]

Figura1.7. Oscilador óptico con sus diferentes partes que lo integran las cuales corresponden a una cavidad amplificadora, resonadores ópticos y un sistema de bombeo [8]

El tipo de espejos y su posicionamiento reciben el nombre de resonador óptico. Uno

de los espejos del resonador es casi 100% reflejante, y el otro tiene una reflectancia

típica de alrededor del 90% este arreglo tiene un fin y casi siempre mantiene estos

porcentajes.

Para entender el principio de funcionamiento qué tiene el resonador óptico

complementaremos con a la figura 1.9, en esta se muestra al oscilador óptico

inmediatamente después de que un sistema de bombeo fuese disparado.

(23)

Figura 1.8 El principio de funcionamiento del resonador óptico radica en la amplificación de fotones donde uno de los espejos tiene 100% de reflectancia y el otro 90% es así como mantiene la gran mayoría de fotones rebotando en los

espejos y generando nuevos fotones. [8]

Se podrá observar que cualquier fotón que sea emitido en una dirección diferente a la

definida por el eje óptico del resonador óptico se perderá, mientras que cualquier fotón

emitido a lo largo del eje óptico del oscilador será amplificado por dicho proceso que

tiene el principio de emisión estimulada e inmediatamente generaremos un enorme

flujo de fotones confinados por el resonador óptico, que se propaga a lo largo del eje

óptico. Si el resonador óptico no estuviera allí, después de disparar el sistema de

bombeo los átomos que fueron excitados pasarían a su estado base debido al proceso

de emisión espontánea, emitiendo fotones en todas direcciones y perdiendo la energía

recibida por el sistema de bombeo por esta razón es importante la presencia del

resonador óptico.

La presencia del resonador óptico permite extraer en forma eficiente la energía que el

sistema de bombeo ha depositado en los átomos contenidos en la cavidad amplificadora.

Debido a que uno de los espejos del resonador tiene una reflectancia del 90% nos

permitirá que el 10% de los fotones que incidan allí sean transmitidos fuera del resonador

óptico, formando así un haz de luz muy intenso, monocromático (formado por fotones de

idéntica energía), coherente (pues todos sus fotones están en fase, ya que fueron

producidos por el proceso de emisión estimulada) y altamente direccional. Éstas son las

propiedades fundamentales de la luz láser que es generada por todo oscilador óptico. [1]

(24)

CAPÍTULO 2

LÁSERES DE DIODO.

(25)

Los láseres de diodo utilizan chips microscópicos de arseniuro de galio o de otro tipo de

semiconductores exóticos para generar luz coherente en un paquete muy pequeño. Las

diferencias de nivel de energía entre la conducción y los electrones de valencia de la

banda en estos semiconductores son los que proporcionan el mecanismo de acción del

láser. El elemento activo es un dispositivo de estado sólido y no es tan diferente de un

LED.

Los diodos láser más comunes son los se encuentran en dispositivos populares, como

reproductores de CD y punteros láser tienen una potencia máxima en el rango de los

3mW a los 5mW.

2.1 DIFERENCIA ENTRE DIODO LÁSER Y LÁSER DE DIODO.

Antes de mostrar las diferencias entre diodo láser y láser de diodo tenemos que

conocer lo más importante de ambos láseres de esta manera se podrá comparar y

obtener diferencias entre estos dos tipos de láser.

Diodo láser.

15

Este tipo de láser esta en la categoría de los láseres a base de semiconductores, en

general un diodo láser esta compuesto por una combinación del chip semiconductor

que es el encargado de realizar la función de láser y del chip de fotodiodo monitor,

este ultimo es la herramienta que funciona para el control de la retroalimentación de

potencia de salida, estos dos elementos están alojados en un paquete que

generalmente posee 3 derivaciones o conexiones y su forma es muy similar a una

lata de metal como un transistor y con una ventana en la parte superior con la función

(26)

Figura 2.1 Diodo láser posee 3 terminales para conexión y alimentación [4]

Los láseres de diodo.

Los láseres de diodos utilizan chips de tamaños muy pequeños con base en la

tecnología de los semiconductores utilizando materiales como son arseniuro de galio

o de otro tipo de exóticos para generar luz coherente en un pequeño paquete, este

láser es algo mas complejo en la construcción.[5]

Figura 2.2 EL láser de diodo compuesto de Arseniuro de galio son placas de estos elementos las cuales generan un haz laser al conducir electricidad entre estas. [5]

(27)

Después de unas breves introducciones se identifica que la diferencia entre ambos

láseres es variada.

1 La presentación de estos láseres es muy diferente, el diodo láser tiene una

carcasa metálica y el láser de diodo no la tiene.

2 El diodo láser tiene dos elementos como lo es el chip de fotodiodo y el chip

semiconductor , el láser de diodos es únicamente un chip semiconductor.

3 Ya por ultimo podríamos mencionar las diferencias de conexión y cantidad de

terminales.

Con lo anteriormente planteado se entiende que “diodo láser” no es lo mismo que

“Láser de diodo” , este concepto es importante por que hay la tendencia a confundir

ambos términos y se obtiene una explicación incoherente del tema.

2.1.1 FUNCIONAMIENTO DEL DIODO LÁSER

Un diodo láser, similar a un diodo emisor de luz (LED), se compone de una unión entre

dos semiconductores (positiva, negativa). Esta unión se conoce como una unión “PN”.

