Automatización y análisis de un sistema de medidas distribuido para el estudio del impacto del strain en estructuras civiles

Curso: 2023-2024 Director: Aldabaldetreku Etxeberria, Gotzon Codirector: Zornoza Indart, Ander Estudiante: Peña Zuazo, David AUTOMATIZACIÓN Y ANÁLISIS DE UN SISTEMA DE MEDIDAS DISTRIBUIDO PARA EL ESTUDIO DEL IMPACTO DEL STRAIN EN ESTRUCTURAS CIVILES GRADO EN TECNOLOGÍA DE TELECOMUNICACIONES TRABAJO FIN DE GRADO Fecha: Bilbao, 18 de julio de 2024 2 RESUMEN Este documento detalla el proyecto que se ha llevado a cabo sobre cómo los cambios de strain generan pérdidas sobre la fibra óptica. Con este experimento llevado a cabo hemos podido identificar con éxito las zonas exactas, con una precisión de 0.2 µm, en las que se producen estos efectos de cambio de strain. Para llevar a cabo el proyecto se ha planteado una metodología por objetivos, que se han ido cumpliendo en las fechas establecidas para así poder terminar el proyecto dentro de la fecha límite. Tras realizar 3 bancadas de medidas se han obtenido unos resultados buenos que posteriormente se han analizado y se han sacado conclusiones al respecto. Las conclusiones obtenidas han sido satisfactorias y confirman que las mediciones están acordes y dentro de los parámetros especificados por el fabricante del equipo de medición, LUNA Tecnologies. Palabras claves: Fibra óptica, strain, Optical Backscatter Reflectometer, automatización, monitorización. LABURPENA Dokumentu honetan, strain aldaketek zuntz optikoaren gaineko galerak nola sortzen dituzten azaltzen da. Egindako esperimentu honen bidez, strain aldaketaren efektu horiek eragiten dituzten eremu zehatzak identifikatu ahal izan ditugu, 0.2 µm-ko doitasunarekin. Proiektua gauzatzeko, helburuen araberako metodologia bat planteatu da, eta ezarritako datetan bete dira, proiektua epemugaren barruan amaitu ahal izateko. Hiru neurketa-siakuntza egin ondoren, emaitza baliogarriak lortu dira, eta ondoren aztertu eta ondorioak atera dira. Lortutako ondorioak onak izan dira eta neurketak bat datozela baieztatu da, neurketa-ekipoaren fabrikatzaileak, LUNA Tecnologies-ek, zehaztutako parametroen barruan. Gako-hitzak: zuntz optikoa, strain, Optical Backscatter Reflectometer, automatizazioa, monitorizazioa. ABSTRACT This document explains how strain changes cause losses on fiber optics. Through this experiment, we have been able to identify the specific areas that produce these strain change effects, with a precision of 0.2 µm. In order to carry out the project, a methodology has been proposed according to the objectives and has been completed on the dates set so that the project can be completed within the deadline. After three series of measurement, valuable results have been obtained, which have been analysed and conclusions drawn. The conclusions obtained have been satisfactory and it has been confirmed that the measurements are consistent within the parameters defined by the manufacturer of measuring equipment, LUNA Tecnologies. Keywords: fiber optic, strain, Optical Backscatter Reflectometer, automation, monitoring. 3 INDICE DE TABLAS Tabla 1: Soporte de cada lenguaje de programación para la conectividad entre diferentes elementos ... 15 Tabla 2: Cambio de Spectral Shift a Strain .................................................................................................. 33 Tabla 3: Grupo de trabajo del proyecto ..................................................................................................... 36 Tabla 4: Listado de los materiales utilizados a lo largo del proyecto ......................................................... 36 Tabla 5: Paquete de trabajo inicial ............................................................................................................. 37 Tabla 6: Primer paquete de trabajo ........................................................................................................... 37 Tabla 7: Segundo paquete de trabajo ........................................................................................................ 37 Tabla 8: Tercer paquete de trabajo ............................................................................................................ 38 Tabla 9: Cuarto paquete de trabajo ........................................................................................................... 38 Tabla 10: Quinto paquete de trabajo ......................................................................................................... 39 Tabla 11: Sexto paquete de trabajo ........................................................................................................... 39 Tabla 12: Séptimo paquete de trabajo ....................................................................................................... 39 Tabla 13: Horas de recursos humanos y materiales a lo largo del proyecto .............................................. 40 Tabla 14: Horas humanas y horas materiales............................................................................................. 40 Tabla 15: Hitos establecidos para el proyecto ............................................................................................ 41 Tabla 16: Tiempos de tareas del proyecto representadas mediante el diagrama de Gantt ...................... 42 Tabla 17: Gastos en horas internas ............................................................................................................ 43 Tabla 18: Gastos del proyecto .................................................................................................................... 43 Tabla 19: Amortización de los materiales .................................................................................................. 44 Tabla 20: Presupuesto del proyecto ........................................................................................................... 44 Tabla 21: Matriz de probabilidades ............................................................................................................ 47 Tabla 22: Primeras 7 medidas de la posición 43 del motor el día 21 ......................................................... 62 Tabla 23: Media y desviación posición 43 día 21 ....................................................................................... 62 Tabla 24: Primeras 7 medidas de la posición 38 del motor el día 21 ......................................................... 63 Tabla 25: Media y desviación posición 43 día 21 ....................................................................................... 63 Tabla 26: Conversión de spectral shift a strain........................................................................................... 64 4 INDICE DE IMÁGENES Imagen 1: Capas de una fibra óptica ............................................................................................................ 8 Imagen 2: Haz de luz a través de una fibra monomodo ............................................................................... 9 Imagen 3: Distintos haces de luz a través de una fibra multimodo.............................................................. 9 Imagen 4: Comparación del núcleo de la fibra de plástico, de la fibra monomodo y de la fibra multimodo ............................................................................................................................................................. 9 Imagen 5: Luna OBR 4600 con el portátil que ejecuta la aplicación para utilizar el equipo ...................... 10 Imagen 6: Estructura de la maqueta sobre la que se realizan las medidas ................................................ 11 Imagen 7: Luna OBR 4600 + portátil + conexión de la fibra ....................................................................... 18 Imagen 8: Termopar + tarjeta DAQ ............................................................................................................ 18 Imagen 9: Motor LTS 150/m ....................................................................................................................... 19 Imagen 10: El motor está situado a la derecha de la maqueta y el extremo del puente entra entre las escuadras ........................................................................................................................................... 19 Imagen 11: Parte inferior de la maqueta, fibra pegada en forma de U (radio curvatura mayor a 2cm) ... 19 Imagen 12: Ordenador al que se conectan los dispositivos y del que se lanzan las órdenes remotamente al sistema ........................................................................................................................................... 20 Imagen 13: Arquitectura del sistema al completo ..................................................................................... 20 Imagen 14: Instrumment Control, crea una interfaz de objeto ................................................................. 22 Imagen 15: Declaración y creación del objeto TCP/IP ................................................................................ 22 Imagen 16: Objeto creado, cuadro de intercambio de mensajes (en este momento se encontraba desconectado) ................................................................................................................................... 