ES2360040B2 - INTELLIGENT OPTICAL TRANSCEIVER IN LASER NOT GUIDED IN FREE SPACE. - Google Patents
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Abstract
Transceptor óptico inteligente basado en láser no guiado en el espacio libre, comprendiendo:Intelligent laser based optical transceiver not guided in free space, comprising:
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- sistema supervisor (6) para comunicación bidireccional entre los microcontroladores esclavos y el exterior;supervisor system (6) for communication bidirectional between slave microcontrollers and the Exterior;
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- conmutador multipuerto y convertidor de medio (7) para la conexión de múltiples transceptores ópticos en un mismo nodo;multiport switch and converter medium (7) for connecting multiple optical transceivers in a same node;
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- aparato de guiado micrométrico motorizado (8) para el posicionamiento preciso de haces láser;micrometric guidance device motorized (8) for precise beam positioning To be;
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- duplexor óptico (9) para la transmisión y recepción de haces láser mediante un único eje óptico;optical duplexer (9) for transmission and reception of laser beams by a single optical axis;
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- transmisor láser (11) con un sistema de control que gestiona la potencia transmitida, el índice de modulación y el estado térmico de un diodo láser(183);laser transmitter (11) with a system of control that manages the transmitted power, the index of modulation and thermal state of a diode laser (183);
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- receptor (12) con un sistema de control que gestiona la sensibilidad, la ganancia y el estado térmico de un fotodiodo de avalancha (268);receiver (12) with a control system which manages the sensitivity, gain and thermal state of a avalanche photodiode (268);
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- dos termorreguladores de flujo simétrico (10, 10') para mantener un estado térmico estable en el diodo láser (183) y en el fotodiodo de avalancha (268).two symmetric flow regulators (10, 10 ') to maintain a stable thermal state in the laser diode (183) and in the photodiode of avalanche (268).
Description
Transceptor óptico inteligente basado en láser no guiado en el espacio libre.Intelligent laser based optical transceiver Not guided in free space.
La presente invención se enmarca en el campo de la industria electrónica asociada a las redes de comunicación digital adaptándose a la norma IEEE 802.3, presentándose como una solución para el trazado de redes de datos de carácter permanente y como una alternativa a los enlaces cableados de par, fibra óptica o radiofrecuencia. Los nodos de esta red de datos se conforman con transceptores ópticos inteligentes basados en láser tales como los que se presentan en esta invención.The present invention is framed in the field of the electronics industry associated with communication networks digital adapting to the IEEE 802.3 standard, presenting itself as a solution for drawing permanent data networks and as an alternative to wired pair links, fiber optic or radiofrequency The nodes of this data network comply with intelligent laser-based optical transceivers such as presented in this invention.
Las comunicaciones mediante métodos ópticos se vienen desarrollando desde hace años. En especial las realizadas en el espacio libre o la atmósfera permiten el establecimiento efectivo de enlaces a distancias de varios kilómetros si se utilizan láseres colimados de estado sólido de media potencia y fotodiodos de avalancha. La presente invención parte de la invención descrita en la patente ES2244311-B1 titulada "Procedimiento y aparato de enlace punto a punto mediante haz láser en el espacio libre para redes Ethernet", de los mismos autores, y propone un nuevo transceptor óptico inteligente que resuelve los problemas que surgen en la solución anterior propuesta; en concreto se resuelve la monitorización remota del estado del transceptor permitiendo construir nodos inteligentes en la red óptica, la gestión distribuida de las funciones del transceptor por parte de un conjunto de microcontroladores embebidos y jerarquizados que realizan el seguimiento automático del haz láser, el control automático de la potencia láser transmitida, la sensibilidad del receptor o la gestión térmica del sistema entre otras funciones.Communications using optical methods are They have been developing for years. Especially those made in free space or atmosphere allow effective establishment of links over distances of several kilometers if lasers are used medium power solid state collimates and photodiodes of avalanche. The present invention starts from the invention described in Patent ES2244311-B1 entitled "Procedure and point-to-point linkage device by laser beam in space free for Ethernet networks ", by the same authors, and proposes a new intelligent optical transceiver that solves the problems that arise in the previous solution proposed; specifically the remote monitoring of transceiver status allowing build smart nodes in the optical network, management distributed of the functions of the transceiver by a set of embedded and nested microcontrollers that perform automatic laser beam tracking, control Automatic transmitted laser power, the sensitivity of the receiver or thermal management of the system among other functions.
La estructura de un enlace óptico básico se constituye mediante dos transceptores situados a una cierta distancia enfrentados y alineados, (según se muestra en la figura 1). Si se considera una distancia suficientemente grande entre ambos transceptores, la permanencia temporal del enlace y su calidad se ve condicionada por tres factores fundamentales:The structure of a basic optical link is constitutes by two transceivers located at a certain distance facing and aligned, (as shown in the figure one). If you consider a sufficiently large distance between the two transceivers, the temporary permanence of the link and its quality is seen conditioned by three fundamental factors:
a) La dispersión del haz láser en el espacio libre (influencias atmosféricas).a) The dispersion of the laser beam in space free (atmospheric influences).
b) La alteración dinámica del soporte de sustentación.b) The dynamic alteration of the support of lift.
c) La estabilidad térmica del láser de estado sólido y del fotodiodo de avalancha.c) The thermal stability of the state laser solid and avalanche photodiode.
Las alteraciones atmosféricas y su influencia en la dispersión de láseres ha sido caracterizada en numerosos trabajos pudiéndose concluir que es el vapor de agua el principal elemento dispersor. Las pequeñas gotitas de una niebla densa, actúan como microlentes dispersantes, más significativas para láseres con longitudes de ondas cortas (visible e infrarrojo cercano) que para los de longitud de onda larga (infrarrojo lejano). Los láseres del tipo QCL (Quantum Cascade Laser), con longitudes de onda entre 3 y 15 micrómetros, se muestran como los mejores candidatos que minimizan, e incluso eliminan, la dispersión del haz frente al vapor de agua.Atmospheric alterations and their influence on laser dispersion has been characterized in numerous works being able to conclude that water vapor is the main element disperser The small droplets of a dense fog act like dispersant microlenses, more significant for lasers with short wavelengths (visible and near infrared) that stops those of long wavelength (far infrared). Lasers of type QCL (Quantum Cascade Laser), with wavelengths between 3 and 15 micrometers, are shown as the best candidates that minimize, and even eliminate, beam scattering versus steam of water.
Por otro lado, el sistema transceptor se instala en las cubiertas de edificios de una o más plantas sometidas a elementos perturbadores tales como el movimiento del subsuelo y la dilatación térmica. Existen dos movimientos que afectan a la dinámica de un edificio: el movimiento debido a las fuerzas que actúan sobre la estructura de pilares (movimiento de periodicidad cuasi anual), y el movimiento de dilatación-contracción debido a los cambios térmicos ambientales entre el día y la noche de periodicidad diaria. Es difícil establecer un modelo de dilatación-contracción de un edificio construido con diversos materiales y coeficientes de dilatación, pero suponiendo un ejemplo sencillo de un edificio de hormigón isótropo de 10 m de alto con un coeficiente de dilatación lineal de 1x10^{-5}, un cambio térmico de 20ºC entre el día y la noche daría lugar a un cambio de longitud de 2 mm. La anisotropía de las estructuras de construcción hace que el cambio se dé en cualquier dirección del espacio generándose así sobre un plano de referencia arbitrario, un movimiento angular. Estos movimientos angulares son pequeños (décimas de miliradián), pero en enlaces a grandes distancias pueden alterar la posición del haz láser en decenas de centímetros provocando problemas en la comunicación entre transceptores.On the other hand, the transceiver system is installed on the roofs of buildings of one or more floors subject to disturbing elements such as the movement of the subsoil and the thermal expansion There are two movements that affect the dynamics of a building: movement due to the forces that they act on the structure of pillars (periodicity movement quasi annual), and the movement of dilation-contraction due to thermal changes environmental between day and night daily. Is difficult to establish a model of dilation-contraction of a building constructed with various materials and expansion coefficients, but assuming a simple example of a 10 m high isotropic concrete building with a linear expansion coefficient of 1x10-5, a change thermal of 20ºC between day and night would lead to a change of 2mm length The anisotropy of construction structures makes the change happen in any direction of space thus generating on an arbitrary reference plane, a angular movement These angular movements are small (tenths of milliradián), but in long distance links they can alter the position of the laser beam in tens of centimeters causing problems in communication between transceivers.
Finalmente, la calidad del enlace puede verse alterada por los cambios en las propiedades físicas del láser semiconductor y del fotodiodo de avalancha. Las propiedades eléctricas de estos componentes son fuertemente dependientes de la temperatura. Los parámetros alterados son la potencia emitida por el láser, la sensibilidad del fotodiodo y la vida media de ambos.Finally, the link quality can be seen altered by changes in the physical properties of the laser semiconductor and avalanche photodiode. The properties electrical components are strongly dependent on the temperature. The altered parameters are the power emitted by the laser, photodiode sensitivity and half-life of both.
La presente invención aborda estos problemas y los soluciona de una manera efectiva. No solo se trata de resolver el problema de la comunicación punto a punto de un haz láser modulado a alta velocidad mediante un determinado estándar, sino resolver un problema asociado a los diferentes mecanismos de control necesarios para mantener los parámetros del sistema en unos valores óptimos que permitan la comunicación estable y fiable. La presente invención proporciona un transceptor óptico que permite el desarrollo de un sistema de comunicación óptico que mantiene de forma activa o "inteligente", sus parámetros en un valor óptimo.The present invention addresses these problems and solves them in an effective way. It's not just about solving the problem of point-to-point communication of a laser beam high speed modulation using a certain standard, but solve a problem associated with the different control mechanisms necessary to keep system parameters at values optimal to allow stable and reliable communication. The present invention provides an optical transceiver that allows the development of an optical communication system that maintains active or "smart" way, its parameters in a value optimum.
En el sistema de comunicación óptico, formado por una red de transceptores ópticos interconectados entre sí, se considera la posibilidad de monitorización y actuación remota sobre cada nodo de la red. La viabilidad de una red de comunicaciones formada por un conjunto de nodos complejos bajo control, exige la posibilidad de la centralización de la monitorización y en la actuación con independencia geográfica. La red de comunicación óptica de acuerdo a la presente invención permite la monitorización sobre la red WAN.In the optical communication system, formed by a network of interconnected optical transceivers, it Consider the possibility of remote monitoring and action on Each node of the network. The viability of a communications network formed by a set of complex nodes under control, requires the possibility of centralization of monitoring and in the performance with geographical independence. Communication network optics according to the present invention allows monitoring over the WAN network.
Hoy en día, los sistemas de control embebido o empotrado se muestran como soluciones válidas para realizar labores de control distribuido entre las distintas partes de un sistema. La división de tareas realizadas por pequeños procesadores permite distribuir la carga computacional y especializar a los distintos sistemas en tareas concretas. Se incrementa la robustez dado que el fallo de un procesador local solo afectará a las variables locales que controla. Por eso, la presente invención emplea soluciones de control embebido asociando las variables a controlar a los distintos subsistemas de los que consta el sistema de comunicación óptico.Today, embedded control systems or embedded are shown as valid solutions for work of control distributed among the different parts of a system. The division of tasks performed by small processors allows distribute the computational load and specialize to the different systems in concrete tasks. Robustness is increased since the failure of a local processor will only affect local variables that controls. Therefore, the present invention employs solutions of embedded control associating the variables to control with the different subsystems of which the optical communication system consists.
La presente invención se refiere a un transceptor óptico que resuelve los problemas enumerados anteriormente.The present invention relates to a optical transceiver that solves the problems listed previously.
En el transceptor, el control de la potencia del láser transmitido así como la sensibilidad del fotodetector son parámetros ajustables en función del grado de partículas dispersantes. Así, el transceptor dispone de un elemento de medida de la humedad ambiental y un sistema de control que cambia la potencia transmitida y la sensibilidad del fotodetector de forma automática.In the transceiver, the control of the power of the transmitted laser as well as the sensitivity of the photodetector are Adjustable parameters depending on the degree of particles dispersants Thus, the transceiver has a measuring element of ambient humidity and a control system that changes the transmitted power and photodetector sensitivity of form automatic
Además, en el sistema de comunicación óptico, cada transceptor dispone de un mecanismo adaptativo que le permite realizar un seguimiento del haz bidireccional (haz del transceptor A con el transceptor B, y haz del transceptor B con el transceptor A). Una vez alineados los dos haces, el control de seguimiento los mantiene alineados con independencia del movimiento de las bases de sustentación. Se incluye un procesador exclusivamente dedicado a la ejecución de un algoritmo de seguimiento altamente fiable también presentado en esta invención.In addition, in the optical communication system, Each transceiver has an adaptive mechanism that allows track the bidirectional beam (transceiver beam A with transceiver B, and make transceiver B with transceiver A). Once the two beams are aligned, the tracking control keeps aligned regardless of the movement of the bases of lift. A processor exclusively dedicated to the execution of a highly reliable tracking algorithm also presented in this invention.
Por otro lado, el transceptor dispone de un mecanismo de control térmico que permite mantener la temperatura del láser de estado sólido y del fotodiodo de avalancha dentro de unos márgenes y, en función de la temperatura ambiental, otros mecanismos que mantienen la potencia y la sensibilidad constantes e independientes de los posibles cambios térmicos que puedan suceder. El objetivo es el mantenimiento de una comunicación estable maximizando la durabilidad de los componentes.On the other hand, the transceiver has a thermal control mechanism that allows to maintain the temperature of the solid state laser and avalanche photodiode within about margins and, depending on the ambient temperature, other mechanisms that maintain constant power and sensitivity and independent of the possible thermal changes that may happen. The goal is to maintain stable communication. maximizing the durability of the components.
Funcionalmente el aparato transceptor óptico puede descomponerse en catorce subsistemas interrelacionados:Functionally the optical transceiver device It can be broken down into fourteen interrelated subsystems:
1. Un subsistema de anclaje a muro y un mecanismo de orientación grueso. El transceptor permite estar sólidamente anclado a una estructura rígida (ladrillo u hormigón), de una parte alta de una edificación orientándose mediante un mecanismo de giro acimutal y de elevación hacia un transceptor homólogo situado a gran distancia.1. A wall anchor subsystem and a thick orientation mechanism. The transceiver allows to be solidly anchored to a rigid structure (brick or concrete), of a high part of a building oriented by means of a azimuth and lifting mechanism towards a transceiver counterpart located at a great distance.
2. Una base de sustentación de los componentes mecánicos, electrónicos, ópticos y de acondicionamiento del aire interior.2. A component support base mechanical, electronic, optical and air conditioning inside.
3. Una cubierta con visor, sensor de temperatura y actuador antivaho. Los componentes mecánicos, ópticos y electrónicos del transceptor se encuentran bajo una cubierta aislada térmicamente en la que se aloja un visor por el que entran y salen los haces láser modulados. Junto al visor existe un sensor que mide su temperatura y un actuador térmico que puede calentar el aire circundante con el fin de evitar la deposición de vaho en él.3. A cover with viewfinder, temperature sensor and anti-fog actuator. The mechanical, optical and Transceiver electronics are under an insulated cover thermally in which a viewfinder is lodged through which they enter and leave Modulated laser beams. Next to the viewfinder there is a sensor that measures its temperature and a thermal actuator that can heat the air surrounding in order to avoid the deposition of fog in it.
4. Una fuente múltiple que permite alimentar los diversos dispositivos electrónicos del transceptor. Una fuente de potencia alimenta a dispositivos tales como celdas peltier, drivers y motores de seguimiento. Otra fuente simétrica de menor potencia, regulada y de bajo ruido que alimenta a los circuitos sensibles del transmisor y del receptor separando las vías de alimentación de señales de pulso de las vías de alimentación de señales analógicas.4. A multiple source that allows feeding the Various electronic transceiver devices. A source of power feeds devices such as peltier cells, drivers and tracking engines. Another symmetric source of lower power, regulated and low noise that feeds the sensitive circuits of the transmitter and receiver separating the feeding paths of pulse signals of the signal feed pathways analog
5. Un circuito electrónico supervisor basado en microcontrolador. El transceptor óptico posee cuatro microcontroladores conformando una estructura jerárquica maestro-esclavo bajo el estándar I2C. El circuito supervisor realiza tareas de comunicación bidireccional entre sus microcontroladores esclavos y el exterior adaptando el formato de datos al estándar IEEE.802.3. Posee un servidor Web que permite monitorizar el estado del transceptor remotamente con independencia geográfica. El circuito supervisor además, ejecuta los algoritmos de control de la temperatura del aire del interior del transceptor y de predicción antivaho.5. A supervisory electronic circuit based on microcontroller The optical transceiver has four microcontrollers forming a hierarchical structure master-slave under the I2C standard. The circuit supervisor performs bidirectional communication tasks between their slave and external microcontrollers adapting the format of data to the IEEE.802.3 standard. It has a web server that allows monitor transceiver status remotely independently geographical The supervisory circuit also executes the algorithms of control of the air temperature inside the transceiver and of anti-fog prediction
6. Un circuito electrónico conmutador multipuerto convertidor de medio. El transceptor óptico se conecta a la red WAN mediante el estándar IEEE 802.3 TX de par trenzado 100/1000. Estas señales son transformadas por un circuito conmutador multipuerto permitiendo la conexión de múltiples transceptores ópticos en un mismo nodo a la vez que las convierte al formato IEEE 802.3 FX diferencial 100/1000, formato serie con el que se modula un transmisor láser y un receptor láser basado en fotodiodo de avalancha.6. An electronic circuit breaker multiport media converter. The optical transceiver connects to the WAN network using the IEEE 802.3 TX twisted pair standard 100/1000 These signals are transformed by a switching circuit multiport allowing connection of multiple transceivers optics on the same node while converting them to the IEEE format 802.3 FX differential 100/1000, serial format that modulates a laser transmitter and a laser receiver based on photodiode avalanche.
7. Un sistema mecánico de guiado controlado por motores paso a paso que permite dirigir el haz láser con precisión del microradián hacia un punto remoto del espacio. El aparato de guiado está formado por un soporte móvil que permite alojar un sistema óptico que contiene un reflector catadióptrico que recibe luz en su plano focal y un colimador que concentra a un haz láser para ser transmitido. La estructura mecánica contiene una disposición de engranajes que permiten el movimiento micrométrico con dos grados de libertad, uno acimutal y otro de elevación del soporte, que aloja al sistema óptico. El movimiento angular se realiza con una precisión del microradián. La estructura electrónica consta de dos motores paso a paso que pueden girar mediante saltos variables y cuyos ejes mueven engranajes reductores de la estructura mecánica. También contiene cuatro sensores electroópticos que permiten detectar los fines de carrera en los movimientos de acimut y elevación. La estructura y sus dimensiones permiten alojar tubos ópticos de hasta 10 cm de diámetro y soportar pesos de hasta 3 Kg. El objeto del sistema de guiado es el direccionamiento preciso de haces láser colimados hacia blancos situados entre 100 m y 2000 m, a la vez que recibir otro haz similar en el mismo plano de emisión.7. A mechanical guidance system controlled by stepper motors that allow to direct the laser beam with precision from the microradián to a remote point in space. The apparatus of guided is formed by a mobile support that allows to accommodate a optical system that contains a catadioptric reflector that receives light in its focal plane and a collimator that concentrates a laser beam To be transmitted. The mechanical structure contains a arrangement of gears that allow micrometric movement with two degrees of freedom, one azimuthal and one of elevation of the support, which houses the optical system. The angular movement is Performs with precision microradián. Electronic structure It consists of two stepper motors that can rotate by jumps variables and whose axes move structure reduction gears mechanics. It also contains four electro-optical sensors that allow detecting career ends in azimuth movements and elevation. The structure and its dimensions allow to accommodate tubes optics up to 10 cm in diameter and withstand weights of up to 3 kg. The purpose of the guidance system is the precise addressing of laser beams collimated towards targets located between 100 m and 2000 m, at the time you receive another similar beam in the same plane of issue.