También hay una terminal para recoger la electricidad y una lente para enfocar el rayo

láser. Estos semiconductores son increíblemente pequeños, hechos de láminas muy

delgadas de material semiconductor, y están muy cuidadosamente fabricados a fin de

crear una perfecta unión “PN”.[5]

Produciendo el haz de láser

17

Los láseres son monocromáticos, es decir que solo tienen una frecuencia. Para que un

láser pueda funcionar, muchos fotones de la luz de la misma frecuencia deben viajar en

la misma dirección, haciendo que se interfieran constructivamente entre sí, lo que

aumenta la amplitud de la luz. En un diodo láser, la luz es emitida porque hay dos

electrones en la sustancia positiva, y los agujeros (la ausencia de electrones) en la

sustancia negativa. Cuando la sustancia positiva se carga, los electrones de la sustancia

positiva saltan para llenar los agujeros en el fondo negativo. Cuando los electrones

saltan, pierden energía en forma de fotones, que son los cuantos de luz. Estos fotones

(28)

los agujeros en un determinado material semiconductor, todos los fotones son de la

misma frecuencia y dirección. Esto provoca un haz de luz láser que se forma y sale a

través de la lente del diodo láser. [5]

2.1.2 TIPOS DE LÁSER

Hay muchos tipos diferentes de láser. El medio del láser puede ser un sólido, gas, líquido

o semiconductores. Los láseres son comúnmente designados por el tipo de material

empleado:

• Los láseres de estado sólido tienen material distribuido en una matriz sólida como el rubí o el neodimio. El láser de neodimio-YAG emite una luz infrarroja a 1.064

nanómetros (nm).

• Los láseres de gas como el de helio y el de helio-neón son los láseres de gas más comunes, tienen una salida primaria de luz roja visible. Los láseres de dióxido de

carbono (CO2) emiten energía en el infrarrojo lejano, y se utilizan para cortar

materiales duros.

• Los láseres excimeros (nombre derivado de excitados y dímeros) utilizan gases reactivos tales como cloro y flúor, mezclados con gases inertes tales como argón,

kriptón o xenón. Cuando es estimulado eléctricamente una seudo molécula

(dímero) es producida. El dímero produce la luz en el rango ultravioleta.

• Los láseres de colorante utilizan complejos colorantes orgánicos, tales como rodamina 6G, en solución o suspensión liquida como medios de acción láser. Son

sintonizables en un amplio intervalo de longitudes de onda.

18

• Los láseres semiconductores, a veces llamados láseres de diodo, no son láseres de estado solido. Estos dispositivos electrónicos son generalmente muy pequeños

y de baja potencia. Pueden ser incorporados en matrices grandes, tales como la

(29)

2.1.3 CARACTERÍSTICAS DE DIODO LÁSER.

A diferencia de los láseres de gas helio-neón y otros comunes (así como la mayoría de

los otros tipos de láser), el haz de salida en bruto de un emisor de borde (también

llamado de Fabry-Peroto FP) del diodo láser es muy divergente y sufre de dos

asimetrías: astigmatismo y un perfil de haz elíptico. El haz es también inherentemente y

linealmente polarizado. Todos ellos son una consecuencia directa de la forma de la

abertura de la salida en la faceta final del diodo emisor del láser ya que esta es altamente

alargada en lugar de circular.

Los diodos emisores de baja potencia suelen operar en un modo de un solo espacio para

ambos ejes. Los diodos emisores de luz de borde de más de 100mW se encuentran casi

siempre en el modo de múltiple espacio en el eje (horizontal), el modo individual en el

rápido eje (vertical). Aunque puede tomar un poco de esfuerzo un diodo de modo

individual puede ser enfocado o colimado con el rendimiento de difracción limitada en

ambos ejes. Esto no es posible ni siquiera teóricamente para un eje de la lentitud de un

diodo en el modo de múltiple espacio.[5]

2.2 COLIMACIÓN DEL HAZ DE LUZ

La luz colimada es aquella luz cuyos rayos son paralelos entre sí, lo que se puede lograr

de diferentes formas, siendo la más sencilla hacerla incidir en un espejo cóncavo desde

una fuente situada en el foco.

El flujo de la energía es unidireccional, de modo que cada rayo del haz puede

considerarse paralelo a cualquier otro. Dentro de ciertas aproximaciones acerca de la

fuente primordial puede obtenerse un haz colimado mediante un sistema de dos lentes:

La primer lente hace converger todos los rayos en la focal de la segunda, de forma que

finalmente salen paralelos.

19

El láser suele estar colimado, debido a que se genera en el interior de una cámara entre

(30)

Un espejo parabólico perfecto llevará los rayos paralelos a un foco en un único punto.

Los espejos esféricos son más sencillos de construir que los parabólicos y suelen

utilizarse para producir luz más o menos colimada. Para producir luz colimada útil, la

fuente de luz debe acercarse a un punto; es decir, debe ser pequeña con respecto al

sistema óptico. La desventaja es que, puesto que la luminosidad de la mayoría de

fuentes es baja, dicho sistema óptico no puede producir mucha energía óptica. El láser

es una excepción importante a esta regla general.

En la figura 2.3 se muestra la forma de colimar un haz laser con el lente adecuado. [2]

Figura 2.3 EL primer lente colima el haz de luz y el otro tiene a la entrada un haz colimada la cual dispersa a la salida del lente [2]

2.3 LENTES PARA COLIMAR LUZ LÁSER.

En el diseño y construcción del prototipo es necesario implementar lentes, estos lentes

nos permiten colimar y modificar el haz de luz.

El prototipo requiere una lente que sea capaz de modificar el haz de luz para poder tener

un haz que proyecte una línea recta, por otro lado se requiere otra lente que permita

modificar los rayos cuya dirección de propagación pasan por el foco objeto para poder

tener rayos paralelos al eje principal.