22 Imagen 17: Strain negativo a la izquierda y strain positivo a la derecha ................................................... 27 Imagen 18: Posición 0 del motor y posición 0 de las medidas (posición 41 del motor) ............................. 27 Imagen 19: Rango de movimiento completo del motor a la izquierda. Desde el milímetro 0 hasta el milímetro 41 ...................................................................................................................................... 27 Imagen 20: Tensión aplicada desde la parte inferior hacia arriba ............................................................. 28 Imagen 21:Rango de movimiento completo del motor a la izquierda. Desde el milímetro 41 hasta el final ........................................................................................................................................................... 28 Imagen 22: Tensión aplicada desde la parte superior hacia abajo ............................................................. 28 Imagen 23: Tipos de gráfico según el dominio elegido .............................................................................. 29 Imagen 24: Diagrama de flujos de la campaña de medidas ....................................................................... 31 Imagen 25: Campaña de medidas de tres días consecutivos diferentes. Eje vertical (Spectral Shift (GHz)) y eje horizontal (Length (m)) ............................................................................................................. 32 Imagen 26: Campaña de medidas 0 del día 21/04/2022 ............................................................................ 33 Imagen 27: Gráficos del Spectral Shift (izquierda) y de Strain (derecha) ................................................... 34 Imagen 28: Media y desviación de la traza 2022-04-21_34 ....................................................................... 34 Imagen 29: Media y desviación de la traza 2022-04-21_48 ....................................................................... 35 Imagen 30: Desviación de la trama 2022-04-21_48 ................................................................................... 35 Imagen 31: Media y desviación de todos los puntos en la posición 43 del motor del día 21 .................... 62 Imagen 32: Media y desviación de todos los puntos en la posición 38 del motor del día 21 .................... 63 Imagen 33: Gráfica del spectral shift .......................................................................................................... 64 Imagen 34: Gráfica del strain ..................................................................................................................... 64 Imagen 35: Gráfica del strain invertido, es igual que el spectral shift ....................................................... 64 5 ÍNDICE RESUMEN ...................................................................................................................................... 2 LABURPENA ................................................................................................................................... 2 ABSTRACT ...................................................................................................................................... 2 INDICE DE TABLAS ......................................................................................................................... 3 INDICE DE IMÁGENES .................................................................................................................... 4 1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 7 2. CONTEXTO ............................................................................................................................. 8 2.1. Fibra óptica ........................................................................................................................ 8 2.2. Optical Backscatter Reflectometer ................................................................................. 10 2.3. Maqueta y control sobre ella .......................................................................................... 11 3. OBJETIVOS Y ALCANCE ........................................................................................................ 12 3.1. Objetivo principal ............................................................................................................ 12 3.2. Objetivos secundarios ..................................................................................................... 12 4. BENEFICIOS .......................................................................................................................... 13 4.1. Beneficios técnicos .......................................................................................................... 13 4.2. Beneficios científicos ....................................................................................................... 13 4.3. Beneficios sociales ........................................................................................................... 13 4.4. Beneficios económicos .................................................................................................... 13 5. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS ................................................................................................ 14 5.1. Software .......................................................................................................................... 14 5.2. Hardware ......................................................................................................................... 17 6. DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN ........................................................................................... 18 6.1. Arquitectura del montaje ................................................................................................ 18 6.2. Modo de conexión de los equipos .................................................................................. 21 6.3. Modo de comunicación ................................................................................................... 23 6.4. Arquitectura del código ................................................................................................... 24 6.5. Diagrama de bloques de campaña de medidas .............................................................. 31 6.6. Procesado de resultados ................................................................................................. 32 7. METODOLOGÍA .................................................................................................................... 36 7.1. Grupo de trabajo ............................................................................................................. 36 7.1. Material utilizado ............................................................................................................ 36 6 7.2. Descripción de los paquetes de trabajo .......................................................................... 37 8. DECLARACIÓN DE GASTOS .................................................................................................. 43 8.1. Horas internas ................................................................................................................. 43 8.2. Gastos .............................................................................................................................. 43 8.3. Amortizaciones ................................................................................................................ 44 8.4. Subcontrataciones ........................................................................................................... 44 8.5. Presupuesto .................................................................................................................... 44 9. ANÁLISIS DE RIESGOS .......................................................................................................... 45 9.1. Rotura de fibra óptica ..................................................................................................... 45 9.2. Suciedad en los conectores ............................................................................................. 45 9.3. Ruptura de la maqueta (sobretensión) ........................................................................... 46 9.4. Fallo del motor ................................................................................................................ 46 9.5. Fallo del termopar ........................................................................................................... 47 9.6. Tabla de riesgos ............................................................................................................... 47 10. CONCLUSIONES ............................................................................................................... 48 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 50 ANEXO I ....................................................................................................................................... 51 ANEXO II ...................................................................................................................................... 