8. Un sistema óptico duplexor que permite la transmisión y la recepción simultanea de haces láser polarizados bajo el mismo eje óptico. Las soluciones actuales propuestas hacen uso de sistemas ópticos separados para el transmisor y el receptor. El sistema duplexor que se presenta polariza los haces láser a transmitir de manera que un solo sistema óptico permite el procesamiento bidireccional de los haces transmitidos y recibidos consiguiendo bajar los costes y facilitar el alineamiento y el seguimiento posterior. El sistema consta de un reflector catadióptrico que transmite y recibe haces láser polarizados que son dirigidos, de acuerdo con su sentido y estado de polarización, al exterior (haz transmitido), o al interior (haz recibido), mediante un cubo polarizador partidor de haz, espejos y lentes. El haz láser transmitido, guiado por un espejo, se hace pasar por un cubo partidor de haz polarizante que permite la división del haz en dos haces perpendiculares polarizados linealmente. Si el láser se encuentra polarizado total o parcialmente, éste debe orientarse de manera que el cubo refleje la máxima componente S. La componente reflejada es adaptada mediante una lente divergente para adecuar el haz al plano focal del reflector de forma que éste transmita toda la energía con pérdidas mínimas. La distribución energética del haz láser que minimiza la energía transmitida debe ser de característica anular. El láser transmitido se encuentra polarizado linealmente en un plano bien definido. El haz láser recibido procede de un duplexor homólogo que envía igualmente un haz polarizado linealmente pero en un plano perpendicular al haz láser transmitido. Éste atraviesa el mismo reflector catadióptrico y se adapta mediante la misma lente divergente pasando por el mismo cubo polarizador que identifica una componente refractada P'. La componente refractada (recibida), sigue un camino óptico distinto a la reflejada S (transmitida), pasando por un espejo de guiado e incidiendo sobre el sistema óptico del receptor. El haz láser transmitido es generado por un láser de estado sólido con irradiancia anular que se encuentra térmicamente controlado y modulado mediante los circuitos electrónicos del transmisor. El láser es colimado mediante una lente asférica antes de ser dirigido hacia el cubo polarizador. El haz láser recibido es procesado por un sistema óptico consistente en una lente convergente que proyecta el haz sobre una lente hemisférica que se encuentra adosada a una fibra óptica de polímero que conduce la energía luminosa hacia un fotodiodo de avalancha igualmente, térmicamente controlado, y amplificado con circuitos electrónicos de gran sensibilidad.8. An optical duplexer system that allows Simultaneous transmission and reception of polarized laser beams under the same optical axis. The proposed current solutions make use of separate optical systems for the transmitter and receiver. The duplex system presented polarizes the laser beams to transmit so that a single optical system allows the bidirectional processing of transmitted and received beams managing to lower costs and facilitate alignment and subsequent follow-up The system consists of a reflector catadioptric that transmits and receives polarized laser beams that are directed, according to their sense and state of polarization, to outside (transmitted beam), or inside (received beam), by a polarizing cube beam splitter, mirrors and lenses. Laser beam transmitted, guided by a mirror, pretends to be a cube polarizing beam splitter that allows splitting the beam into two linearly polarized perpendicular beams. If the laser gets It is totally or partially polarized, it must be oriented in so that the cube reflects the maximum component S. The component reflected is adapted by a divergent lens to adapt the make the focal plane of the reflector so that it transmits all the energy with minimal losses. The energy distribution of the beam laser that minimizes transmitted energy must be characteristic cancel. The transmitted laser is linearly polarized in A well defined plane. The received laser beam comes from a duplexer counterpart that also sends a linearly polarized beam but in a plane perpendicular to the transmitted laser beam. This one crosses the same catadioptric reflector and adapts using the same lens divergent going through the same polarizing cube that identifies a refracted component P '. The refracted component (received) follows an optical path other than the reflected S (transmitted), passing by a guiding mirror and influencing the optical system of the receiver. The transmitted laser beam is generated by a laser solid state with thermally annular irradiance controlled and modulated by the electronic circuits of the transmitter. The laser is collimated by an aspherical lens before of being directed towards the polarizing cube. The received laser beam is processed by an optical system consisting of a converging lens that projects the beam on a hemispherical lens that is attached to a polymer optical fiber that conducts energy luminous towards an avalanche photodiode also, thermally controlled, and amplified with large electronic circuits sensitivity.
9. Un sistema termorregulador que mantiene a los dispositivos "diodo láser transmisor" y "diodo de avalancha receptor" controlados térmicamente en una franja óptima que maximiza la vida media de estos componentes. El sistema termorregulador que se presenta genera un gradiente térmico de flujo simétrico que mantiene a los dispositivos libres de tensiones mecánicas internas aumentando así su durabilidad. El termorregulador consta de un dado metálico conductor del calor que alberga en su eje central a la capsula cilíndrica del dispositivo electrónico a controlar térmicamente. Dicho dado se encuentra en una cavidad adiabática conectado a cuatro celdas peltier en cuatro de sus lados. El intercambio térmico del dado se realiza a través de las caras de las cuatro celdas peltier que absorben o ceden calor al dado. La otra cara de cada una de las celdas peltier está conectada a un disipador térmico que intercambia el calor con el aire circundante forzado por ventiladores. La geometría que conforma el conjunto permite garantizar, tal como se muestra por simulación térmica, que el flujo de calor generado en el dado posee forma radial y con simetría axisimétrica en torno al eje que contiene la capsula cilíndrica del dispositivo electrónico.9. A thermoregulatory system that maintains "laser transmitter diode" and "avalanche diode devices receiver "thermally controlled in an optimal range that Maximizes the half-life of these components. The system presented thermoregulator generates a thermal flow gradient symmetrical that keeps devices free of stress internal mechanics thus increasing its durability. The thermoregulator It consists of a metallic conductor that conducts heat on its axis central to the cylindrical capsule of the electronic device a thermally control Said die is in a cavity adiabatic connected to four peltier cells on four sides. The thermal exchange of the die is done through the faces of the four peltier cells that absorb or give heat to the die. The another face of each of the peltier cells is connected to a heatsink that exchanges heat with the surrounding air forced by fans. The geometry that makes up the set allows to guarantee, as shown by thermal simulation, that the heat flux generated in the die has a radial shape and with axisymmetric symmetry around the axis that contains the capsule cylindrical electronic device.
10. Un circuito electrónico transmisor láser controlado por microcontrolador que permite gestionar la potencia transmitida, el índice de modulación y el estado térmico de un diodo láser de estado sólido. El microcontrolador puede administrar la potencia transmitida en función de las características dispersantes del vapor de agua de la atmósfera midiendo la temperatura y la humedad relativa del exterior. Para mantener la estabilidad en el funcionamiento del láser modulado se diseñan tres lazos de control: Un lazo de control térmico que mantiene al diodo en un estado térmico estable. Un lazo de control luminoso que mantiene su irradiancia estable debiendo medirse con un fotodiodo externo para, una vez cerrado el lazo, controlar la corriente de polarización del láser y, por tanto, su potencia transmitida y un lazo de control del índice de modulación. A la corriente de polarización controlada, debe sumarse la corriente de la señal moduladora que hace excursionar la irradiancia emitida en dos niveles definidos. La profundidad de modulación también debe encontrarse en un lazo de control que optimiza la potencia media transmitida. La distancia entre los dos niveles de luminosidad es controlada para una determinada irradiancia. Por otro lado, los esquemas de alimentación eléctrica del diodo láser y de los dispositivos que conforman las unidades de control y modulación también son altamente estables y de muy bajo ruido. Los dispositivos de conmutación tales como el microcontrolador se alimentan mediante fuentes de alimentación separadas que impiden la transmisión de impulsos o espigas parásitas.10. An electronic circuit laser transmitter controlled by microcontroller that allows power management transmitted, modulation index and thermal state of a diode solid state laser. The microcontroller can manage the transmitted power based on dispersant characteristics of water vapor from the atmosphere by measuring the temperature and relative humidity outside. To maintain stability in the Modulated laser operation three control loops are designed: A thermal control loop that keeps the diode in a state stable thermal A light control loop that maintains its stable irradiance must be measured with an external photodiode to, Once the loop is closed, check the polarization current of the laser and, therefore, its transmitted power and a control loop of the modulation index At the controlled polarization current, the current of the modulating signal that makes excursion of the irradiance emitted in two defined levels. The modulation depth should also be found in a loop of control that optimizes the average power transmitted. Distance between the two levels of brightness it is controlled for a certain irradiance On the other hand, the feeding schemes electrical diode laser and the devices that make up the control and modulation units are also highly stable and of Very low noise Switching devices such as the microcontroller are powered by power supplies separate that prevent the transmission of impulses or spikes parasites
11. Un circuito electrónico receptor láser controlado por microcontrolador que permite gestionar la sensibilidad, la ganancia y el estado térmico de un fotodiodo de avalancha de estado sólido. El microcontrolador puede administrar la sensibilidad en función de las características dispersantes del vapor de agua de la atmósfera midiendo la temperatura y la humedad relativa del exterior. El aparato receptor presentado efectúa tres lazos de control: uno térmico, otro de sensibilidad del fotodiodo y otro de ganancia RMS. El microcontrolador lee el estado térmico del fotodiodo de avalancha mediante sensores de temperatura y actúa a través de un circuito de control de potencia sobre un aparato termorregulador de flujo simétrico basado en celdas peltier que, cerrando el lazo, mantienen estable su temperatura. La fotosensibilidad del fotodiodo es programada por el microcontrolador a un valor determinado y la mantiene en un lazo de control cerrado sensando la corriente de polarización del fotodiodo a través del amplificador logarítmico y su filtro asociado. La ganancia RMS es programada por el microcontrolador en el amplificador de ganancia programable cerrando un tercer lazo de control con la medida de la potencia estimada por el detector RMS. El aparato receptor basado en fotodiodo de avalancha posee un esquema de alimentación libre de ruidos construida a partir de un esquema de prerregulación que lleva una tensión estable a un conjunto de reguladores de tensión de bajo ruido a los circuitos en los que el bajo ruido es un factor determinante. El microcontrolador posee una fuente independiente y los circuitos de potencia del termorregulador se alimentan con fuentes separadas.11. An electronic laser receiver circuit controlled by microcontroller that allows to manage the sensitivity, gain and thermal state of a photodiode of solid state avalanche. The microcontroller can manage the sensitivity depending on the dispersant characteristics of the atmosphere water vapor measuring temperature and humidity relative outside. The presented receiver apparatus performs three control loops: one thermal, another photodiode sensitivity and other gain RMS. The microcontroller reads the thermal state of the avalanche photodiode using temperature sensors and acts at through a power control circuit on an appliance symmetric flow thermoregulator based on peltier cells that, closing the loop, keep its temperature stable. The Photodiode photosensitivity is programmed by the microcontroller at a certain value and keeps it in a closed control loop sensing the polarization current of the photodiode through the Logarithmic amplifier and its associated filter. RMS gain is programmed by the microcontroller in the gain amplifier programmable by closing a third control loop with the measurement of the power estimated by the RMS detector. The receiving device based on avalanche photodiode has a free power scheme of noise built from a pre-regulation scheme that carries a stable voltage to a set of low voltage regulators noise to circuits in which low noise is a factor determinant. The microcontroller has an independent source and the thermoregulator power circuits are fed with separate sources.
12. Un circuito electrónico basado en
microcontrolador que gestiona exclusivamente el seguimiento del haz
láser entre dos transceptores manteniéndolo estable frente a cambios
posicionales. El microcontrolador aplica un algoritmo de seguimiento
maximizando la potencia del haz láser recibido y actuando sobre los
motores paso a paso en el sistema mecánico de guiado micrométrico.
El sistema de seguimiento comprende cuatro subsistemas: aparato de
guiado, duplexor óptico, transmisor y receptor y una unidad de
control que ejecuta de forma exclusiva el algoritmo de seguimiento.
Distingamos entre proceso de alineamiento y proceso de seguimiento.
En el primero, se fija un origen de coordenadas que determinará un
valor máximo de la potencia recibida. El proceso de alineamiento se
realiza manualmente por medios ópticos antes de realizar el proceso
de seguimiento. Si el valor de la potencia recibida es
P_{r}(\theta_{r}, \varphi_{r}), el objetivo
es conseguir el máximo que ocurre en (\theta_{r},
\varphi_{r}) =(0,0). Una vez alineado este valor será el origen
de coordenadas y el objetivo de maximizar la potencia recibida se
verá cumplido. Un cambio en la dirección del transmisor implica un
desplazamiento de coordenadas desde la posición (\theta_{r},
\varphi_{r}) a la posición (\theta_{r} -
\delta_{\theta}, \varphi_{r} - \delta_{\varphi}). El
proceso de seguimiento implica determinar los valores de
\delta_{\theta} y \delta_{\varphi} mediante el procedimiento
que se presenta y hacer que esas diferencias sean lo más pequeña
posibles. Las variables \delta_{\theta} y \delta_{\varphi}
son dependientes del tiempo (\delta_{\theta}(t) y
\delta_{\varphi}(t)), por lo que el mecanismo de
seguimiento es un proceso dinámico. La búsqueda del máximo se hace
en coordenadas polares y el proceso de búsqueda es secuencial. El
método que se presenta está basado en la técnica de maximización
conocida como "método del gradiente". El aparato de seguimiento
está controlado por un microcontrolador que actúa sobre un aparato
de guiado micrométrico que dirige a un sistema óptico basado en un
aparato duplexor que focaliza el haz láser recibido, siendo éste
procesado por un aparato receptor basado en fotodiodo de avalancha
que estima la potencia del haz P_{r}. A la vez, el aparato
de seguimiento dirige a un aparato transmisor que emite un haz láser
de potencia P_{t} que se focaliza a través del mismo
sistema óptico duplexor hacia otro aparato de seguimiento remoto que
realiza la misma función. Se forma así un par de aparatos de
seguimiento situados en puntos remotos que emiten y reciben haces
láser enfrentados. El microcontrolador que ejecuta el procedimiento
de seguimiento se encuentra insertado en un lazo de control que
incluye a los drivers que actúan sobre los motores paso a paso de
elevación y acimut de un aparato de guiado pudiendo actuar en ellos
fijando los valores angulares \theta_{r} y \varphi_{r}
respectivamente tras un proceso de alineamiento e inicialización.
Por otro lado, el microcontrolador recibe la información del valor
de la potencia recibida P_{r} suministrada por el aparato
receptor. Dada una posición angular, la potencia recibida será
P_{r}(\theta_{r},\varphi_{r}). Por otro
lado, una vez activo el proceso de seguimiento, el microcontrolador
también realiza el almacenamiento de las posiciones del máximo que
representan la evolución de la trayectoria angular del sistema a lo
largo del tiempo. Datos que se utilizan para la optimización de los
parámetros del procedimiento de seguimiento presentado.12. An electronic circuit based on a microcontroller that exclusively manages the laser beam monitoring between two transceivers, keeping it stable against positional changes. The microcontroller applies a tracking algorithm maximizing the power of the received laser beam and acting on the stepper motors in the micrometric mechanical guidance system. The tracking system comprises four subsystems: guidance device, optical duplexer, transmitter and receiver and a control unit that exclusively executes the tracking algorithm. Let's distinguish between alignment process and monitoring process. In the first, a coordinate origin is set that will determine a maximum value of the received power. The alignment process is performed manually by optical means before performing the tracking process. If the value of the received power is
P r (\ theta_ {r}, \ varphi_ {r}), the objective is to achieve the maximum that occurs in (\ theta_ {r}, \ varphi_ {r}) = (0,0). Once aligned this value will be the origin of coordinates and the objective of maximizing the received power will be fulfilled. A change in the address of the transmitter implies a coordinate shift from the position (\ theta_ {r}, \ varphi_ {r}) to the position (\ theta_ {r} - \ delta_ {\ theta}, \ varphi_ {r} - δ _ {\ varphi}). The follow-up process involves determining the values of δ _ {\ theta} and \ delta _ {\ varphi} by the procedure presented and making those differences as small as possible. The variables \ delta _ {\ theta} and \ delta _ {\ varphi} are time dependent (\ delta _ {\ theta} (t) and \ delta _ {\ varphi} (t)), so the tracking mechanism is a dynamic process The maximum search is done in polar coordinates and the search process is sequential. The method presented is based on the maximization technique known as the "gradient method". The tracking device is controlled by a microcontroller that acts on a micrometric guidance device that directs an optical system based on a duplexer device that focuses the received laser beam, which is processed by a receiver device based on avalanche photodiode that estimates the beam power P r. At the same time, the tracking device directs a transmitting device that emits a laser beam of power P t that is focused through the same optical duplexer system to another remote tracking device that performs the same function. Thus, a pair of tracking devices are formed located at remote points that emit and receive opposing laser beams. The microcontroller that executes the monitoring procedure is inserted in a control loop that includes the drivers that act on the stepper motors of elevation and azimuth of a guiding apparatus and can act on them by setting the angular values \ theta_ {r } and \ varphi_ {r} respectively after an alignment and initialization process. On the other hand, the microcontroller receives information on the value of the received power P r supplied by the receiving apparatus. Given an angular position, the received power will be P r (\ theta_ {r}, \ varphi_ {r}). On the other hand, once the monitoring process is active, the microcontroller also stores the maximum positions that represent the evolution of the angular trajectory of the system over time. Data used to optimize the parameters of the monitoring procedure presented.
13. Un sistema de acondicionamiento del aire interior. La cubierta y la base de sustentación constituyen un recinto herméticamente cerrado por el que circula aire seco libre de polvo en un circuito de recirculación cerrado y controlado térmicamente. De esta manera se preservan a los elementos mecánicos y electrónicos de fenómenos de oxidación y a los elementos ópticos el permanecer en un ambiente limpio ausente de partículas dispersantes. El microcontrolador del sistema supervisor se encarga del control térmico del aire seco circundante. El aire interior se seca mediante un dispositivo de condensación-evaporación basado en celda peltier que se presenta en esta invención.13. An air conditioning system inside. The cover and the base of support constitute a hermetically enclosed enclosure through which dry air circulates free of dust in a closed and controlled recirculation circuit thermally In this way the mechanical elements are preserved and electronics of oxidation phenomena and optical elements staying in a clean environment free of particles dispersants The microcontroller of the supervisory system is in charge of the thermal control of the surrounding dry air. The indoor air is dry using a device condensation-evaporation based on peltier cell that It is presented in this invention.