Una lente es un medio transparente limitado por dos superficies curvas (generalmente

esféricas), aunque una de las caras de la lente puede ser plana.

(31)

Si el grosor de la lente es despreciable, comparándolo con los radios de curvatura de las

caras que la forman, recibe el nombre de lente delgada. [2]

• Eje principal es la recta determinada por los dos centros de las superficies.

• Centro óptico cualquier rayo que pasa por ese punto emerge con la misma

dirección que la del rayo incidente.

• Foco objeto: los rayos cuya dirección de propagación pasa por ese punto emergen

paralelos al eje principal.

• Foco imagen: los rayos que inciden en la lente paralelos al eje principal emergen

siguiendo una dirección que contiene a ese punto.

• Distancia focal es la mínima distancia que hay desde el centro óptico al foco. Los

dos focos de una lente delgada están simétricamente situados a ambos lados de

la misma.

En la figura 2.4 se muestra la interacción que tiene la luz con los lentes dependiendo la

incidencia del haz, así como los focos de la lente. [2]

Figura 2.4 Las lentes modifican la dirección que toma el rayo de luz dependiendo de la lente y el angula con la que el haz inciden en la lente. [2]

(32)

Las lentes se dividen en 2 tipos esto es según su forma, las lentes pueden ser

convergentes o divergentes.

Convergentes:

Desvían los rayos acercándolos al eje óptico. Según sean sus caras, pueden ser:

biconvexas, plano convexas o menisco convergente. Son más gruesas en el

centro que en los extremos. Se representan esquemáticamente con una línea con

dos puntas de flecha en los extremos. [2]

Divergentes:

Desvían los rayos alejándolos del eje óptico. Según sean sus caras, pueden ser:

bicóncavas, plano cóncavas o menisco divergente. Son más delgadas en la parte

central que en los extremos. Se representan esquemáticamente por una línea

recta acabada en dos puntas de flecha invertidas. [2]

En la figura 2.5 se muestra los tipos lentes convergentes y divergentes.

Figura 2.5 Existen diferentes tipos de lentes para modificar el ángulo de un haz divididos en dos ramas los de tipo convergente y los de tipo divergente [2]

(33)

2.4 COHERENCIA DE LOS DIODOS LÁSER DE LONGITUD

Cualquier destello de luz, por pequeño que sea, está formado por una cantidad

demasiado grande de fotones. Un caso especial de fotones viajeros lo tenemos en la

figura 2.6 en la cual se muestra un conjunto de fotones moviéndose de izquierda a

derecha.

Figura 2.6 La coherencia es un fenómeno el cual hace referencia a un grupo de fotones que tienen el mismo ángulo de dirección lo cual significa que todos esta sincronizados. [12]

En la imagen 2.6 se puede observar que cada uno de los fotones está “sincronizado”

con respecto a todos los demás. No hay un solo fotón que viaje un poco “más adelante”

o un poco “más retrasado” con respecto al resto de los fotones.

Poniéndolo en terminología más formal, decimos que todos los fotones están en fase.

Cuando todos los fotones están en fase los unos con respecto a los otros, se determina

que tenemos un estado coherente. Esta es una situación muy peculiar que no se da

espontáneamente en la Naturaleza de manera perceptible.

La luz diurna con la que se lleva a cabo las actividades cotidianas, la cual está formada

por fotones que abarcan una amplia gama de frecuencias (colores) ciertamente no es

coherente, cada uno de los fotones está desfasado con respecto a los demás y los

fotones viajan en direcciones diferentes.

La luz monocromática, aunque sea de un solo color, tampoco es coherente, porque los

fotones también se desplazan en todas direcciones. Únicamente la luz cuyos fotones

(34)

viajan en fase los unos con respecto a los otros es coherente, y este tipo de luz es

producido por lo que hoy conocemos como el láser.

En la figura 2.7 se muestra la luz coherente y la luz que no es coherente, incluso la luz

monocromática no tiene que ser coherente necesariamente. [12]

Figura 2.7 Existen diferentes tipos de luz, la luz blanca no es coherente, la luz monocromática tampoco es coherente y al final la luz láser que es una luz coherente [12]

La luz coherente tiene una característica muy distintiva que la delata: siempre viaja en

una misma dirección sin disminuir apreciablemente su intensidad en grandes distancias.

Esto se debe a que si alguno de los fotones viaja a cierto ángulo con respecto a la

dirección en que viajan todos los demás, la proyección de su longitud de onda λ sobre el eje a lo largo del cual se están desplazando todos los demás fotones dará

necesariamente una longitud de onda más corta a lo largo del eje común, o sea una

frecuencia diferente, y con una frecuencia diferente ese fotón no puede mantenerse en

fase con respecto a los demás aunque su frecuencia medida a lo largo de la dirección en

la que se mueve sea igual a la frecuencia de los demás fotones medida a lo largo de la

dirección en la que se mueven.

2.5 SENSOR A BASE DE UNA FOTORRESISTENCIA.

El sensor que se utiliza para la detección del haz láser es un sensor LDR (Light

Dependent Resistor, o Resistor Dependiente de la Luz) como su nombre lo indica, el

motivo de la elección de este tipo de sensor es por el bajo costo principalmente, sin en

cambio hay mejores sensores con mas precisión como los CCD (CHARGE COUPLED

DEVICE) el problema de este tipo de sensores es que el mercado en México esta

(35)

limitado y por otro lado si se realizan pedidos al extranjero se tienen que realizar por

mayoreo incrementando los costos que ya no serian rentables para el prototipo.

Las LDR son resistencias cuyo valor varía de acuerdo al nivel de luz al que están

expuestas en este caso al haz de luz láser.