53 ANEXO III ..................................................................................................................................... 62 7 1. INTRODUCCIÓN Este trabajo de fin de grado se ha realizado en el laboratorio del grupo de fotónica aplicada de la Universidad del País Vasco. Este grupo centra sus actividades en el área de las comunicaciones ópticas, fundamentalmente en aplicaciones que se basan en fibra óptica de plástico (Plastic Optic Fiber – POF). Igualmente se trabaja, en menor grado, con fibras convencionales ya sean monomodo o multimodo. El grupo también trabaja en la línea de los sensores ópticos, tanto en su diseño como en su fabricación, como en el modelado de fibras de plástico y también están investigando sobre las fibras ópticas poliméricas multinúcleo. [1][2] Este proyecto consiste en realizar un trabajo de control y monitorización, consta de un código escrito en matlab con el que controlaremos 3 dispositivos: una tarjeta de adquisición de datos, un motor lineal y el LUNA OBR 4600 (LUNA Optical Backscatter Reflectometer 4600), el equipo principal, que realizará las medidas necesarias. Además de la monitorización, realizaremos unas campañas de medidas para ver como los cambios de tensión afectan a la estructura. Para esto contamos con una maqueta de metal con forma de puente, a la que le hemos adherido la fibra óptica que se conectará con el equipo. Para finalizar con el trabajo, realizaremos un análisis sobre los resultados obtenidos en las campañas de medidas. Este trabajo de monitorización proporcionará ciertas ventajas la hora de realizar mediciones, ya que, nos permitirá realizar todas estas desde un laboratorio u oficina sin la necesidad de acercarnos al lugar. El objetivo principal de este trabajo es lograr controlar los 3 equipos mencionados anteriormente desde un mismo script, puesto que esto va a ayudar a trabajar de una forma más automatizada, eficiente y cómoda. Asimismo, queremos conseguir que los archivos de las mediciones se almacenen en el equipo situado remotamente y a su vez en el equipo local por si hubiese un error en la transmisión de los datos. El dispositivo LUNA OBR, cuyo funcionamiento explicaremos en el siguiente apartado, es la pieza fundamental de este sistema. Este dispositivo realiza una serie de escaneos, los compara con una referencia y nos muestra en pantalla las variaciones de las mediciones respecto a la de referencia. Nosotros nos vamos a centrar en el cambio de strain – tensión – que sufre la fibra, en el tramo pegado al puente. Los resultados obtenidos de las series de mediciones realizadas son de un gran interés para el grupo de ingenieros civiles, dado que en los puntos en los que más sufre la fibra son a su vez los más críticos para la estructura, y con este equipo se pueden identificar cuáles son esos puntos con precisión milimétrica, puesto que proporciona medidas distribuidas de la tensión a lo largo de la estructura. 8 2. CONTEXTO 2.1. Fibra óptica La fibra óptica es un medio de transmisión de datos, estos datos se transmiten a través de impulsos de luz a lo largo de un hilo muy fino. Este hilo puede ser tanto de vidrio como de otros materiales plásticos (en este proyecto se utilizará una fibra de vidrio). Además, las fibras se dividen en dos grupos, en función del número de modos de propagación soportados: fibras monomodo y fibras multimodo. En la siguiente imagen [Imagen 1] vamos a ver cuál es la estructura de una fibra óptica convencional, formada por 3 capas:  Núcleo: se encuentra en el interior de la fibra y es por donde se transmite la luz.  Revestimiento: se trata de la capa más próxima al núcleo, responsable de aportar mayor resistencia y flexibilidad.  Aislante: es la capa exterior, protege el revestimiento y el núcleo de posibles rupturas y del contacto con el exterior. Imagen 1: Capas de una fibra óptica Diferencias entre la fibra de vidrio y la fibra de plástico [3] En cuanto a transmisión de datos se refiere la fibra óptica de plástico se utiliza para distancias cortas, como bien puede ser dentro de un apartamento, en cambio para distancias de centenas de metros o incluso kilométricas se recurre a la fibra de vidrio, ya que esta tiene pérdidas mucho menores que la fibra de plástico. Para este proyecto, lo más importante en la fibra es su sensibilidad y flexibilidad y no tanto su capacidad de transmisión. ¿Por qué nos importa su sensibilidad y flexibilidad? esto se debe a que la fibra estará pegada a la estructura metálica, y la estructura es pequeña y para ofrecer redundancia en la medición necesitamos que pueda realizar un giro de 180 grados sin romperse, por lo que es importante que sea una fibra de un diámetro pequeño. 9 Fibra monomodo y fibra multimodo [4] Hoy en día hay dos grupos de fibra: la fibra monomodo y la fibra multimodo. La fibra monomodo [Imagen 2] es la fibra que mayor capacidad de transmisión de información nos ofrece y el diámetro del núcleo es el más pequeño de todos. Estos dos aspectos están relacionados entre sí ya que al tener un núcleo estrecho solo permite un modo de propagación de la información con lo que la dispersión modal se reduce considerablemente. Imagen 2: Haz de luz a través de una fibra monomodo Por otra parte, la fibra multimodo [Imagen 3] permite la simultanea transmisión de distintos modos, es decir, la transmisión de distintos tipos de información al mismo tiempo. Esto se logra con la variación del ángulo de entrada del haz de luz, según como sea ira reflejándose con un ángulo u otro y esto creará distintos modos. Imagen 3: Distintos haces de luz a través de una fibra multimodo Comparación entre fibra de plástico, fibra monomodo y fibra multimodo En la imagen 4 podemos ver el tamaño de los 3 tipos de fibra que hemos comentado. Por un lado está la fibra de vidrio, separada en monomodo y multimodo, cuyo diámetro general es más pequeño que el de la fibra de plástico (en torno a 125 m siendo el de la fibra de plástico de 1000 m). Por otro lado en cuanto al tamaño de los núcleos, vemos como en la fibra monomodo es casi 10 veces más pequeño que en la fibra de plástico. Imagen 4: Comparación del núcleo de la fibra de plástico, de la fibra monomodo y de la fibra multimodo 16 5.1.2. Análisis y procesamiento de datos En esta segunda parte vamos a analizar el programa que se utilizará para analizar los datos obtenidos. 5.1.2.1. Matlab Para el análisis de datos también tenemos la alternativa de Matlab, como ya se ha mencionado antes este programa está preparado para realizar análisis de datos entre otras cosas. Vamos a ver qué ventajas y desventajas nos ofrece respecto a nuestra segunda opción, que analizaremos en el siguiente punto:  Ventajas:  Potencia y flexibilidad: al ser un entorno de análisis numérico permite realizar cálculos complejos y manipular datos de manera avanzada.  Funciones especializadas: Matlab nos ofrece una amplia gama de funciones para analizar y procesar los datos.  Visualización gráfica: podemos utilizar las herramientas que nos ofrece este programa para visualizar datos en 2D y 3D y se pueden generar gráficos personalizados.  Desventajas:  Costo: es un software comercial por lo que hay que comprar una licencia.  Curva de aprendizaje: si no estas familiarizado con el análisis y procesado de datos en Matlab hay un largo camino hasta un buen dominio de sus herramientas. 5.1.2.2. Excel La segunda opción para realizar estos análisis es Excel, un programa muy conocido y utilizado hoy en día, vamos a ver cuáles son sus ventajas y desventajas respecto a Matlab:  Ventajas:  Facilidad de uso: su interfaz es muy intuitiva y su funcionamiento es básico.  Rápida visualización: podemos crear tablas y gráficas de manera sencilla y rápida.  Desventajas:  Limitaciones para análisis complejos: a la hora de realizar análisis muy complejos Excel puede resultar limitado.  Errores humanos: debido a su naturaleza basada en hojas de cálculo puede ser propenso a errores humanos.  Rendimiento con grandes conjuntos de datos: puede volverse lento e ineficiente al procesar cantidades enormes de datos. 5.1.2.3. Elección de software Tras analizar las dos alternativas elegidas para esta parte del proyecto, se ha decidido quedarse con Excel. Este programa tiene la capacidad suficiente para analizar los datos que se han obtenido ya que no se trata de mucha información y la forma de generar los gráficos y su compatibilidad con Word, el programa elegido para la redacción del documento es suficiente pare lo necesario en este apartado. 17 5.2. Hardware Estas últimas décadas ha habido una rápida evolución de la tecnología de comunicación óptica para satisfacer la creciente demanda de conectividad y tasas de datos. A medida que las tasas de señalización y los esquemas de modulación se vuelven más complejos, garantizar una transmisión óptica de alta fidelidad es crucial y muy importante. Los circuitos integrados fotónicos (PICs) basados en la fotónica de silicio introducen nuevos desafíos en el diseño de sistemas ópticos de alta capacidad. Medir y caracterizar la pérdida a lo largo del camino de la luz son fundamentales para optimizar las redes y componentes de fibra óptica. Los reflectómetros desempeñan un papel clave en la medición de la pérdida de retorno, la pérdida por inserción y la ubicación de eventos. La pérdida de retorno (RL), definida como la relación entre la luz reflejada y la luz lanzada, afecta la calidad de la señal y el rendimiento de los componentes ópticos. La reflexión retrodispersa de Fresnel y la retrodispersión de Rayleigh contribuyen a la pérdida de retorno. La reflectometría implica lanzar una señal de prueba, medir la luz reflejada y calcular la relación. Diferentes tecnologías ofrecen diferentes resoluciones espaciales y rangos de medición.  