14. Finalmente, un sistema antivaho predictivo que impide la deposición de vaho en el visor y eliminando la posibilidad de que se produzcan dispersiones de los haces láser por vapor de agua depositado. Se presenta en esta invención un algoritmo antivaho predictivo ejecutado por el sistema supervisor que tiene en cuenta la temperatura del aire y la humedad relativa ambiental y que evita absolutamente la deposición de vaho sobre el visor. El procedimiento antivaho predictivo se anticipa en la actuación de mecanismos que bajan localmente la temperatura de rocío en torno a superficies expuestas a ambientes exteriores en los que debe evitarse la condensación, partiendo del conocimiento de la temperatura de rocío del aire y de la temperatura del objeto y actuando mediante dos acciones: la disminución de la humedad relativa del aire que rodea al objeto y el aumento de la temperatura de la superficie del mismo.14. Finally, a predictive anti-fog system which prevents the deposition of fog in the viewfinder and eliminating the possibility of laser beam scattering due to water vapor deposited. An algorithm is presented in this invention. predictive anti-fog executed by the supervisory system that has in counts the air temperature and the relative humidity and that absolutely prevents the deposition of fog on the viewfinder. He Predictive anti-fog procedure is anticipated in the performance of mechanisms that lower dew point temperature around surfaces exposed to outdoor environments where you must avoid condensation, based on knowledge of the dew temperature of the air and the temperature of the object and acting through two actions: the decrease in humidity relative air surrounding the object and rising temperature of the surface of it.
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.Then it goes on to describe very brief a series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to an embodiment of said invention presented as a non-limiting example of is.
La Figura 1 muestra, de forma esquemática, un enlace óptico entre dos transceptores.Figure 1 shows, schematically, a optical link between two transceivers.
La Figura 2 muestra un diagrama de los módulos funcionales y el conexionado de las partes del transceptor óptico objeto de esta invención.Figure 2 shows a diagram of the modules functional and the connection of the parts of the optical transceiver object of this invention.
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Las Figuras 3A, 3B, 3C y 3D muestran el transceptor óptico en su aspecto externo y en la disposición física de componentes internos.Figures 3A, 3B, 3C and 3D show the optical transceiver in its external appearance and in the physical arrangement of internal components.
Las Figuras 4A, 4B y 4C muestran vistas explosionadas, posterior, lateral y frontal de los componentes agrupados en funcionalidades del transceptor óptico.Figures 4A, 4B and 4C show views exploded, posterior, lateral and frontal components grouped in functionalities of the optical transceiver.
La Figura 5 muestra detalles del soporte de anclaje a muro y el mecanismo de orientación grueso del transceptor.Figure 5 shows details of the support of wall anchoring and the thick orientation mechanism of the transceiver.
Las Figuras 6A, 6B, 6C y 6D muestran la base de sustentación de los componentes y los componentes del sistema de acondicionamiento de aire del interior del transceptor óptico.Figures 6A, 6B, 6C and 6D show the basis of component support and system components air conditioning inside the optical transceiver.
La Figura 7 muestra la cubierta externa del transceptor y sus componentes asociados: visor, sensor de temperatura, actuador antivaho y paneles de aislamiento térmico.Figure 7 shows the outer cover of the transceiver and its associated components: viewfinder, sensor temperature, anti-fog actuator and thermal insulation panels.
Las Figuras 8A, 8B y 8C muestran un diagrama que muestra la relación de los elementos que conforman el sistema de alimentación eléctrico del transceptor y la disposición de sus componentes en el chasis y tarjeta de circuito impreso.Figures 8A, 8B and 8C show a diagram that shows the relation of the elements that make up the system of Power supply of the transceiver and the arrangement of its components in the chassis and printed circuit board.
Las Figuras 9A y 9B muestran los componentes electrónicos del sistema supervisor y su disposición en una tarjeta de circuito impreso.Figures 9A and 9B show the components electronic supervisory system and its disposition on a card Printed circuit
Las Figuras 10A y 10B muestran los componentes electrónicos del conmutador multipuerto y convertidor de medio en una tarjeta de circuito impreso.Figures 10A and 10B show the components electronic multiport switch and media converter in A printed circuit card.
Las Figuras 11A, 11B y 11C muestran distintas vistas del sistema electromecánico de guiado micrométrico.Figures 11A, 11B and 11C show different views of the micrometric guidance electromechanical system.
Las Figuras 12A y 12B muestran el aparato de guiado soportando el sistema duplexor óptico y el transmisor láser.Figures 12A and 12B show the apparatus of guided supporting the optical duplexer system and the transmitter To be.
La Figura 13 representa los planos y ejes de giro del aparato de guiado micrométrico.Figure 13 represents the planes and axes of rotation of the micrometric guidance apparatus.
Las Figuras 14A y 14B muestran la cadena cinemática de ejes acoplados de acimut y elevación.Figures 14A and 14B show the chain kinematics of azimuth and elevation coupled axes.
La Figura 15 representa una vista explosionada de las piezas de la estructura principal del aparato de guiado micrométrico.Figure 15 represents an exploded view of the parts of the main structure of the guiding apparatus micrometric
La Figura 16 muestra el mecanismo sensor fin de carrera del aparato de guiado.Figure 16 shows the end sensor mechanism of guiding apparatus stroke.
Las Figuras 17A, 17B y 17C muestran distintas vistas del aparato duplexor óptico.Figures 17A, 17B and 17C show different views of the optical duplexer.
Las Figuras 18A y 18B representan el aparato duplexor sobre el aparato de guiado con el transmisor láser y el receptor, ambos con termorreguladores de flujo simétrico.Figures 18A and 18B represent the apparatus duplexer on the guidance device with the laser transmitter and the receiver, both with symmetric flow thermoregulators.
Las Figuras 19A y 19B representan el aparato duplexor con dos vistas de la disposición de los componentes ópticos para la división del haz transmitido y recibido.Figures 19A and 19B represent the apparatus duplexer with two views of the layout of the optical components for the division of the transmitted and received beam.
La Figura 20 muestra una sección del aparato duplexor óptico mostrando los elementos y partes del reflector catadióptrico transmisor-receptor y los tres ejes ópticos.Figure 20 shows a section of the apparatus optical duplexer showing the elements and parts of the reflector Catadioptric transceiver and the three axes Optical
Las Figuras 21A y 21B ilustran el camino de los haces transmitidos y recibidos diferenciando las componentes refractadas y reflejadas según las procesa el cubo polarizador.Figures 21A and 21B illustrate the path of the beams transmitted and received differentiating the components refracted and reflected as processed by the polarizing cube.
Las Figuras 22A y 22B muestran dos características de irradiancia anular válidas para la transmisión-recepción eficiente del aparato duplexor óptico.Figures 22A and 22B show two annular irradiance characteristics valid for efficient transmission-reception of the duplexer optical.
Las Figuras 23A y 23B muestran el mecanismo de enfoque de la lente divergente del duplexor y el soporte ajustable de los espejos de primera superficie y cubo polarizador.Figures 23A and 23B show the mechanism of focus of the divergent lens of the duplexer and the adjustable stand of the mirrors of first surface and polarizing cube.
Las Figuras 24A y 24B muestran los detalles de las monturas seccionadas de la óptica del transmisor y el receptor.Figures 24A and 24B show the details of the sectional frames of the transmitter optics and the receiver.
Las Figuras 25A y 25B muestran dos vistas del aparato termorregulador de flujo simétrico.Figures 25A and 25B show two views of the symmetric flow thermoregulator apparatus.
Las Figuras 26A y 26B representan dos vistas del aparato termorregulador montado sobre el transmisor láser.Figures 26A and 26B represent two views of the thermoregulator apparatus mounted on the laser transmitter.
La Figura 27 representa una sección transversal media del aparato termorregulador permitiendo ver las partes interiores tales como el dado, las celdas peltier y el intercambiador de calor.Figure 27 represents a cross section middle of the thermoregulator apparatus allowing to see the parts interiors such as the dice, the peltier cells and the heat exchanger.
La Figura 28 muestra una vista explosionada del aparato termorregulador con todos sus componentes.Figure 28 shows an exploded view of the thermoregulatory apparatus with all its components.
Las Figuras 29A y 29B muestran dos tipos de dados para dos tipos de cápsulas estándar TO5 y TO46 asociadas en esta realización a un diodo láser VCSEL y a un fotodiodo de avalancha respectivamente.Figures 29A and 29B show two types of given for two types of standard TO5 and TO46 capsules associated in this embodiment to a VCSEL laser diode and a photodiode of avalanche respectively.
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Las Figuras 30A y 30B muestran, para los dados de las Figuras 29A y 29B, los resultados de la simulación térmica y el trazado de los correspondientes gradientes térmicos mostrándose su carácter simétrico en torno al eje del dado.Figures 30A and 30B show, for the dice of Figures 29A and 29B, the results of the thermal simulation and the plotting of the corresponding thermal gradients showing its symmetrical character around the axis of the dice.
La Figura 31 muestra el diagrama esquemático del driver y la unidad de control del sentido de la corriente en las celdas peltier del termorregulador.Figure 31 shows the schematic diagram of the driver and the unit of control of the direction of the current in the thermoregulator peltier cells.
La Figura 32 muestra el diagrama de bloques funcionales que conforma el lazo de control del aparato termorregulador.Figure 32 shows the block diagram functional components of the control loop of the device thermoregulator
La Figura 33 muestra el diagrama funcional de bloques del aparato transmisor láser termorregulado con control embebido.Figure 33 shows the functional diagram of thermoregulated laser transmitter apparatus blocks with control embedded.
Las Figuras 34A y 34B muestran la disposición de componentes del transmisor en la parte anterior y posterior, respectivamente, de la tarjeta de circuito impreso.Figures 34A and 34B show the arrangement of transmitter components on the front and back, respectively, of the printed circuit board.
Las Figuras 35A y 35B muestran la vista superior e inferior, respectivamente, del aparato transmisor con el termorregulador de flujo simétrico.Figures 35A and 35B show the top view and lower, respectively, of the transmitting apparatus with the symmetric flow thermoregulator.
La Figura 36 muestra el diagrama funcional de bloques del aparato receptor láser basado en fotodiodo de avalancha termorregulado con control embebido.Figure 36 shows the functional diagram of laser receiver apparatus blocks based on avalanche photodiode thermoregulated with embedded control.
Las Figuras 37A y 37B muestran la disposición de componentes del receptor en la parte anterior y posterior, respectivamente, de la tarjeta de circuito impreso.Figures 37A and 37B show the arrangement of receiver components on the front and back, respectively, of the printed circuit board.
Las Figuras 38A y 38B muestran respectivamente una vista anterior y posterior del aparato receptor con el termorregulador de flujo simétrico y la parte final del sistema óptico de captación del duplexor para la captación del haz láser modulado.Figures 38A and 38B show respectively an anterior and posterior view of the receiving apparatus with the symmetric flow thermoregulator and the final part of the system Optical Duplexer Capture for Laser Beam Capture modulated.
La Figura 39 muestra el diagrama funcional de bloques del aparato de seguimiento.Figure 39 shows the functional diagram of Tracking device blocks.
La Figura 40 muestra dos aparatos de seguimiento instalados en sendos aparatos transceptores ópticos con haces enfrentados tal como se sitúan entre dos puntos remotos.Figure 40 shows two tracking devices installed in two optical transceiver devices with beams facing each other as they stand between two remote points.
Las Figuras 41A y 41B del aparato de seguimiento que comprende los drivers, la unidad de control basada en microcontrolador, un aparato de guiado, un aparato duplexor óptico, un aparato transmisor y un aparato receptor.Figures 41A and 41B of the tracking apparatus comprising the drivers, the control unit based on microcontroller, a guidance device, an optical duplexer, a transmitting device and a receiving device.
Las Figuras 42A, 42B y 42C muestran el control de seguimiento y los drivers de los motores implementados sobre tarjetas de circuito impreso.Figures 42A, 42B and 42C show the control of monitoring and drivers of the engines implemented on printed circuit boards
La Figura 43 muestra la disposición de componentes funcionales que intervienen en el sistema de acondicionamiento de aire del interior de la cubierta del transceptor óptico.Figure 43 shows the arrangement of functional components involved in the system of air conditioning inside the cover optical transceiver
La Figura 44 muestra el diagrama funcional de bloques del aparato antivaho predictivo para el visor del transceptor óptico.Figure 44 shows the functional diagram of Predictive anti-fogging device blocks for the viewfinder optical transceiver
La Figura 45 muestra una vista explosionada de la lámina calefactora unidireccional del actuador del aparato antivaho.Figure 45 shows an exploded view of the unidirectional heating plate of the device actuator anti-fog
Las Figuras 46A, 46B, 46C y 46D muestran la dinámica convectiva del aire caliente realizada mediante simulación térmica para el visor del transceptor óptico para exteriores: líneas de flujo y velocidades, mapa de isotermas, humedad relativa y fracción de masa condensada.Figures 46A, 46B, 46C and 46D show the convective hot air dynamics performed by simulation thermal for the optical transceiver viewer for outdoor: lines of flow and velocities, map of isotherms, relative humidity and fraction of condensed mass.
La Figura 47 muestra, finalmente, el diagrama de flujo de datos del algoritmo de predicción o anticipación antivaho.Figure 47 shows, finally, the diagram of data flow of the prediction or anticipation algorithm anti-fog
La presente invención propone una solución para realizar enlaces ópticos punto a punto (tal como se muestra a modo de ejemplo en la Figura 1), la monitorización y la implantación de redes ópticas no guiadas en el espacio libre. Es objeto de la presente invención un sistema transceptor inteligente que constituye el nodo básico de comunicación de la red óptica mencionada.The present invention proposes a solution for make point-to-point optical links (as shown by way of example in Figure 1), monitoring and implementation of optical networks not guided in free space. It is the subject of present invention an intelligent transceiver system that constitutes the basic communication node of the mentioned optical network.
La Figura 2 muestra un diagrama general funcional de cada una de las partes del transceptor inteligente con las interrelaciones entre los distintos subsistemas. Se ha representado el transceptor óptico 1 y sus partes estructurales: anclaje a muro y mecanismo de orientación grueso 2, base de sustentación de componentes 3, cubierta 4 y fuente de alimentación múltiple 5; englobando a los elementos funcionales interconectados a través del bus I2C 20: sistema supervisor 6, conmutador multipuerto y convertidor de medio 7, aparato de guiado 8, duplexor óptico 9, termorregulador 10, 10', transmisor 11, receptor 12, sistema de seguimiento 13 (compuesto por el control de seguimiento 18, drivers 19, 19' y los elementos funcionales 8, 9, 11 y 12),
\hbox{acondicionamiento del aire interior 14 y aparato antivaho predictivo 15.}Figure 2 shows a general functional diagram of each of the parts of the smart transceiver with the interrelationships between the different subsystems. The optical transceiver 1 and its structural parts have been represented: wall anchor and thick orientation mechanism 2, component support base 3, cover 4 and multiple power supply 5; encompassing the interconnected functional elements through the I2C 20 bus: supervisor system 6, multiport switch and media converter 7, guidance device 8, optical duplexer 9, thermoregulator 10, 10 ', transmitter 11, receiver 12, tracking system 13 (consisting of tracking control 18, drivers 19, 19 'and functional elements 8, 9, 11 and 12),
\ hbox {indoor air conditioning 14 and anti-fogging apparatus predictive 15.}
El transceptor óptico 1 establece una comunicación entre cables de par trenzado 31, 31' que verifican el estándar IEEE802.3 100/1000 permitiendo la conexión a la red WAN cableada 16 o a otro transceptor 1' homólogo. La invención presentada permite el desarrollo y la instalación de una red de comunicación óptica basada en nodos formados por transceptores ópticos inteligentes 1. Cada nodo puede estar constituido por dos o más transceptores conectados entre sí y ubicados en un mismo asentamiento. Cada uno de los transceptores 1 apuntan emitiendo y recibiendo haces láser 158, 158' de otros transceptores homólogos 1' situados en otros asentamientos en lugares remotos que también conformarán otros nodos que apuntan de nuevo a otros y así sucesivamente. El conjunto constituye una red interconectada de nodos formando todo el conjunto lo que denominamos "red de comunicación óptica en el espacio libre". Cada transceptor inteligente 1 tiene capacidad de ceder sus variables de estado a la red, por lo que el conjunto de transceptores interconectados puede monitorizarse globalmente para labores de programación, supervisión y mantenimiento.The optical transceiver 1 establishes a communication between twisted pair cables 31, 31 'that verify the IEEE802.3 100/1000 standard allowing connection to the WAN network wired 16 or another 1 'homologous transceiver. The invention presented allows the development and installation of a network of optical communication based on nodes formed by transceivers smart optics 1. Each node can consist of two or more transceivers connected to each other and located in the same settlement. Each of the transceivers 1 points emitting and receiving laser beams 158, 158 'from other homologous transceivers 1' located in other settlements in remote places that also will form other nodes that point back to others and so successively. The set constitutes an interconnected network of nodes forming the whole set what we call "network of free space optical communication. "Each transceiver intelligent 1 has the ability to yield its state variables to the network, so that the set of interconnected transceivers can be monitored globally for programming, supervision And maintenance.
Las Figuras 3A, 3B, 3C y 3D muestran una realización física preferente del transceptor óptico inteligente 1 sin que por ello se reste generalidad mostrando el aspecto externo del transceptor con una vista artística y dos vistas desde diferentes ángulos, donde se ha suprimido la cubierta 4, de la disposición física de cada uno de los elementos funcionales enumerados anteriormente. Las Figuras 4A, 4B y 4C también muestran vistas explosionadas del transceptor 1 de los distintos elementos funcionales separados vistos desde las posiciones posterior, lateral y anterior.Figures 3A, 3B, 3C and 3D show a Preferred physical realization of the intelligent optical transceiver 1 without thereby subtracting generality by showing the external appearance of the transceiver with an artistic view and two views from different angles, where cover 4 has been removed, from the physical layout of each of the functional elements listed above. Figures 4A, 4B and 4C also show exploded views of transceiver 1 of the various elements separate functional seen from the rear, lateral positions and earlier.
Describimos a continuación cada una de las partes funcionales tal como se muestran en la Figura 2, figura que nos servirá de guía de enlace entre ellas.We describe each of the following functional parts as shown in Figure 2, figure that It will serve as a link guide between them.
