ES2316307B2 - SAFE DEVICE FOR DRIVING AGAINST SITUATIONS OF DEAD OR SLEEPING MAN. - Google Patents
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- B60—VEHICLES IN GENERAL
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Abstract
Dispositivo seguro para conducción frente a situaciones de hombre muerto o dormido.Safe device for driving in front of situations of dead or sleeping man.
La presente invención detalla un dispositivo seguro para conducción frente a situaciones de hombre muerto o dormido que comprende mandos para control manual de vehículos o máquinas sobre los que se distribuye una red de sensores piezoeléctricos y piroeléctricos. La información de dichos sensores es gestionada por la electrónica de control con ayuda de un modelo de comportamiento para evaluación de situaciones de riesgo. Dicha electrónica permite envío de señales de mando a elementos que actúan sobre el usuario para alertarlo o bien sobre el vehículo o máquina para retornar a una situación de seguridad. Resulta especialmente útil para evitar intentos de desactivación intencionado por parte del usuario, que han sido causantes de muchos accidentes de ferrocarril.The present invention details a device driving insurance in situations of dead man or asleep comprising controls for manual control of vehicles or machines on which a sensor network is distributed piezoelectric and pyroelectric. The information of these sensors It is managed by the control electronics with the help of a model of behavior for evaluation of risk situations. Bliss electronics allows sending command signals to elements that act on the user to alert him or on the vehicle or machine to return to a security situation. It turns out especially useful to avoid intentional deactivation attempts by of the user, which have been the cause of many accidents of railway.
Description
Dispositivo seguro para conducción frente a situaciones de hombre muerto o dormido.Safe device for driving in front of situations of dead or sleeping man.
La invención se encuadra en el sector técnico de la seguridad en vehículos y máquinas. Más concretamente en el relativo a dispositivos de enclavamiento y dispositivos de "hombre muerto", que actúan deteniendo el vehículo o máquina en caso de pérdida de control o desvanecimiento del operario.The invention falls within the technical sector of Safety in vehicles and machines. More specifically in the concerning interlocking devices and devices "dead man", acting by stopping the vehicle or machine in case of loss of control or fade of the operator.
Los interruptores o dispositivos de "hombre muerto" tienen la función de detener un vehículo o máquina en casos en los que el operario pierda el control de la misma y su diseño pretende ser siempre a prueba de fallos. Se emplean comúnmente en locomotoras, montacargas, máquinas cortacésped, tractores y otros."Man switches or devices dead "have the function of stopping a vehicle or machine in cases in which the operator loses control of it and its Design aims to always be fail safe. Are used commonly in locomotives, forklifts, lawnmowers, tractors and others.
El interés en estos sistemas aumentó con la aparición de tranvías y locomotoras electrificadas, ya que en las locomotoras de vapor siempre había junto al maquinista un oficial encargado de controlar el suministro de combustible al motor. Con los tranvías, metros y trenes de cercanías posteriores, el conductor se empezó a encontrar aislado en un habitáculo al que nadie podía acceder en caso de pérdida de control por desvanecimiento, lo que produjo numerosos accidentes que llevaron a la introducción de dispositivos de "hombre muerto".Interest in these systems increased with the appearance of trams and electrified locomotives, since in the steam locomotives there was always an officer next to the driver responsible for controlling the fuel supply to the engine. With the trams, subways and suburban trains later, the driver began to find himself isolated in a passenger compartment nobody could access in case of loss of control by fading, which resulted in numerous accidents that led to the introduction of "dead man" devices.
Los dispositivos convencionales empleados en locomotoras presentan mandos de control que deben ser presionados de forma mantenida por el operario durante la marcha del tren. El mando de control generalmente tiene un sistema de retorno mecánico tipo resorte que, en caso de desvanecimiento del operario, lo devuelve a su posición de reposo, en la que se libera un interruptor que activa los frenos de emergencia.The conventional devices used in locomotives have control knobs that must be pressed in a manner maintained by the operator during the running of the train. He control knob usually has a mechanical return system spring type that, in case of operator fading, what returns to its resting position, in which a switch that activates the emergency brakes.
Diferentes diseños basados en este sistema en los que el mando de control es un botón, una rueda, una palanca, un joystick y otros, son ampliamente utilizados a pesar de que presentan un problema de seguridad destacable. Mantener la presión sobre un mando, venciendo un sistema de retorno tipo resorte, resulta molesto para los operarios que, en numerosas ocasiones, han optado por colocar algún tipo de bloqueo mecánico (peso, cuerda o similar) para mantener presionado el mando en la posición de marcha y evitar tener que ejercer por sí mismos la presión requerida. En una situación así, el sueño, el mareo, el desvanecimiento o cualquier problema grave que afecte al conductor, lleva irremediablemente a una situación de extremo peligro, que en muchas veces ha terminado en accidentes mortales.Different designs based on this system in which the control knob is a button, a wheel, a lever, a joystick and others, are widely used even though They present a remarkable security problem. Keep up the pressure on a command, overcoming a spring return system, It is annoying for operators who, on numerous occasions, have opted to place some kind of mechanical lock (weight, rope or similar) to hold the control in the running position and avoid having to exert the required pressure on their own. In such a situation, sleep, dizziness, fainting or any serious problem that affects the driver, carries hopelessly to a situation of extreme danger, which in many Sometimes it has ended in fatal accidents.
Otros sistemas de hombre muerto han buscado también diseños a prueba de fallos, como el empleo de:Other dead man systems have searched also fail-safe designs, such as the use of:
- \bullet?
- Pedales en sustitución de mandos manuales, pero que también pueden resultar incómodos para el operario e inducirle a colocar un peso sobre el pedal por razones de sobrecarga muscular, lo que lleva a problemas similares a los expuestos arriba.Pedals replacing controls manuals, but which can also be uncomfortable for the operator and induce him to place a weight on the pedal for reasons of muscle overload, which leads to problems similar to exposed above.
- \bullet?
- Sensores de contacto que permiten detectar si la mano del operario ejerce contacto sobre el mando, pero que no permiten evaluar posibles situaciones en las que el conductor se duerma, al ser sensores que no diferencian presiones.Contact sensors that allow to detect if the operator's hand exerts contact on the command, but that do not allow to evaluate possible situations in which the driver falls asleep, being sensors that do not differentiate pressures
- \bullet?
- Sensores ópticos que también permiten detectar si la mano del operario ejerce contacto, pero que resultan también fáciles de sabotear colocando una cinta adhesiva opaca sobre el sensor.Optical sensors that also allow to detect if the operator's hand exerts contact, but that They are also easy to sabotage by placing an adhesive tape opaque over the sensor.
- \bullet?
- Interruptores de asiento, generalmente utilizados en tractores, destinados a cortar el motor si el conductor se baja o se cae del tractor. En caso de desvanecimiento, sin embargo, el tractor seguiría funcionando y podría ocasionar un accidente.Seat switches, generally used in tractors, intended to cut the engine If the driver gets off or falls off the tractor. In case of fading, however, the tractor would continue to run and It could cause an accident.
- \bullet?
- Sensores ópticos que permiten evaluar la frecuencia de parpadeo del conductor y activar algún tipo de señal de alarma en caso de cambio notable en dicha frecuencia (generalmente disminución de frecuencia), que se produce en situaciones de sueño.Optical sensors that allow evaluate the driver's blink frequency and activate some type of alarm signal in case of noticeable change in said frequency (usually decrease in frequency), which occurs In sleep situations.
Entre las patentes encontradas relacionadas con estos sistemas destacan:Among the patents found related to These systems highlight:
WO0018012 "Dead-man switch".- Que trata sobre un mando para vehículos que por efecto de presión es capaz de detectar situaciones de desvanecimiento del conductor y enviar una señal para desconectar la transmisión del motor.WO0018012 " Dead-man switch " .- It is about a control for vehicles that by pressure effect is able to detect situations of driver fading and send a signal to disconnect the engine transmission.