Los reflectómetros ópticos en el dominio del tiempo (OTDR) se utilizan comúnmente en redes de fibra óptica de longitud media a larga, ofreciendo amplios rangos de medición pero una resolución espacial limitada.  La reflectometría óptica de baja coherencia (OLCR) proporciona una alta resolución espacial pero tiene rangos de medición limitados, adecuados para inspeccionar componentes individuales.  La reflectometría óptica en el dominio de la frecuencia (OFDR) se encuentra entre OTDR y OLCR, ofreciendo alta velocidad, sensibilidad y resolución en longitudes cortas a intermedias.  La reflectometría óptica de retrodispersión (OBR) es una implementación de OFDR con técnicas de polarización inversa y una resolución espacial ultra alta sin zonas muertas, lo que la hace valiosa para caracterizar PICs, fotónica de silicio y solucionar problemas en redes de fibra corta. Las ventajas del OBR incluyen su capacidad para lograr una resolución espacial submilimétrica y medir otras características como la pérdida por inserción, la latencia, el retardo de grupo y la evolución del estado de polarización. También puede medir deformaciones o temperatura en el núcleo de la fibra óptica. Las aplicaciones del OBR incluyen la caracterización de redes de fibra corta, la caracterización de componentes y guías de onda, y la medición de latencia o longitud. La precisión y resolución del OBR brindan información valiosa en el diseño, validación, caracterización y resolución de problemas en aplicaciones ópticas. Una vez analizadas las distintas alternativas que podrían ser utilizadas para este proyecto (OTDR, OLCR, OFDR y OBR), se ha decidido optar por la última ya que es la más completa y adecuada para la situación dada. 18 6. DESCRIPCIÓN DE LA SOLUCIÓN 6.1. Arquitectura del montaje Como ya he mencionado en apartados anteriores, la arquitectura del sistema está compuesta por el Luna OBR y el portátil conectado a este dispositivo, la maqueta del puente, la tarjeta de adquisición de datos a la que se conecta el termopar para la obtención de la lectura de sus medidas, el motor LTS 150/m, la fibra óptica que se utilizará para hacer las medidas y el portátil que controla los dispositivos. A continuación, comentaremos como y a que está conectado cada equipo:  Luna OBR 4600 y portátil: estos dos equipos vienen en pack (dispositivo Luna y ordenador OBR), están conectados mediante un cable USB como se puede ver en la imagen 7. Al Luna se le conecta la fibra óptica que vamos a utilizar para realizar las medidas. Imagen 7: Luna OBR 4600 + portátil + conexión de la fibra  Termopar y tarjeta DAQ (Data AQuisition): El termopar es el elemento que se va a utilizar para controlar la temperatura ambiente [Imagen 8 (izquierda)], ya que si los cambios de temperatura son bruscos podrían afectar a los resultados del strain, pero al encontrarnos en un entorno cerrado estas variaciones de temperatura no deberían de afectar a nuestros resultados. El termopar se conecta a una tarjeta de adquisición de datos [Imagen 8 (derecha)] que está conectada mediante un cable USB al ordenador que controla el sistema. Imagen 8: Termopar + tarjeta DAQ 19  Motor LTS 150/m: el motor que vamos a utilizar [Imagen 9] es un motor lineal. Lo hemos colocado de forma vertical a la derecha de la maqueta de tal forma que el movimiento desde el punto de referencia sea hacia arriba o hacia abajo. El motor está conectado al ordenador mediante un cable USB y es controlado desde el código de Matlab diseñado. Imagen 9: Motor LTS 150/m  Maqueta: En la imagen 10 se puede ver un plano de la maqueta del puente y como está el motor a su derecha. Además del motor, bajo la lámina de metal que forma el puente está adherida la fibra mencionada anteriormente, como bien se puede ver en la imagen 11. Imagen 10: El motor está situado a la derecha de la maqueta y el extremo del puente entra entre las escuadras Imagen 11: Parte inferior de la maqueta, fibra pegada en forma de U (radio curvatura mayor a 2cm) 20 Imagen 13: Arquitectura del sistema al completo  Portátil remoto: desde este equipo se controla el movimiento del motor, se le dice al termopar cuando medir la temperatura y se le envía al OBR la señal de escanear. Este ordenador está conectado mediante un cable de red con el ordenador OBR. Imagen 12: Ordenador al que se conectan los dispositivos y del que se lanzan las órdenes remotamente al sistema Para concluir este apartado así es como queda la arquitectura del sistema al completo [Imagen 7]. 21 6.2. Modo de conexión de los equipos Para poder comenzar a realizar una comunicación con los equipos lo primero es conectarse de forma remota con ellos. Conexión con LUNA OBR 4600 Para poder realizar la conexión de forma remota al ordenador que tiene la aplicación del OBR y que está conectado al LUNA, lo primero que tenemos que hacer es conectar mediante un cable Ethernet sobre par trenzado un ordenador externo con el portátil que utilizamos con el equipo. El cable tiene que ser de par trenzado como lo especifica el manual, sino no funcionará. Tras conectar el cable, tenemos que asignar a cada uno de los equipos una IP estática en la misma subred. Entramos en el panel de control de ambos ordenadores, seleccionamos la red y entramos en los ajustes de IPV4. Una vez aquí, elegimos la subred deseada y asignamos las IP, el gateway y la máscara de red, estas dos últimas serán las mismas para ambos equipos. En nuestro caso, al portátil conectado a LUNA le pusimos la IP 10.0.0.10 y al ordenador externo 10.0.0.3, el gateway 10.0.0.1 y la máscara de la red 255.255.255.0. Una vez realizado esto, para comprobar que están en la misma subred y bien realizada la configuración abrimos el cmd (“Comand Prompt”) y comprobamos mediante el comando ipconfig que se han guardado los cambios que hemos realizado. Después de ver que se han guardado los cambios, realizamos un PING del portátil al ordenador externo (PING 10.0.0.3) y comprobamos que sea exitoso y realizamos la misma operación en sentido opuesto, del ordenador al portátil (PING 10.0.0.10). Cuando los dos PING dan bien sabemos que están en la misma subred y bien conectados, con lo que podemos seguir adelante. Una vez realizada esta configuración, vamos al portátil y abrimos el control remoto del OBR para ponerle la IP que le hemos puesto al portátil anteriormente, 10.0.0.10 y a esto le añadimos el puerto 1, ya que, LUNA siempre se conecta a ese puerto de forma predeterminada. A continuación, utilizamos la aplicación NI MAX en el ordenador externo para buscar y conectarnos al portátil y poder enviarle los comandos para identificar el equipo LUNA. En esta aplicación buscamos en la red la IP del portátil y el puerto con el que queremos comunicarnos, como he dicho anteriormente IP 10.0.0.10 y el puerto 1. Una vez realizada esta configuración correctamente, se vinculan ambos equipos y podemos iniciar la comunicación. Tras lograr exitosamente la conexión con la aplicación NI MAX, pasamos a intentar la conexión con Matlab, ya que es el programa en el que vamos a trabajar (y nos permitirá controlar de forma centralizada los tres instrumentos a utilizar). Realizar la conexión utilizando Matlab es ligeramente más sencillo puesto que tiene un programa interno llamado Instrument Control [Imagen 14]. 22 Imagen 14: Instrumment Control, crea una interfaz de objeto Cuando abrimos la aplicación, tenemos que crear un objeto nuevo [Imagen 15], este objeto va a tener un tipo de interfaz de TCPIP y en la configuración ponemos la IP del destino, en este caso 10.0.0.10 y el puerto 1, son la IP y puerto que le hemos adjudicado manualmente al ordenador OBR (portátil conectado a LUNA). Después de realizar esta configuración, el objeto se creará automáticamente. Imagen 15: Declaración y creación del objeto TCP/IP Una vez realizada la configuración del objeto, aparecerá el cuadro [Imagen 16] en el que podremos conectarnos e intercambiar mensajes con el equipo remoto. Para probar que la conexión ha sido realizada con éxito le pedimos al equipo que se identifique, para ello, escribimos el mensaje *IDN? y el equipo remoto nos tendrá que responder con el nombre de su identificador, en este caso Optical Backscatter Reflectometer 4600. Imagen 16: Objeto creado, cuadro de intercambio de mensajes (en este momento se encontraba desconectado) Una vez realizados estos pasos, Matlab nos da la opción de crear un script con los comandos necesarios para realizar la conexión con el OBR. 23 Conexión con el motor Una vez realizada la conexión con el OBR, tenemos que realizar la conexión con el motor, para poder controlar el movimiento desde Matlab, que como hemos mencionado ya el objetivo es centralizar el control completo del sistema a través de esta herramienta. El primer paso para realizar la conexión es averiguar cómo se comunica el motor. Para ello se ha utilizado la aplicación que trae el motor para controlarlo desde el ordenador y nos apoyaremos en un código encontrado en internet para controlar