De acuerdo con la Figura 5, el anclaje y mecanismo de orientación grueso 2 del transceptor óptico debe fijarse preferentemente a un muro de ladrillo y cemento u hormigón 21 sobre el que se insertan y fijan un perno roscado principal 27 y un perno roscado secundario 28, ambos de acero, sobre los que se asienta una plataforma móvil de aluminio con aleación de magnesio 24. Esta plataforma móvil 24 gira en torno al eje acimutal 22 colineal con el perno principal 27 teniendo un recorrido angular limitado por el perno secundario 28. Determinada la posición acimutal del transceptor, la plataforma móvil se fija con los tornillos roscados en ambos pernos. Sobre la plataforma móvil 24 se atornillan piezas de aluminio en L 25, 25' sobre los que se han practicado un eje de elevación 23 y una ranura radial sobre los que se fijan otras dos piezas de aluminio en L 26, 26' constituyendo el soporte de la base de sustentación de componentes 3. Las piezas 25, 25' permiten el giro de elevación de las piezas 26, 26' a través del eje de giro 23 soportado también por pernos de acero. Sobre las ranuras radiales al eje de elevación de las piezas 25, 25' se insertan tornillos que limitan y fijan el giro de elevación. Determinada la posición de elevación del transceptor, las piezas del soporte 26, 26' se fijan con los citados tornillos. El conjunto de anclaje a muro y mecanismo de orientación grueso conforman una estructura rígida que soporta las fuerzas generadas por el transceptor al recibir vientos con velocidad superior a los 150 Km/h.According to Figure 5, the anchor and 2 thick orientation mechanism of the optical transceiver should preferably be fixed to a brick and cement or concrete wall 21 on which a main threaded bolt 27 is inserted and fixed and a secondary threaded bolt 28, both of steel, on which sits a mobile platform of aluminum with magnesium alloy 24. This mobile platform 24 revolves around the azimuth axis 22 collinear with main bolt 27 having an angular travel limited by secondary bolt 28. Position determined azimuthal of the transceiver, the mobile platform is fixed with the threaded screws on both bolts. On mobile platform 24 it they screw aluminum pieces in L 25, 25 'on which they have practiced a lifting shaft 23 and a radial groove on which two other pieces of aluminum are fixed in L 26, 26 'constituting the component support base support 3. Parts 25, 25 'allow the lifting rotation of the pieces 26, 26' through the rotation shaft 23 also supported by steel bolts. About the radial grooves to the lifting axis of the pieces 25, 25 'are They insert screws that limit and fix the lifting turn. Determined the lifting position of the transceiver, the parts of the support 26, 26 'are fixed with the aforementioned screws. The set of wall anchor and thick orientation mechanism make up a rigid structure that supports the forces generated by the transceiver when receiving winds with speed higher than 150 Km / h
En la realización preferente presentada, todos los componentes del transceptor, salvo la cubierta 4, se encuentran situados en una base de sustentación 3 adosada al sistema de anclaje en las piezas 26, 26'. Las Figuras 6A, 6B, 6C y 6D muestran vistas de la base de sustentación de componentes 3 desde la parte superior, inferior, lateral y en perspectiva artística respectivamente. La base 3 está construida en aluminio con aleación de magnesio reforzada con codos del mismo material en todo su perímetro. La base 3 contiene una serie de taladros para tornillos de fijación y orificios que comunican la parte interior del transceptor con el exterior a través de conectores eléctricos externos y los elementos del sistema de acondicionamiento del aire interior 13. En la base 3 se encuentran los orificios donde se insertan los siguientes conectores, todos cumpliendo la norma de aislamiento no inferior a la IP65: Interruptor conmutador general 29; pasamuros 29' del cable de entrada de red 30; conectores 31, 31' RJ45 para ethernet 100/1000; pulsador de reset general 32 accesible desde el exterior; conexión exterior 33 con la celda peltier del sistema de acondicionamiento de aire 51; conexión exterior 34 con los sensores de humedad relativa 44, de temperatura exterior 45 y turbinas 42 y 43; conexión exterior 35 con el actuador antivaho 59; conexión exterior 36 con el sensor de temperatura exterior del visor 58.In the preferred embodiment presented, all the components of the transceiver, except cover 4, are located located on a support base 3 attached to the anchoring system in pieces 26, 26 '. Figures 6A, 6B, 6C and 6D show views of the component support base 3 from the top, inferior, lateral and in artistic perspective respectively. The base 3 is built in aluminum with magnesium alloy reinforced with elbows of the same material throughout its perimeter. Base 3 contains a series of holes for fixing screws and holes that communicate the inside of the transceiver with the External through external electrical connectors and elements of the indoor air conditioning system 13. At base 3 are the holes where the following are inserted connectors, all meeting the insulation standard not less than IP65: General Switch Switch 29; cable gland 29 'of the cable network input 30; 31, 31 'RJ45 connectors for ethernet 100/1000; general reset button 32 accessible from outside; external connection 33 with the peltier cell of the system air conditioning 51; external connection 34 with the sensors relative humidity 44, outside temperature 45 and turbines 42 and 43; external connection 35 with the anti-fog actuator 59; Connection outside 36 with outside viewfinder temperature sensor 58.
La base 3, en su parte superior está rodeada de una junta de caucho 39 en todo su perímetro que permite el cierre hermético con la cubierta 4. El sensor de temperatura interior 37 se encuentra próximo al orificio de salida del aire interior 40 con el fin de evaluar la temperatura del aire recirculante. El aire en el interior del transceptor es recirculante no renovándose, salvo pérdidas, con el aire exterior. El aire recircula por el interior entrando por el orificio de entrada 40' y saliendo por el de salida 40 impulsado por la turbina 42. En su viaje de recirculación, el aire pasa por los conductos 46 y 49, la turbina 42, el intercambiador de calor 50 y el filtro de partículas 41. En la parte inferior de la base también se encuentran las turbinas de recirculación 42 y de intercambio térmico 43, los conductos 49 y 46 por donde circula el aire interior, el conducto 47 por donde circula el aire de intercambio, la bomba de calor basada en celda peltier 51, los intercambiadores de calor 50, 50' y el condensador-evaporador 48.The base 3, in its upper part is surrounded by a rubber seal 39 around its perimeter that allows the closure tight with cover 4. The indoor temperature sensor 37 is is close to the outlet of the indoor air 40 with the in order to evaluate the temperature of the recirculating air. The air in the inside the transceiver is recirculating not renewing, except losses, with outside air. The air recirculates inside entering through the entrance hole 40 'and exiting through the exit 40 driven by turbine 42. On its recirculation trip, the air passes through ducts 46 and 49, turbine 42, the heat exchanger 50 and particle filter 41. In the part bottom of the base are also the turbines of recirculation 42 and heat exchange 43, ducts 49 and 46 through which the indoor air circulates, the conduit 47 through which it circulates Exchange air, peltier cell based heat pump 51, 50, 50 'heat exchangers and the condenser-evaporator 48.
La cubierta 4 proporciona a la base 3 una cavidad hermética que verifica la denominación IP66 de la norma IEC529. La cubierta 4 es una cavidad semicilíndrica formada por tres chapas de aluminio con aleación de magnesio que forman las tapas anterior y posterior 53, 53' y superior 52 de recubrimiento (Figura 7). La tapa superior 52 es una chapa doblada de siete lados y un corte en uno de sus extremos por un plano de 15º que forma una visera sobre la tapa anterior 53. Bajo ésta se encuentra el visor 57 de forma circular realizado en vidrio VK7 con tratamientos anti reflexivo para la longitud de onda de trabajo y de eliminación de carga estática. La temperatura externa del vidrio del visor la mide el sensor de temperatura 58 situado en su parte inferior. El visor 57 se adosa a una corona circular de policarbonato 56 de baja conductividad térmica que a su vez se fija a la tapa anterior 53. Bajo el visor 57 se encuentra el efector actuador antivaho 59. La parte interior de la cubierta 4 se encuentra forrada de un aislante térmico basado en polipropileno y la parte exterior está pintada con una base de dióxido de titanio para facilitar la reflexión de la radiación infrarroja. El conjunto es tratado con siliconas para transformarlo en una cavidad estanca. La cubierta 4 se acopla a la base 3 mediante tuercas de mariposa (55, 55', 55''...) que se atornillan a los pernos (38, 38', 38''...), sobre el contorno rectangular de caucho 39 de la base 3.Cover 4 provides base 3 with a hermetic cavity that verifies the IP66 designation of the standard IEC529 The cover 4 is a semi-cylindrical cavity formed by three aluminum plates with magnesium alloy forming the covers front and back 53, 53 'and top 52 of coating (Figure 7). The top cover 52 is a folded sheet with seven sides and a cut at one of its ends by a 15º plane that forms a visor on the front cover 53. Under this is the visor 57 circular shape made of VK7 glass with anti treatments Reflective for the working and elimination wavelength of static charge The external temperature of the viewfinder glass is measured the temperature sensor 58 located in its lower part. The viewfinder 57 is attached to a circular polycarbonate crown 56 low thermal conductivity which in turn is fixed to the front cover 53. Under the visor 57 is the anti-fog actuator effector 59. The inner part of the cover 4 is lined with an insulator based on polypropylene and the outside is painted with a titanium dioxide base to facilitate the reflection of the infrared radiation The set is treated with silicones to transform it into a tight cavity. The cover 4 is coupled to the base 3 using wing nuts (55, 55 ', 55' '...) screw bolts (38, 38 ', 38' '...), on the contour rectangular rubber 39 of the base 3.
La fuente de alimentación múltiple 5 proporciona las fuentes de energía eléctrica con la tensión y potencia adecuadas a cada uno de los elementos eléctricos y electrónicos del transceptor. La Figura 8A muestra un diagrama indicativo de los elementos internos de la fuente de alimentación múltiple 5 y su conexionado con los distintos elementos externos. Con el fin de separar las perturbaciones que se propagan por la alimentación debidas al uso de motores y elementos de conmutación de alta corriente sobre los componentes sensibles del transmisor 11, el receptor 12 y microcontroladores, se utilizan tres fuentes de alimentación separadas. La primera sin regular, está destinada a la alimentación de celdas peltier, actuador antivaho y motores. Las dos restantes son fuentes reguladas para el resto de elementos electrónicos. Las Figuras 8B y 8C muestran el aspecto y la disposición de componentes de la fuente de alimentación 5 en la tarjeta de circuito impreso 60 y chasis 61. El interruptor conmutador general 29 y el cable de alimentación 30 se conectan a los conectores 88, 89, 90, 91 y 92 que alimentan a los primarios de los transformadores toroidales 62, 63 y 64 que a su vez se conectan con los puentes de diodos 65, 66 y 67 y los condensadores de filtro 68, 69 y 70 conformando tres fuentes de alimentación separadas. La primera (62, 65, 68) constituye una fuente no regulada de 16 Volts y 100 Watts que, a través de los conectores 71, 72 y 73, alimentan los motores del aparato de guiado 8, las celdas peltier y los ventiladores de los termorreguladores 10, 10', la celda peltier y las turbinas del acondicionador de aire 14 y el actuador térmico del sistema antivaho 15 estos dos últimos con sus drivers instalados en el sistema supervisor 6. La segunda (63, 66, 69) a través del regulador integrado 74 conforma una fuente regulada de -12 Volts, 15 Watts, necesaria para alimentar los circuitos de alimentación simétrica del receptor 12. La tercera (64, 67, 70) conforma tres fuentes reguladas de +12 Volts a través de los reguladores 75, 76 y 77 con una potencia total de 30 Watts. Los conectores 78 y 79 proporcionan una conexión simétrica de +12,-12 Volts al receptor 12. El conector 80 proporciona una conexión de +12 Volts al circuito conmutador multipuerto y convertidor de medio 7. El conector 81 proporciona una conexión de +12 Volts al circuito del transmisor 11. La tensión regulada por el regulador 77 de +12 Volts, se vuelve a regular mediante tres reguladores en paralelo 82, 83 y 84 para proporcionar tres fuentes reguladas de +5 Volts que se conectan a los circuitos de alimentación del supervisor 6 a través del conector 85, los circuitos de alimentación del sistema de seguimiento 13 a través del conector 86 y a los circuitos de alimentación de los sensores de temperatura y humedad del los sistemas de acondicionamiento de aire 14 y predicción antivaho 15.Multiple power supply 5 provides Electric power sources with adequate voltage and power to each of the electrical and electronic elements of the transceiver. Figure 8A shows an indicative diagram of the internal elements of the multiple power supply 5 and its connected with the different external elements. With the purpose of separate the disturbances that propagate through the feeding due to the use of motors and high switching elements current over the sensitive components of the transmitter 11, the 12 receiver and microcontrollers, three sources of separate feed. The first one without regulation, is destined to the Peltier cell feed, anti-fog actuator and motors. Both remaining are regulated sources for the rest of the elements electronic Figures 8B and 8C show the appearance and arrangement of components of power supply 5 in the printed circuit board 60 and chassis 61. The switch general switch 29 and power cord 30 connect to the connectors 88, 89, 90, 91 and 92 that feed the primary the toroidal transformers 62, 63 and 64 which in turn connect with diode bridges 65, 66 and 67 and filter capacitors 68, 69 and 70 forming three separate power supplies. The first (62, 65, 68) constitutes an unregulated source of 16 Volts and 100 Watts that, through connectors 71, 72 and 73, feed the Guiding apparatus 8 motors, peltier cells and fans of thermoregulators 10, 10 ', the peltier cell and the turbines of the air conditioner 14 and the thermal actuator of the anti-fog system 15 these last two with their drivers installed in the supervisory system 6. The second (63, 66, 69) through the integrated regulator 74 forms a regulated source of -12 Volts, 15 Watts, necessary to power the power circuits symmetric of receiver 12. The third (64, 67, 70) forms three regulated sources of +12 Volts through regulators 75, 76 and 77 with a total power of 30 Watts. The 78 and 79 connectors provide a symmetrical connection of + 12, -12 Volts to receiver 12. Connector 80 provides a +12 Volt connection to the circuit multiport switch and media converter 7. Connector 81 provides a +12 Volts connection to the transmitter circuit 11. The voltage regulated by the +12 Volts regulator 77, is returned to regulate by means of three parallel regulators 82, 83 and 84 to provide three regulated +5 Volt sources that connect to Supervisor 6 power circuits through the connector 85, the power circuits of the tracking system 13 a through connector 86 and the power circuits of the temperature and humidity sensors of the systems air conditioning 14 and fog prevention 15.
El sistema supervisor 6 realiza tareas de comunicación bidireccional entre sus microcontroladores esclavos (control de seguimiento 109, control del transmisor 230 y control del receptor 230') y el exterior adaptando el formato de datos al estándar IEEE.802.3 con dirección MAC registrada. Posee un servidor Web que permite monitorizar el estado de las variables del transceptor remotamente con independencia geográfica. El supervisor 6 además, ejecuta los algoritmos de control de la temperatura del aire del interior del transceptor y de predicción antivaho.The supervisor system 6 performs tasks of bidirectional communication between your slave microcontrollers (tracking control 109, transmitter control 230 and control of the receiver 230 ') and the exterior adapting the data format to the IEEE.802.3 standard with registered MAC address. Owns a server Web that allows to monitor the state of the variables of the transceiver remotely with geographical independence. The supervisor 6 also executes the temperature control algorithms of the air inside the transceiver and anti-fog prediction.
Las Figuras 9A y 9B muestran la tarjeta de circuito impreso en vistas superior e inferior con la disposición de los elementos de circuito del sistema supervisor. El conector 93 enlaza con la fuente alimentación múltiple 5 en el conector 85 de +5 Volts. El diodo led 94 indica el funcionamiento de la etapa post reguladora 111 que reduce la alimentación a 3.3 Volts necesarios para el microcontrolador 109 controlado por el cristal 110. Los diodos led 95, 96, 97, 98 y 99 visualizan los diferentes estados de control y las comunicaciones en operaciones de test. El conector RJ45 100 permite la comunicación ethernet de par trenzado con el conmutador multipuerto 7. El conector 101 permite la programación del microcontrolador 109. El pulsador 102 establece las condiciones de inicialización hardware del microcontrolador 109. El conector 103 recibe del conector 71 de la fuente de alimentación múltiple 6 la tensión de 16 Volts para los drivers 112 y 113 que activan el actuador antivaho 59 y la celda peltier del sistema de acondicionamiento de aire 51. El conector 108 es la salida de la tensión de potencia controlada que van a los conectores 33 y 35 de la base 4 donde se enlazan los citados actuador antivaho 59 y celda peltier 51. El conector 104 proporciona la salida de tensión para la activación de las turbinas 42 y 43 activadas por los drivers 114 y 115 a través del conector 34 de la base 4. El conector 105 se conecta al bus I2C 20. El conector 106 es una extensión del bus I2C donde se conectan los sensores de temperatura interior 37, temperatura exterior 45 y temperatura del visor 58 a través de los conectores 34 y 36 de la base 4. El conector 107 recibe las señales del sensor de humedad relativa 44 que enlaza con él a través de la conexión 34 de la base 4.Figures 9A and 9B show the card printed circuit in top and bottom views with the provision of the circuit elements of the supervisory system. The 93 connector link to multiple power supply 5 on connector 85 of +5 Volts LED 94 indicates the operation of the post stage regulator 111 that reduces the power to 3.3 Volts needed for the microcontroller 109 controlled by the crystal 110. The LEDs 95, 96, 97, 98 and 99 display the different states of control and communications in test operations. The connector RJ45 100 allows twisted pair ethernet communication with the multiport switch 7. Connector 101 allows programming of microcontroller 109. Push button 102 sets the conditions initialization hardware of microcontroller 109. Connector 103 receives from connector 71 of multiple power supply 6 the 16 Volts voltage for the 112 and 113 drivers that activate the anti-fog actuator 59 and the peltier cell system air conditioning 51. Connector 108 is the outlet of the controlled power voltage going to connectors 33 and 35 of the base 4 where the aforementioned anti-fog actuator 59 and cell are linked peltier 51. Connector 104 provides the voltage output for the activation of turbines 42 and 43 activated by drivers 114 and 115 through connector 34 of base 4. Connector 105 is connects to I2C bus 20. Connector 106 is an extension of the I2C bus where the indoor temperature sensors 37 are connected, outside temperature 45 and viewfinder temperature 58 through the connectors 34 and 36 of base 4. Connector 107 receives the signals of the relative humidity sensor 44 that links with it through the connection 34 of the base 4.
El transceptor óptico se conecta a la red WAN mediante el estándar IEEE 802.3 TX de par trenzado 100/1000. Estas señales son transformadas por el circuito conmutador multipuerto 7 permitiendo la conexión de múltiples transceptores ópticos en un mismo nodo a la vez que las convierte al formato IEEE 802.3 FX diferencial 100/1000, formato serie con el que se modula el transmisor láser 11 y el receptor láser 12 basado en fotodiodo de avalancha.The optical transceiver connects to the WAN network using the IEEE 802.3 TX twisted pair 100/1000 standard. These signals are transformed by the multiport switch circuit 7 allowing the connection of multiple optical transceivers in a same node while converting them to the IEEE 802.3 FX format 100/1000 differential, serial format with which the laser transmitter 11 and laser receiver 12 based on photodiode of avalanche.