En la figura 2.8 se muestra el símbolo utilizado para representar las LDR en los

esquemas electrónicos, aunque en ocasiones pueden ser diferentes, pero siempre

tomando como base el símbolo de una resistencia común con alguna flecha o flechas

que simbolizan la incidencia de la luz. [13]

Figura 2.8 Símbolo representativo de una LDR utilizado en diagramas eléctricos. [13]

El funcionamiento está basado en el efecto fotoeléctrico. Una LDR está hecha de un

semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio.

Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante.

Las células de sulfuro del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de variar su

resistencia según la cantidad de luz que incide la célula. Cuanta más luz incide, más baja

es la resistencia. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de

frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV).

Es por esta razón que es un sensor adecuado para este proyecto, aun cuando tienen

diferentes valores al requerido para este prototipo es de 10 MΩ, en la figura 2.9 se muestra una LDR en su forma física.[13]

(36)

Figura 2.9 LDR o resistencia dependiente de la luz la cual modifica si valor resistivo proporcionalmente a la cantidad de luz incidida sobre esta. [13]

En la figura 2.10 se muestra la grafica de la curva característica de una LDR y se

puede observar que la resistencia es inversamente proporcional a la intensidad de luz.

Figura 2.10 El comportamiento de una LDR donde la resistencia es inversamente proporcional a la I luminosa [13]

(37)

CAPÍTULO 3.

METODOLOGÍA DE DISEÑO DEL PROTOTIPO PARA

MEDICIÓN DE DIÁMETROS A BASE DE TECNOLOGÍA

LÁSER.

(38)

Se explica el principio de funcionamiento del prototipo para medición de diámetros

con tecnología láser, describiendo las etapas realizadas para obtener la medición.

La interface grafica que se utiliza en el software LABVIEW y de que manera se

adquieren datos por la PC del prototipo físico.

Con ayuda del software (MULTISIM) se realizaron simulaciones del arreglo para la

fuente de poder que controla el voltaje máximo que alimenta al diodo láser.

Se aborda el desarrollo experimental del prototipo, antes de poder realizar físicamente

un proyecto es importante realizar simulaciones, de esta manera se puede observar el

comportamiento del mismo.

3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL PROTOTIPO.

El diseño del prototipo para medición de diámetros a base de tecnología láser esta

compuesto con diferentes elementos, el primero que se requiere es un haz de luz láser

que se puede obtener con el diodo láser, el haz requerido tiene que tener la

característica principal de ser una haz en forma de línea recta y no un punto como

normalmente lo conocemos, en la figura 3.1 se muestra el haz de luz láser que se

requiere.

Figura 3.1 Ejemplo de un láser cilíndrico que proyecta un haz de luz en forma de línea recta, tiene gran utilidad cuando se requiere crear una cortina la cual nos proporciona mayor área de detección. [2]

(39)

El haz láser tiene que ser colimado para tener una pantalla de luz en forma horizontal,

después de salir un haz en forma de línea recta ahora se coloca un lente para poder

tener la pantalla.

El haz de luz es el medio emisor, se requiere un elemento receptor el cual esta

compuesto de una LDR(Light Dependent Resistor), el receptor se encuentra montado

en un carro de DVD o CD el cual se mueve con ayuda de un motor, esto permite que el

receptor realice un barrido de la emisión del haz láser.

Cuando la pieza que se desea medir se interfiere entre el emisor láser y el receptor

esta proyecta una sombra, cuando el receptor realiza el barrido detecta esta sombra

mandando una señal en el momento de la interrupción del haz de luz láser y hasta que

el haz deje de ser interrumpido.

En la figura 3.2 se muestra un ejemplo del proceso que ocurre para poder llevar a

cabo la medición de la pieza.

Figura 3.2 Sistema empleado para poder tomar la medición a partir de la sombra de un objeto o pieza con el receptor por medio de un barrido lineal que se realiza en el lado opuesto de donde se genera la cortina de haz

laser. Dónde:

a) Láser con un arreglo óptico para poder formar la línea horizontal divergente. b) Lente biconvexo para poder colimar el haz de luz divergente.

c) Objeto o pieza medir (no translucida). d) Sensor que detecta la luz (LDR).

e) Carro de DVD encargado de hacer el barrido del Sensor detector de luz. f) Motor que mueve el carro de DVD para poder hacer el barrido.

(40)

Una vez que el haz de luz láser deja de ser interrumpido por la pieza a medir el receptor

o la LDR dejan de mandar la señal analógica a la tarjeta de adquisición de datos

NI-USB-6008, la tarjeta es el elemento que permitirá comunicar el prototipo físico con la PC.

La comunicación con la PC es una parte fundamental en el prototipo, ya que en el

software LABVIEW es donde se lleva a cabo el control para la medición.

El software esta encargado de adquirir las señales analógicas de la LDR para controlar

un contador en el programa, el cual tiene relación con el tiempo que tarda la LDR en

dejar de mandar la señal, este tiempo es utilizado para obtener la medida.

El programa realizado en LABVIEW es el encargado de obtener la medida a partir del

tiempo y la velocidad del motor.

3.2 FUENTE DE PODER PARA EL MEDIDOR LÁSER.

La fuente de poder que se diseño esta basada en arreglos con el LM317 que es

un regulador de voltaje, de esta manera también podemos modificar el voltaje y la

corriente con la cual se alimenta el diodo láser. En la figura 3.3 se muestra el arreglo

original del LM317.

Figura 3.3 Un regulador de voltaje con el LM317 el cual nos proporciona un voltaje constante y adecuado sin variaciones para alimentar correctamente el diodo laser. [8]

(41)

El arreglo anterior proporciona la estructura requerida para alimentar un diodo láser,

después de modificar las resistencias con ayuda de las formulas establecidas

conseguimos el voltaje deseado.