US2006164254, DE10332823 y WO03093048.- Describen sensores capacitivos embebidos en mangos o asientos para detectar al operario de la máquina o vehículo por medio de la presión que éste ejerce.US2006164254, DE10332823 and WO03093048.- Describe capacitive sensors embedded in handles or seats for detect the operator of the machine or vehicle by means of the pressure it exerts.
KR20040041479 "Device for detecting seating in vehicle for outputting signals in taking seat or getting up from seat".- Trata sobre un interruptor de asiento en el que el cojín presenta un resorte destinado al cierre del interruptor sólo cuando el conductor esté sentado sobre el asiento.KR20040041479 " Device for detecting seating in vehicle for outputting signals in taking seat or getting up from seat " .- It is about a seat switch in which the cushion has a spring intended for closing the switch only when the driver is sitting on the seat .
US2006151227 "Automobile with vehicle seats equipped with pressure sensors".- Contiene sensores incluidos en los asientos de un automóvil para evaluar la presión ejercida en diferentes partes del asiento y actuar por medio de una unidad de control para aumentar la comodidad del usuario.US2006151227 " Automobile with vehicle seats equipped with pressure sensors " .- Contains sensors included in the seats of a car to assess the pressure exerted on different parts of the seat and act through a control unit to increase user comfort.
WO9805543 "Steering wheel with opto-electronic sensor".- Presenta un volante con fibra óptica incluida en su interior, por la que se hace pasar luz de forma continua. Los cambios de presión sobre el volante producen modificaciones en la transmisión de la luz a través de la fibra óptica, que correctamente evaluadas permiten programar actuaciones.WO9805543 " Steering wheel with opto-electronic sensor " .- It has a steering wheel with fiber optic included inside, through which light is passed continuously. Changes in pressure on the steering wheel cause changes in the transmission of light through the optical fiber, which, when properly evaluated, allow the programming of actions.
La publicación "Monitoring eye and eyelid movements by infrared reflectance oculography to measure drowsiness in drivers" describe un sistema de hombre muerto que emplea oculografia infrarroja para detección de cansancio en conductores. Se explica la realización de ensayos en un simulador de conducción, en los que se evalúa el movimiento de los párpados de los distintos participantes.The publication " Monitoring eye and eyelid movements by infrared reflectance oculography to measure drowsiness in drivers " describes a dead man system that uses infrared oculography to detect fatigue in drivers. The performance of tests in a driving simulator is explained, in which the movement of the eyelids of the different participants is evaluated.
Productos comerciales como el "Angel driver
nzapper" proponen detectar el sueño del paciente en función
de la inclinación y movimientos de su columna vertebral. Se coloca
en la oreja y detecta cualquier movimiento o inclinación de la
cabeza que incite al sueño o cansancio, alertando al conductor
mediante pitidos de alta frecuencia de su
estado.Commercial products such as the " Angel driver nzapper " propose to detect the patient's sleep based on the inclination and movements of his spine. It is placed in the ear and detects any movement or inclination of the head that incites sleep or fatigue, alerting the driver by high frequency beeps of his
state.
En muchos de los sistemas comentados, el problema radica en que el sensor permite evaluar una sola magnitud física, generalmente presión, con lo que el sistema no resulta seguro a prueba de engaños por parte de los usuarios. Resultaría conveniente disponer de una red de sensores que permitiera evaluar simultáneamente dos magnitudes y decidir las actuaciones en función de una comparación cruzada de dichas magnitudes. Se llegaría así a un sistema más fiable, tanto en casos de fallo en la detección de una de las magnitudes, como en casos de intento de sabotaje del sistema.In many of the systems discussed, the problem is that the sensor allows to evaluate a single magnitude physics, usually pressure, so the system does not work User-proof cheat insurance. Would result It is convenient to have a sensor network that would allow evaluation simultaneously two magnitudes and decide the actions in function of a cross comparison of these magnitudes. It would arrive like this to a more reliable system, both in cases of failure to detect one of the magnitudes, as in cases of attempted sabotage of the system.
Existen ciertos polímeros que presentan propiedades tanto piezoeléctricas (acoplamiento electromecánico) como piroeléctricas (acoplamiento termomecánico). Responden frente a cambios de presión y/o temperatura generando una diferencia de potencial entre sus extremos, lo que los hace posibles candidatos a formar parte de una red de sensores que permitiera evaluar simultáneamente presión y temperatura, como se proponía antes para solucionar los problemas en los sistemas de hombre muerto explicados.There are certain polymers that have both piezoelectric properties (electromechanical coupling) as pyroelectric (thermomechanical coupling). Respond front to changes in pressure and / or temperature generating a difference of potential between its extremes, which makes them possible candidates for be part of a sensor network that would allow evaluation simultaneously pressure and temperature, as previously proposed for solve problems in dead man systems explained.
En el pasado estos polímeros se han empleado en el desarrollo de sensores de presión como se describe en US2004181117, JP2005201044 y US5760530. En estos sistemas, la presencia de un acoplamiento termoeléctrico adicional (el efecto piroeléctrico) era siempre una molesta fuente de ruido que falseaba la señal de presión. De hecho existen patentes como la US2006152375 "Pressure-sensitive sensor and object detector" que exponen procedimientos para compensar los efectos piroeléctricos y sólo considerar los efectos de presión.In the past these polymers have been used in the development of pressure sensors as described in US2004181117, JP2005201044 and US5760530. In these systems, the presence of an additional thermoelectric coupling (the pyroelectric effect) was always an annoying source of noise that distorted the pressure signal. In fact there are patents such as US2006152375 " Pressure-sensitive sensor and object detector " that set out procedures to compensate for pyroelectric effects and only consider pressure effects.
En otros casos estos polímeros se han empleado en el desarrollo de sensores de temperatura o detectores de infrarrojos, como se describe en US2007187605 y en US2007108385, siendo en estos casos el acoplamiento electromecánico el posible causante de señales inesperadas en estos sistemas.In other cases these polymers have been used in the development of temperature sensors or detectors infrared, as described in US2007187605 and in US2007108385, being in these cases the electromechanical coupling the possible causing unexpected signals in these systems.
Lo que en dichos sistemas resultaba un problema,
si se combina con un microcontrolador que disponga de un modelo de
comportamiento piezoeléctrico-piroeléctrico
adecuado, puede resultar decisivo en la obtención de un dispositivo
de hombre muerto que permita evaluar simultáneamente la evolución
de dos magnitudes (presión y tempera-
tura).What in these systems was a problem, if combined with a microcontroller that has a suitable piezoelectric-pyroelectric behavior model, can be decisive in obtaining a dead man device that allows simultaneous evaluation of the evolution of two magnitudes (pressure and temper-
tura).
Se describe con esta invención cómo llegar a un dispositivo de hombre muerto basado en las ventajas que aportan los polímeros piezoeléctricos y/o piroeléctricos como sensores.It is described with this invention how to arrive at a dead man device based on the advantages provided by piezoelectric and / or pyroelectric polymers as sensors.
Con la intención de conseguir sistemas de hombre muerto que sean "esencialmente seguros" y que resulten a la vez cómodos para los operarios, para así resolver algunos problemas expuestos anteriormente, se propone la invención "Dispositivo seguro para conducción frente a situaciones de hombre muerto o dormido" descrita en detalle a continuación.With the intention of achieving dead man systems that are "essentially safe" and that are both comfortable for operators, in order to solve some of the above problems, the invention is proposed " Safe device for driving in situations of dead man or asleep "described in detail below.