motores de este estilo. [11] Una vez instalada la aplicación y conectados al motor, se activa el proceso que sigue la aplicación para realizar la conexión. Abrimos el código descargado y comenzamos a modificar parámetros satisfaciendo la necesidad de nuestro motor. Lo primero es añadir el número de serie del motor ya que esto es necesario para poder reconocer la máquina y así poder proceder con los siguientes intercambios de mensajes para el correcto ajuste de parámetros y su inicialización. Tras haber añadido el número de serie correspondiente, hay que añadir ciertas librerías, llamadas “DLL” (Dynamic Link Library), para que la comunicación sea exitosa. Tras cargar los paquetes mencionados y después de comentar ciertas líneas del código que no son compatibles con nuestro motor y añadir alguna que otra especificación necesaria para los atributos del motor, la conexión ha sido exitosa. A partir de este punto podemos mover el motor a cualquier posición que queramos. Conexión con el termopar Finalmente, es hora de realizar la conexión con el termopar, conectando los extremos del termopar en la entrada de la tarjeta que se va a conectar en el DAQ. El DAQ se conecta mediante un cable USB al ordenador y se controla con un script muy sencillo (Anexo 2 [ConfigurateThermoCouple]). Lo primero es configurar el termopar para que nos de las medidas en la unidad que queremos, en este caso se trata de Celsius. Lo siguiente es seleccionar los puertos de entrada de la tarjeta y asignar el terminal positivo y el negativo a estos. Por último, solo falta leer el resultado de la medición realizada. 6.3. Modo de comunicación A modo de comunicación se ha utilizado el modelo TCP/IP. Estas comunicaciones se basan en dos protocolos esenciales: el Protocolo de Internet (IP) y el Protocolo de Transmisión (TCP). TCP se encarga de garantizar una comunicación confiable y sin errores. IP, por otro lado, se encarga de dirigir esta información (dividida en paquetes por TCP) a través de la red hacia su destino. 24 6.4. Arquitectura del código El código está formado por un conjunto de funciones para que la detección de errores sea más sencilla, ya que al ejecutar el código Matlab nos indica en que línea está el error. Para solucionarlo, se accede a la función correspondiente con esa línea y no hay necesidad de modificar más código que el de esa función, en un principio, por lo que los cambios realizados dentro de la función no afectan al resto del código. Dicho esto, vamos a ver como se ha separado el código en funciones y cuáles son los parámetros de entrada y de salida de estas. Para comenzar, creamos una primera función llamada initialize (Anexo 2). Esta función no tiene ningún parámetro de entrada ya que es la función principal, pero tiene 5 parámetros de salida. Estos parámetros nos van a ayudar a controlar el OBR, el termopar y el motor de forma correcta. A continuación, se verá cómo se crea cada uno de esos parámetros/objetos. Lo primero de todo es realizar la conexión con el equipo, como se ha explicado al inicio del apartado 6 – Descripción de la soluciónen el subapartado 6.2 – Modo de conexión de los equipos-. Al realizar la conexión, creamos un objeto TCP/IP llamado LUNA que se utilizará como input en las funciones de control del OBR 4600. Acto seguido, verificaremos que nos hemos conectado con el equipo deseado y que no ha habido ningún error. Para ello, se ha creado una función de identificación (Anexo 2 [identificationLUNA]) mediante el uso de los comandos remotos ofrecidos por la compañía (Luna Technologies). Esta función pide la identificación del objeto almacenado en la variable LUNA, creada en el paso anterior, la respuesta que se debe recibir es un string con la siguiente frase, LUNA Optical Backsccatter Reflectometer 4600. Si se recibe este mensaje se podrá seguir adelante, si el string contiene otra cosa la conexión no habrá sido realizada correctamente. Posteriormente, hay que preparar el equipo para su uso, por lo que tenemos que comprobar que haya calentado correctamente, se necesita 1 hora para este proceso y es estrictamente necesario para lograr unas correctas medidas, ya que el láser necesita estar a una temperatura óptima para trabajar. Esto se puede saber realizando un query – interrogación - al equipo y, según la respuesta recibida, sabemos si está listo o no. Tras el correcto precalentamiento del equipo, es importante realizar el alineado de ópticas, que realiza internamente el equipo para que todos los elementos interiores estén en su posición precisa. Este paso requiere ser realizado manualmente al igual que la calibración del dispositivo, que se trata del paso siguiente al alineado de ópticas. La calibración del equipo se realiza conectando una fibra a la salida del OBR, no se trata de una fibra convencional, sino que se trata de una fibra de un metro de longitud en el que uno de los extremos está recubierto en oro (la señal utilizada durante el proceso de calibración se refleja totalmente en este extremo). Tras la puesta a punto del dispositivo, pasamos a las configuraciones del termopar y del motor. Comenzamos con el termopar, lo primero de todo es inicializarlo y crear el objeto NIDataAcquisition que utilizaremos para realizar la llamada a la hora de realizar las medidas. El motor también necesita ser inicializado, para ello primero se tienen que crear las variables necesarias para su control (Anexo 2 [initialize]). En este caso necesitamos dos variables una que recoge el número de serie del motor y otra variable que será el motor, ya que para realizar la conexión con el motor el número de serie ha de ser comprobado. Después de haber creado estas dos variables comienza la inicialización, hay que llevar el motor a la posición 0 (llamada posición HOME) para su correcta calibración y que así no haya fallos a la hora de ordenarle que se mueva 25 a la posición que se quiere. Además de esto, en esta función declaramos dos objetos que van a marcar las posiciones de inicio para la tanda de medidas tanto cuando el motor va hacia arriba como cuando este va hacia abajo. La parte final de esta función initialize es la conexión de la fibra que se va a utilizar para realizar las medidas. Resumiendo, esta función tiene como salidas los siguientes parámetros: LUNA, NIDataAcquisition, m1 (el motor), pos39 (posición inicial para realizar pruebas para strain positivo) y pos43 (posición inicial para realizar pruebas para strain negativo). Después de inicializar los dispositivos, pasamos a la configuración del eje X (Anexo 2 [cinfigurationXaxis]). Se le da la opción al usuario de realizar la configuración de forma manual o utilizar la predefinida. En caso de seleccionar la configuración manual, el usuario deberá responder a las preguntas que aparecen en pantalla y responderlas, introduciendo la respuesta desde el teclado, según la configuración que desee realizar. Los parámetros que hay que configurar son los siguientes, la unidad del eje (nano segundos, metros, pies, pulgadas o milímetros) según cual elige se actualiza en el OBR la unidad seleccionada utilizando el objeto TCP/IP LUNA creado previamente. También se tiene que insertar el rango de integración deseado (intwidth) y por último el punto de la fibra en el que se quiere centrar el cursor para realizar la medición. Como se puede apreciar, las salidas de esta función serán las siguientes: unidad del eje X, rango de integración y centro del cursor. Por otra parte, vamos a obtener la fecha utilizando funciones que nos ofrece Matlab. ¿Para que necesitamos las fechas? Las fechas las vamos a utilizar para almacenar las trazas de forma organizada, con la fecha en formato YYYY/MM/DD vamos a nombrar las carpetas (tanto la carpeta “.mat” que contendrá archivos para poder trabajar en Matlab como la carpeta “.xls” que contendrá los mismos archivos pero en formato de Excel) ya que no se realizan todas las campañas de medida el mismo día. Las trazas también contendrán la fecha en la que han sido tomadas, además de la posición del motor a la que corresponden, se explicará más adelante la forma en la que se nombrarán las trazas almacenadas. En caso de necesitar guardar las trazas con fecha y hora, Matlab también nos permite conseguir la hora usando otras funciones. Las salidas de esta función (Anexo 2 [getDate]) son el año, mes y día del momento de realizar las medidas. Posteriormente, pasamos a la función más completa escanear_guardar_graficar (Anexo 2). Esta función monitoriza los tres elementos e indica cuando ha de funcionar cada uno de ellos, asimismo, esta función almacena las trazas y las grafíca en tiempo real. Al tratarse de una función tan grande, esta está compuesta por funciones más reducidas. La función escanear_guardar_graficar necesita varios parámetros de entrada: LUNA, m1, pos39, pos43, yy, mm, dd, intwidth y NIDataAcquisition. Lo primero que se realiza en esta función es crear las carpetas, tanto la carpeta “mat” como la carpeta “xls”. El nombre de las carpetas tiene la siguiente estructura: YYYYMMDD_númeroCampaña_extension donde el número de campaña es el número de campaña de medidas que se está realizando ese día y la extensión es el tipo de archivo que va a guardarse en esa carpeta “mat” para archivos en formato matricial y “xls” para archivos en formato Excel. Lo segundo es crear el eje X, ya que si tratamos de recibirlo del