El conmutador multipuerto y convertidor de medio 7 está implementado en una tarjeta de circuito impreso siendo su distribución de elementos la mostrada por las Figuras 10A y 10B. El conector 116 enlaza con la fuente alimentación múltiple 5 en el conector 80 de +12 Volts. El diodo led 118 indica el funcionamiento de la etapa post reguladora 117 que, junto con los reguladores 130 y 131 conforman una fuente múltiple regulada de +5, +3.3 y +1.2 Volts necesarios para polarizar todos los circuitos que contiene. El principal elemento es el procesador 132 controlado por el cristal 133 dedicado a implementar un conmutador multipuerto de cuatro canales que verifican el estándar IEEE 802.3, tres de ellos con la norma de par trenzado 100/1000 y uno de ellos con la norma serie FX 100/1000. Dos de los puertos de salida de par trenzado 120 y 121 se conectan con el exterior a través de los conectores 31 y 31' de la base 4 permitiendo la conexión con la red WAN y con otro posible transceptor homólogo para constituir un nodo de múltiples transceptores. El tercer puerto de par trenzado 122 se utiliza para comunicar la red WAN con el supervisor 6 que proporciona la página web del transceptor junto con aplicaciones complementarias tales como telnet o ftp. Mediante la operación múltiple del conmutador y convertidor de medio 7 se permite que los datos relativos a la monitorización del sistema y los datos de usuario utilicen el mismo medio. El puerto serie con norma 100/1000 FX diferencial se presentan en los conectores coaxiales 123 y 124 para la señal transmitida y 125 y 126 para la recibida. Estos conectores coaxiales enlazan con sus homólogos coaxiales 238, 238' del transmisor 11 y 271, 271' del receptor 12 respectivamente. La inicialización hardware del conmutador 7 se realiza a través del pulsador 119. El conector 127 permite la conexión del conmutador 7 al bus I2C con el fin de que el supervisor 6 pueda leer las variables de estado del mismo. Los diodos led 129 en un número de 12 visualizan el estado de cada uno de los puertos (tres diodos led por puerto). El conmutador 128 permite hacer funcionar al convertidor de medio en dos modos: modo normal y modo test. En el modo normal, el conmutador realiza sus funciones de acuerdo con el estándar. En el modo test, transmite secuencias de pulsos preestablecidas y generadas por el oscilador formado por los transistores 136 y 137 y el cristal 138. Los divisores de pulsos 134 y 135 permiten seleccionar una amplia gama de secuencias y frecuencias para realizar labores de testeo y cálculo del BER (Bit Error Rate).The multiport switch and media converter 7 is implemented in a printed circuit board being its distribution of elements shown by Figures 10A and 10B. He connector 116 links to multiple power supply 5 on the connector 80 +12 Volts. LED 118 indicates operation of post-regulatory stage 117 which, together with regulators 130 and 131 make up a regulated multiple source of +5, +3.3 and +1.2 Volts necessary to polarize all the circuits it contains. He main element is the crystal-controlled processor 132 133 dedicated to implementing a four-port multiport switch channels that verify the IEEE 802.3 standard, three of them with the 100/1000 twisted pair standard and one of them with the FX series standard 100/1000 Two of the twisted pair output ports 120 and 121 are connect to the outside through connectors 31 and 31 'of the base 4 allowing connection to the WAN network and another possible homologous transceiver to constitute a multiple node transceivers The third twisted pair port 122 is used for communicate the WAN network with supervisor 6 who provides the page transceiver web along with complementary applications such like telnet or ftp. Through multiple operation of the switch and media converter 7 data is allowed relative to the system monitoring and user data use the same means, medium. The serial port with 100/1000 FX differential standard is present on coaxial connectors 123 and 124 for the signal transmitted and 125 and 126 for the received. These coaxial connectors link with their coaxial counterparts 238, 238 'of transmitter 11 and 271, 271 'of receiver 12 respectively. Initialization Switch 7 hardware is done via push button 119. The connector 127 allows connection of switch 7 to the I2C bus with the so that supervisor 6 can read the status variables of the same. LEDs 129 in a number of 12 display the status of Each of the ports (three LEDs per port). The commutator 128 allows the media converter to operate in two modes: normal mode and test mode. In normal mode, the switch performs Its functions according to the standard. In test mode, transmit pulse sequences preset and generated by the oscillator formed by transistors 136 and 137 and crystal 138. The 134 and 135 pulse dividers allow you to select a wide range of sequences and frequencies to perform testing tasks and BER calculation (Bit Error Rate).
El aparato de guiado micrométrico 8, mostrado en diferentes vistas en las Figuras 11A, 11B y 11C, tal como el divulgado en la solicitud de patente española P201001622, está constituido por un actuador electromecánico accionado por dos motores paso a paso, un motor de elevación 136 y un motor de acimut 137, formado por piezas móviles y engranajes que permiten el movimiento acimutal y de elevación de un soporte de amarre 138, preferentemente circular, encargado de sostener al duplexor catadióptrico 9 y al transmisor láser 11 de estado sólido colimado por lentes, tal como se muestra en las Figuras 12A y 12B. Su recorrido en el movimiento de acimut y elevación vienen determinados por cuatro sensores fin de carrera (dos sensores fin de carrera de elevación 139 para el giro en torno al eje de elevación y dos sensores fin de carrera de acimut 139' para el giro en torno al eje de acimut) que generan señales para la calibración y para delimitar un rango de seguridad o de posiciones admisibles. Los motores paso a paso se accionan mediante los driver 19, 19' y éstos se dirigen por el microcontrolador del sistema supervisor 6 que permite programar el tamaño de paso, la velocidad y la aceleración del motor. Estos datos se vuelcan en un bus estándar I2C pudiendo considerarse al conjunto como un sistema de control embebido que actúa en modo esclavo.The micrometric guiding apparatus 8, shown in different views in Figures 11A, 11B and 11C, such as the disclosed in Spanish patent application P201001622, is constituted by an electromechanical actuator driven by two stepper motors, a lifting motor 136 and an azimuth motor 137, formed by moving parts and gears that allow azimuth and lifting movement of a mooring support 138, preferably circular, responsible for holding the duplexer catadioptric 9 and the collimated solid state laser transmitter 11 by lenses, as shown in Figures 12A and 12B. its azimuth and elevation movement travel are determined for four limit switches (two limit switches for elevation 139 for the rotation around the axis of elevation and two Azimuth 139 'limit switches for rotation around the axis of azimuth) that generate signals for calibration and to delimit a range of safety or allowable positions. The engines step by step are driven by drivers 19, 19 'and these are directed by the microcontroller of the supervisor system 6 that allows programming step size, speed and acceleration of the engine. These data is dumped on a standard I2C bus and can be considered at set as an embedded control system that acts in mode slave.
La mecánica del movimiento de cada uno de los planos móviles de acimut 140 y elevación 141 está formada por una cadena cinemática de tres ejes acoplados que transmiten el movimiento desde el motor paso a paso hasta el eje final que hace girar el soporte. El plano de acimut 140 sostiene al de elevación y en él se encuentran los dos motores que giran con el eje de acimut 150. El plano de elevación 141 se mueve encima del plano de acimut 140 y gira con el eje de elevación 151 (Figura 13).The mechanics of the movement of each of the azimuth 140 and elevation 141 mobile planes consists of a kinematic chain of three coupled axes that transmit the movement from the stepper motor to the final axis that makes turn the stand The azimuth plane 140 supports the elevation and in it are the two motors that rotate with the azimuth axis 150. The elevation plane 141 moves above the azimuth plane 140 and rotate with the lift shaft 151 (Figure 13).
A continuación se describe la acción de cada uno de los tres ejes acoplados (Figuras 14A y 14B). Partiendo del eje 152 del motor de elevación 136 (eje 152' del motor de acimut 137 para la Figura 14B), éste se ajusta a un tornillo sin fin de elevación 142 (tornillo sin fin de acimut 142' para la Figura 14B) que engrana con una corona helicoidal de elevación 143 (corona helicoidal de acimut 143' para la Figura 14B) de "n" dientes que mueve un segundo eje, eje de tracción de elevación 153 (eje de tracción de acimut 153' para la Figura 14B), consistente en un perno roscado (perno de elevación 144, perno de acimut 144') con paso de rosca "p". Una tuerca de tracción de elevación 145 (tuerca de tracción de acimut 145' para la Figura 14B) roscada al perno (144, 144'), se mueve linealmente una longitud de un paso de rosca "p" cada vez que la corona helicoidal (143, 143') da una vuelta. Si consideramos un motor paso a paso de "m" pasos por vuelta, un desplazamiento de longitud "p" ocurrirá cada m*n pasos de motor. Si la tuerca de tracción (145, 145') roscada al perno se utiliza como guía y elemento de tracción de un mecanismo de biela, transformaremos de nuevo el movimiento lineal en angular. El tercer y último eje, eje de elevación 151 (eje de acimut 150 en la Figura 14B), es el que finalmente sostiene a una biela (biela de elevación 146, biela de acimut 146') cuya guía engarza con la tuerca de tracción (145, 145') a través de un eje ranurado. Si la longitud entre el eje de tracción y el tercer eje es "l" (longitud de la biela), un movimiento de un paso de rosca "p", generará un movimiento angular de:The action of each one is described below. of the three coupled axes (Figures 14A and 14B). Starting from the axis 152 of lift motor 136 (axle 152 'of azimuth motor 137 for Figure 14B), this fits an endless screw of elevation 142 (azimuth worm 142 'for Figure 14B) that gears with a helical crown of elevation 143 (crown azimuth helical 143 'for Figure 14B) of "n" teeth that moves a second axis, lifting traction axis 153 (axis of azimuth traction 153 'for Figure 14B), consisting of a bolt threaded (lifting bolt 144, azimuth bolt 144 ') with pitch "p" thread. A lifting traction nut 145 ( azimuth drive 145 'for Figure 14B) threaded to bolt (144, 144 '), moves a linear length of a thread pitch "p" every time the helical crown (143, 143 ') gives a return. If we consider a stepper motor of "m" steps by turn, a displacement of length "p" will occur every m * n motor steps If the tension nut (145, 145 ') threaded to Bolt is used as a guide and traction element of a mechanism connecting rod, we will transform the linear movement into angular again. He third and last axis, lifting axis 151 (azimuth axis 150 in the Figure 14B), is the one that finally holds a connecting rod (connecting rod of lift 146, azimuth connecting rod 146 ') whose guide engages with the nut of traction (145, 145 ') through a grooved shaft. If the length between the drive axle and the third axle is "l" (length of the connecting rod), a one-step thread movement "p" will generate a angular movement of:
Así, un paso de motor generará un desplazamiento de ángulo de:Thus, a motor step will generate a displacement. Angle of:
La aproximación es correcta, ya que \tfrac{p}{l \cdot m \cdot n} << 1, por lo que el arco tangente se aproxima con gran precisión a su argumento.The approximation is correct, since \ tfrac {p} {l \ cdot m \ cdot n} << 1, so the tangent arc is approximates with great precision his argument.
Considerando valores convencionales de paso de rosca del orden del milímetro, longitudes de biela de varias decenas de milímetros, relaciones de engranaje tornillo-corona de 1:30 ó 1:40 y motores paso a paso de 400 pasos por vuelta, el movimiento angular conseguido por paso de motor es del orden de las millonésimas de radián o de algunas décimas de segundos de arco.Considering conventional step values of thread of the order of the millimeter, connecting rod lengths of several tens millimeters, gear ratios crown screw 1:30 or 1:40 and stepper motors 400 steps per turn, the angular movement achieved per step engine is of the order of millionths of radian or some tenths of arc seconds.
Si se apunta un haz láser a un blanco situado a una distancia entre 100 m y 2000 m en una plataforma móvil como la que hemos descrito, un paso de motor desplazaría el haz entre unas décimas de milímetro (a 100 m) y varios milímetros (a 2000 m).If a laser beam is aimed at a target located at a distance between 100 m and 2000 m on a mobile platform such as the that we have described, a motor step would move the beam between tenths of a millimeter (at 100 m) and several millimeters (at 2000 m).
Por otro lado, con el objetivo de diseñar la mecánica de los sensores fin de carrera 139, hemos de tener en cuenta que las carreras de los ejes de acimut 150 y elevación 151 deberán ser tales que permitan barrer áreas lejanas entre 100 m y 2000 m que se generen por desviaciones de haces láser debidas al movimiento de la base 2 que se asienta en las cubiertas de los edificios. La dinámica de un edificio puede generar un desplazamiento angular de la cubierta no superior a unas décimas de radián (no superior a 10º). Las desviaciones del haz por estos desplazamientos angulares llegarían a suponer desplazamientos lineales entre 15 m (a 100 m) y 300 m (a 2000 m).On the other hand, with the aim of designing the end of career sensors 139, we have to take note that the azimuth 150 and elevation 151 axis races they must be such that they allow sweeping distant areas between 100 m and 2000 m generated by laser beam deviations due to movement of the base 2 that sits on the covers of the buildings The dynamics of a building can generate a angular displacement of the roof not exceeding a few tenths of radian (not exceeding 10º). Beam deviations from these angular displacements would come to assume displacements linear between 15 m (at 100 m) and 300 m (at 2000 m).
La mecánica asociada a los sensores fin de carrera debe acumular todas las holguras que se sucedan y sumen en los tres ejes del movimiento de los planos de acimut y elevación. Por tanto, deben utilizarse estos planos para realizar la medida de la carrera. Cuando se realiza la calibración de los ejes debe tenerse en cuenta toda la holgura acumulada en la cadena cinemática.The mechanics associated with the end of sensors career must accumulate all the slacks that happen and add in the three axes of the movement of the azimuth and elevation planes. Therefore, these plans should be used to measure the the race. When axis calibration is performed, you must take into account all the accumulated slack in the chain kinematics.
Los sensores electroópticos reflexivos constan de un diodo led de infrarrojos y un fototransistor situados en el mismo plano y separados por una pantalla opaca. Son reflexivos; es decir, el diodo led se encuentra siempre iluminado y el fototransistor recibe la luz del led cuando ésta se refleja sobre un espejo móvil. El fototransistor se activa cuando se supera un umbral de iluminación. Para que este umbral no genere mecanismos de histéresis excesiva, la activación del fototransistor se hace mediante circuitos electrónicos comparadores de alta ganancia.The reflective electro-optical sensors consist of an infrared led diode and a phototransistor located in the same plane and separated by an opaque screen. They are reflective; is that is to say, the LED is always illuminated and the phototransistor receives the LED light when it is reflected on a moving mirror The phototransistor is activated when a threshold is exceeded of lighting. So that this threshold does not generate mechanisms of excessive hysteresis, phototransistor activation is done by means of electronic circuits comparators of high gain.
En una realización preferente, el aparato de guiado 8 se realiza en aluminio para la estructura, latón en los pernos (144, 144') y casquillos, bronce en las coronas helicoidales (143, 143'), nylon autolubricado con molibdeno en las tuercas de tracción (145, 145') y acero en tuercas y tornillos, incluido los tornillos sin fin (142, 142'). Todas las piezas se fresan o tornean bajo un sistema de control numérico CNC. Los motores paso a paso suministran 200 pasos/vuelta pero la electrónica de control asociada permite multiplicar hasta un factor 8 (1600 pasos/vuelta). Los sensores fin de carrera (139, 139') son electroópticos de reflexión (parejas diodo led-fototransistor), sin contactos mecánicos. Se usan cuatro sensores: dos sensores 139' para la carrera de acimut y dos sensores 139 para la de elevación.In a preferred embodiment, the apparatus of Guided 8 is made of aluminum for the structure, brass on the Bolts (144, 144 ') and bushings, bronze in helical crowns (143, 143 '), self-lubricated nylon with molybdenum in the nuts of traction (145, 145 ') and steel in nuts and bolts, including worm screws (142, 142 '). All parts are milled or turned under a CNC numerical control system. The stepper motors supply 200 steps / turn but the associated control electronics allows to multiply up to a factor of 8 (1600 steps / lap). The limit switches (139, 139 ') are reflection electro-optic (LED-phototransistor diode pairs), without contacts mechanics Four sensors are used: two 139 'sensors for the Azimuth stroke and two sensors 139 for lifting.
Tal como se muestra en la vista explosionada de la Figura 15, la estructura mecánica principal está formada por cinco piezas principales: la base o biela de acimut 146', el bastidor 147, la biela de elevación 146, la base de amarre 148 y el soporte de amarre 138 (preferentemente cilindro de amarre).As shown in the exploded view of Figure 15, the main mechanical structure is formed by Five main pieces: the base or connecting rod of azimuth 146 ', the frame 147, lifting rod 146, mooring base 148 and the Mooring support 138 (preferably mooring cylinder).
La base o biela de acimut 146' es el elemento sobre el que se apoyan todas las piezas y es la sustentación de todo el conjunto incluyendo motores y sensores. Consta de un taladro central sobre el que se apoya el tornillo 154 del eje de acimut 150, cuatro taladros para la fijación externa y una guía 149' para la tuerca de tracción de acimut 145'. El mecanismo de biela se completa con el perno de acimut 144' y su tuerca de tracción 145' sujetos en el bastidor 147. La distancia entre el eje de acimut 150 y el eje de tracción de acimut 153' determina la longitud de la biela que en la realización presentada es de 40 mm. Sobre la base o biela de acimut 146' se sitúa el soporte que contiene los sensores electroópticos de fin de carrera de acimut 139'.The base or connecting rod of azimuth 146 'is the element on which all the pieces rest and it is the support of everything the set including motors and sensors. It consists of a drill center on which the screw 154 of the azimuth shaft 150 rests, four holes for external fixation and a 149 'guide for azimuth traction nut 145 '. The connecting rod mechanism is completed with the azimuth bolt 144 'and its traction nut 145' held in the frame 147. The distance between the azimuth axis 150 and the axis of azimuth traction 153 'determines the length of the connecting rod that in the presented embodiment is 40 mm. On the basis or azimuth rod 146 'the support containing the electro-optical sensors of azimuth end of career 139 '.
El bastidor 147 sostiene el soporte de los motores paso a paso (136, 137), el espejo de fin de carrera de acimut 155' (sujeto al bastidor 147 mediante un espárrago 157' solidario con el bastidor 147) y el soporte 156 de los sensores electroópticos de fin de carrera de elevación, tal como se muestra en la Figura 16, que representa el mecanismo de los sensores fin de carrera del aparato de guiado. Posee dos taladros perpendiculares por donde pasan los ejes de acimut 150 y elevación 151 a la vez que contiene los mecanismos de sujeción de los pernos de acimut 144' y elevación 144 en donde se insertan las coronas helicoidales (143, 143') de 40 dientes en esta realización movidas por los tornillos sin fin (142, 142'). Los pernos de elevación 144 y acimut 144' engranan con las correspondientes tuercas de tracción (145, 145'). El perno de acimut 144', la tuerca de tracción de acimut 145' y la base o biela de acimut 146' y su interacción constituyen el mecanismo de biela de acimut. El perno de elevación 144, la tuerca de tracción de elevación 145 y la biela de elevación 146 y su interacción constituyen el mecanismo de biela de elevación. Los pernos (144, 144') se sujetan al bastidor 147 mediante casquillos (casquillo del perno de elevación 158, casquillo del perno de acimut 158') y tuercas (tuerca del casquillo de elevación 159, tuerca del casquillo de acimut 159'). En la Figura 15 también se muestra la tuerca 160 del eje de elevación y la tuerca 160' del eje de acimut.The frame 147 supports the support of the stepper motors (136, 137), the limit switch of azimuth 155 '(attached to frame 147 using a 157' stud in solidarity with frame 147) and sensor holder 156 end-of-stroke electro-optics, as shown in Figure 16, which represents the mechanism of the end of guiding apparatus stroke. It has two perpendicular drills where the azimuth 150 and elevation 151 axes pass at the same time as contains the clamping mechanisms of the azimuth bolts 144 'and elevation 144 where the helical crowns are inserted (143, 143 ') of 40 teeth in this embodiment moved by the screws endless (142, 142 '). Lifting bolts 144 and azimuth 144 ' engage with the corresponding tension nuts (145, 145 '). The azimuth bolt 144 ', the azimuth traction nut 145' and the azimuth 146 'base or connecting rod and its interaction constitute the Azimuth connecting rod mechanism. The lifting bolt 144, the nut of lifting traction 145 and lifting rod 146 and its interaction constitute the lifting rod mechanism. The Bolts (144, 144 ') are fastened to frame 147 by bushings (lifting bolt cap 158, azimuth bolt cap 158 ') and nuts (lifting sleeve nut 159, nut azimuth cap 159 '). Figure 15 also shows the nut 160 of the lifting shaft and nut 160 'of the shaft azimuth
La biela de elevación 146 es la pieza que junto con el perno de elevación 144 y la tuerca de tracción de elevación 145 y su interacción constituyen el mecanismo de biela de elevación. Consta de la guía 149 para la tuerca de tracción de elevación 145 y el eje de elevación 151 propiamente dicho. La distancia entre el eje de elevación 151 y el eje de tracción de elevación 153 nos dan la longitud de la biela de elevación. En la realización presentada es de 40 mm, misma longitud que la de la biela de acimut, lo que significa que la resolución del paso en los ejes de elevación y acimut es idéntica.The lifting rod 146 is the piece that together with lifting bolt 144 and lifting traction nut 145 and its interaction constitute the lifting rod mechanism. It consists of guide 149 for lifting traction nut 145 and the lift shaft 151 itself. The distance between the axis lifting 151 and the lifting traction shaft 153 give us the Length of the lifting rod. In the presented embodiment it is 40 mm, same length as the azimuth rod, which means that the resolution of the step in the elevation axes and Azimuth is identical.