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La presente invención detalla un dispositivo seguro para conducción frente a situaciones de hombre muerto o dormido que comprende mandos para control manual de vehículos o máquinas sobre los que se distribuye una red de sensores piezoeléctricos y piroeléctricos. La información de dichos sensores es gestionada por la electrónica de control, a la que la red de sensores está conectada, con ayuda de un modelo de comportamiento para evaluación de situaciones de riesgo. Dicha electrónica permite envío de señales de mando a elementos que actúan sobre el usuario para alertarlo o bien sobre el vehículo o máquina para retomar a una situación de seguridad. Resulta especialmente útil para evitar intentos de desactivación intencionados por parte del usuario, que han sido causantes de muchos accidentes laborales y de ferrocarril. Se detallan en este apartado los distintos componentes que integran la invención y sus características fundamentales.The present invention details a device driving insurance in situations of dead man or asleep comprising controls for manual control of vehicles or machines on which a sensor network is distributed piezoelectric and pyroelectric. The information of these sensors It is managed by the control electronics, to which the network of sensors is connected, with the help of a behavior model for evaluation of risk situations. This electronics allows sending command signals to elements that act on the user to alert you to the vehicle or machine to resume A security situation. It is especially useful to avoid intentional deactivation attempts by the user, which They have been the cause of many work and rail accidents. The different components that make up are detailed in this section. The invention and its fundamental characteristics.
El dispositivo seguro para conducción frente a situaciones de hombre muerto o dormido comprende:The safe device for driving in front of situations of dead or sleeping man includes:
- \bullet?
- Uno o más mandos para control manual de un vehículo o máquina que disponen de una red o matriz de sensores piezoeléctricos y/o piroeléctricos distribuidos sobre la zona susceptible de contacto con las manos del operario y conectados a la electrónica de control. Dicha matriz de sensores distribuidos por toda la zona de contacto, junto con el modelo de comportamiento para detección y evaluación de riesgos, permite conocer la situación de cada parte de las manos del operario en contacto con el mando de control. Por debajo de un umbral de contacto determinado, el procesador gestiona las alertas sobre el operario y las actuaciones sobre el vehículo o máquina, para volver a la situación de seguridad.One or more controls for control manual of a vehicle or machine that has a network or matrix of piezoelectric and / or pyroelectric sensors distributed over the area susceptible to contact with the operator's hands and connected to control electronics. Said array of distributed sensors throughout the contact area, along with the behavior model for risk detection and evaluation, it allows to know the situation of each part of the operator's hands in contact with The control knob. Below a contact threshold determined, the processor manages alerts about the operator and the actions on the vehicle or machine, to return to the security situation.
- \bullet?
- Una electrónica de control, con al menos batería, procesador, módulo de comunicaciones y antena, con funciones de:A control electronics, with at least battery, processor, communications module and antenna, with functions of:
- \sqbullet\ sqbullet
-
\vtcortauna \ vtcortauna
- \sqbullet\ sqbullet
-
\vtcortauna \ vtcortauna
- \sqbullet\ sqbullet
-
\vtcortauna \ vtcortauna
- \sqbullet\ sqbullet
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\vtcortauna \ vtcortauna
- \sqbullet\ sqbullet
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\vtcortauna \ vtcortauna
- \bullet?
- Uno o más elementos actuadores con posibilidades de actuación acústica, vibratoria, luminosa o combinación de las mismas o de cualquier otro tipo, con control sobre sus intensidades y duraciones destinados a alertar al operario.One or more actuator elements with possibilities of acoustic, vibratory, luminous or combination thereof or any other type, with control about its intensities and durations intended to alert the operator.
- \bullet?
- Uno o más dispositivos remotos con posibilidades de actuación mecánica, eléctrica, neumática, hidráulica, química o combinación de las mismas o de cualquier otro tipo, destinados a llevar al vehículo o máquina a una situación segura.One or more remote devices with possibilities of mechanical, electrical, pneumatic actuation, Hydraulic, chemical or combination thereof or any other type, intended to bring the vehicle or machine to a situation safe.
Explicados los elementos que comprende la invención, se proporciona a continuación información relativa a detalles de dichos elementos o a posibles materializaciones de los mismos.Explained the elements that comprise the invention, information relating to details of these elements or possible materializations of the same.
Los sensores piezoeléctricos y/o piroeléctricos, que constituyen la red o matriz de sensores, son láminas poliméricas cuyo reducido espesor (generalmente de 20 a 200 micrómetros) y elevada flexibilidad facilita su colocación, así como su distribución sobre toda la zona susceptible de contacto con las manos del operario. Al ser toda la lámina la que presenta el grado de cristalinidad necesario que proporciona al polímero sus propiedades piezoeléctricas y/o piroeléctricas, cualquier geometría recortada partiendo de una lámina de dicho material, para adaptarse al mando de control, presenta también las propiedades necesarias para las tareas de detección. El reducido espesor facilita su integración en el mando de control y permite el empleo de recubrimientos protectores adicionales, sin llegar a sensores voluminosos, lo que simplifica también las tareas de montaje y permite optimizar la ergonomía final del mando de control.Piezoelectric and / or pyroelectric sensors, which constitute the network or array of sensors, are sheets polymeric whose reduced thickness (usually from 20 to 200 micrometers) and high flexibility facilitates placement, as well as its distribution over the entire area susceptible to contact with Operator's hands Being the whole sheet that presents the degree of necessary crystallinity that gives the polymer its piezoelectric and / or pyroelectric properties, any geometry trimmed from a sheet of said material, to adapt under control, it also presents the necessary properties for detection tasks. The reduced thickness facilitates its integration in the control command and allows the use of additional protective coatings, without reaching sensors bulky, which also simplifies assembly tasks and allows to optimize the final ergonomics of the control knob.
Como polímeros con propiedades piezoeléctricas y piroeléctricas se pueden emplear, entre otros, el polifluoruro de vinilideno o PVDF -(CH2-CF2)-„ y sus copolímeros, como el poli(fluoruro de vinilideno-trifluoro etileno) o P(VDF-TrFE).As polymers with piezoelectric properties and Pyroelectric can be used, among others, the polyfluoride of vinylidene or PVDF - (CH2-CF2) - „and its copolymers, such as poly (vinylidene-trifluoro fluoride ethylene) or P (VDF-TrFE).
El modelo de comportamiento combinado piezoeléctrico-piroeléctrico para detección de situaciones de riesgo incluye los siguientes parámetros:The combined behavior model piezoelectric-pyroelectric for detection of Risk situations include the following parameters:
- \bullet?
- Espesor de los sensores que constituyen la red o matriz de sensores.Thickness of the sensors that they constitute the network or array of sensors.
- \bullet?
- Área efectiva de los sensores. Effective area of sensors
- \bullet?
- Módulo de elasticidad del material de los sensores. Modulus of elasticity of sensor material.
- \bullet?
- Constante dieléctrica de los sensores. Dielectric constant of sensors
- \bullet?
- Coeficientes piezoeléctricos del material de los sensores. Piezoelectric coefficients of the sensor material.
- \bullet?
- Coeficientes piroeléctricos del material de los sensores. Pyroelectric coefficients of sensor material.
- \bullet?
- Resistencia eléctrica equivalente de los sensores. Electric resistance equivalent of the sensors.
- \bullet?
- Capacidad equivalente de los sensores. Equivalent capacity of sensors
- \bullet?
- Conductividad térmica del material de los sensores. Thermal conductivity of sensor material.
- \bullet?
- Calor específico del material de los sensores. Specific heat of the material of the sensors.
- \bullet?
- Densidad del material de los sensores. Material density of sensors
- \bullet?
- Espesor del material para el recubrimiento de los sensores. Material thickness for sensor coating.
- \bullet?
- Módulo de elasticidad del material para el recubrimiento de los sensores. Modulus of elasticity of material for coating the sensors.
- \bullet?
- Conductividad térmica del material para el recubrimiento de los sensores. Thermal conductivity of material for coating the sensors.
- \bullet?
- Calor específico del material para el recubrimiento de los sensores. Specific heat of the material for the coating of the sensors.
- \bullet?
- Densidad del material para el recubrimiento de los sensores. Material density for the sensor coating.