OBR este no está bien centrado respecto del eje Y. Para generar el eje X tenemos que entender que parámetros utiliza el dispositivo para crearlo. Una vez averiguado, sabemos que necesitamos dos parámetros: el primero es el ancho de integración o intwidth (que ya lo tenemos de cuando se ha configurado 32 6.6. Procesado de resultados Tras haber visto como se ha diseñado la arquitectura del código ahora nos toca analizar los resultados obtenidos. Se realizaron campañas de medidas a lo largo de varios días y cada día se realizaron 7 tandas de medidas. Todas las tandas eran iguales, 11 medidas de strain negativo, 11 medidas de strain positivo y una medida de referencia. Como se podrá ver a continuación en las gráficas obtenidas en las distintas tandas de medidas, hay algunas más ruidosas que otras y esto se debe a distintos factores. Uno de los factores podía ser que el dispositivo no hubiera estado el tiempo necesario calentando (1 hora), aunque con esto se tuvo cuidado y no debería ser un factor a tener en cuenta. Un segundo factor podría ser debido a las calibraciones diarias realizadas, estas podrían ser ligeramente diferentes entre sí y por ello alguna tanda de medidas ha podido ser más ruidosa. Además tenemos otras dos posibles causas que hayan podido generar ese ruido mencionado en los resultados: la suciedad en el conector FC/APC de la fibra que se conecta al puerto de entrada del OBR-4600 y posibles desalineamientos en la conexión del conector FC/APC de la fibra al puerto de entrada del OBR. Teniendo en cuenta estos posibles factores se ha decidido centrarse en las medidas que muestran menor ruido. Tras observar las medidas realizadas durante varios días [Imagen 25] decidimos utilizar las medidas del día 21/04/2022 [Imagen 26] ya que eran las que menos ruido mostraban en las gráficas. Imagen 25: Campaña de medidas de tres días consecutivos diferentes. Eje vertical (Spectral Shift (GHz)) y eje horizontal (Length (m)) 33 Imagen 26: Campaña de medidas 0 del día 21/04/2022 Tras la elección de qué conjunto de medidas realizado va a ser utilizado comenzamos a extrapolar los datos de las trazas almacenadas en los archivos “xls” a un Excel para su mejor manipulación y facilidad para crear los gráficos (Anexo 3). Los datos en Excel los hemos organizado de la siguiente manera, en una misma página se han cargado los datos de los 22 escaneos realizados y de las 7 campañas de ese día, junto con el eje X proporcionado por el OBR (ya que envía el eje X y el eje Y juntos al pedirle las trazas) y el eje X generado por nosotros. Para comprobar que no hay errores se grafican las 7 campañas y nos aseguramos de que tengan un aspecto parecido. Los datos obtenidos se encuentran en Spectral Shift, pero para nuestro análisis necesitaremos pasarlos a strain, concretamente a /GHz, esto lo hacemos multiplicando el valor del Spectral Shift por -6,7 . En la siguiente tabla 2 podemos ver cómo cambia el valor de Spectral Shift a strain y en la imagen 27 podemos ver como la curva es igual pero invertida ya que todos los valores han sido multiplicados por el mismo factor (-6,7 ). Tabla 2: Cambio de Spectral Shift a Strain LUNA Spectral Shift Strain 20220421-N-43_0 20220421-N-43_0 5,296 0,136 -0,912 5,316 0,262 -1,754 5,336 0,199 -1,333 5,356 0,252 -1,692 5,376 -0,217 1,454 5,396 -0,042 0,283 5,416 -0,221 1,483 5,436 -0,511 3,425 -16 -11 -6 -1 4 9 14 5,269 5,469 5,669 5,869 6,069 6,269 6,469 6,669 Spectral Shift (GHz) Length (m) Campaña de medidas 0 (2022/04/21) 34 Imagen 27: Gráficos del Spectral Shift (izquierda) y de Strain (derecha) Es hora de comenzar con el análisis de las medidas realizadas, para ello lo primero que vamos a realizar es el cálculo de la media y de la desviación típica de los puntos más significativos. Como puntos más significativos hemos elegido los siguientes: el punto inicial, el punto medio y el punto final, estos van a ser los puntos a estudiar tanto para el caso de strain positivo como negativo. En el caso del strain positivo los puntos corresponden con las siguientes posiciones del motor 39 mm, 34 mm y 29 mm y en el strain negativo 43 mm, 48 mm y 53 mm. Vamos a comenzar con el cálculo de la media, ya que es el más sencillo de realizar de los dos. Para facilitarnos el trabajo hemos creado una nueva hoja en Excel y hemos unificado en ella los valores de las trazas 2022-04-21_XX de las 7 campañas (Anexo 3). A pesar de haber realizado el análisis en 6 puntos significativos, en este documento tan solo se mostrarán los resultados de los puntos del medio del strain positivo y negativo. Comenzamos con el strain positivo en el punto medio, se trata de la traza 2022-04-21_34. Para el cálculo de la media hemos utilizado una función que nos proporciona Excel llamada ‘PROMEDIO’. Esta función, como bien indica su nombre, realiza el promedio de los 7 valores indicados. Realizamos esta operación en todos los puntos de la traza y graficamos esta. Sobre esta misma gráfica mostraremos la desviación típica calculada utilizando la función ‘DESVEST’ que nos facilita Excel. La gráfica nos queda de la siguiente manera [Imagen 28], podemos ver como en cada punto aparece el rango de desviación que ha habido a lo largo de la campaña de medidas. Imagen 28: Media y desviación de la traza 2022-04-21_34 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 5,269 5,469 5,669 5,869 6,069 6,269 6,469 6,669 Strain (/GHz) Length (m) Media 2022-04-21 _34 35 Además de esto se ha realizado la media de la desviación, para ver si es una desviación acorde con la especificada en la hoja de especificaciones del OBR. En este caso la desviación de la media ha sido de 1,2044 y está entra dentro de la especificada. Se ha realizado el mismo procedimiento para el caso del strain negativo y la gráfica ha quedado de la siguiente manera [Imagen 29]. En este caso también se muestra la gráfica de la desviación [Imagen 30] típica para ver como corresponden los márgenes dibujados en el gráfico de la media con el gráfico de la desviación. Imagen 29: Media y desviación de la traza 2022-04-21_48 Imagen 30: Desviación de la trama 2022-04-21_48 Se puede ver en las dos imágenes superiores, como cuando los picos en la imagen 30 son más altos en la imagen 29 los márgenes aumentan. -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 5,269 5,469 5,669 5,869 6,069 6,269 6,469 6,669 Strain Length (m) Media 2022-04-21 _48 0 1 2 3 4 5 6 5,269 5,469 5,669 5,869 6,069 6,269 6,469 6,669 Strain Length (m) Desviación 2022-04-21 _48 36 7. METODOLOGÍA A continuación, en este nuevo apartado, se va a explicar la metodología que se ha seguido a lo largo del proyecto. Primero se analizará el grupo de trabajo, después los materiales necesarios a lo largo del proyecto y por último de forma detallada se analizarán los paquetes de trabajo y se expresarán de forma cronológica en un diagrama de Gantt. 7.1. Grupo de trabajo El grupo de trabajo ha sido formado por tres personas, un ingeniero junior, un director y un codirector. Tabla 3: Grupo de trabajo del proyecto ID Cargo Nombre y apellidos Función GT1 Director Gotzon Aldabaldetreku Etxeberria Encargado de la dirección del proyecto y la revisión de los documentos escritos GT2 Codirector Ander Zornoza Indart Persona conocedora del tema, encargado de comprobar que los pasos seguidos y los resultados obtenidos son lógicos GT3 Ingeniero Junior David Peña Zuazo Encargado de realizar el proyecto y redactar el documento final 7.1. Material utilizado Es importante saber que materiales han sido utilizados por si en un futuro se necesitase repetir alguna medida o como referencia para proyectos parecidos. Los materiales utilizados han sido mencionados a lo largo de este documento, pero en este apartado vamos a listarlos todos para tenerlo bien documentado. Tabla 4: Listado de los materiales utilizados a lo largo del proyecto ID Material Cantidad MT1 Ordenador portátil 1 MT2 LUNA OBR-4600 1 MT3 Thorlabs LTS 150 (motor) 1 MT4 Termopar tipo K 1 MT5 DAQ 1 MT6 Conector USB/Ethernet 1 MT7 Fibra óptica 2 MT8 Maqueta del puente 1 MT9 Licencia Matlab 1 MT10 Licencia Office 1 37 7.2. Descripción de los paquetes de trabajo 7.2.1. Paquetes de trabajo Fase 0: Tabla 5: Paquete de trabajo inicial PT0 Inicio Fin Duración (días) PT0 Proposición del proyecto: Reunión número 1 del alumno con el director para obtener información sobre el proyecto 08/02/2022 08/02/2022 1 Fase 1: Tabla 6: Primer paquete de trabajo PT1 Inicio Fin Duración (días) PT1 Planificación del proyecto: Reunión número 2, se planifican los primeros pasos y se conoce al codirector 14/02/2022 14/02/2022 1 Fase 2: Tabla 7: Segundo paquete de trabajo PT2 Inicio Fin Duración (días) PT2 Creación de conexiones: se comienza con el proyecto y se siguen los pasos de la primera planificación 14/02/2022 01/03/2022 15 PT2.1 LUNA OBR-4600: se realiza la conexión entre el portátil y el dispositivo LUNA OBR-4600 14/02/2022 15/02/2022 1 PT2.2 Reunión No. 3: Se actualiza a los directores los avances y se decide el siguiente paso 21/02/2022 21/02/2022 1 PT2.3 Motor: se realiza la conexión entre el portátil y el motor Thorlabs LTS 150 22/02/2022 24/02/2022 2 PT2.4 Reunión No. 4: Se actualiza a los directores los avances y se decide el siguiente paso 25/02/2022 25/02/2022 1 PT2.5 Termopar: se realiza la conexión del termopar de tipo K con el portátil 28/02/2022 28/02/2022 1 PT2.6 DAQ: se realiza la conexión de la tarjeta de adquisición con el portátil 28/02/2022 28/02/2022 1 PT2.6 Reunión No. 5: Se actualiza a los directores los avances y se decide el siguiente paso y se da por cerrada la fase 2 01/03/2022 01/03/2022 1 38 Fase 3: Tabla 8: Tercer paquete de trabajo PT3 Inicio Fin Duración (días) PT3 Programación y unión: se comienza con la unificación de los códigos 07/03/2022 16/03/2022 9 PT3.1 Unificación de conexiones: se unen las distintas conexiones necesarias en un mismo script 07/03/2022 09/03/2022 2 PT3.2 Reunión No. 6: Se actualiza a los directores los avances y se decide el siguiente paso 10/03/2022 10/03/2022 1 PT3.3 Movimiento del motor: se crea el código para el control del movimiento del motor 11/03/2022 14/03/2022 3 PT3.4 Reunión No. 7: Se actualiza a los directores los avances y se decide el siguiente paso 15/03/2022 15/03/2022 1 PT3.5 Adquisición de temperatura: se escribe el algoritmo necesario para la lectura de la temperatura 16/03/2022 16/03/2022 1 PT3.6 Reunión No. 8: Se actualiza a los directores los avances y se decide el siguiente paso y se da por cerrada la fase 3 16/03/2022 16/03/2022 1 Fase 4: Tabla 9: Cuarto paquete de trabajo PT4 Inicio Fin Duración (días) PT4 Pruebas del código: se realizan pruebas a todo el código 21/03/2022 01/04/2022 11 PT4.1 Calibraciones correctas: se comprueba que las calibraciones realizadas por el dispositivo son correctas 21/03/2022 21/03/2022 1 PT4.2 Escaneos correctos: se comprueba que los escaneos realizados por el dispositivo son correctos 22/03/2022 22/03/2022 1 PT4.3 Reunión No. 9: Se actualiza a los directores los avances y se decide el siguiente paso 23/03/2022 23/03/2022 1 PT4.4 Conexiones correctas: se comprueba que todas las conexiones funcionen correctamente 28/03/2022 29/03/2022 2 PT4.5 Movimiento correcto: se comprueba que el motor se mueva de forma correcta 30/03/2022 31/03/2022 2 PT4.6 Reunión No. 10: Se actualiza a los directores los avances y se decide el siguiente paso y se da por cerrada la fase 4 01/04/2022 01/04/2022 1 39 Fase 5: Tabla 10: Quinto paquete de trabajo PT5 Inicio Fin Duración (días) PT5 Toma de medidas: se realizan las medidas en distintos días 19/04/2022 25/04/2022 6 PT5.1 Día 1: se realizan las mediciones del día 1 19/04/2022 19/04/2022 1 PT5.1 Día 2: se realizan las mediciones del día 2 20/04/2022 20/04/2022 1 PT5.3 Día 1: se realizan las mediciones del día 3 21/04/2022 21/04/2022 1 PT5.4 Reunión No. 11: Se actualiza a los directores los avances y se decide el siguiente paso y se da por cerrada la fase 5 25/04/2022 25/04/2022 1 Fase 6: Tabla 11: Sexto paquete de trabajo PT6 Inicio Fin Duración (días) PT6 Análisis de los resultados: se realizan los análisis de los resultados obtenidos durante los 3 días de mediciones 27/04/2022 02/05/0222 7 PT6.1 Procesado de resultados: se procesan los datos obtenidos y se analizan 27/04/2022 28/04/2022 2 PT6.2 Reunión No. 12: Se actualiza a los directores los avances y se decide el siguiente paso y se da por cerrada la fase 6 02/05/0222 02/05/0222 1 Fase 7: Tabla 12: Séptimo paquete de trabajo PT7 Inicio Fin Duración (días) PT7 Redacción del documento: se planifica la estructura del documento y se comienza con la escritura 09/05/2022 20/05/2022 11 PT7.1 Redacción por apartados: se comienza con la redacción por apartados 09/05/2022 11/05/2022 3 PT7.2 Unificación del documento: se unen los apartados ya corregidos 11/05/2022 12/05/2022 2 PT7.3 Reunión No. 13: se comenta como está el documento y se espera a la revisión final 17/05/2022 17/05/2022 1 PT7.4 Revisión final: se da por cerrada la fase 7 y así se da por terminado el proyecto 20/05/2022 20/05/2022 1 40 7.2.2. Horas de trabajo y horas de uso del material En la tabla 13 vemos las horas empleadas por cada material y por cada persona a lo largo del proyecto en cada una de las tareas, datos que utilizaremos más adelante para realizar el presupuesto del proyecto. Tabla 13: Horas de recursos humanos y materiales a lo largo del proyecto Tareas Uso de recursos humanos Uso de medios técnicos GT1 GT2 GT3 MT1 MT2 MT3 MT4 MT5 MT6 MT7 MT8 MT9 MT10 PT0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 PT1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 PT2.1 1 1 8 8 8 0 0 0 8 4 4 8 0 PT2.2 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 PT2.3 0 0 20 20 0 20 0 0 0 0 5 20 0 PT2.4 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 PT2.5 0 0 4 4 0 0 4 4 0 0 0 4 0 PT2.6 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 PT3.1 1 0 10 10 10 10 10 10 10 0 0 10 0 PT3.2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 PT3.3 1 0 15 15 0 15 0 0 0 0 15 15 0 PT3.4 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 PT3.5 0 0 8 8 0 0 0 8 8 0 0 8 0 PT3.6 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 PT4.1 0 0 4 4 4 0 0 0 4 4 0 4 0 PT4.2 0 0 4 4 4 0 0 0 4 4 4 4 0 PT4.3 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 PT4.4 0 0 5 5 5 5 5 5 5 5 5 0 PT4.5 0 0 5 5 0 5 0 0 0 0 5 5 0 PT4.6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 PT5.1 1 0 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 0 PT5.2 1 0 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 0 PT5.3 1 0 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 0 PT5.4 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 PT6.1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 PT6.2 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 PT7.1 5 0 16 16 0 0 0 0 0 0 0 0 16 PT7.2 1 0 3 3 0 0 0 0 0 0 0 0 3 PT7.3 1 0 3 3 0 0 0 0 0 0 0 0 3 PT7.4 4 0 4 4 0 0 0 0 0 0 0 0 4 Total 29 13 134 133 47 71 34 43 56 31 48 103 28 Tabla 14: Horas humanas y horas materiales Uso de recursos humanos 176 Uso de medios técnicos 594 41 7.2.1. Hitos En la tabla 15 que vemos debajo se muestran los hitos que se han marcado a lo largo del proyecto, estos se han marcado en el diagrama de Gantt con unas estrellas rojas. Tabla 15: Hitos establecidos para el proyecto ID Hito Fecha H1 Inicio de proyecto 14/02/2022 H2 Conexiones realizadas 28/02/2022 H3 Movimiento del motor logrado 15/03/2022 H4 Códigos unidos 16/03/2022 H5 Funcionamiento correcto del algoritmo 01/04/2022 H6 Medidas tomadas y analizadas 28/04/2022 48 10. CONCLUSIONES Vamos a finalizar este documento con este último apartado de conclusiones, en él analizaremos si hemos cumplido los objetivos establecidos al inicio del proyecto, enumeraremos los resultados más significativos obtenidos, discutiremos las aplicaciones prácticas en contextos reales, comentaremos las limitaciones que hemos tenido y se sugerirán posibles áreas de investigaciones futuras. Para comenzar con el apartado de conclusiones vamos a recordar cuál era el objetivo principal establecido al inicio del proyecto: “analizar cómo afectan los cambios de strain a una fibra óptica y ver en qué puntos de la estructura se genera mayor strain a través de la fibra óptica”. Como podemos ver hemos sido capaces de lograr el objetivo, con los resultados obtenidos sabemos precisamente el punto de la estructura y de la fibra que está sufriendo ese cambio de tensión. Una vez visto que se ha cumplido el objetivo principal con éxito queremos recordar cuales han sido los resultados más significativos que se han obtenido tras analizar los datos obtenidos los días de medición. Se ha comprobado con éxito que el strain afecta a la información transmitida a través de la fibra óptica, cuanto mayor es el strain mayor es el “arco” que se va generando tanto para strain positivo como para strain negativo. Es curioso también ver como para el mismo valor de strain, tanto positivo, como, negativo la perdida es prácticamente la misma si se analiza el valor absoluto, obviamente es algo que se podría dar por hecho de antemano, y es correcto, ya que es algo que se ha validado tras ver los resultados. También se podría llegar a saber cuál es el punto crítico de la estructura con este material, ya que según el material este punto cambia, pero como no tenemos conocimiento en este campo de la ingeniería civil esos resultados tendrían que ser analizados por alguien con conocimiento en el campo. Con este experimento que se ha llevado a cabo no se han identificado lagunas en el conocimiento existente del tema, ya que se han realizado distintos experimentos estos últimos años. Se podría decir que este experimento es novedoso en cuanto a haber utilizado una maqueta de una estructura civil y haber centrado el concepto de cambio de strain para poder mandar los datos a especialistas en estructuras civiles y puedan analizar el estado de los materiales y de las estructuras en tiempo real. ¿Podría este proyecto tener implicaciones en prácticas en un contexto real? Por supuesto, para poder realizar algo parecido en una estructura real habría que instalar fibra óptica a lo largo de esta estructura y conectarla al LUNA. Para detectar los puntos críticos que se quieren monitorizar, se podría aplicar calor en esas zonas en escaneos de prueba para localizar los puntos. Una vez localizados los puntos tan solo quedaría dejar el equipo corriendo en modo continuo y guardar los datos o analizarlos en directo y sacar las conclusiones de lo que están sufriendo esos puntos. 