Los cálculos que se realizaron son los siguientes:

(3.1)

De la ecuación 3.1 se tiene:

• Vo = voltaje de salida (v).

• V adj=voltaje de referencia del lm317 (1.25v). • R= resistencia correspondiente (Ohm).

Con la formula anterior se puede conocer el voltaje de salida, para este proyecto se

desea un voltaje máximo de 2.5v por que al pasar de 3v el láser se quemaría,

despejando la formula nos queda lo siguiente:

Donde 1.25 es el ADJ que es un voltaje de referencia, manejamos una resistencia inicial

fija que es R1 de 1K Ohm después de realizar el cálculo el resultado es el siguiente:

Una vez obtenidos estos resultados se decide colocar un potenciómetro de 1K Ohm

para tener como máximo 2.5v y no dañar el diodo láser a un cuando el potenciómetro

(42)

esté en su máximo, de esta manera podemos reducir dicha resistencia para colocar la

corriente entre 20mA y 25mA que es una corriente suficiente para el funcionamiento del

diodo láser que es utilizado en el prototipo.

El diodo láser no debe de ser alimentado con mas de 3v y la corriente es

directamente proporcional a la potencia del láser, en este proyecto no es necesaria una

potencia por arriba de los 25mA, por que solo se necesita luz suficiente para excitar la

fotorresistencia así que se alimentó el láser con 20mA suficiente corriente para que el

láser genere un haz de luz que excita la fotorresistencia.

3.3 SIMULACIÓN DE LA FUENTE DE PODER PARA EL DIODO LÁSER.

En el subtema 3.2 se realizaron los cálculos para obtener los valores deseados para

la fuente de poder, partiendo de los resultados obtenidos se llevan a cabo las

simulaciones de la fuente.

En las siguientes simulaciones se puede notar que los resultados obtenidos son similares

a los calculados y esto es por que los 2 están basados en valores ideales algo que no

podrá ser en la parte práctica por que se tienen pérdidas por calor en cada uno de los

elementos que conforman el circuito.

En la figura 3.4 se muestra la simulación en MULTISIM donde el diagrama eléctrico

de la fuente de poder está alimentado originalmente con 5V para poder manipular el

voltaje posteriormente las mediciones se encuentran sin carga.

(43)

Figura 3.4 Simulación en MULTISIM para el arreglo del LM317, donde se muestra el valor del voltaje máximo para alimentar el diodo.

También se tiene que realizar en la misma simulación la prueba de voltaje con carga, el

elemento electrónico similar a un diodo láser es un LED (Diodo Emisor de Luz)

normal con la diferencia de la corriente, el diodo láser demanda más corriente.

En la figura 3.5 se muestra el arreglo con carga para ver como reduce lógicamente el

voltaje.

Figura 3.5 Simulación en MULTISIM para el arreglo del LM317, se muestra el valor del voltaje con carga.

(44)

Una variable importante en la fuente es la corriente, el arreglo no permite más de 25mA para alimentar el diodo láser, se realiza una simulación para ver el comportamiento del circuito y ver que los elementos escogidos sean los correctos para que la corriente este en los valores deseados.

No se pueden tener corrientes por encima de 80mA de otro modo se puede dañar

el diodo láser.

En la figura 3.6 se muestra la simulación de la corriente generada en el circuito, al no

poder colocar un diodo láser se tiene que realizar con un LED y se coloca una

resistencia pequeña de 100Ω en el ejemplo para equiparar consumo con el diodo láser.

Figura 3.6 Simulación en MULTISIM para el arreglo del LM317, donde se indica el valor de la corriente máxima

Las simulaciones fueron la pauta para la construcción física del circuito, partiendo de

las simulaciones anteriores y respetando los valores de cada elemento se construye

el arreglo realizando las mediciones físicas.

En la figura 3.7 se muestra físicamente el arreglo soldado en la placa perforada con la

fuente de poder, listos para alimentar al diodo láser.

(45)

Figura 3.7 La fuente de poder soldada con el arreglo para que el diodo láser se alimente con el voltaje adecuado y no se dañe ya que son vulnerables a una inadecuada alimentación.

3.3.1 RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES.

Se realizaron las simulaciones con valores de resistencias calculados tomando en

cuenta valores deseados, los resultados obtenidos por las simulaciones son similares

a los teóricos, en la tabla 3.1 se muestra una comparación de los resultados recabados

en las 2 etapas.

Tabla 3.1 (comparación entre resultados teóricos y los resultados de la

simulación.)

(46)

Medición Teóricos Simulación

V salida 2.5 v 2.57v

R2 1K Ohm 1K Ohm

I 25 mA 25.733 mA

V entrada 5 V 5V

3.4 LABVIEW COMO INTERFACE DEL PROTOTIPO.

Para la interface del instrumento se toma la decisión de implementar el software

LABVIEW, las razones por las cuales se decide son las siguientes:

• Interface grafico y amigable. • Fácil programación.

• Software de última generación.

• Comunicación por tarjeta USB-6008 (disponible en el Instituto.) • Entradas y salidas analógicas.(12 bits)

• Compatibilidad con software para PLC

36

El programa realizado en LABVIEW tiene como función principal controlar el motor

encargado de mover el carro que lleva la fotorresistencia de esta forma se realiza el

barrido para que esta ultima pueda obtener la medición , al mismo tiempo controla la

adquisición de la señal de la LDR que tiene la función de un switch, cuando la luz láser

es interrumpida por la pieza que se desea medir al pasar la LDR por ese punto no

detectará la luz, en ese momento comienza un contador en el programa, la

programación realizará la multiplicación del tiempo trascurrido por la velocidad del motor

arrojando valores que van incrementando, cuando la LDR nuevamente detecta el haz

(47)

En la figura 3.8 se muestra la interface de LABVIEW con los elementos antes

mencionados.