- \bullet?
- Resistencia equivalente del circuito de acondicionamiento. Equivalent resistance of conditioning circuit
- \bullet?
- Capacidad equivalente del circuito de acondicionamiento. Equivalent capacity of conditioning circuit
- \bullet?
- Factor de amplificación electrónica. Amplification factor electronics.
- \bullet?
- Coeficientes de transmisión del calor por convección en torno a los mandos de control (zona expuesta al ambiente). Transmission coefficients of convection heat around the control knobs (zone exposed to the environment).
- \bullet?
- Coeficientes de transmisión del calor por conducción en torno a los mandos de control (zona en contacto con otras partes sólidas del dispositivo). Transmission coefficients of heat by conduction around the control knobs (zone in contact with other solid parts of the device).
- \bullet?
- Resistencias térmicas de contacto para transmisión del calor entre las manos del operario y los mandos de control. Thermal resistance of contact for heat transmission between the operator's hands and Control knobs
- \bullet?
- Otros factores de ajuste para la aplicación concreta. Other adjustment factors for The concrete application.
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En el caso de varios materiales para los sensores o recubrimientos el modelo incluye las propiedades comentadas arriba para cada uno de dichos materiales. Se explican las relaciones entre los distintos parámetros a continuación.In the case of various materials for sensors or coatings the model includes the properties commented above for each of these materials. They are explained the relationships between the different parameters below.
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En la Figura 2 se muestra el esquema del sensor piezoeléctrico. El desplazamiento de cargas producido al aplicar una fuerza sobre el sensor piezoeléctrico se puede representar mediante el circuito eléctrico equivalente representado en la Figura 3.Figure 2 shows the sensor scheme piezoelectric. The displacement of loads produced when applying a force on the piezoelectric sensor can be represented by the equivalent electrical circuit represented in the Figure 3.
La fuerza F sobre el sensor actúa como un generador de intensidad que alimentase a un condensador de capacidad "C" según la ecuación siguiente:The force F on the sensor acts as a intensity generator that fed to a capacitor capacity "C" according to the following equation:
C=C(F)= \varepsilon \cdot (L1\cdotL2)/eC = C (F) = \ varepsilon \ cdot (L1 \ cdotL2) / e
Siendo:Being:
\varepsilon.- La constante dieléctrica del sensor.? - The dielectric constant of the sensor.
L1\cdotL2.- El área efectiva del sensor.L1 \ cdotL2.- The effective area of the sensor.
e.- El espesor del sensor.e.- The thickness of the sensor.
El espesor del sensor, "e", depende del espesor inicial, "e0", de la presión aplicada, \sigma = F/(L1\cdotL2), y del módulo de elasticidad del material de los sensores, E, a través de la expresión siguiente:The thickness of the sensor, "e", depends on the initial thickness, "e0", of the applied pressure, \ sigma = F / (L1 \ cdotL2), and the modulus of elasticity of the material of the sensors, E, through the following expression:
e = e0\cdot(1 - \sigma/E)e = e0 \ cdot (1 - \ sigma / E)
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La intensidad de corriente, "I", generada con la aplicación de la fuerza "F", depende del coeficiente piezoeléctrico transversal del sensor "d33" según la ecuación siguiente.The current intensity, "I", generated with the application of force "F", it depends on the coefficient piezoelectric transverse sensor "d33" according to the equation next.
Q=d33 \cdot F \rightarrow I = dQ/dt = d33\cdotdF/dtQ = d33 \ cdot F \ rightarrow I = dQ / dt = d33 \ cdotdF / dt
Al conectarse el sensor a un circuito externo según muestra la Figura 3, éste se descarga en función de la resistencia "R" equivalente de dicho circuito externo. La ecuación diferencial siguiente, una vez integrada, permite obtener el voltaje a la salida del circuito equivalente "U":When the sensor is connected to an external circuit as shown in Figure 3, it is downloaded based on the equivalent "R" resistance of said external circuit. The following differential equation, once integrated, allows to obtain the voltage at the output of the equivalent circuit "U":
I = d33\cdotdF/dt = U/R + C\cdotdU/dtI = d33 \ cdotdF / dt = U / R + C \ cdotdU / dt
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De forma similar al efecto de los cambios de presión, los cambios en la temperatura del sensor actúan como un generador de intensidad que alimentase a un condensador de capacidad "C" según la ecuación siguiente:Similar to the effect of changes in pressure, changes in sensor temperature act as a intensity generator that fed to a capacitor capacity "C" according to the following equation:
C = C(F) = \varepsilon \cdot (L1\cdotL2)/eC = C (F) = \ varepsilon \ cdot (L1 \ cdotL2) / e
La intensidad de corriente, "I", generada por el cambio de temperatura "\DeltaT", depende del coeficiente piroeléctrico "p3" del material del sensor según la ecuación siguiente.The current intensity, "I", generated by the temperature change "\ DeltaT", depends on the pyroelectric coefficient "p3" of the sensor material according to the next equation.
Q = p3 \cdot (L1\cdotL2) \cdot \DeltaT \rightarrow I = dQ/dt = p3 \cdot (L1\cdotL2) \cdot dT/dtQ = p3 \ cdot (L1 \ cdotL2) \ cdot \ DeltaT \ rightarrow I = dQ / dt = p3 \ cdot (L1 \ cdotL2) \ cdot dT / dt
Para evaluar los cambios de temperatura en el material piezoeléctrico - piroeléctrico de los sensores es necesario considerar el aislamiento térmico producido por los recubrimientos protectores. Se expone a continuación un modelo de cálculo por diferencias finitas que permite evaluar la evolución de la temperatura en el seno del sensor, resolviendo de forma aproximada la ecuación de conducción en régimen no permanente:To evaluate temperature changes in the piezoelectric material - pyroelectric sensors It is necessary to consider the thermal insulation produced by protective coatings. A model of calculation by finite differences that allows to evaluate the evolution of the temperature inside the sensor, resolving so approximate driving equation in non-permanent regime:
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Escrita de esta forma, cada lado de la ecuación representa la cantidad de tiempo de almacenamiento de calor, por unidad de volumen, en un punto. Siendo:Written this way, each side of the equation represents the amount of heat storage time, by unit of volume, at one point. Being:
k.- La conductividad del material en el entorno del punto.k.- The conductivity of the material in the environment Of the point.
T.- La temperatura del puntoT.- The point temperature
\rho.- La densidad del material en el entorno del punto.- The density of the material in the environment Of the point.
cp.- El calor específico del material en el entorno del punto.cp.- The specific heat of the material in the point environment.
x, y, z.- Las direcciones de propagación del calor.x, y, z.- The propagation directions of the hot.
\frac{\partial}{\partial}.- La derivada parcial de una magnitud con respecto a otra.\ frac {\ partial} {\ partial} .- The derivative partial of one magnitude with respect to another.
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A continuación se desarrolla la aproximación por diferencias finitas. Para el sensor piroeléctrico se puede partir del caso unidimensional sin pérdida de generalidad:The approach is then developed by Finite differences. For the pyroelectric sensor it can be split of the one-dimensional case without loss of generality:
Para su resolución se divide el sensor en distintos tramos con espaciamientos iguales o desiguales, a cada uno de los cuales se le asigna un nodo cuya temperatura es representativa de todo el tramo asociado. El número de nodos se elige en función de la precisión que se desee obtener en la solución. Para cada punto "i" de la red nodal aplicando la formulación explícita a la ecuación de conducción unidimensional se debe cumplir:For resolution, the sensor is divided into different sections with equal or unequal spacing, at each one of which is assigned a node whose temperature is representative of the entire associated section. The number of nodes is choose depending on the accuracy you want to obtain in the solution. For each point "i" of the nodal network applying the explicit formulation to the one-dimensional conduction equation is must comply:
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Siendo:Being:
Ti.- La temperatura del nodo "i" en el instante "t".Ti.- The temperature of node "i" in the instant "t".
dt.- Intervalo reducido de tiempo para aplicar el cálculo por diferencias finitas a la resolución de la ecuación diferencial.dt.- Reduced interval of time to apply the calculation by finite differences to the resolution of the equation differential.