49 Una vez terminada la parte práctica del proyecto, se ha podido mirar con otros ojos para ver las limitaciones que se han tenido. En este caso los cambios de tensión tan solo se han podido aplicar en un plano, ya que el motor era lineal y no se ha podido ver como hubieran afectado cambios en el plano Y en vez de en el plano Z, como se ha hecho. Además, este tipo de estructuras también sufren vibraciones a lo largo de la estructura, y estas afectan también a la fibra. Para detectar estas vibraciones se necesitaría un equipo más potente y algún otro mecanismo para poder generarlas ya que con el motor utilizado es algo que tampoco se puede conseguir. Como acabo de mencionar en el párrafo anterior una posible dirección futura podría ser la detección de vibraciones, ya que, de esta forma podría llegar a saberse en tiempo real donde está situado un vehículo en un puente, cuánto pesa, a qué velocidad se mueve, si hay tráfico en el puente... Para ir finalizando con el apartado de conclusiones vamos a hablar de lo aprendido en el proceso de este proyecto. Lo primero de todo he conocido mejor la fibra óptica, sus límites en cierto modo, como hacer que al final genere una reflexión total tan solo con hacerle un nudo con un diámetro menos a 2 cm… También he aprendido que el strain afecta a la transmisión de información a lo largo de la fibra, al igual que los cambios de la temperatura, que aunque sea algo en lo que no nos hemos centrado he aprendido sobre ello. He aprendido a controlar mediante Matlab distintos equipos al mismo tiempo, que es algo que nunca había hecho. He conocido lo que es un termopar, que es algo que no conocía. En resumen, he aprendido a hacer cosas que no sabía que era capaz de hacer además de aprender nuevos conceptos sobre un tema que no conocía. 50 BIBLIOGRAFÍA [1] Applied Photonics Group( APG) - Transferencia e Innovación OTRI - UPV/EHU. (n.d.). Retrieved September 2, 2023, from https://www.ehu.eus/es/web/enpresa/-/apg [2] Líneas de investigación - Applied Photonics Group - UPV/EHU. (n.d.). Retrieved September 2, 2023, from https://www.ehu.eus/es/web/appliedphotonicsbilbao/research-lines [3] Comparativa: Fibra Optica frente a la Fibra Optica Plástica. (n.d.). Retrieve d September 2, 2023 from https://silexfiber.com/comparativa-fibra-optica-frente-a-la-fibraoptica-plastica/ [4] Luis, L. (n.d.). SISTEMAS DE FIBRA OPTICA (pág.17-19). www.icatron.org [5] Luna OBR 4600 Optical Backscatter Reflectometer - AusOptic. (n.d.). Retrieved June 1, 2023, from https://ausoptic.com.au/luna-obr-4600-optical-backscatter-reflectometer.html [6] OBR 4600 Optical Backscatter Reflectometer TM. (n.d.). [7] OPTICAL BACKSCATTER REFLECTOMETRY (OBR) ˗ OVERVIEW AND APPLICATIONS INTRODUCTION REFLECTANCE AND RETURN LOSS MEASURING RETURN LOSS. (n.d.). [8] MATLAB - El lenguaje del cálculo técnico. (n.d.). Retrieved August 30, 2023, from https://es.mathworks.com/products/matlab.html [9] Eaton, J. W. (1997). GNU Octave Manual, 3rd Edition. [10] ¿Qué es Python? - Explicación del lenguaje Python - AWS. (n.d.). Retrieved August 30, 2023, from https://aws.amazon.com/es/what-is/python/ [11] Julan A.J. Fells. Department of Engineering Science, University of Oxford 51 ANEXO I Esta lista que podemos ver a continuación expone los distintos comandos de comunicación utilizados con el equipo LUNA (en este anexo aparecen los comandos mencionados a lo largo del documento). Command Description IEEE 488.2 standard commands *IDN? Queries the OBR for its identification string. *OPC? This query returns “1” if the previous operation has been completed; “0” if the previous operation is still processing. *QUIT Ends a remote session, allowing the OBR to go back to local control mode. *RST Instructs the OBR to reset all parameters to the power-on defaults. *TST? Performs a self-test query. Configuration commands CONF:GLEN {gaugeLength} Sets the gauge length in cm. CONF:INTC Sets the OBR integration centre in the units set by CONF:XUNI CONFINTC? Retrieves the OBR Integration (or Sensing) Area centre in the units set by CONF:XUNI CONF:INTS Sets the OBR Integration (or Sensing) Area start in the units set by CONF:XUNI CONF:INTS? Retrieves the OBR Integration (or Sensing) Area start in the units set by CONF:XUNI CONF:INTW Sets the OBR Integration Width (or Sensing Range) in the units set by CONF:XUNI CONF:INTW? Retrieves the OBR Integration Width (or Sensing Range) in the units set by CONF:XUNI CONF:RANG {scanRange} Sets the Scan Range in nanometers. CONF:RANG? Queries the OBR for the current Scan Range (nm). CONF:SSPA Sets the Sensor Spacing in cm. CONF:SSPA? Retrieves the Sensor Spacing in cm. CONF:XUNI Sets the x-axis units being used to specify the Integration (or Sensing) Area. 0: nanoseconds; 1: meters; 2: feet; 3: inches; 4: millimetres CONF:XUNI? Queries the x-axis units being used to specify the Integration (or Sensing) Area. 0: nanoseconds; 1: meters; 2: feet; 3: inches; 4: millimetres Data capture and retrieval commands FETC:FDET? {trace, graphType, decimate} Retrieves additional detail for the frequency domain curves: integrated insertion loss (dB) for graphType = 0, and average delay (ns) for graphType = 1 or 2. 52 FETC:FSIZ? {trace, domain, graphType, decimate} Retrieves the size of the data array for the specified variables: Trace can be A, B, C, D or E. Domain = 0 for the time domain, 1 for frequency domain. GraphType values for the time domain (0): 0 = Amplitude; 1 = Linear Amplitude; 2 = Polarization States; 3 = Phase Derivative; 4 = Amplitude (dB); 5 = Spectral Shift (only on some instruments); 6 = Temporal Shift (only on some instruments); 7 = Strain (only on some instruments); 8 = Temporal Shift (only on some instruments) GraphType values for the frequency domain (1): 0 = Return Loss; 1 = Linear Amplitude; 2 = Polarization States; 3 = Group Delay Decimate: 1 = use decimation, 0 = return all points. FETC:MEAS? {trace, domain, graphType, decimate} Retrieves the Y-axis data for the specified parameters. (For variable definitions, see “FETC:FSIZ? above.) FETC:XAXI? {trace, domain, units, decimate} Retrieves the X-axis data for the specified variables: Trace can be A, B, C, D or E. Domain = 0 for the time domain, 1 for frequency domain. Units for the time domain (0): 0 = time (ns); 1 = length (m); 2 = length (ft); 3 = length (in); 4 = length (mm) Units for the frequency domain (1): 0 = wavelength (nm); 1 = frequency (GHz); 2 = frequency (THz). Decimate: 1 = use decimation, 0 = return all points System level commands SCAN Tells the OBR to execute an optical Scan based on the configured system parameters. SYST:ALIG Aligns the optics SYST:ALIG? Queries the OBR if the optics are aligned (1) or not (0). SYST:COPY {source, destination} Copies data from the source trace (A-E) to the destination trace (A-E). SYST:GET? {trace} Queries whether data is loaded in the specified trace (A-E) SYST:LASE {0|1} Turns the laser on (1) or off (0). SYST:LASE? Queries if the laser is on (1) or off (0). SYST:ON? SYST:RDY? SYST:RDY? Queries if the OBR is ready to scan (1) or not (0). SYST:SAVE {“filename.obr”, trace} Saves the specified trace (A-E) data as a binary file using the specified filename. The file name must be in quotes, and the file type ".obr" must be specified. If no trace is specified, the data in Trace A will be saved. SYST:WARM? Queries if the laser is at operating temperature (1) or not (0). SYST:WTIM? Displays the time remaining on the system one hour warm-up timer 53 ANEXO II En este anexo aparecerán las diferentes funciones diseñadas para este proyecto. Comenzaremos con el script general y se irán viendo las funciones internas de cada. Script general para realizar las campañas de medidas: initialize, función para inicializar todos los parámetros: 54 connectLUNA, realiza la conexión con el dispositivo LUNA OBR-4600: identificationLUNA, comprobamos que la conexión sea buena: warm_up, preguntamos al equipo si ha calentado: 55 align_optics, se alinean las ópticas del OBR: ConfigureThermoCouple, configuración del termopar: ReadThermoCouple, lectura de los datos del termopar: 56 configuration_X_axis, pedimos al usuario que configure el eje X: getDate, función para obtener la fecha para los nombres de los archivos: 57 escanear_guardar_graficar, realiza los movimientos del puente, los escaneos, los gráficos y almacena los datos (función más importante): 64 En esta página vemos el cambio de spectral shift a strain. En la tabla 26 vemos la conversión, como ya se ha explicado antes se hace multiplicando por una constante negativa. Las imágenes muestran tanto el strain como el spectral shift, aunque la imagen 35 se trata del strain negativo para ver que es igual que el spectral shift. Tabla 26: Conversión de spectral shift a strain LUNA Spectral Shift Strain 20220421-N-43_0 20220421-N-43_0 5,29614544 0,136183366 -0,912428552 5,31614542 0,261795431 -1,754029388 5,3361454 0,198989406 -1,33322902 5,35614538 0,252467811 -1,691534334 5,37614536 -0,217022821 1,454052901 5,39614534 -0,042285249 0,283311166 5,41614532 -0,221375704 1,483217217 -4 -3 -2 -1 0 1 5,269 5,469 5,669 5,869 6,069 6,269 6,469 6,669 Spectral Shift (GHz) Length (m) Spectral Shift -5 0 5 10 15 20 25 5,269 5,469 5,669 5,869 6,069 6,269 6,469 6,669 Strain (/GHz) Length (m) Strain (eje vertical invertido) -5 0 5 10 15 20 25 5,269 5,469 5,669 5,869 6,069 6,269 6,469 6,669 Strain (/GHz) Length (m) Strain Imagen 34: Gráfica del strain Imagen 33: Gráfica del spectral shift Imagen 35: Gráfica del strain invertido, es igual que el spectral shift