EuroWire July 2015

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Artículo técnico
Julio de 2015 74
En esta imagen, re/D es aproximadamente
un dos por ciento. Por lo tanto, re/π*D <
1% de la circunferencia. Las dimensiones
del destello dependen de las dimensiones
de la fuente de luz puntual y de la apertura
angular del observador (óptica del sensor).
La energía destellada al observador
(sensor) es modulada fuertemente por
la calidad de la superficie, la rugosidad,
el color (absorción), los defectos, pero
también por la forma local del cilindro. Por
lo tanto, haciendo girar la luz alrededor del
eje del alambre, girará también el destello
sobre la superficie con relación a un
observador fijo.
Esto genera una imagen de la
circunferencia. Durante su movimiento, el
alambre desarrolla una imagen completa
de la superficie.
Si el diseño está realizado bien, cualquier
pequeño defecto superficial, cambio
de color o forma producirá localmente
una reducción significativa de la energía
destellada hacia el sensor.
La Figura 2 muestra los parámetros clave
del principio:
En el plano de corte del alambre, los rayos
de luz incidentes son casi líneas paralelas.
Perpendicularmente al eje del alambre,
cada rayo de la fuente de luz es enfocado
en una línea estrecha.
2*α, depende de la apertura angular del
sistema óptico y determina el tamaño del
punto luminoso sobre la circunferencia del
alambre: r*α.
2*β, depende de la incidencia angular de
la fuente de luz.
Si “A” es el factor de absorción/difusión
superficial del alambre, la energía
luminosa “E” recibida por el sensor es:
E = A*ie* r*α*cosβ
Las consecuencias de estas relaciones son:
• El tamaño del punto luminoso (r*α) es
proporcional al diámetro del alambre,
que es bastante aceptable, y a la
apertura angular del sistema óptico.
• La energía recibida por el sensor
varía según la incidencia angular
de la fuente de luz en función del
cosβ. Usando tres sensores, “β” varía
de ±60° por sensor, generando una
modulación de amplitud de la señal de
un 50 por ciento. Esto es compensado
por un factor de corrección para
visualizar una respuesta plana. Con
cinco sensores, la variación directa se
reduce a un 20 por ciento.
• La energía recibida por el sensor
también es directamente proporcional
al diámetro del alambre. Esto significa
que es necesario adaptar la energía
de la fuente de luz incidente “ei”,
como también la tecnología de los
sensores, según la gama de diámetros
a controlar. El diámetro más pequeño
que se pudo controlar fue el de un
alambre de tungsteno (color negro) de
10μm.
• El factor A tiene un impacto
significativo tanto durante la difusión
de la energía (rugosidad), como
durante la absorción del rayo de luz a
850nm.
Otro efecto importante es el cambio
de forma a lo largo del eje del alambre
(abultamientos, estrechamientos, defectos)
que desvía los rayos reflejados fuera de la
apertura angular del sensor.
Diseño
Para hacer girar la fuente del punto
luminoso, se realizó un anillo con varias
fuentes de luz alrededor del eje del
alambre, con una sola fuente de luz
en función a la vez. Encendiendo las
fuentes de luz una a una se genera un
punto luminoso que gira alrededor del
alambre. Tres sensores a 120° controlan
simultáneamente la energía destellada
sobre la superficie del alambre.
El sistema de la fuente de luz concentra
cada rayo emitido en una línea estrecha
perpendicular al eje del alambre. El rayo es
casi paralelo al otro plano.
El espesor de la línea determina la
resolución sobre el eje del alambre. Por
lo tanto, las dimensiones de las fuentes
deben ser pequeñas y el sistema óptico
suficientemente bueno para la aplicación.
La Figura 6, tomada con una matriz CCD
en la posición del alambre, muestra
el tamaño de la línea de luz (blanca)
perpendicular al eje del alambre. La forma
Gaussiana de la densidad de energía de la
línea de luz determina la anchura eficaz a
aproximadamente 20μm.
Entonces, el tamaño del punto luminoso
a lo largo del eje del alambre (Resolución
Línea: LR) es casi constante, pero en la
circunferencia (Resolución Circunferencia:
CR), varía proporcionalmente al diámetro
del alambre (r*α.).
La resolución de la línea sobre el alambre
depende sólo del sistema de fuentes de
luz y no del sensor.
Para tener éxito con este desarrollo, las
fuentes de luz eran el punto clave. Deben
ser pequeñas y rápidas, pero deben
generar rayos de luz muy homogéneos
con características uniformes. Estas
características fueron desarrolladas
específicamente y con éxito para esta
aplicación.
▲ ▲ Figura 2: Iluminación
E = A*ie* r*α*cosβ
Sistema óptico sensor
Alambre, radio « r »
Superficie
pulida Difusión
▲ ▲ Figura 3: Efecto de la rugosidad
▲
▲ Figura 4: Efecto del cambio de forma. Imagen de
modelación
Rayos de la fuente de luz,
energía incidente « ie »
▲ ▲ Figura 6
▲ ▲ Figura 5: Vista frontal del sistema
Posiciones fuente/fotosensores
Zona 1/sensores A+C
Zona 2/sensores B+A
Zona 3/sensores C+B
Fotosensor A
Anillo de fuentes de luz
elementales
Área de medición
Fotosensor C
Fotosensor B
Zona 1
Zona 2
Zona 3