Ti'.- La temperatura del nodo "i" en el instante "t + dt".Ti '.- The temperature of node "i" in the instant "t + dt".
Ci.- La capacidad térmica del volumen de la celda o tramo asociado al nodo "i" y definido por Ci = Vi \cdot \rho \cdot cp. Con "Vi" el volumen de la celda, "cp" el calor específico del material de la celda y "p" la densidad del material de la celda.Ci.- The thermal capacity of the volume of the cell or section associated with node "i" and defined by Ci = Vi \ cdot \ rho \ cdot cp. With "I saw" the cell volume, "cp" the specific heat of the cell material and "p" The density of the cell material.
qi.- La cantidad de calor (externo o interno añadida al nodo "i").qi.- The amount of heat (external or internal added to node "i").
\sum\limits_{j}.- El sumatorio en j que se extiende a todos los nodos "j" adyacentes al nodo "i".\ sum \ limits_ {j} .- The sum in j that is extends to all nodes "j" adjacent to node "i".
Rij.- La resistencia térmica entre el nodo "i" y el nodo "j". Dicha resistencia a la transmisión de calor, en función de la situación de los nodos y del entorno de las celdas o tramos asociados, se definirá según la forma de transmisión de calor.Rij.- The thermal resistance between the node "i" and node "j". Said transmission resistance of heat, depending on the location of the nodes and the environment of the associated cells or sections, will be defined according to the form of heat transmission
Para la transmisión por conducción.-
Siendo xij la distancia entre el nodo "i" y el nodo "j", k la conductividad térmica entre los nodos y Akij el área de intercambio de calor por conducción entre las celdas asociadas a los nodos.Xij being the distance between node "i" and node "j", k the thermal conductivity between the nodes and Akij the area of heat exchange by conduction between the cells associated to the nodes.
Para la transmisión por convección.-
Siendo hij el coeficiente de convección entre los nodos y Acij el área de intercambio de calor por convección entre las celdas asociadas a los nodos.Hij being the convection coefficient between the nodes and Acij the heat exchange area by convection between the cells associated to the nodes.
Considerando resistencias térmicas de contacto
adicionales (especialmente en el contacto
mano-sensor).-
Siendo Rtc la resistencia térmica de contacto entre el nodo "i" y el nodo "j" y Akij el área de intercambio de calor por conducción entre las celdas asociadas a los nodos.Rtc being the thermal contact resistance between node "i" and node "j" and Akij the area of heat exchange by conduction between the cells associated with the nodes
Con las ecuaciones anteriores se tiene un modelo de comportamiento que permite estudiar de forma rápida la influencia de modificaciones de parámetros y optimizar el proceso de diseño del dispositivo.With the previous equations you have a model of behavior that allows you to quickly study the influence of parameter modifications and optimize the process of device design.
El factor de amplificación del amplificador de carga proporciona la relación entre carga generada por el sensor o sensores piezoeléctricos - piroeléctricos y el voltaje generado a la salida del amplificador. Dicho voltaje se toma como entrada a una tarjeta de adquisición de datos que permite representar su evolución con ayuda ordenadores, osciloscopios u otros dispositivos para análisis de señales.The amplification factor of the amplifier load provides the ratio between load generated by the sensor or piezoelectric sensors - pyroelectric and the voltage generated at The amplifier output. Said voltage is taken as input to a data acquisition card that allows you to represent your evolution with the help of computers, oscilloscopes or other devices for signal analysis.
El ajuste del modelo se realiza una vez colocada la matriz de sensores en el mando de control y realizando pruebas reales, que se comparan con las simulaciones hasta poder definir los valores adecuados para los factores de ajuste. Ajustado el modelo, se pueden simular múltiples casos que representen situaciones reales de variaciones de presión y temperatura.The adjustment of the model is done once placed the array of sensors in the control and performing tests real, which are compared to simulations until you can define the appropriate values for the adjustment factors. Adjusted the model, you can simulate multiple cases that represent real situations of pressure and temperature variations.
El estudio de dichas simulaciones y su aplicación a casos reales permite conocer las frecuencias típicas de respuesta frente a la variación de presión o temperatura y, por tanto, poder estudiar los dos efectos de forma desacoplada.The study of these simulations and their application to real cases allows to know the typical frequencies response to pressure or temperature variation and, for therefore, to be able to study the two effects in an uncoupled manner.
Según lo anterior el modelo de comportamiento permite simular y caracterizar de forma precisa el comportamiento del sistema y su respuesta frente a cambios de presión y temperatura simultáneos (voltaje a la salida como respuesta a cambios de presión y temperatura responsables de desplazamientos de cargas).According to the above the behavior model allows to accurately simulate and characterize behavior of the system and its response to pressure changes and simultaneous temperature (output voltage in response to pressure and temperature changes responsible for displacements of loads).
Gracias a la electrónica de acondicionamiento, cada sensor proporciona una tensión de salida estable, cuyo nivel varia por variaciones de presión y/o temperatura. Gracias a disponer del modelo de comportamiento como patrón de referencia y a conocer las frecuencias típicas de respuesta para variaciones en cada una de las magnitudes, se puede conocer la razón que ha ocasionado el cambio en el nivel de la tensión de salida.Thanks to the conditioning electronics, Each sensor provides a stable output voltage, whose level varies by variations in pressure and / or temperature. Thanks to have the behavior model as a reference standard and to know the typical response frequencies for variations in each of the magnitudes, you can know the reason that has caused the change in the level of the output voltage.
Se sabe así si el operario pierde contacto con la zona controlada por dicho sensor de la red. El sabotaje intencionado mediante colocación de pesos, pinzas, mordazas u otros objetos para mantener la presión sobre el sensor, sería detectado gracias al cambio de nivel inducido por el cambio térmico (al levantar la mano cesa la transmisión por conducción mano-mando y se pasa a una situación de convección aire-mando).It is well known if the operator loses contact with the zone controlled by said network sensor. Sabotage intended by placing weights, clamps, jaws or others objects to maintain pressure on the sensor, would be detected thanks to the level change induced by thermal change (by raise your hand stops driving transmission hand-command and it goes into a convection situation air-control).
Si esta situación de cambio de nivel no admisible explicada sucede para un número de sensores de la red mayor a un número determinado (ajustable por el procesador según la experiencia, edad, agudeza visual y otras variables del usuario, vehículo, máquina o aplicación), el procesador procede a enviar las órdenes de actuación a los actuadores y a los dispositivos remotos.If this level change situation does not permissible explained happens for a number of network sensors greater than a certain number (adjustable by the processor according to the experience, age, visual acuity and other user variables, vehicle, machine or application), the processor proceeds to send the action orders to actuators and devices remote
El envío de información entre la electrónica de control, los actuadores y los dispositivos remotos se puede realizar por medio de tecnologías tanto alámbricas como inalámbricas (por ejemplo Bluetooth, Zig-Bee, radio, infrarrojos o cualquier otra tecnología). Se pueden emplear uno o varios repetidores de señal para facilitar la comunicación entre los distintos elementos de la invención.Sending information between the electronics of control, actuators and remote devices can be perform through both wired and wireless technologies (for example Bluetooth, Zig-Bee, radio, infrared or any other technology). One or more can be used signal repeaters to facilitate communication between different elements of the invention.
