Sismógrafo piezoeléctrico PDF

Preview

Summary

El presente informe detalla la elaboración de un prototipo de sismógrafo y principios físicos aplicados en este, basado en la implemetación de la piezoelectricidad....

Description

1

PROYECTO “Prototipo de Sismógrafo Piezoeléctrico”

2

Contenido Índice de figuras ..................................................................................................................................... 3 Índice de tablas ...................................................................................................................................... 3 RESUMEN................................................................................................................................................ 4 Objetivo general ..................................................................................................................................... 4 Objetivos específicos .............................................................................................................................. 4 CAPÍTULO 1 ............................................................................................................................................. 5 MARCO TEÓRICO .................................................................................................................................... 5 Tipos de ondas sísmicas .................................................................................................. 5 Diferencia entre los tipos de ondas sísmicas .................................................................. 5 Tipos de sismógrafos ....................................................................................................... 6 Piezoelectricidad ............................................................................................................. 6 Ejemplos de usos de la piezoelectricidad ...................................................................................... 6 Componentes................................................................................................................... 7 CAPÍTULO 2 ............................................................................................................................................. 8 Descripción del sismógrafo a desarrollar ....................................................................... 8 Lista de materiales........................................................................................................... 9 Parte Mecánica .............................................................................................................. 12 Diagrama de bloques..................................................................................................... 12 Cálculos mecánicos ........................................................................................................ 13 Parte eléctrica ................................................................................................................ 15 Cálculos del piezoeléctrico y diagrama esquemático de la parte eléctrica ................. 17 Cálculos de la Potencia .................................................................................................. 17 Rango de Potencia ......................................................................................................... 18 Tabla de datos ............................................................................................................... 18 ETAPAS DEL SISMOGRAFO ................................................................................................................... 19 .............................................................................................................................................................. 19 CAPÍTULO 3 ........................................................................................................................................... 20 IMPLEMENTACIÓN ............................................................................................................................... 20 Construcción del prototipo ........................................................................................... 20 ........................................................................................................................................ 21 Pruebas de funcionamiento .......................................................................................... 22 CAPÍTULO 4 ........................................................................................................................................... 23 Análisis de resultados .................................................................................................... 23 Conclusiones .................................................................................................................. 24

3 Recomendaciones.......................................................................................................... 25 Bibliografía............................................................................................................................................ 26

Índice de ffiguras iguras Ilustración 1. Boceto del prototipo. ........................................................................................................ 8 Ilustración 2. Referencia del sistema masa-resorte del sismógrafo. .................................................... 13 Ilustración 3 - Etapa de amplificación y suma.......................................................................................15 Ilustración 4 - Etapa de comparación ...................................................................................................16 Ilustración 5. Esquemático de la parte eléctrica (Eje X)........................................................................ 17 Ilustración 6. Diagrama del funcionamiento del sismógrafo. ............................................................... 19 Ilustración 7. Segundo prototipo. ......................................................................................................... 20 Ilustración 8. Circuito y prototipo final. ................................................................................................ 21 Ilustración 9. Diseño Final. .................................................................................................................... 22

Índice de tab tablas las Tabla 1. Rango de valores usados en la etapa de comparación del circuito eléctrico. ........................18

4

RESUMEN El proyecto realizado fue un prototipo de sismógrafo piezoeléctrico. La construcción de este prototipo tuvo como objetivo detectar las vibraciones sísmicas de manera funcional, aplicando conceptos mecánicos y eléctricos. Para la elaboración del prototipo se utilizaron distintos materiales como un resorte, una masa colgante, dispositivos eléctricos y electrónicos, entre ellos resistencias, amplificadores operacionales, capacitores y los dispositivos más importantes, los piezoeléctricos, que son los que captan las fuerzas aplicadas por medio de choques o golpes y luego estas señales son transferidas a un circuito eléctrico que permite visualizar la magnitud del sismo. Los fundamentos teóricos utilizados fueron conceptos de ondas mecánicas, condiciones de equilibrio, movimiento dinámico y estático, movimiento armónico simple, también conceptos de electricidad como la corriente eléctrica, resistencia, capacitancia, tiempo de estabilización, entre otros. Todo esto con el fin de visualizar la intensidad del sismo a través de una serie de leds que por su color indican que tan fuerte o leve fue el movimiento telúrico; representado el color verde un nivel bajo, amarillo el nivel medio, y el color rojo representa una intensidad alta. Objetivo general Diseñar y construir un sismógrafo piezoeléctrico capaz de detectar vibraciones de manera funcional activando un circuito eléctrico en el cual, se indique la intensidad del movimiento de forma visual con el fin de alertar al usuario la ocurrencia de estos fenómenos.