Figura 3.8 El panel frontal contiene los elementos básicos del programa entre los cuales se encuentra el botón on/off y las pantallas de resultado, tiempo de medición y fecha y hora de la medición

En LABVIEW existen 2 pantallas la primera corresponde al nombre “panel frontal” y la

segunda al de “diagrama de bloques”, los cálculos y metodología de programación se

realizan en el diagrama de bloques, la primer pantalla o el panel frontal mostrado en la

figura 3.8 se encarga de mostrar al usuario la interface del programa y permite realizar

el control de algunos elementos sin modificar la programación original como en una HMI

(Human Machine Interface).

La programación realizada en la 2° pantalla (diagrama de bloques) para el prototipo se

muestra en la figura 3.9.

(48)

Figura 3.9 El panel de diagrama de bloques es la parte lógica con los elementos matemáticos y las conexiones entre diferentes componentes de control e indicación

La simulación de la interface del programa mostrado es una antesala de la HMI final,

en el capítulo 4 se muestra la integración de los DAQ ASSISTANT.

En la figura 3.10 se muestra las pantallas principales del DAQ.

Figura 3.10 Pantalla del DAQ donde se configuran las entradas y las salidas de la tarjeta NI-USB-6008 para comunicación con la PC

(49)

CAPÍTULO 4.

CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO PARA MEDICIÓN DE

DIÁMETROS CON TECNOLOGÍA LÁSER.

(50)

En este capítulo se demuestran todos los conocimientos adquiridos para poder

realizar el objetivo del presente trabajo, en este capítulo se realizará el desarrollo del

prototipo para medición de diámetros que se plantea en capítulos anteriores.

El desarrollo de este proyecto requiere conocimientos en diferentes áreas y la

utilización de diversos materiales así como herramientas de trabajo, se irán

desglosando los materiales para la construcción del prototipo de medición de

diámetros.

4.1. ELEMENTOS NECESARIOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL MEDIDOR LÁSER.

Este equipo esta constituido por diferentes componentes mecánicos, eléctricos y

electrónicos los cuales se mostrarán a detalle cada uno de estos, a continuación se

muestra una lista de los materiales y herramientas necesarias para el desarrollo del

prototipo.

Materiales:

• Diodo láser.

• Lm317

• Foto resistencia (LDR).

• Carro del láser de CD o DVD. • Resistencias de 470 Ohm • Resistencias de 1 K Ohm

• Cable de 1 hilo para PROTOBOARD. • Carcasa del prototipo.

• Fuente para el diodo láser. • Lentes para haz láser. • Placa perforada.

40

(51)

Herramientas:

• Cautín eléctrico. • Soldadura y pasta. • Desarmadores. • Protoboard. • Pegamentos.

• Herramientas mecánicas varias.

Herramientas de software:

• LABVIEW

41

• Multisim.

Diodo láser.

Este elemento uno de los más importantes del cual se encuentra la explicación a detalle

(capítulo 2.1), en mercado nacional es algo complicado conseguir los diodos láser en

su forma individual, por este motivo se tienen que obtener a partir de diferentes

elementos que los contienen el mas usual y común seria un quemador de DVD, de esta

manera podremos obtener el carro del láser y el diodo láser en una única pieza, la

figura 4.1 muestra el quemador de DVD y la ubicación de diodo láser que se requiere

(52)

Figura 4.1 El quemador de DVD en el cual esta integrado el diodo láser, debajo del lente elemento que es necesario para la realización del prototipo. [9]

El láser que se emplea en el prototipo es un diodo láser, se enuncian algunas

características de por que se emplea este diodo.

• Se puede encontrar en diferentes aparatos electrónicos facilitando su obtención.

• Resistente por su carcasa de metal con respecto del láser de diodo. • Más económico que láseres de gas entre otros.

• Diseño compacto que proporciona el diodo láser contra láseres de gas.

• Perteneciente a los láseres de semiconductores en esta categoría tienen baja potencia, potencia suficiente para el prototipo.

(53)

43 Carro de láser de DVD o CD.

Este elemento se decide tomar gracias a las partes que lo incorporan como son los

diferentes engranes para llevar el movimiento del motor al carro donde se

encuentra el láser originalmente, y donde se decide modificar para poder colocar la

fotorresistencia, de esta manera podremos realizar un barrido que recorra la proyección

del haz de luz láser para que la fotorresistencia pueda obtener las mediciones, en la

figura 4.2 se muestra un ejemplo del carro de láser de DVD.

Figura 4.2 E carro de láser de DVD con tiene elementos montados entre los que se encuentra el motor de CD y un switch final de carrera para controlar la señal de control.

NI-USB-6008 (tarjeta de comunicación con la PC)

Este elemento permite la comunicación con la PC para poder controlar y adquirir la

señal del instrumento, que posteriormente será manipulada en el software para

proporcionar la medición, en la figura 4.3 se muestra la tarjeta de comunicación su

hoja de especificaciones se puede encontrar al final de la tesis en la sección de anexos,

(54)

44

equipo en la institución con respecto a otro modelo de tarjeta con mejores

características.

Figura 4.3 Tarjeta de adquisición de datos NI-USB-6008 necesaria para la comunicación con la PC todos los datos mostrados se encuentran en la datasheet en la parte de anexos.