En casos que requieran gestionar un elevado número de sensores o mayor potencia de cálculo, la electrónica de control puede ser sustituida por una tarjeta de adquisición con número de canales suficiente para recibir la información procedente de todos los sensores de la red. En este caso, la tarjeta de adquisición ejercería la misión de acondicionamiento, tratamiento y conversión analógico-digital (A/D) de la señal procedente de los distintos sensores. Esta tarjeta de adquisición estaría conectada a un ordenador, que se encargaría de las tareas de tratamiento de la información, detección y evaluación de situaciones de riesgo, gestión y envío de órdenes para las actuaciones y de la recepción de señales provenientes de centros remotos de control.In cases that require managing a high number of sensors or higher computing power, the electronics of control can be replaced by an acquisition card with sufficient number of channels to receive the information of all the sensors in the network. In this case, the card acquisition would exercise the mission of conditioning, treatment and analog-to-digital (A / D) signal conversion coming from the different sensors. This acquisition card would be connected to a computer, which would handle the tasks of information processing, detection and evaluation of risk situations, management and delivery of orders for performances and the reception of signals from centers remote control
Entre los elementos actuadores destinados a alertar al usuario está incluido el teléfono móvil, la agenda electrónica o cualquier dispositivo electrónico portátil con capacidades de telecomunicación. Así mismo los propios mandos de control pueden disponer de vibradores acoplados internamente que hagan vibrar el mando de control para alertar al usuario, cuando se reciba la orden de actuación.Among the actuator elements intended for alert user is included mobile phone, phonebook electronics or any portable electronic device with telecommunication capabilities Likewise the own controls of control can have internally coupled vibrators that vibrate the control knob to alert the user, when Receive the order of action.
Los dispositivos remotos pueden presentar una electrónica propia, que recibe las órdenes de mando de la electrónica de control o de centros de control remoto, y que activa una actuación mecánica, eléctrica, neumática, hidráulica, química o combinación de las mismas o de cualquier otro tipo. Dicha actuación se materializa en alguna manera de las expuestas a continuación o combinación de las mismas, con el propósito de llevar a la máquina o vehículo a una situación de seguridad:Remote devices can present a own electronics, which receives command orders from the control electronics or remote control centers, and that activates a mechanical, electrical, pneumatic, hydraulic, chemical or combination thereof or any other type. Such performance it materializes in some way from those set forth below or combination thereof, with the purpose of carrying the machine or vehicle to a security situation:
- \bullet?
- Activando un freno destinado a reducir la velocidad o parar el vehículo o máquina.Activating a brake intended for slow down or stop the vehicle or machine.
- \bullet?
- Liberando la transmisión del motor al eje motriz. Releasing the transmission of motor to drive shaft.
- \bullet?
- Cortando la inyección del motor de combustión que acciona el vehículo o máquina. Cutting engine injection of combustion that drives the vehicle or machine.
- \bullet?
- Cortando la alimentación del motor que acciona el vehículo o máquina. Cutting the power of the engine that drives the vehicle or machine.
- \bullet?
- Actuando sobre el sistema de dirección del vehículo para dirigirlo a una zona segura. Acting on the system of address of the vehicle to direct it to a safe area.
Se consigue así mayor garantía de seguridad ya que existen elementos actuadores para alertar del peligro, destinados a actuar sobre el operario, combinados junto a dispositivos actuadores remotos para llevar a la máquina o vehículo a una situación segura, y que pueden actuar sobre el sistema de alimentación, el sistema de frenado o el sistema de dirección de la máquina o vehículo.This ensures a greater guarantee of security since that there are actuators to warn of the danger, intended to act on the operator, combined with remote actuator devices to carry the machine or vehicle to a safe situation, and they can act on the system of power, the braking system or the steering system of the machine or vehicle
A su vez existe la posibilidad de que el usuario, una vez alertado de la situación de peligro, pueda detener mediante un pulsador (garantizando así la consciencia del usuario) el envío posterior de señales de mando a los dispositivos remotos y continuar con el control manual del vehículo o máquina.In turn there is the possibility that the user, once alerted of the danger situation, can stop by means of a button (thus guaranteeing the user's awareness) the subsequent sending of command signals to remote devices and continue with the manual control of the vehicle or machine.
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Figura 1.- Representación esquemática de los principales elementos de la invención. Se muestran en la figura los distintos componentes del dispositivo:Figure 1.- Schematic representation of the main elements of the invention . The different components of the device are shown in the figure:
- 1.-one.-
- Mando de control.Control command.
- 2.-2.-
- Matriz o red de sensores.Matrix or sensor network.
- 3.-3.-
- Electrónica de control.Control electronics
- 4.-4.-
- Elemento actuador para alertar al usuario.Actuator element to alert the Username.
- 5.-5.-
- Dispositivo remoto para llevar al vehículo o máquina a una situación segura.Remote device to carry vehicle or machine to a safe situation.
- 6.-6.-
- Posible repetidor de señal.Possible signal repeater.
- 7.-7.-
- Conexiones de los sensores a la electrónica de control.Sensor connections to the control electronics
Figura 2.- Esquema de sensor piezoeléctrico - piroeléctrico. Figure 2.- Piezoelectric - pyroelectric sensor scheme.
- 8.-8.-
- Aplicación de la fuerza.Force application.
- 9.-9.-
- Espesor del sensor.Sensor Thickness
- 10.-10.-
- Longitud L1.Length L1.
- 11.-eleven.-
- Longitud L2.L2 length.
Figura 3.- Esquema eléctrico de comportamiento del sensor piezoeléctrico - piroeléctrico. Figure 3.- Electrical scheme of the piezoelectric - pyroelectric sensor behavior.
- 12.-12.-
- Voltaje generado.Voltage generated
- 13.-13.-
- Resistencia del circuito equivalente al circuito de acondicionamiento del sensor.Equivalent circuit resistance to the sensor conditioning circuit.
- 14.-14.-
- Condensador equivalente al almacenamiento de carga entre los electrodos del sensor.Capacitor equivalent to Load storage between sensor electrodes.
- 15.-fifteen.-
- Generador de carga equivalente al sensor sometido a cambios de presión o temperatura.Load generator equivalent to sensor subject to changes in pressure or temperature.
La presente invención se ilustra adicionalmente mediante el siguiente modo de realización, que no pretende ser limitativo de su alcance.The present invention is further illustrated. by the following embodiment, which is not intended to be limiting its scope.
Como polímeros con propiedades piezoeléctricas y piroeléctricas para conseguir los sensores se pueden emplear, entre otros, el polifluoruro de vinilideno o PVDF -(CH2-CF2)-_{n} y sus copolímeros, como el poli(fluoruro de vinilideno-trifluoro etileno) o P(VDF-TrFE).As polymers with piezoelectric properties and Pyroelectric to get the sensors can be used, between others, vinylidene polyfluoride or PVDF - (CH2-CF2) -_ {n} and its copolymers, such as poly (vinylidene-trifluoro fluoride ethylene) or P (VDF-TrFE).
Generalmente estos polímeros adquieren estas propiedades durante su estiramiento mecánico de forma simultánea a la aplicación de un fuerte campo eléctrico que ayuda a polarizar sus moléculas. Por lo tanto no sólo la composición química de dichos materiales, sino también sus procesos de transformación ayudan a potenciar sus propiedades. El estirado mecánico consigue el paso de la fase con orientación aleatoria a la denominada fase beta semicristalina en la que los dipolos presentan orientación parcial. La aplicación de campo eléctrico de elevada intensidad o "proceso de polarización" termina de rotar los dipolos obteniendo así propiedades piezoeléctricas y piroeléctricas mucho más destacadas.Generally these polymers acquire these properties during mechanical stretching simultaneously to the application of a strong electric field that helps polarize its molecules Therefore not only the chemical composition of said materials, but also their transformation processes help Enhance its properties. The stretched mechanical gets the step of the phase with random orientation to the so-called beta phase semicrystalline in which the dipoles have partial orientation. The application of high intensity electric field or "process polarization "finishes rotating the dipoles thus obtaining piezoelectric and pyroelectric properties much more Featured
Una vez obtenida la lámina de polímero con propiedades piezo y piroeléctricas y espesores generalmente en el rango de los 20 a los 200 micrómetros, es necesario metalizar sus caras para poder realizar las conexiones y construir la red o matriz de sensores. Esto se consigue depositando metales con Au, Pt, Al, Cu, Ag y otros por medio de tecnologías de deposición física de vapor (PVD) o deposición química de vapor (CVD), cuyos fundamentos se explican a continuación.Once the polymer sheet is obtained with piezo and pyroelectric properties and thicknesses generally in the range of 20 to 200 micrometers, it is necessary to metallize their faces to make connections and build the network or matrix of sensors. This is achieved by depositing metals with Au, Pt, Al, Cu, Ag and others through physical deposition technologies of steam (PVD) or chemical vapor deposition (CVD), whose fundamentals They are explained below.