Objetivos específicos

•

Profundizar acerca de los tipos de ondas sísmicas que existen, para el desarrollo de un sismógrafo que logre detectar al mismo tiempo las ondas más recurrentes en un sismo.

•

Elaborar un sistema combinado que involucre principios mecánicos y eléctricos con la finalidad de mostrar visualmente la intensidad de onda detectada por el sismógrafo. Comprender el funcionamiento de los piezoeléctricos en el sismógrafo para el análisis de la captación de las fuerzas en señales eléctricas Obtener los rangos de funcionamiento del sismógrafo realizado para la comprobación de los resultados teóricos con los experimentales.

• •

5

CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO Tipos de ondas sísmicas Cuando ocurre un sismo, tres tipos de onda son las causantes del movimiento telúrico, dos de ellas se propagan en el interior de la Tierra. •

Onda Primaria u Onda P

Estas ondas son las más rápidas, su velocidad variará dependiendo la roca. El valor de la rapidez se encuentra entre los 1,100-8,000 m/s. La característica principal de esta onda es que de forma repetitiva y alternada comprime y expande la roca, en la misma dirección de su trayectoria. A su vez es capaz de propagarse a través de sólidos (rocas) y líquidos; como el magma y los océanos. Además, se puede transmitir a través de la atmósfera; en ocasiones, personas y animales la perciben como un sonido grave y profundo.

•

Onda Secundaria u Onda S

El nombre S se debe a que la velocidad de propagación es menor que las ondas P, entre valores de 500 y 4,400 m/s. Esta onda no se propaga en fluidos puesto que deforma el material lateralmente respecto a la trayectoria. Las ondas P son las primeras en llegar causando la vibración de paredes y ventanas, luego de estas llegan las ondas S, las cuales presentan un movimiento vertical o transversal; es decir que se mueve de abajo hacia arriba y de lado a lado. Por ello se siente que la superficie se mueve vertical y horizontalmente. (Bergman, 2016)

Diferencia entre los tipos de ondas sísmicas Con respecto a su modo de propagación las ondas longitudinales son partículas que se mueven en la misma dirección de propagación de ondas, comprimiendo y experimentando sucesivamente las rocas, mientras que las ondas secundarias o transversales, son ondas en las cuales el desplazamiento es transversal a la dirección de propagación, además las ondas superficiales o largas son ondas que producen un movimiento horizontal de corte en superficie, por último las ondas Rayleigh, también denominadas ground roll, son ondas superficiales que producen un movimiento elíptico retrógrado del suelo. En su velocidad las ondas primarias viajan a una velocidad de 1.73 veces de la onda secundaria, así también la velocidad de las ondas superficiales o largas es un 90% de la

6

velocidad de las ondas superficiales y es ligeramente superior a la velocidad de las ondas Rayleigh, así mismo las ondas Rayleigh son ondas más lentas que las ondas de cuerpo y su velocidad de propagación es casi un 70% de la velocidad de las ondas S.

Tipos de sismógrafos

•

•

Péndulo Simple Aunque no eficaz. Se ha usado el péndulo invertido, con su masa equilibrada en un punto y mantenida en posición por medio de muelles horizontales. Péndulo de Torsión Es aquel en el que se fija excéntricamente una masa pequeña a lo largo de un alambre sometido a tensión.