4.2. CONSTRUCCIÓN DEL SENSOR.

Este sensor va estar en constante movimiento por esta razón esta soldado en una placa

perforada, previo a ello se colocan aislantes en las terminales de la fotorresistencia

para evitar contactos indeseados en el momento de operar como se muestran en la

(55)

45

Figura 4.4 Sensor a base de una fotorresistencia como medio receptor para realizar la medición correspondiente.

Una vez que se tiene soldada la fotorresistencia el procedimiento que le precede es

montarlo en el carro de DVD.

En esta parte del proceso se retiran los cristales que tiene el carro después de retirar

el diodo láser , una vez realizado este proceso se procede a montar el sensor de tal

manera que la fotorresistencia quede en posición para detectar el haz de luz láser y

poder mandar la señal detectada a la computadora para realizar la medición.

En la figura 4.5 se muestra como es acoplado dicho sensor al carro que poseía el

diodo láser y que previamente fue tratado y desmantelado para conseguir las

condiciones requeridas.

(56)

46

El sensor esta controlado por la interface del programa pero como un elemento de

control físico podemos mencionar un final de carrera que funciona como SWITCH, de

esta manera el control del recorrido del sensor (LDR) estará limitado hasta el punto

donde se encuentra el switch que tiene la función de detener el motor así no se

dañaran los engranes del carro, la figura 4.6 muestra el tipo de switch que se

utiliza para el proyecto.

Figura 4.6 El switch encargado de controlar el estado off del motor

4.3. HAZ DE LUZ CON DIODO LÁSER.

El haz de luz láser es un elemento significativo para este prototipo, es por esta razón

que la generación y control de este elemento es fundamental, en la figura 4.7 se

muestra el elemento básico (diodo láser) que se implementó para generar el haz de

(57)

47

Figura 4.7 Diodo láser utilizado en el prototipo con su disipador de calor el cual es necesario por el alto nivel de temperatura que maneja este elemento y el cual protege de un daño severo al diodo.

El diodo láser no se compró en su forma individual, esto es un inconveniente porque al

tomar un diodo láser de algún elemento electrónico se tiene la desventaja que no se

puede conocer el datasheet exacto, pero en la parte de anexos se muestra un

datasheet de un diodo láser con las mismas características entre las que se encuentra la

potencia y longitud de onda, mostrando las especificaciones del diodo láser.

4.4. COLIMACIÓN DEL HAZ DE LUZ LÁSER CON LENTES.

El haz de luz que se genera con el diodo láser todavía no es colimado, es por esta

razón que requerimos lentes para concentrar esa luz y hacer un rayo, el instrumento

que diseñamos tiene necesidades mas especificas ya que ocupa un rayo colimado

pero en forma de línea vertical, esto puede ser realizable con los lentes adecuados.

(58)

48

Figura 4.8 Arreglo óptico para generar una línea recta del haz de luz Láser necesaria para tener la cortina requerida para la medición por medio de un barrido con el receptor.

Una vez que se tiene el lente se coloca frente al diodo láser para realizar las pruebas en

la figura 4.9 se muestra la línea proyectada gracias a la lente ocupada.

Figura 4.9. A la izquierda se encuentra el haz de luz que proyecta el diodo láser, a la derecha la misma proyección después de colocar el arreglo óptico.

4.5 IMPLEMENTACIÓN DEL PROGRAMA EN LABVIEW.

En esta etapa el control del instrumento es algo fundamental para completar el

proyecto esto es posible con ayuda del software (LABVIEW).

Este software tiene características visuales relevantes para poder tener un HMI

(59)

49

En el capítulo 3 se mostró la simulación del programa, en este se implementaran los

DAQ que son la herramienta que nos permite comunicarnos físicamente por medio de

la tarjeta (NI-USB-6008) para manipular y controlar el prototipo.

Los DAQ nos permiten realizar estas operaciones declarando salidas o entradas,

estas pueden ser analógicas o digitales.

En la figura 4.10 se muestran las conexiones realizadas físicamente en la tarjeta.

Figura 4.10 conexiones físicas del sensor

En al figura 4.11 se muestra las pantallas de programación con las DAQ asignadas en

Figure

Figura 1.2 La luz láser se amplifica por emisión estimulada: por cada fotón incidente se producen dos

Figura 1.2

La luz láser se amplifica por emisión estimulada: por cada fotón incidente se producen dos p.16
Figura 1.6 Grafica de la  salida de dos pulsos de luz uno con amplificación estimulada y otro sin  amplificación.[3]

Figura 1.6

Grafica de la salida de dos pulsos de luz uno con amplificación estimulada y otro sin amplificación.[3] p.21
Figura 2.2 EL  láser de diodo compuesto de Arseniuro de galio son placas de estos elementos las cuales generan un

Figura 2.2

EL láser de diodo compuesto de Arseniuro de galio son placas de estos elementos las cuales generan un p.26
Figura 2.3 EL primer lente  colima el haz de luz y el otro tiene   a la entrada un haz colimada la cual dispersa a la salida del lente [2]

Figura 2.3

EL primer lente colima el haz de luz y el otro tiene a la entrada un haz colimada la cual dispersa a la salida del lente [2] p.30
Figura 2.4 Las lentes modifican  la dirección que toma  el  rayo de luz dependiendo de la lente y  el angula con la que el  haz inciden en la lente

Figura 2.4

Las lentes modifican la dirección que toma el rayo de luz dependiendo de la lente y el angula con la que el haz inciden en la lente p.31
Figura 2.10  El comportamiento de  una LDR  donde la resistencia es inversamente proporcional a la I luminosa [13]