En las tecnologías físicas de deposición a partir de vapor (PVD), se parte de un material sólido que se pretende depositar sobre un substrato. Para convertir en vapor al material a depositar, se realiza calentamiento directo (en las tecnologías PVD de evaporación o epitaxia de hacer moleculares) o bombardeo con iones energéticos (en las distintas tecnologías PVD de "sputtering" y deposición por haces de iones). Dicho vapor se condensa sobre la superficie de substrato (en este caso el polímero piezo y piroeléctrico) formando así el electrodo o recubrimiento metálico deseado.In physical deposition technologies a from steam (PVD), it is based on a solid material that intends to deposit on a substrate. To turn steam into material to deposit, direct heating is performed (in the PVD technologies of evaporation or epitaxy of making molecular) or bombardment with energy ions (in different PVD technologies of "sputtering" and ion beam deposition). Said steam condenses on the substrate surface (in this case the piezo and pyroelectric polymer) thus forming the electrode or desired metal coating.
En las tecnologías químicas de deposición a partir de vapor (CVD), se parte directamente de gases (a veces en forma líquida que pasan a estado de vapor), que mediante reacción química dan un producto nuevo que se condensa, en forma de película delgada, sobre el substrato substrato (en este caso el polímero piezo y piroeléctrico) formando así el electrodo o recubrimiento metálico deseado. De entre los distintos tipos de tecnologías CVD, (fundamentalmente térmica, asistida por plasma y asistida por láser), hay que elegir las que permitan depositar a bajas temperaturas para no dañar al substrato polimérico.In chemical deposition technologies a from steam (CVD), it starts directly from gases (sometimes in liquid form that go into vapor state), which by reaction chemistry give a new product that condenses, in the form of a film thin, on the substrate substrate (in this case the polymer piezo and pyroelectric) thus forming the electrode or coating desired metal. Among the different types of CVD technologies, (primarily thermal, plasma assisted and assisted by laser), you have to choose the ones that allow you to deposit at low temperatures not to damage the polymer substrate.
Las temperaturas de reblandecimiento y de fusión relativamente bajas de los polímeros, hacen que la temperatura límite de trabajo para deposición de capas delgadas por procesos PVD y CVD sean unos 180ºC. En el caso concreto del PVDF es conveniente que la temperatura de trabajo sea inferior a 120ºC, temperatura a la cuál comienza a perder sus propiedades piezoeléctricas y piroeléctricas por aumento de la movilidad de los dipolos.Softening and melting temperatures relatively low polymers, make the temperature working limit for thin layer deposition by processes PVD and CVD are about 180ºC. In the specific case of the PVDF it is Convenient that the working temperature be lower than 120ºC, temperature at which it begins to lose its properties piezoelectric and pyroelectric due to increased mobility of dipoles
En el caso de requerir la transferencia de un patrón determinado sobre la lámina de polímero, y conseguir así electrodos con formas y geometrías más complejas, se puede emplear la tecnología denominada fotolitografía. En esta tecnología el material de base o substrato se recubre de una fina capa metálica, depositada por tecnologías PVD o CVD normalmente. A continuación se recubre con una capa de resina fotosensible mediante procesos de "spin-coating" o "dip-coating" generalmente, siendo posteriormente sometida a luz UV a través de una máscara protectora, con lo que se consigue el curado de la resina según el patrón deseado. A continuación se emplea un revelador para eliminar la resina de la zona no curada, dejando así zonas con metal expuesto y zonas con metal protegido por la resina. Se puede así realizar un ataque selectivo con ácido, que elimina el metal de la zona expuesta. Por último se elimina la capa de resina endurecida con otros agentes, quedando finalmente el substrato inicial con un depósito metálico según un patrón determinado y con detalles que alcanzan unos 5 micrómetros de precisión. Se puede facilitar así la conexión e integración de las láminas de polímero sensoras en sistemas más complejos o en sistemas en los que la electrónica tenga un grado de miniaturización elevado.In the case of requiring the transfer of a determined pattern on the polymer sheet, and thus get electrodes with more complex shapes and geometries, can be used the technology called photolithography. In this technology the base or substrate material is coated with a thin metallic layer, deposited by PVD or CVD technologies normally. Then you Coated with a layer of photosensitive resin using "spin-coating" or "dip-coating" generally, being subsequently subjected to UV light through a protective mask, with which the resin curing is achieved according to the pattern wanted. A developer is then used to remove the resin from the uncured area, leaving areas with exposed metal and areas with metal protected by resin. It is possible to perform a selective acid attack, which removes metal from the area exposed. Finally the hardened resin layer is removed with other agents, finally leaving the initial substrate with a metallic deposit according to a specific pattern and with details that they reach about 5 micrometers of precision. It can facilitate the connection and integration of the sensor polymer sheets in more complex systems or systems in which electronics have a high degree of miniaturization.
Una vez obtenidas las láminas sensoras, éstas se pueden recortar, cablear, recubrir con capas protectoras empleando láminas poliméricas con adhesivos acrílicos de presión para obtener los sensores de la red, cuyo espesor total puede ser inferior a 150 micrómetros.Once the sensor sheets are obtained, they are they can trim, wire, coat with protective layers using polymer sheets with acrylic pressure adhesives to obtain network sensors, whose total thickness may be less than 150 micrometers
Posteriormente los sensores se distribuyen sobre los mandos de control para recubrir toda la zona susceptible de contacto con las manos del operario y se conectan con la electrónica de control. Para ello se pueden emplear adhesivos o introducir en alojamientos diseñados a tal efecto en la superficie de los mandos, que finalmente pueden recubrirse con una tela o polímero protector.Subsequently the sensors are distributed over the control knobs to cover the entire area susceptible to contact with the operator's hands and connect with the control electronics For this, adhesives or introduce into housings designed for this purpose on the surface of the controls, which can finally be covered with a cloth or protective polymer
En alojamientos interiores a los mandos de control o adyacentes a los mismos, pueden colocarse actuadores vibratorios, que se conectan también a la electrónica de control y son activados por ésta en situaciones de peligro, para avisar al usuario de la máquina o al conductor del vehículo.In interior accommodation at the controls of control or adjacent to them, actuators can be placed vibrators, which are also connected to the control electronics and are activated by it in dangerous situations, to notify the user of the machine or the driver of the vehicle.
La electrónica de control dispone de un amplificador de carga, que permite transformar el desplazamiento de cargas, producido en el seno del polímero por efectos de presiones y temperaturas, en una salida analógica de voltaje. A la salida del amplificador de carga dispone también de un filtro para eliminar ruidos en la señal y de un convertidor analógico digital. Dicha salida digital puede ser gestionada por el procesador o microcontrolador de que dispone también la electrónica y en el que se incluye el modelo de comportamiento combinado piezoeléctrico-piroeléctrico para evaluación de situaciones de riesgo. Incluye también un módulo de comunicaciones con antena para recepción y envío de señales de mando asociadas.The control electronics have a load amplifier, which allows to transform the displacement of charges, produced within the polymer due to pressure effects and temperatures, at an analog voltage output. At the exit of Load amplifier also has a filter to remove signal noises and a digital analog converter. Bliss digital output can be managed by the processor or microcontroller that also has electronics and in which the combined behavior model is included piezoelectric-pyroelectric for evaluation of risk situations. It also includes a communications module with antenna for receiving and sending command signals associated.