Piezoelectricidad Ejemplos de usos de la piezoelectricidad 1. Una impresora de matriz de puntos: En una impresora de matriz de puntos piezoeléctrica, los transmisores piezoeléctricos en el cabezal de la impresora mueven pines en forma de aguja que "golpean" a través de una tira de cinta de tinta contra una hoja de papel en varios patrones para formar personajes. 2. Impresora de inyección de tinta: en una impresora de inyección de tinta piezoeléctrica, los actuadores piezoeléctricos en el cabezal de la impresora actúan sobre pequeños diafragmas para que las gotas de tinta salgan de un orificio sobre el papel. 3. Altavoces piezoeléctricos como los siguientes: • Celulares • auriculares • • •

Juguetes que producen sonido. Tarjetas de felicitación musicales. Globos musicales.

7

Componentes

•

Resistencias Es un elemento de electrónica capaz cortar un flujo de corriente de un sistema causando una diferencia de voltaje en este. Sus valores de potencia más comunes están entre 1/4, 1/2, 1 watt. Gracias a la Ley de Joule la capacidad de disipación de calor de estos elementos es aumenta a medida que su tamaño también aumenta. Las resistencias se representan con la letra R y el valor de éstas se mide en Ohmios (Ω). Hay resistencias o resistores son de carbón y de montaje superficial (SMD) de pequeño tamaño y resistencias con valores de Ohmios (Ω), Kilohmios (KΩ), Megaohmios (MΩ).

•

Multímetro Es un aparato de medición cuya función principal es medir magnitudes eléctricas a diferentes escalas como voltios y amperes, las cuales se realizan para corriente continua o alterna. Algunas de las funciones de un multímetro son las siguientes: 1. Medición de resistencia 2. Prueba de continuidad 3. Medición de tensiones 4. Medición de milivoltios 5. Medición de corrientes 6. Medición de frecuencias

8

CAPÍTULO 2 Descripción del sismógrafo a desarrollar Para la elaboración del prototipo a realizar se establecieron ciertos factores de funcionamiento y diseño, las cuales se debían cumplir para un correcto funcionamiento; tales como: •

•

incorporación de piezoeléctricos que generen un voltaje con cada ocurrencia de vibración, de modo que pueda activar un circuito eléctrico y a su vez comunique la magnitud de las ondas percibidas de manera visual a través del uso de leds. Funcionar de manera aislada; es decir, factores como el viento, resistencia de los materiales al choque o vibraciones de trasfondo no pueden afectar los resultados.

Por lo cual, se estableció un prototipo el cuál este conformado por un trípode fotográfico, el cual sostenga un sistema vertical de masa-resorte; esto con la finalidad de que, al existir un movimiento telúrico, el sistema se perturbe y comience a oscilar, aprovechando este movimiento se incorporará una caja cuadrada con 1 piezoeléctrico en cada lado de manera que rodeen la masa colgante y esta golpee los piezoeléctricos cuando ocurra un sismo. Para el funcionamiento eléctrico, una vez que los piezoeléctricos generen un diferencial de potencial, este se usará para activar un circuito eléctrico que alimenten una serie de leds de varios colores indicando la intensidad de las ondas recibidas.

Ilustración 1. Boceto del prototipo.

9

Lista de materiales materiales

Descripción técnica Material: aluminio Altura mínima: 30cms Altura máxima: 120cm

Características proveedor cantidad Precio de uso total Su función es el Importaciones 1 10$ mantenimiento carlos postural del sismógrafo, fabricado a base de aluminio, su elección permitió que el sismógrafo fuera desarmable.

Resorte

K= 32.6 n/m Longitude natural: 30cm

Permite captar Tapia las ondas ya electronics sean transversales o longitudinales a través de su oscilación.

1

7$

Tubo de manguera

Longitud:30 cm de manguera de agua Diámetro: 3cm

Permite que el mega kiwi resorte no se desplaza en otras direcciones que no sea la de “Y”.