Las tuercas de tracción (145, 145') tienen forma cilíndrica con una ranura en el eje del cilindro que ajusta en las guías (149, 149') de las bielas (146, 146'). El roscado es perpendicular al cilindro.The drive nuts (145, 145 ') are shaped cylindrical with a groove in the cylinder shaft that adjusts in the guides (149, 149 ') of the connecting rods (146, 146'). Threading is perpendicular to the cylinder.
La base de amarre 148 es una pieza situada perpendicularmente sobre la biela de elevación 146, siendo el soporte o base del soporte de amarre 138 que sujeta el tubo del duplexor óptico 9 y el transmisor láser 11.The mooring base 148 is a piece located perpendicularly on the lifting rod 146, the support or base of the mooring support 138 that holds the tube of the optical duplexer 9 and laser transmitter 11.
La desviación angular generada por cada paso de motor en cada uno de los ejes de acimut y elevación para la realización presentada considerando el uso de un perno de paso de rosca M8 estándar (p=1.25 mm), una corona de 40 dientes (n=40), un motor paso a paso de 400 pasos/vuelta (m=400) y distancia de biela de 40 mm (l=40 mm), la desviación angular será:The angular deviation generated by each step of motor in each of the azimuth and elevation axes for the embodiment presented considering the use of a step bolt standard M8 thread (p = 1.25 mm), a crown of 40 teeth (n = 40), a stepper motor 400 steps / turn (m = 400) and connecting rod distance 40 mm (l = 40 mm), the angular deviation will be:
Así a 100 m la desviación lineal de un haz láser soportado en el sistema por paso de motor será de:Thus at 100 m the linear deviation of a laser beam Supported in the system by motor step will be:
Y a 2000 m será:And at 2000 m it will be:
Para que los sensores de fin de carrera (139, 139') registren todas las holguras acumuladas debidas a la sucesión del movimiento generado en los tres ejes acoplados (152, 153, 151; 152', 153', 150), los espejos de reflexión (155, 155') de éstos se sitúan en los planos de acimut 140 y elevación 141 girando sobre los ejes de acimut 150 y elevación 151.So that the limit switches (139, 139 ') record all accumulated gaps due to succession of the movement generated in the three coupled axes (152, 153, 151; 152 ', 153', 150), the reflection mirrors (155, 155 ') of these are placed in azimuth planes 140 and elevation 141 rotating on the azimuth shafts 150 and elevation 151.
El mecanismo sensor fin de carrera consta de tres piezas, tanto para la carrera de acimut, como para la de elevación: soporte (156, 156'), tarjetas sensor (139, 139') y el espejo fin de carrera (155, 155').The limit switch sensor mechanism consists of three pieces, both for the azimuth race, and for the elevation: support (156, 156 '), sensor cards (139, 139') and the end of career mirror (155, 155 ').
El soporte (156, 156') sujeta las tarjetas sensor (139, 139'). Hay un soporte para cada carrera. El soporte de la carrera de acimut 156' se encuentra fijado a la base o biela de acimut 146' y el soporte 156 de la carrera de elevación al bastidor 147.The support (156, 156 ') holds the cards sensor (139, 139 '). There is a support for each race. The support of the azimuth stroke 156 'is fixed to the base or connecting rod of azimuth 146 'and support 156 of the lifting stroke to the frame 147.
Las tarjetas sensor en un número de dos por carrera, contienen la estructura diodo-fototransistor y la red de polarización. Cada pareja diodo-fototransistor de cada carrera se encuentra posicionada de acuerdo con el perímetro de una circunferencia de 40 mm de radio con centro en los ejes de acimut 150 y elevación 151 y distanciados un ángulo de 50º.The sensor cards in a number of two per career, contain the structure diode-phototransistor and polarization network. Every diode-phototransistor pair of each run is is positioned according to the perimeter of a 40 mm radius circumference centered on azimuth axes 150 and elevation 151 and distanced an angle of 50º.
Los espejos fin de carrera (155, 155') tienen forma de sector de corona circular. El espejo de fin de carrera de acimut 155' se encuentra fijado mediante un espárrago 157' al bastidor 147, y el espejo de fin de carrera de elevación 155 se encuentra fijado mediante otro espárrago 157 a la biela de elevación 146. Estos espejos (155, 155') giran solidariamente con el eje de acimut 150 y de elevación 151 respectivamente. El sector de corona circular del espejo se extiende un ángulo de 40º y barre el perímetro de una circunferencia con centro en los ejes de acimut 150 y elevación 151 y radio de 40 mm. Así cuando gira a derechas y a izquierdas partiendo de una posición central de referencia barre ángulos de 5º antes de que se genere una reflexión y la activación de un fototransistor. El barrido completo de cada carrera es, por tanto, de 10º.The end of race mirrors (155, 155 ') have Circular crown sector shape. The end of career mirror azimuth 155 'is fixed by a stud 157' to frame 147, and the limit switch 155 is it is fixed by another stud 157 to the lifting rod 146. These mirrors (155, 155 ') rotate in solidarity with the axis of azimuth 150 and elevation 151 respectively. The crown sector circular of the mirror extends an angle of 40º and sweeps the perimeter of a circle centered on azimuth axes 150 and elevation 151 and radius of 40 mm. So when you turn right and to lefts starting from a central reference position sweeps 5º angles before reflection and activation is generated of a phototransistor. The full sweep of each run is, by therefore, of 10º.
En una realización preferente del sistema electrónico de control, los motores paso a paso son de precisión (1.8º/paso - una vuelta en 200 pasos), se alimentan en corriente por los drivers 19, 19' en configuración bipolar que son gestionados por el control de seguimiento 18 que permite el posicionamiento de hasta 1/16 del paso base. El control de seguimiento 18, a la vez, permite el control de la secuencia de pulsos y la programación de la velocidad y la aceleración del motor. Las comunicaciones con el microcontrolador se realizan mediante el bus I2C 20 en modo esclavo.In a preferred embodiment of the system Electronic control, stepper motors are precision (1.8º / step - a turn in 200 steps), they are fed in current by the 19, 19 'drivers in bipolar configuration that are managed by the tracking control 18 that allows the positioning of up to 1/16 of the base step. The tracking control 18, at the same time, allows the pulse sequence control and the programming of the speed and acceleration of the engine. Communications with the Microcontroller are performed using the I2C 20 bus in mode slave.
Los sensores fin de carrera generan señales de pulso que son tratadas mediante comparadores de alta ganancia para minimizar la histéresis entre la subida y bajada del pulso. El sistema de seguimiento 16 ejecuta un algoritmo de calibración actuando sobre los motores paso a paso y posicionando a los planos de acimut y elevación en una posición de referencia. El movimiento de los planos respecto de la posición de referencia sigue el estándar propuesto en óptica para coordenadas esféricas.The limit switches generate signals from pulse that are treated by high gain comparators to minimize hysteresis between the rise and fall of the pulse. He tracking system 16 executes a calibration algorithm acting on the stepper motors and positioning the planes of azimuth and elevation in a reference position. The movement of the planes with respect to the reference position follow the proposed standard in optics for spherical coordinates.
En una realización preferente del algoritmo de calibración, si llamamos \varphi_{min} al ángulo acimutal más negativo y \varphi_{max} al más positivo, y \theta_{min} al ángulo de elevación más negativo y \theta_{max} al más positivo, definimos los rangos de posiciones admisibles como los intervalos [\varphi_{min}, \varphi_{max}] para el plano de acimut y [\theta_{min}, \theta_{max}] para el de elevación.In a preferred embodiment of the algorithm of calibration, if we call \ varphi_ {min} the azimuth angle more negative and \ varphi_ {max} to the most positive, and \ theta_ {min} to elevation angle most negative and the max to the most positive, we define the ranges of permissible positions as the intervals [\ varphi_ {min}, \ varphi_ {max}] for the azimuth plane and [\ theta_ {min}, \ theta_ {max}] for the elevation.
El algoritmo de calibración se realiza siguiendo tres secuencias que describen el procedimiento válido para ambos ejes:The calibration algorithm is performed following three sequences that describe the procedure valid for both axes:
1. Cálculo de la holgura total: la holgura total posee una componente mecánica debida a los ejes y otra eléctrica de histéresis debida a los sensores. El cálculo de la holgura total se realiza en los siguientes pasos:1. Calculation of total clearance: total clearance It has a mechanical component due to the axes and another electrical component of hysteresis due to the sensors. The calculation of total clearance is perform in the following steps:
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- Desde la posición actual, se dirige el espejo hacia el sensor de fin de carrera correspondiente al ángulo mínimo que activará una señal de parada una vez alcanzado. Una vez allí, se dirige el espejo en sentido contrario hasta que la señal de parada se desactive. En este punto el espejo está posicionado sobre el ángulo mínimo.Since the current position, the mirror is directed towards the end of stroke corresponding to the minimum angle that will activate a signal of stop once reached. Once there, the mirror is directed at opposite direction until the stop signal is deactivated. In this point the mirror is positioned on the minimum angle.
- --
- Se dirige el espejo de nuevo hacia el sensor correspondiente al ángulo mínimo. Cuando se active de nuevo la señal de parada, el número de pasos realizados se corresponderá con la holgura acumulada de toda la cadena cinemática mecánica y eléctrica. Este valor se almacena como valor de compensación de holgura, y se utilizará a partir de este momento para el resto de los movimientos que realicemos que impliquen un cambio de sentido.Be direct the mirror back to the sensor corresponding to the angle minimum. When the stop signal is activated again, the number of steps taken will correspond to the accumulated clearance of all the mechanical and electrical kinematic chain. This value is stored. as clearance compensation value, and will be used from this moment for the rest of the movements that we perform that imply a change of direction.
- --
- Se dirige el espejo hacia el ángulo mínimo. Este movimiento no mueve al eje. En este momento estamos justo sobre el ángulo mínimo con la compensación de holgura aplicada.Be direct the mirror towards the minimum angle. This movement does not move the axis. At this moment we are just over the minimum angle with the clearance clearance applied.
2. Cálculo del rango total: Desde el ángulo mínimo se dirige el espejo hacia el sensor fin de carrera correspondiente al ángulo máximo. Este se alcanza cuando se vuelva a interrumpir la señal de parada. En este momento el espejo está sobre el ángulo máximo, siendo el rango el número de pasos dados. El origen se encontrará en la mitad del número de pasos computados cuyo valor es almacenado.2. Calculation of the total range: From the angle minimum the mirror is directed towards the limit switch corresponding to the maximum angle. This is achieved when you return to interrupt the stop signal. At this moment the mirror is over the maximum angle, the range being the number of steps taken. He origin will be found in half the number of computed steps whose Value is stored.
3. Posicionamiento en el origen de coordenadas: Desde la posición del ángulo máximo, se dirige el espejo en sentido contrario hacia el valor almacenado en la fase anterior. En este momento el espejo está posicionado en el origen de coordenadas del eje correspondiente. Como ha cambiado el sentido de giro se realizará la compensación de la holgura almacenada en el paso 1.3. Positioning at the origin of coordinates: From the position of the maximum angle, the mirror is directed in the direction opposite to the value stored in the previous phase. In this moment the mirror is positioned at the origin of coordinates of the corresponding axis. How the direction of rotation has changed is perform the clearance compensation stored in step 1.
Desde el punto de vista angular el sistema de guiado que ejecuta este algoritmo, el número de pasos es escalado de acuerdo con la expresión (Ec. 2). De esta manera, el ángulo en radianes recorrido es:From the angular point of view the system of guided running this algorithm, the number of steps is scaled from according to the expression (Ec. 2). In this way, the angle in Radians travel is:
El aparato duplexor óptico 9 se caracteriza por procesar dos haces láser polarizados linealmente en dos planos perpendiculares que se propagan de forma bidireccional sobre un único eje óptico. El aparato duplexor óptico 9, mostrado en diferentes vistas en las Figuras 17A, 17B y 17C, tal como el divulgado en la solicitud de patente española P201001619, está constituido por un tubo reflector catadióptrico 161 adosado a una caja o carcasa 162 rectangular que contiene los elementos ópticos y mecánicos para el transmisor láser 11, el receptor láser 12, ambos con termorregulación (10-10') tal como muestran las Figuras 18A y 18B. El conjunto, salvo el receptor, se sostiene en el aparato de guiado 8 que permite el movimiento acimutal y de elevación con precisión micrométrica. Los haces láser transmitidos 158 y recibidos 158' salen y entran del tubo reflector catadióptrico 161 por la ventana 160 de forma de corona con un círculo central opaco 159. En la parte inferior de la caja 162 se encuentra el tornillo 163 que ajusta la posición del espejo primario del reflector 161. Toda la estructura metálica está construida en aluminio: tubo reflector catadióptrico 161 y caja 162 con un recubrimiento antirreflejo. La caja 162 además, está cubierta interiormente por fieltro absorbente.The optical duplexer 9 is characterized by process two linearly polarized laser beams in two planes perpendicular that propagate bidirectionally over a single optical axis The optical duplexer 9, shown in different views in Figures 17A, 17B and 17C, such as the disclosed in Spanish patent application P201001619, is constituted by a catadioptric reflector tube 161 attached to a rectangular box or housing 162 containing the optical elements and mechanics for the laser transmitter 11, the laser receiver 12, both with thermoregulation (10-10 ') as shown in the Figures 18A and 18B. The set, except the receiver, is held in the guiding apparatus 8 that allows azimuthal and micrometric precision elevation. The transmitted laser beams 158 and received 158 'leave and enter the catadioptric reflector tube 161 through the crown-shaped window 160 with a central circle opaque 159. At the bottom of box 162 is the screw 163 that adjusts the position of the primary mirror of the reflector 161. The entire metal structure is built in aluminum: catadioptric reflector tube 161 and box 162 with a anti-glare coating. Box 162 is also covered internally by absorbent felt.
Las Figuras 19A y 19B muestran los elementos del sistema óptico incluidos en el interior de la caja 162. El tubo reflector catadióptrico 161 se encuentra atornillado a un soporte 164 sobre el que se adosa una base perpendicular 165 que aloja el sistema óptico del transmisor 166 y del receptor 166', dos espejos de primera superficie 167 y 167' que dirigen respectivamente el haz transmitido y recibido, un cubo polarizador partidor de haz 169 que separa los haces transmitidos y recibidos y, finalmente, un sistema óptico de adaptación al reflector catadióptrico basado en una lente divergente 170. Los espejos 167-167' y el cubo polarizador 169, se encuentran instalados en soportes móviles 172 que permiten su movimiento angular en el espacio. Los espejos de primera superficie 167-167' son unos espejos especiales que generan una sola reflexión, mientras que los espejos normales hacen dos: una en la superficie espejante y otra en el cristal externo. Estos espejos solo tienen una superficie espejante de aluminio hecha por deposición de vapor.Figures 19A and 19B show the elements of the optical system included inside the box 162. The tube catadioptric reflector 161 is screwed to a support 164 on which a perpendicular base 165 that houses the optical system of transmitter 166 and receiver 166 ', two mirrors of first surface 167 and 167 'that respectively direct the beam transmitted and received, a beam splitter polarizing hub 169 that it separates the transmitted and received beams and finally a system optical adaptation to the catadioptric reflector based on a lens divergent 170. Mirrors 167-167 'and the cube polarizer 169, are installed on mobile supports 172 that allow its angular movement in space. The mirrors of first surface 167-167 'are mirrors specials that generate a single reflection while the mirrors normal do two: one on the mirror surface and one on the external glass These mirrors only have a mirror surface Aluminum made by vapor deposition.
La Figura 20 muestra una sección del tubo reflector catadióptrico que cubre un plano conteniendo a los tres ejes ópticos 180, 181, 182 por los que concurren los haces transmitidos y recibidos. El reflector catadióptrico 161 y sus elementos constituyen un telescopio del tipo Maksutov-Cassegrain. Posee un espejo primario 174 con forma de corona circular y esférico en la realización presentada (podría ser elíptico), un espejo secundario 175 de forma circular y esférico adosado a una lente correctora tipo menisco 176 con dos radios de curvatura, el primero idéntico al del espejo secundario. El espejo secundario 175 genera una zona de sombra opaca 159 en el exterior del menisco 176. El espejo primario 174 está sujeto a un cilindro hueco 179 móvil que se mueve en la dirección del eje óptico por un segundo cilindro hueco 177. El cilindro móvil 179 es solidario al tornillo 163 (tornillo de enfoque), y permite ajustar la posición del espejo primario 174. El tubo hueco 177, junto con la cazoleta tronco cónica 178 impiden la entrada de haces doblemente reflejados superiores a un determinado ángulo (65 miliradianes en la realización presentada). Los haces transmitido y recibido pasan simultáneamente a través del tubo 177.Figure 20 shows a section of the tube catadioptric reflector that covers a plane containing all three optical axes 180, 181, 182 by which the beams concur transmitted and received. The catadioptric reflector 161 and its elements constitute a telescope of the type Maksutov-Cassegrain. It has a primary mirror 174 in the form of a circular and spherical crown in the embodiment presented (could be elliptical), a secondary mirror 175 of circular shape and spherical attached to a meniscus 176 corrective lens with two radii of curvature, the first identical to that of the secondary mirror. The secondary mirror 175 generates an area of opaque shadow 159 in the exterior of the meniscus 176. The primary mirror 174 is subject to a hollow cylinder 179 moving in the direction of the optical axis for a second hollow cylinder 177. The mobile cylinder 179 is integral with screw 163 (focus screw), and allows adjustment the position of the primary mirror 174. The hollow tube 177, together with the Conical trunk bowl 178 prevents the entry of beams twice reflected higher than a certain angle (65 milliadianes in the presented embodiment). The transmitted and received beams pass simultaneously through tube 177.
La distancia focal efectiva del reflector catadióptrico es función de la posición del espejo primario 174. Así, si las distancias focales del espejo primario 174 y del espejo secundario 175 son f1 y f2 respectivamente, y la distancia entre los dos espejos es I, la distancia focal efectiva f del reflector es:The effective focal length of the reflector Catadioptric is a function of the position of the primary mirror 174. Thus, if the focal distances of the primary mirror 174 and the mirror secondary 175 are f1 and f2 respectively, and the distance between two mirrors is I, the effective focal length f of the reflector is:
En la realización presentada, la distancia focal efectiva cambia entre 700 mm y 1200 mm en función de la posición del espejo primario 174 de 90 mm de diámetro. Así, las aperturas angulares que sustiende el reflector están entre 35 y 60 miliradianes aproximadamente.In the presented embodiment, the focal length effective changes between 700 mm and 1200 mm depending on the position of the primary mirror 174 of 90 mm diameter. So, the openings angular that replaces the reflector are between 35 and 60 miliradianes approximately.