La antena y el módulo de comunicaciones de que dispone la electrónica de control permiten establecer enlaces de comunicación bidireccionales entre dicha electrónica de control y los elementos actuadores destinados a alertar al operario. En el caso de un teléfono móvil o agenda electrónica como actuadores, una vez recibida la señal de mando, éstos pueden avisar al operario por medio de señales acústicas o vibratorias que le devuelvan la consciencia.The antenna and the communications module that has the control electronics allow to establish links of bidirectional communication between said control electronics and the actuator elements intended to alert the operator. At case of a mobile phone or electronic agenda as actuators, a Once the command signal is received, they can notify the operator by means of acoustic or vibratory signals that return the awareness
La antena y módulo de comunicaciones de que dispone la electrónica de control permite también establecer enlaces de comunicación bidireccionales entre dicha electrónica de control y los dispositivos remotos destinados a devolver a la máquina o vehículo a una situación de seguridad.The antenna and communications module that has the control electronics also allows to establish bidirectional communication links between said electronics of control and remote devices intended to return to the machine or vehicle to a safety situation.
Dichos dispositivos remotos, generalmente como parte de los sistemas alimentación, frenado o dirección de vehículos o máquinas, disponen de forma convencional de una electrónica propia que permite dictar sus actuaciones. En caso de peligro es la electrónica asociada al dispositivo remoto la que recibe la orden de la electrónica de control de nuestra invención y a su vez transmite la orden de actuación mecánica, eléctrica, neumática, hidráulica o química.Such remote devices, usually as part of the power, braking or steering systems vehicles or machines, conventionally have a own electronic that allows to dictate their actions. In case of danger is the electronics associated with the remote device which receive the order of the control electronics of our invention and in turn transmits the order of mechanical, electrical action, pneumatic, hydraulic or chemical.
Claims (12)
- \bullet?
- uno o más mandos para control manual de un vehículo o máquina que disponen de una red o matriz de sensores piezoeléctricos y piroeléctricos distribuidos sobre la zona susceptible de contacto con las manos del operario y conectados a la electrónica de control;one or more controls for control manual of a vehicle or machine that has a network or matrix of piezoelectric and pyroelectric sensors distributed over the area susceptible to contact with the operator's hands and connected to the control electronics;
- \bullet?
- electrónica de control, con al menos batería, procesador, módulo de comunicaciones y antena, con funciones de:control electronics, with at less battery, processor, communications module and antenna, with functions of:
- \sqbullet\ sqbullet
- tratamiento de la información proveniente de los sensores, sobre la evolución de presiones y temperaturas, en base a un modelo de comportamiento combinado piezoeléctrico-piroeléctrico ajustado para la detección y evaluación precisa de situaciones de riesgo que opera en diferencias finitas según el modelo:information processing from the sensors, on the evolution of pressures and temperatures, based on a combined behavior model piezoelectric-pyroelectric adjusted for precise detection and evaluation of risk situations operating in finite differences according to the model:
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- siendo:being:
- I.- la intensidad de corriente,I.- the amperage,
- U.- el voltaje a la salida del circuito equivalente,U.- the voltage at equivalent circuit output,
- R.- la resistencia equivalente del circuito externo,R.- la equivalent resistance of the external circuit,
- C.- la capacidad del condensador equivalente al sensor,C.- the capacity of the capacitor equivalent to the sensor,
- F.- la fuerza aplicada,F.- the force applied,
- d33.- el coeficiente piezoeléctrico transversal del sensor,d33.- the piezoelectric transverse coefficient of the sensor,
- dt.- un intervalo reducido de tiempo para aplicar el cálculo por diferencias finitas a la resolución de la ecuación diferencial,dt.- a reduced time interval to apply the difference calculation finite to the resolution of the differential equation,
- k.- la conductividad del material en el entorno del punto evaluado,k.- the conductivity of the material around the point evaluated,
- p3.- el coeficiente piroeléctrico del material del sensor,p3.- the pyroelectric coefficient of the sensor material,
- L1\cdotL2.- el área efectiva del sensor,L1 \ cdotL2.- the effective sensor area,
- \varepsilon.- la constante dieléctrica del sensor,\ varepsilon.- the dielectric constant of the sensor,
- T.- la temperatura del punto estudiado,T.- la temperature of the point studied,
- \rho.- la densidad del material en el entorno del punto,\ rho.- the density of the material around the point,
- cp.- el calor específico del material en el entorno del punto,cp.- the heat specific to the material around the point,
- Ti'.- la temperatura del nodo "i" en el instante "t",Ti '.- la node temperature "i" at the instant "t",
- Ti'.- la temperatura del nodo "i" en el instante "t + dt",Ti '.- la node temperature "i" at the instant "t + dt",
- Ci.- la capacidad térmica del volumen de la celda o tramo asociado al nodo "i" y definido por Ci = Vi \cdot \rho \cdot cp. Con "Vi" el volumen de la celda, "cp" el calor específico del material de la celda y "\rho" la densidad del material de la celda,Ci.- the thermal capacity of the volume of the cell or section associated with the node "i" and defined by Ci = Vi \ cdot \ rho \ cdot cp. With "I saw" the volume of the cell, "cp" the specific heat of the cell material and "\ rho" the density of the material of the cell,
- qi.- la cantidad de calor (externo o interno añadida al nodo "i"),qi.- the quantity of heat (external or internal added to node "i"),
- \sum\limits_{j}.- el sumatorio en j que se extiende a todos los nodos "j" adyacentes al nodo "i",\ sum \ limits_ {j} .- the sum in j that is extends to all "j" nodes adjacent to the node "i",
- Rij.- la resistencia térmica entre el nodo "i" y el nodo "j", dicha resistencia a la transmisión de calor, en función de la situación de los nodos y del entorno de las celdas o tramos asociados, se definirá según la forma de transmisión de calor,Rij.- the thermal resistance between node "i" and node "j", said resistance to heat transmission, depending on the situation of the nodes and the environment of the associated cells or sections, are define according to the form of heat transmission,
- x.- la dirección de propagación del calor,x.- the address heat propagation,
- \frac{\partial}{\partial}.- La derivada parcial de una magnitud con respecto a otra,\ frac {\ partial} {\ partial} .- The partial derivative of one magnitude with respect to another,
- \sqbullet\ sqbullet
- gestión de actuaciones mediante el envío de señales de mando a los actuadores,performance management by sending command signals to the actuators,
- \sqbullet\ sqbullet
- gestión de actuaciones mediante el envío de señales a los dispositivos remotos,performance management by sending signals to remote devices,
- \sqbullet\ sqbullet
- recepción de señales de mando adicionales provenientes de centros de control remoto como complemento al modelo de comportamiento y de evaluación de riesgos;command signal reception additional from remote control centers such as complement to the behavior and evaluation model of risks
- \bullet?
- uno o más elementos actuadores con posibilidades actuación acústica, vibratoria, luminosa o combinación de las mismas, con control sobre sus intensidades y duraciones, destinados a alertar al operario;one or more actuator elements with possibilities acoustic, vibratory, luminous or combination thereof, with control over their intensities and durations, intended to alert the operator;
- \bullet?
- uno o más dispositivos remotos con posibilidades de actuación mecánica, eléctrica, neumática, hidráulica o combinación de las mismas, destinados a llevar al vehículo o máquina a una situación segura.one or more remote devices with possibilities of mechanical, electrical, pneumatic actuation, hydraulics or combination thereof, intended to carry the vehicle or machine to a safe situation.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
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GB2385696A (en) * | 2002-02-21 | 2003-08-27 | Harry Duncan Macdonald | Driver monitoring system detecting pulse, pressure or temperature of the driver |
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2008
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