Figura 2.10

El comportamiento de una LDR donde la resistencia es inversamente proporcional a la I luminosa [13] p.36
Figura 3.4 Simulación  en MULTISIM  para  el   arreglo del LM317, donde  se muestra  el valor del  voltaje máximo para alimentar el  diodo

Figura 3.4

Simulación en MULTISIM para el arreglo del LM317, donde se muestra el valor del voltaje máximo para alimentar el diodo p.43
Figura 3.5 Simulación en MULTISIM para el arreglo del LM317, se muestra el valor del voltaje con carga

Figura 3.5

Simulación en MULTISIM para el arreglo del LM317, se muestra el valor del voltaje con carga p.43
Figura 3.6 Simulación  en MULTISIM  para  el   arreglo del LM317, donde  se indica  el valor de la corriente máxima

Figura 3.6

Simulación en MULTISIM para el arreglo del LM317, donde se indica el valor de la corriente máxima p.44
Figura 3.7 La fuente de poder soldada con el arreglo para que el diodo láser se alimente con el voltaje adecuado y no se  dañe ya que son vulnerables  a una inadecuada alimentación

Figura 3.7

La fuente de poder soldada con el arreglo para que el diodo láser se alimente con el voltaje adecuado y no se dañe ya que son vulnerables a una inadecuada alimentación p.45
Figura 3.8 El panel frontal contiene los elementos  básicos del programa entre los cuales se encuentra el botón on/off

Figura 3.8

El panel frontal contiene los elementos básicos del programa entre los cuales se encuentra el botón on/off p.47
Figura 3.10 Pantalla del DAQ donde  se  configuran las entradas  y las salidas de la tarjeta  NI-USB-6008 para comunicación con la PC

Figura 3.10

Pantalla del DAQ donde se configuran las entradas y las salidas de la tarjeta NI-USB-6008 para comunicación con la PC p.48
Figura 3.9 El panel de diagrama de bloques es la parte lógica con los elementos matemáticos y las  conexiones entre

Figura 3.9

El panel de diagrama de bloques es la parte lógica con los elementos matemáticos y las conexiones entre p.48
Figura  4.1 El quemador de DVD en el cual  esta integrado el diodo láser, debajo del lente  elemento que es necesario

Figura 4.1

El quemador de DVD en el cual esta integrado el diodo láser, debajo del lente elemento que es necesario p.52
figura 4.2 se muestra  un ejemplo  del carro   de  láser  de DVD.

figura 4.2

se muestra un ejemplo del carro de láser de DVD. p.53
Figura 4.9. A la izquierda se encuentra  el haz de luz que proyecta el diodo láser, a la derecha la  misma proyección  después de colocar el arreglo óptico

Figura 4.9.

A la izquierda se encuentra el haz de luz que proyecta el diodo láser, a la derecha la misma proyección después de colocar el arreglo óptico p.58
Figura 4.8 Arreglo óptico para generar  una  línea recta  del haz de luz Láser  necesaria para tener la cortina requerida

Figura 4.8

Arreglo óptico para generar una línea recta del haz de luz Láser necesaria para tener la cortina requerida p.58
Figura 4.10 conexiones físicas del sensor

Figura 4.10

conexiones físicas del sensor p.59
Figura 4.12 Barra de herramientas del panel frontal de LABVIEW

Figura 4.12

Barra de herramientas del panel frontal de LABVIEW p.60
Figura 4.11 Las DAQ asignadas estas son encargadas de  adquisición de señales o generación de señales

Figura 4.11

Las DAQ asignadas estas son encargadas de adquisición de señales o generación de señales p.60
Figura 4.14 Los  indicadores del sistema para el monitoreo del mismo  entre los que se encuentra resultado de la medición con sus unidades en mm, configurable si es requerida en otra unidad

Figura 4.14

Los indicadores del sistema para el monitoreo del mismo entre los que se encuentra resultado de la medición con sus unidades en mm, configurable si es requerida en otra unidad p.61
Figura 4.13 Botón de inicio encargado de iniciar el programa  para llevar  acabo la medición

Figura 4.13

Botón de inicio encargado de iniciar el programa para llevar acabo la medición p.61
Tabla 5.1 La tabla comparativa muestran los resultados de la mitad de mediciones de la

Tabla 5.1

La tabla comparativa muestran los resultados de la mitad de mediciones de la p.63
Figura 5.2 Error  absoluto del  prototipo tomando una muestra de las mediciones totales

Figura 5.2

Error absoluto del prototipo tomando una muestra de las mediciones totales p.66
Tabla 5.2 (se muestran las mediciones con el calibrador vernier y el prototipo).

Tabla 5.2

(se muestran las mediciones con el calibrador vernier y el prototipo). p.67
Figura 5.3.Grafica  comparativa  del calibrador vernier  y el prototipo para medición de diámetros con tecnología láser

Figura 5.3.Grafica

comparativa del calibrador vernier y el prototipo para medición de diámetros con tecnología láser p.68
Figura 5.4 Prototipo tomando la medida una pieza sin estar ensamblado completo (falta estructura)

Figura 5.4

Prototipo tomando la medida una pieza sin estar ensamblado completo (falta estructura) p.68
Figura 5.5 Barra metálica que se usa para las pruebas de mediciones medida indicada según fabricante es de 8.389 mm

Figura 5.5

Barra metálica que se usa para las pruebas de mediciones medida indicada según fabricante es de 8.389 mm p.69
Tabla 5.3  (Se muestra  una  cotización del prototipo)

Tabla 5.3

(Se muestra una cotización del prototipo) p.70
Figura 1 (micrómetro láser) [10]

Figura 1

(micrómetro láser) [10] p.74