1

1$

Masas

Material: acero altura:8cm diámetro:5cm geometría: cilindros

Tapia electronics

2

2$

Piezoeléctricos

Rango de voltaje: 0500mv 𝑟 = 1.05 𝑐𝑚 𝑉 = 0.5 𝑉 𝐼 = 50 𝜇𝐴

Se usarán para obtener voltaje por medio de los golpes producidos por la oscilación del resorte. Su función es obtener datos de las ondas a través del contacto físico con la masa que cuelga en el resorte.

Tapia electronics

4

3.2$

Trípode

10

Placa Protoboard

Opam LM358

El protoboard cuenta de una franja roja para los cables de bus de datos. Una franja que representa los nodos interconectados Tamaño: 4.9mm x 3.91mm. Factor de amplificación: 10

Resistencia

10Komh

Capacitores

1000uF

Cables pinzas de cocodrilos

Color: rojo, azul, verde

Sirve para insertar componentes electrónicos y cables para armar circuitos eléctricos.

Tapia electronics

1

5$

Este consta de una protección contra cortocircuitos. Posee grandes rangos de diferencia de potencial y no se requiere una compensación de frecuencia Permite una oposición al flujo eléctrico generado por los piezoeléctricos.

Tapia electronics

8

6.4$

Tapia electronics

60

3$

Nos servirá para guardar el voltaje amplificado y poder encender los leds. Se utilizan de forma general para transferir señales eléctricas de cualquier parte de la placa de prototipos a los pines de entrada/salida de un micro controlador.

Tapia electronics

6

1.8$

Tapia electronics

10

1$

11

Esponja

7cms x 7cms

Previene daños Tapia al electronics piezoeléctrico y permite una mayor toma de datos generados por la masa al momento de oscilar el resorte.

1

0.10ctvs

Leds

Potencia: 8-50 watts luminosidad: 120lm/w colores: rojo, verde, amarillo (1.5v) Tablas rectangulares de 15x8

Se usarán los Tapia diferentes electronics colores para demostrar la intensidad del sismo por color.

12

1.2$

Servirán para hacer las paredes del edificio simulador, donde golpeara la masa para generar voltaje por medio de los piezoeléctricos conectados detrás de cada pared.

2

3$

Madera

mega kiwi

12

Parte Mecánica En la parte mecánica se usó como idea base el péndulo de torsión ya que consta de un cuerpo rectangular suspendido verticalmente el cual se encuentra fijo y en su extremo inferior cuenta con una masa, la cual a su vez se encuentra encerrada por una pared de madera que producen la transmisión del movimiento mecánico a los sensores piezoeléctricos. Diagrama de bloques

Deteccion del sismo

Oscilacion masa-resorte

Generador de datos (Colisiones)

Transferencia de señal

1. Detección del sismo: Para que el sismógrafo piezoeléctrico cumpla su función, debe existir un movimiento que perturbe el estado de equilibrio del sistema. Cuando esto ocurre el prototipo comienza a detectar el sismo. 2. Oscilación masa-resorte: El movimiento armónico simple por parte de la masa se da debido al movimiento. Dicha oscilación permite que la masa golpee las paredes de la caja que la encierra. Es por este motivo que el diseño de la caja es de un rectángulo. Hay que tener en cuenta que los piezoeléctricos se encuentran protegidos por una esponja 3. Generador de datos (colisiones): Cuando se genera el sismo, la masa golpea las paredes activando los piezoeléctricos. Estos dispositivos captan las señales del movimiento dinámico y las transforman en captaciones eléctricas puesto que los piezoeléctricos miden valores de potencial eléctrico. 4. Transferencia de señal: Culminando la parte mecánica se tiene la transferencia de las señales captadas por los piezoeléctricos. La transferencia de señal es muy importante puesto que, si sólo se queda en la parte mecánica, la intensidad del sismo no lograría ser visualizada con tan solo unas colisiones.

13

Cálculos mecánicos Como se sabe en la parte mecánica del prototipo del sismógrafo piezoeléctrico se utilizó un trípode, un resorte, una masa colgante y una caja que contiene los 4 piezoeléctricos. Para poder obtener...