El haz láser transmitido 158 producido por el diodo láser 183, tras ser colimado por el sistema óptico 166, se dirige por el eje óptico 181 hacia el espejo de primera superficie 167 donde es reflejado hacia el cubo polarizador 169. El cubo polarizador 169 refleja el haz en su componente S hacia el eje óptico 180. La componente refractada P del haz transmitido 158 seguirá por el eje 181 absorbiéndose en la pared de la caja 162. La energía transmitida por el eje 180 depende del estado de polarización del láser utilizado. Si el haz láser se encuentra polarizado en origen, deberá orientarse mediante giro para maximizar la componente S pudiendo llegar a tener, en el mejor de los casos sin considerar pérdidas, el 100% de la energía. Si el haz láser no se encuentra polarizado en ninguna dirección, sólo será transmitido en el mejor de los casos, el 50% de la energía recibida en el cubo polarizador 169.The transmitted laser beam 158 produced by the laser diode 183, after being collimated by optical system 166, is directs the optical axis 181 towards the first surface mirror 167 where it is reflected towards the polarizing cube 169. The cube polarizer 169 reflects the beam in its component S towards the axis optical 180. The refracted component P of the transmitted beam 158 it will continue along the axis 181 absorbing into the wall of the box 162. The energy transmitted by axis 180 depends on the state of polarization of the laser used. If the laser beam is found polarized at source, should be oriented by turning to maximize the S component may have, at best without considering losses, 100% of the energy. If the laser beam does not It is polarized in any direction, it will only be transmitted in the best case, 50% of the energy received in the cube polarizer 169.
Tras ser focalizado por los elementos del reflector catadióptrico 161, se recibe por el eje 180 un haz láser recibido 158' polarizado linealmente y perpendicular al haz transmitido. Al atravesar el cubo polarizador 169, su componente mayoritaria P' se refracta pasando al eje óptico 182 hacia el receptor. Su componente minoritaria S' se refleja hacia el eje 181. La componente mayoritaria P' se dirige por el eje óptico 182 hacia el espejo de primera superficie 167' donde el haz recibido es reflejado hacia el sistema óptico del receptor 166'.After being focused by the elements of catadioptric reflector 161, a laser beam is received on axis 180 received 158 'linearly polarized and perpendicular to the beam transmitted. When crossing polarizing hub 169, its component majority P 'is refracted by passing optical axis 182 towards the receiver. Its minor component S 'is reflected towards axis 181. The majority component P 'is directed by the optical axis 182 towards the first surface mirror 167 'where the received beam is reflected towards the optical system of the receiver 166 '.
Las Figuras 21A y 21B ilustran el haz transmitido y recibido en planos perpendiculares y la acción del cubo polarizador para separar las componentes transmitida S y recibida P en dos caminos diferentes. Igualmente se muestra un diagrama esquemático de los haces transmitidos-recibidos y sus componentes S y P con trazados acordes con la óptica geométrica paraxial.Figures 21A and 21B illustrate the beam transmitted and received in perpendicular planes and the action of polarizing hub to separate the transmitted components S and received P in two different paths. It also shows a schematic diagram of the beams transmitted-received and its components S and P with traced according to the paraxial geometric optics.
Supongamos que los haces transmitidos y recibidos se encuentran parcialmente polarizados ambos con componentes separables S y P. El haz transmitido 2SP se produce en el diodo láser 183 y es colimado por una lente asférica 203. El haz transmitido 158 incide sobre el cubo polarizador 169 separando el haz en las componentes 2S y 2P. La componente 2S la refleja hacia la lente divergente 170 y el tubo reflector 161, y la componente 2P la pierde por absorción en las paredes de la caja 162. La proporción energética entre las componentes 2S y 2P dependen del láser. En el peor de los casos (no polarización), se pierde la mitad de la energía. En el mejor de los casos (polarización lineal), la componente 2P no existirá y no habrá pérdidas. La componente 2S reflejada pasa por la lente divergente adaptadora 170 que ajusta la trayectoria de los rayos para maximizar la sección del haz y minimizar las pérdidas en el tubo reflector. En su camino, incide sobre el espejo secundario 175 que refleja el haz hacia el espejo primario 174 y, éste su vez, lo refleja hacia el menisco corrector 176 propagándose finalmente al espacio libre.Suppose the transmitted beams and received are partially polarized both with separable components S and P. The transmitted beam 2SP is produced in the laser diode 183 and is collimated by an aspherical lens 203. The beam transmitted 158 strikes the polarizing hub 169 separating the do in the 2S and 2P components. The 2S component reflects it towards the divergent lens 170 and reflector tube 161, and the 2P component the lost by absorption in the walls of the box 162. The proportion energy between the 2S and 2P components depend on the laser. At worst case scenario (no polarization), half of the Energy. In the best case (linear polarization), the 2P component will not exist and there will be no losses. The 2S component reflected goes through the divergent adapter lens 170 that adjusts the ray path to maximize beam section and minimize losses in the reflector tube. On its way, it affects on the secondary mirror 175 which reflects the beam towards the mirror primary 174 and, this in turn, reflects it towards the corrective meniscus 176 finally spreading into free space.
El haz recibido 2'SP proveniente del espacio libre desde un duplexor homólogo girado 90º (con componente P mayoritaria), y situado a gran distancia con una sección igual al diámetro del tubo reflector 161, entra por el menisco corrector 176, incide sobre el espejo primario 174 que lo refleja al espejo secundario 175 y, este a su vez, lo refleja hacia la lente divergente 170 colimándolo y haciéndolo incidir de nuevo sobre el cubo polarizador 169. El cubo polarizador separa las componentes mayoritaria 2'P refractada y minoritaria 2'S reflejada dirigiendo la primera hacia la lente convergente 199 focalizando la energía en la lente hemisférica 200.The beam received 2'SP from space free from a counterpart duplexer rotated 90º (with component P majority), and located at a great distance with a section equal to diameter of the reflector tube 161, enters the correction meniscus 176, affects the primary mirror 174 which reflects it to the mirror secondary 175 and, in turn, reflects it towards the lens divergent 170 colliding it and making it impact on the polarizing hub 169. The polarizing hub separates the components 2'P majority refracted and 2'S minority reflected directing the first towards convergent lens 199 focusing energy on the hemispheric lens 200.
Para minimizar las pérdidas, las distribuciones de energía incidentes deben ser de forma anular. Para evitar la sombra producida por la posición del espejo secundario 175, la irradiancia de la energía incidente y transmitida deben tener forma de corona circular. Los diámetros mayor y menor de la corona deben coincidir con el diámetro del espejo primario y secundario respectivamente. En la realización presentada ambos diámetros son de 90 mm y 30 mm. Las Figuras 22A y 22B muestran distribuciones de energía anular válidas para la transmisión y recepción con el duplexor óptico presentado. La primera es característica de un láser VCSEL multimodo con forma de pétalos radiales y la segunda es característica de un láser tipo F-P procesado por una lente axicón. Sin restar generalidad, en la realización presentada se ha hecho uso de un láser VCSEL multimodo con la distribución de irradiancia mostrada en la figura 22A.To minimize losses, distributions Energy incidents must be void. To avoid the shadow produced by the position of the secondary mirror 175, the irradiance of incident and transmitted energy must be shaped of circular crown. The major and minor crown diameters should match the diameter of the primary and secondary mirror respectively. In the embodiment presented both diameters are of 90 mm and 30 mm. Figures 22A and 22B show distributions of annular energy valid for transmission and reception with the optical duplexer presented. The first is characteristic of a laser VCSEL multimode shaped radial petals and the second is characteristic of an F-P type laser processed by An axon lens. Without subtracting generality, in the realization presented has made use of a multimode VCSEL laser with the irradiance distribution shown in Figure 22A.
Las pérdidas energéticas deben minimizarse utilizando dispositivos ópticos con recubrimientos antirreflejantes, sintonizados a la frecuencia de trabajo. Así, la interacción del haz láser en su viaje con cada uno de los elementos ópticos que lo procesan, genera un factor de pérdidas P global (0<P<1), resultado de la contribución de cada uno de ellos. Si las pérdidas aportadas por el elemento i de la cadena óptica es Pi y existen 1, 2, 3...n elementos en la cadena, la pérdida total P en la cadena será:Energy losses must be minimized using optical devices with anti-reflective coatings, tuned to work frequency. Thus, the beam interaction laser on your trip with each of the optical elements that process, generates a global loss factor P (0 <P <1), result of the contribution of each of them. If the losses contributed by element i of the optical chain is Pi and there are 1, 2, 3 ... n elements in the chain, the total loss P in the chain be:
En el camino del haz transmisor hay ocho elementos ópticos: 183, 203, 167, 169, 170, 175, 174 y 176. En el camino del haz receptor hay también ocho elementos: 176, 174, 175, 170, 169, 167', 199 y 200. En la realización presentada todos los elementos ópticos poseen pérdidas menores del 2%. Así según la expresión (6), el factor de pérdidas en transmisión y en recepción es inferior al 15%.In the path of the transmitter beam there are eight optical elements: 183, 203, 167, 169, 170, 175, 174 and 176. In the path of the receiving beam there are also eight elements: 176, 174, 175, 170, 169, 167 ', 199 and 200. In the embodiment presented all optical elements have losses less than 2%. So according to the expression (6), the loss factor in transmission and reception It is less than 15%.
Las Figuras 23A y 23B muestran respectivamente las monturas móviles de la lente divergente 170 y de los espejos de primera superficie (167-167') y cubo polarizador 169. La arandela 185 sujeta la lente 170 al tubo móvil 184 con cajera para la lente que se desliza sobre el tubo 171. Los cilindros 187 (hueco sin rosca) y 186 (roscado), están adosados a los tubos 171 y 184 respectivamente de manera que se mueven solidariamente con ellos. La base 192 está fijada al tubo externo 171 y a la base principal 165. El tubo 171 posee una ranura 189 por la que se desliza el cilindro 186 solidario con el tubo 184. El tornillo 191 con cabeza de gran diámetro (mando de ajuste), y paso de rosca de 0.5 mm en la realización presentada, es pasante al cilindro 187 y roscado al 188. Entre los dos cilindros y el eje del tornillo se sitúa el muelle 190. La base de funcionamiento es la siguiente: el muelle 190 ejerce una fuerza sobre el cilindro 186 que hace desplazar al tubo 184 y a la lente solidaria 170 hacia el exterior. La posición de la lente depende de la longitud de tornillo roscada en 186. Teniendo en cuenta el paso de rosca empleado, en una vuelta del mando 191 la lente se desplaza 0.5 mm. El recorrido total en la realización es de 15 mm (30 vueltas).Figures 23A and 23B show respectively the movable frames of the divergent lens 170 and the mirrors of first surface (167-167 ') and polarizing hub 169. Washer 185 secures lens 170 to movable tube 184 with pocket for the lens that slides over the tube 171. The cylinders 187 (hollow without thread) and 186 (threaded), are attached to the tubes 171 and 184 respectively so that they move in solidarity with they. The base 192 is fixed to the outer tube 171 and the base main 165. Tube 171 has a slot 189 through which slide the cylinder 186 in solidarity with the tube 184. The screw 191 with large diameter head (adjustment knob), and thread pitch 0.5 mm in the presented embodiment, it is through to cylinder 187 and threaded to 188. Between the two cylinders and the screw shaft are it places the quay 190. The basis of operation is as follows: spring 190 exerts a force on the cylinder 186 which makes move the tube 184 and the solidarity lens 170 outwards. The position of the lens depends on the length of threaded screw at 186. Taking into account the thread pitch used, in one turn of the 191 control the lens moves 0.5 mm. The total route in the embodiment is 15 mm (30 turns).
Por otro lado, el soporte 172 de los espejos (167-167') y cubo polarizador 169, mostrado en la Figura 23B, es un soporte óptico estándar basado en la modificación de la posición de una superficie rectangular 193 cuyo plano puede cambiar en el espacio con la posición de dos tornillos de ajuste 194-194' situados en la diagonal del rectángulo. La superficie rectangular 193 se fija a través del tornillo 195 y el muelle 196 que la tensa con fuerza sobre los dos tornillos de ajuste. Los tornillos de ajuste 194-194' poseen un paso de rosca fino (0.25 mm/vuelta en la realización) que permiten mover la superficie rectangular 193 con precisión del miliradián. En la superficie rectangular 193 se adosan los espejos 167-167' y el cubo 169. Todos estos ajustes se realizan una sola vez con el fin de dirigir adecuadamente los haces transmitido y recibido. Una vez realizados, los tornillos 191, 194 y 194' se fijan con pegamento o lacre.On the other hand, the support 172 of the mirrors (167-167 ') and polarizing hub 169, shown in the Figure 23B, is a standard optical support based on the modification of the position of a rectangular surface 193 whose plane can change in space with the position of two adjustment screws 194-194 'located on the diagonal of the rectangle. The rectangular surface 193 is fixed through screw 195 and the spring 196 that tensiones it tightly on the two screws of adjustment. The adjustment screws 194-194 'have a fine thread pitch (0.25 mm / turn in the embodiment) that allow move the rectangular surface 193 with precision of the miliradián. In the rectangular surface 193 mirrors are attached 167-167 'and bucket 169. All these settings are perform only once in order to properly direct the beams transmitted and received. Once made, screws 191, 194 and 194 'are fixed with glue or sealing.
Las Figuras 24A y 24B muestran los sistemas ópticos de transmisión 166 y recepción 166', respectivamente. El sistema óptico del transmisor 166 tiene como objetivo colimar el haz láser generado por el diodo láser de estado sólido 183 que se encuentra encapsulado y emitiendo sobre una fina ventana óptica de vidrio (BK7 en esta realización). La lente 203 se fija sobre un cilindro roscado 202 que gira en su rosca con el cilindro 201 (0.5 mm/vuelta en la realización). La lente 203 es asférica con recubrimiento antirreflejo y permite, una vez ajustada la posición del láser emisor en su plano focal, transformar el haz generado en un haz paralelo de pequeña sección (4 mm de diámetro en la realización). El diámetro de la lente asférica deberá ser lo suficientemente grande como para no generar pérdidas en el haz recogido y para no producir fenómenos difractivos (6 mm de diámetro en la realización). El diodo láser 183 se encuentra encapsulado en la carcasa del sistema óptico del transmisor 166 que forma parte del sistema de termorregulación 10 siendo modulado por los circuitos electrónicos del transmisor 11.Figures 24A and 24B show the systems optical transmission 166 and reception 166 ', respectively. He Optical system of transmitter 166 aims to collimate the beam laser generated by the solid state laser diode 183 that found encapsulated and emitting on a thin optical window of glass (BK7 in this embodiment). The lens 203 is fixed on a threaded cylinder 202 rotating on its thread with cylinder 201 (0.5 mm / turn in the embodiment). Lens 203 is aspherical with anti-glare coating and allows, once the position is adjusted of the emitting laser in its focal plane, transform the generated beam into a parallel beam of small section (4 mm in diameter in the realization). The diameter of the aspherical lens should be as large enough not to generate losses in the beam collected and not to produce diffractive phenomena (6 mm in diameter in the realization). The laser diode 183 is encapsulated in the optical system housing of the transmitter 166 that is part of the thermoregulation system 10 being modulated by the circuits transmitter electronics 11.
El sistema óptico del receptor 166' posee tres elementos ópticos: una lente convergente 199, una lente hemisférica 200, ambas con recubrimiento antirreflejo, y una fibra óptica de polímero flexible 173. Por las características del sistema óptico presentado, el haz láser recibido se presenta como un haz paralelo de sección similar al transmitido. La lente colectora 199 focaliza el haz láser recibido en una lente hemisférica 200 pegada a una fibra óptica de polímero 173. El conjunto adapta la energía recibida para que sea recogida en prácticamente su totalidad. Por un lado, el haz es focalizado por la lente colectora 199 en una lente semiesférica (hemisférica) 200 que capta todos los haces recibidos con independencia de su ángulo en media esfera lenticular de 2.25 mm de diámetro. Una fibra óptica de polímero 173 recoge la energía para dirigirla hacia el fotodiodo de avalancha del receptor. La flexibilidad de la fibra y sus bajas pérdidas permite situar los circuitos del receptor 12 y el sistema de termorregulación del fotodiodo 10' a una cierta distancia del conjunto permitiendo la movilidad.The optical system of receiver 166 'has three optical elements: a converging lens 199, a hemispherical lens 200, both with anti-glare coating, and an optical fiber of flexible polymer 173. Due to the characteristics of the optical system presented, the received laser beam is presented as a parallel beam of similar section to the one transmitted. The collector lens 199 focuses the laser beam received in a hemispherical lens 200 attached to a polymer fiber optic 173. The assembly adapts the energy received so that it is collected almost entirely. On the one hand, the beam is focused by the collector lens 199 on a lens hemispherical (hemispheric) 200 that captures all received beams regardless of its angle in half a lenticular sphere of 2.25 mm diameter. A polymer fiber optic 173 collects energy for direct it towards the avalanche photodiode of the receiver. The Flexibility of the fiber and its low losses allows to position the receiver circuits 12 and the thermoregulation system of the 10 'photodiode at a certain distance from the set allowing the mobility.
El aparato termorregulador de flujo simétrico
10, mostrado en diferentes vistas en las Figuras 25A y 25B, tal como
el divulgado en la solicitud de patente española P201001621, está
constituido por un soporte anterior 206 y otro posterior 207 de
policarbonato de baja conductividad térmica que contienen a una
cavidad adiabática soportada por un bastidor, cuatro disipadores
térmicos 209 y cuatro ventiladores 208. En la realización
presentada, el aparato termorregulador 10 y sin restar generalidad,
controla térmicamente a un diodo láser que se focaliza a través de
un sistema óptico constituido por un tubo de enfoque 202 y una lente
asférica 203, todo el conjunto montado mediante medios de fijación
215 (en la realización preferente, encastres) a un transmisor 11,
tal como muestran la Figuras 26A y 26B, con circuitos electrónicos
para acceder a los terminales 216 de celdas peltier y de sensores de
temperatura
210.The symmetric flow thermoregulator apparatus 10, shown in different views in Figures 25A and 25B, such as that disclosed in Spanish patent application P201001621, is constituted by an anterior support 206 and a subsequent support 207 of low thermal conductivity polycarbonate containing to an adiabatic cavity supported by a frame, four heat sinks 209 and four fans 208. In the presented embodiment, the thermoregulatory apparatus 10 and without subtracting generality, thermally controls a laser diode that is focused through an optical system constituted by a focusing tube 202 and an aspherical lens 203, the entire assembly mounted by means of fixing 215 (in the preferred embodiment, inserts) to a transmitter 11, as shown in Figures 26A and 26B, with electronic circuits for accessing terminals 216 of peltier cells and temperature sensors
210.
Las Figuras 27 y 28 representan respectivamente, una sección transversal y una vista explosionada del aparato termorregulador en las que se muestran todos los componentes que posee y su disposición. El bastidor 217 realizado en aluminio separa dos espacios, uno exterior y otro interior, el interior conteniendo al dado metálico 220 realizado en latón, cuatro celdas peltier 218 y los aislantes térmicos que comprenden aislantes laterales 219 entre celdas peltier, tapa posterior 222, cierre posterior 223, tapa anterior 224 y cierre anterior 225, que conforman una cavidad adiabática sobre el dado 220 en la que el intercambio térmico se realiza principalmente a través de las caras de las celdas peltier 218. En el eje del dado 220 se encuentra el dispositivo electrónico con simetría cilíndrica 221 (un diodo láser en la realización presentada), cuyos terminales son accesibles desde el exterior por el zócalo 213 siendo el haz láser transmitido por el lado opuesto a través del tubo de enfoque 202 y lente asférica con soporte 203. El espacio exterior que delimita el bastidor 217 junto con los disipadores térmicos 209 de aluminio constituye el intercambiador térmico mediante el aire forzado proporcionado por los ventiladores 208. Los tornillos de sujeción de la cavidad adiabática 227 son de plástico aislante (nylon), mientras que el resto 228, (229) y 230 (y 229) son de acero. El bastidor 217 se adosa a los soportes anterior 206 y posterior 207 con los tornillos 228 y arandelas 226. Los ventiladores 208 se atornillan a los soportes anterior 206 y posterior 207 con los tornillos 229. Los sensores de temperatura 214 y 210 se pegan, respectivamente, al dado 220 (con lo que el sensor de temperatura 214 constituye el sensor de temperatura del dado) y al bastidor 217 (con lo que el sensor de temperatura 210 constituye el sensor de temperatura del intercambiador térmico). Para maximizar el contacto térmico se han utilizado pegamentos y pastas térmicas de alta conductividad. Así, las celdas peltier 218 van pegadas al bastidor 217 en sus caras interiores (las del bastidor). El dado 220 presenta un contacto solidario con las caras de las celdas peltier 218 mediante pasta térmica (el dado contacta con pasta térmica y no va pegado con pegamento térmico). El dado se puede extraer del bastidor quitando los tornillos. El bastidor 217 está pegado con pegamento térmico con una cara de las celdas peltier 218. El tubo de enfoque 203 va pegado al dado 220 con un pegamento aislante térmico con el fin de evitar el intercambio térmico con el sistema óptico.Figures 27 and 28 represent respectively, a cross section and an exploded view of the apparatus thermoregulator showing all the components that owns and its disposition. The frame 217 made of aluminum separates two spaces, one exterior and one interior, the interior containing to metallic die 220 made of brass, four peltier cells 218 and thermal insulators comprising lateral insulators 219 between peltier cells, rear cover 222, rear closure 223, cover anterior 224 and anterior closure 225, which make up a cavity adiabatic on die 220 in which the thermal exchange is performed primarily through the faces of peltier cells 218. On the axis of die 220 is the electronic device with cylindrical symmetry 221 (a laser diode in the embodiment presented), whose terminals are accessible from outside by the socket 213 being the laser beam transmitted on the opposite side to through focus tube 202 and aspherical lens with support 203. The outer space that delimits frame 217 along with the 209 aluminum heatsinks constitutes the exchanger thermal through forced air provided by fans 208. The fastening screws of the adiabatic cavity 227 are of insulating plastic (nylon), while the rest 228, (229) and 230 (and 229) are made of steel. The frame 217 is attached to the anterior supports 206 and later 207 with screws 228 and washers 226. The 208 fans are screwed to the front brackets 206 and 207 with screws 229. Temperature sensors 214 and 210 stick, respectively, to die 220 (whereby the sensor of temperature 214 constitutes the temperature sensor of the die) and to frame 217 (whereby the temperature sensor 210 constitutes the heat exchanger temperature sensor). To maximize thermal contact have been used glues and thermal pastes of high conductivity Thus, peltier 218 cells are attached to the frame 217 on its inner faces (those of the frame). The 220 die presents a solidarity contact with the faces of the peltier cells 218 by thermal paste (the die contacts thermal paste and not it is glued with thermal glue). The dice can be drawn from the frame by removing the screws. Frame 217 is glued with thermal glue with a face of peltier cells 218. The tube of approach 203 is attached to die 220 with a thermal insulating glue in order to avoid thermal exchange with the system optical.
Las Figuras 29A y 29B muestran dos tipos de dados para dos tipos de cápsulas estándar TO5 y TO46 asociadas en esta realización a un láser VCSEL y a un fotodiodo de avalancha respectivamente. Las Figuras 30A y 30B muestran, respectivamente, el gradiente térmico en el dado para capsula cavidad TO5 y el gradiente térmico en el dado para capsula cavidad TO46, resultado de una simulación térmica, mostrándose su carácter simétrico en torno al eje del dado. En efecto, el gradiente térmico generado por la superficie cilíndrica proveniente de un dado con cuatro de sus caras contiguas a temperatura constante, posee geometría radial. Los efectos difusivos del calor dentro del dado considerándolo suficientemente grande (19 mm de lado en la realización presentada), hacen posible que un gradiente térmico inicialmente perpendicular a las caras del dado, terminen conformando una distribución radial en un cilindro situado en su eje central.Figures 29A and 29B show two types of given for two types of standard TO5 and TO46 capsules associated in this embodiment to a VCSEL laser and an avalanche photodiode respectively. Figures 30A and 30B show, respectively, the thermal gradient on the die for capsule cavity TO5 and the gradient thermal in the die for capsule cavity TO46, result of a thermal simulation, showing its symmetric character around the axis of the dice. In effect, the thermal gradient generated by the cylindrical surface from a die with four of its faces contiguous at constant temperature, it has radial geometry. The diffusive effects of heat within the die considering large enough (19 mm side in the presented embodiment), make it possible for a thermal gradient initially perpendicular to the faces of the dice, end up forming a radial distribution in a cylinder located in its central axis.
La Figura 31 muestra el esquemático del driver o controlador de las celdas peltier (231-231', 232-232', 233-233', 234-234', componentes situados en las tarjetas de circuito impreso del transmisor 11 y del receptor 12), con capacidad de control del sentido de la corriente eléctrica que circula por ella. La celda peltier 218, se conecta por cada uno de sus extremos a la salida de dos inversores CMOS construidos con transistores MOSFET (M1-M3, M2-M4) de potencia (>10 A). La corriente que circula por sus fuentes confluye en un nodo común al que se conecta el transistor NMOS de potencia M5 pudiendo ser controlada la celda peltier 218 en modo On-Off a través de la base del transistor bipolar Q3 conectada a medios de procesamiento de datos (preferentemente al microcontrolador 230) a través de una salida C, con lo que si la salida C=0 (0 lógico) la celda peltier 218 está en funcionamiento y si la salida C=1 (1 lógico) la celda peltier 218 está apagada. Las bases de los transistores bipolares Q1 y Q2, también conectadas al microcontrolador 230 a través de las salidas A y B, activan complementariamente las correspondientes puertas de sus inversores CMOS asociados. Dado que las entradas de los inversores CMOS son complementarias, cuando uno de ellos está activado el otro está desactivado y viceversa. Un análisis de corrientes de esta topología, considerando el transistor M5 en conducción, demuestra que cuando el par M1-M3 está activado (M2-M4 desactivado), los transistores M1 y M4 entran en conducción. Así la corriente circula de izquierda a derecha según el sentido M1->218->M4, lo cual ocurre si la salida A=0 (0 lógico) y la salida B=1 (1 lógico). Contrariamente, cuando el par M1-M3 está desactivado (M2-M4 activado), los transistores M2 y M3 entran en conducción generándose una corriente de derecha a izquierda según el sentido M2->218->M3, lo cual ocurre si la salida A=1 (1 lógico) y la salida B=0 (0 lógico). Por tanto, este circuito permite intercambiar el sentido de la corriente que circula por una celda peltier haciendo que sus caras fría y caliente intercambien su papel en función de este sentido. Esta habilidad del termorregulador presentado hace posible alcanzar el objetivo de temperatura deseada en tiempos más cortos que con los métodos de control de termostato convencional, ya que gracias a este intercambio, se inyecta y extrae calor del dado forzadamente contribuyendo al incremento de la velocidad natural de difusión del calor en el material.Figure 31 shows the schematic of the driver or peltier cell controller (231-231 ', 232-232 ', 233-233', 234-234 ', components located on the cards printed circuit of transmitter 11 and receiver 12), with capacity control of the direction of the electric current flowing through she. The peltier cell 218, is connected by each of its ends at the exit of two CMOS inverters built with transistors MOSFET (M1-M3, M2-M4) power (> 10 A). The current flowing through its sources converges in a common node to which the NMOS power transistor M5 is connected the peltier cell 218 can be controlled in mode On-Off through the base of the bipolar transistor Q3 connected to data processing means (preferably to microcontroller 230) through an output C, so if the output C = 0 (logical 0) peltier cell 218 is in operation and if the output C = 1 (logical 1) the peltier cell 218 is off. The bases of the bipolar transistors Q1 and Q2, also connected to the 230 microcontroller through outputs A and B, activate in addition the corresponding doors of its investors Associated CMOS. Since the CMOS inverter inputs are complementary, when one of them is activated the other is deactivated and vice versa. A current analysis of this topology, considering the M5 transistor in conduction, demonstrates that when the M1-M3 pair is activated (M2-M4 disabled), transistors M1 and M4 enter driving Thus the current flows from left to right according to the direction M1-> 218-> M4, which occurs if the output A = 0 (0 logical) and the output B = 1 (1 logical). On the contrary, when the pair M1-M3 is disabled (M2-M4 activated), transistors M2 and M3 enter conduction generating a current from right to left according to the direction M2-> 218-> M3, which occurs if the output A = 1 (logical 1) and the output B = 0 (0 logical). Therefore, this circuit allows to exchange the direction of the current flowing through a peltier cell making their hot and cold faces exchange their role in function of this sense. This thermoregulator ability presented makes it possible to achieve the desired temperature target in shorter times than with thermostat control methods conventional, because thanks to this exchange, it is injected and extracted heat of the die necessarily contributing to the increase in natural speed of diffusion of heat in the material.
La Figura 32 muestra el diagrama de bloques funcionales en lazo cerrado para el control térmico del termorregulador de flujo simétrico. Los sensores de temperatura 214 (sensor de temperatura del dado) y 210 (sensor de temperatura del disipador/bastidor) proporcionan al microcontrolador 230 las temperaturas de cada una de las caras de la celda peltier (interior y exterior, respectivamente) permitiendo calcular la variable \DeltaT = T_{h} - T_{c}. Por otro lado, el microcontrolador 230 puede actuar generando pulsos tipo PWM en el controlador de las celdas peltier (231-231', 232-232', 233-233', 234-234', componentes situados en las tarjetas de circuito impreso del transmisor 11 y del receptor 12), con control del sentido de la corriente en las celdas peltier, creando la corriente media que provoca el trasvase de calor de una cara a la otra de éstas. El controlador (231-231', 232-232', 233-233', 234-234'), cierra un primer lazo de control. Un segundo lazo se crea en la actuación del microcontrolador 230 sobre los ventiladores 208, que actúan intercambiando aire forzado con las aletas del disipador térmico 209. De acuerdo con las características del la celda utilizada en la realización presentada, la diferencia térmica máxima con transferencia de calor nulo es de \DeltaT = 66ºC. Igualmente, el flujo de calor máximo transferido, a diferencia de temperatura nula, es de 28 watios. Los ventiladores generan un flujo de aire máximo de 0.63 m^{3}/min. La resistencia térmica del disipador térmico es de 7ºC/W bajando a un mínimo de 2ºC/W aproximadamente con flujo máximo de aire forzado.Figure 32 shows the closed-loop functional block diagram for the thermal control of the symmetric flow thermoregulator. The temperature sensors 214 (die temperature sensor) and 210 (heatsink / frame temperature sensor) provide the microcontroller 230 with the temperatures of each of the faces of the peltier cell (interior and exterior, respectively) allowing to calculate the variable ΔT = T_ {h} - T_ {c} . On the other hand, microcontroller 230 can act by generating PWM type pulses in the peltier cell controller (231-231 ', 232-232', 233-233 ', 234-234', components located on the printed circuit boards of the transmitter 11 and receiver 12), with control of the direction of the current in the peltier cells, creating the average current that causes heat transfer from one side to the other of these. The controller (231-231 ', 232-232', 233-233 ', 234-234'), closes a first control loop. A second loop is created in the actuation of the microcontroller 230 on the fans 208, which act by exchanging forced air with the fins of the heat sink 209. According to the characteristics of the cell used in the presented embodiment, the maximum thermal difference with transfer of zero heat is ΔT = 66 ° C. Likewise, the maximum heat flux transferred, unlike zero temperature, is 28 watts. The fans generate a maximum air flow of 0.63 m 3 / min. The thermal resistance of the heatsink is 7ºC / W, down to a minimum of approximately 2ºC / W with maximum forced air flow.
El mantenimiento de una temperatura objetivo en el dado es llevado a cabo por el conjunto en lazo cerrado: sensores de temperatura 210, 214, microcontrolador 230, actuación sobre la corriente y su sentido en las celdas peltier 218 y actuación en el volumen de aire inyectado hacia el disipador térmico por los ventiladores 208.Maintaining a target temperature in The die is carried out by the closed loop assembly: sensors of temperature 210, 214, microcontroller 230, acting on the current and its meaning in peltier 218 cells and acting in the volume of air injected into the heatsink by the 208 fans.
El algoritmo básico de termorregulación sobre el dado, sin restar generalidad, es el siguiente:The basic thermoregulation algorithm on given, without subtracting generality, is the following:
- 1.one.
- Fijar la temperatura objetivo del dado.Set the target temperature of the die.
- 2.2.
- Fijar el valor de la variable de error.Set the value of the error variable.
- 3.3.
- Leer la temperatura del dado.Read the temperature of the dice.
- 4.Four.
- Leer la temperatura del disipador térmico.Read the heatsink temperature thermal.
- 5.5.
- Calcular la franja térmica de actuación de la celda peltier.Calculate the thermal performance range of the cell peltier
- 5.1.5.1.
- Si la temperatura objetivo está dentro de la franja térmica, continuar.If the target temperature is within the range Thermal continue.
- 5.2.5.2.
- Si no es alcanzable la temperatura objetivo y no están activados los ventiladores, activar los ventiladores. Ir a 3.If the target temperature is not attainable and no the fans are activated, activate the fans. Go to 3.
- 5.3.5.3.
- Si aun activados los ventiladores no se consigue la temperatura objetivo, cambiar la temperatura objetivo del dado a un valor que esté dentro de la franja de actuación salvo un límite inferior o superior en la franja (es una medida de seguridad para no alcanzar los límites máximos y mínimos de la franja garantizando las posibles dispersiones no lineales que puedan suceder). Ir a 3.If the fans are still activated, the target temperature, change the target temperature of the die to a value that is within the range of action except for a limit lower or higher in the strip (it is a safety measure for not reach the maximum and minimum limits of the strip guaranteeing the possible non-linear dispersions that may happen). Go to 3.
- 5.4.5.4.
- Si la temperatura del dado supera los márgenes superiores e inferiores de un umbral de seguridad, desconectar el dispositivo a termorregular. Salir.If the die temperature exceeds the margins upper and lower of a safety threshold, disconnect the thermoregular device. Get out.
- 6.6.
- Comparar la temperatura del dado con la temperatura objetivo.Compare the temperature of the die with the temperature objective.
- 7.7.
- Actuar sobre las celdas peltier calentando o enfriando el dado hasta que la diferencia térmica alcance la variable de error.Act on peltier cells by heating or cooling the die until the thermal difference reaches the error variable
- 8.8.
- Volver al paso 2.Return to step 2.
Los periodos temporales de lectura y actuación deben verificar los criterios de estabilidad propios de la teoría de control conocida la constante de tiempo del sistema.Temporary reading and acting periods they must verify the stability criteria of the theory of control known the system time constant.
Considerando el algoritmo antes descrito, las medidas experimentales muestran que en ambientes con diferencias térmicas no inferiores a 22ºC aproximadamente, puede encontrarse una temperatura del dado que se mantenga constante con independencia de los cambios térmicos que puedan producirse. Estos resultados son válidos para su aplicación en climas mediterráneos y centroeuropeos considerando que los cambios térmicos que se producen entre el día y la noche, por término medio, no superan los 20ºC.Considering the algorithm described above, the experimental measures show that in environments with differences thermal not less than approximately 22 ° C, a die temperature that remains constant regardless of the thermal changes that may occur. These results are valid for application in Mediterranean and Central European climates considering that the thermal changes that occur between the day and the night, on average, does not exceed 20ºC.
Las celdas peltier 218 se conectan en serie y actúan todas a la vez. De igual forma, los cuatro ventiladores 209 se activan todos a la vez, esto es, o se activan todos o ninguno.Peltier 218 cells are connected in series and They act all at once. Similarly, the four fans 209 they are activated all at once, that is, or all are activated or none.
El aparato transmisor láser 11 emite una señal láser luminosa modulada en formato binario con las especificaciones del estándar de transmisión serie IEEE802.3 FX 100/1000. La Figura 33 muestra el diagrama funcional de bloques del aparato transmisor 11, tal como el divulgado en la solicitud de patente española P201100112. Consta de un diodo láser de estado sólido 183, cuyas características de emisión pueden estar en la franja de longitudes de onda que van desde el espectro visible (680 nm) al infrarrojo lejano (15 micrómetros), con posibilidad de conmutar por encima de 1 Gbps y con potencias comprendidas entre 5 y 50 miliwatios (láseres de clase 3). Estos rangos son consistentes con la transmisión láser en el espacio libre. El diodo láser 183 contiene en su cápsula a un fotodiodo 183' que permite la medición de la irradiancia del haz láser emitido. En la realización presentada y sin restar generalidad, se ha empleado un diodo láser de cavidad vertical VCSEL multimodo con irradiancia anular de una longitud de onda de 850 nm e irradiancia máxima de 10 miliwatios.The laser transmitter apparatus 11 emits a signal light laser modulated in binary format with specifications of the IEEE802.3 FX 100/1000 series transmission standard. The figure 33 shows the functional block diagram of the transmitting device 11, as disclosed in the Spanish patent application P201100112. It consists of a solid state laser diode 183, whose emission characteristics may be in the length range wavelength ranging from the visible spectrum (680 nm) to the infrared far (15 micrometers), with the possibility of switching over 1 Gbps and with powers between 5 and 50 milliwatts (lasers class 3). These ranges are consistent with the laser transmission in free space. The laser diode 183 contains in its capsule a 183 'photodiode that allows measurement of beam irradiance emitted laser. In the embodiment presented and without subtracting In general, a VCSEL vertical cavity laser diode has been used multimode with annular irradiance of a wavelength of 850 nm and maximum irradiance of 10 milliwatts.
El aparato transmisor láser se ha implementado en un circuito electrónico cuyos componentes se encuentran interconectados en una tarjeta de circuito impreso 237 de doble cara con especificación FR4. Los elementos del circuito se pueden agrupar por funcionalidades existiendo la posibilidad de realizar las mismas funciones con distintos elementos de circuito considerando las posibilidades que ofrecen diferentes fabricantes. La realización presentada es un caso particular no restando generalidad a las funciones que se reivindican.The laser transmitter device has been implemented in an electronic circuit whose components are interconnected on a 237 double-sided printed circuit board with FR4 specification. Circuit elements can be grouped by functionalities existing the possibility of performing the same functions with different circuit elements considering the possibilities offered by different manufacturers. The realization presented is a particular case not subtracting generality to functions claimed.
El aparato transmisor láser implementa los siguientes elementos:The laser transmitter apparatus implements the following elements:
- Un driver 255 con entrada diferencial que permite definir el estado de polarización y de modulación del diodo láser mediante fuentes de corriente controladas a la vez que el senseo de la corriente del fotodiodo, de polarización y de modulación. El driver posee también un comparador que fija una corriente de seguridad límite. El driver fija la potencia requerida bajo el control de un microcontrolador.- A 255 driver with differential input that allows to define the state of polarization and modulation of the diode laser using controlled current sources while the sense of the photodiode current, polarization and modulation. The driver also has a comparator that sets a safety current limit. The driver sets the required power under the control of a microcontroller.
- Una etapa de entrada diferencial 238, 238', 256 formada por un amplificador-comparador o conformador y un adaptador de nivel.- A differential input stage 238, 238 ', 256 formed by an amplifier-comparator or shaper and a level adapter.
- Un conjunto de filtros 259, 260, 261 y conversores 257, 258 DAC y ADC para procesar las señales de entrada y de salida del driver bajo el control de un microcontrolador 230.- A set of filters 259, 260, 261 and 257, 258 DAC and ADC converters to process the input signals and driver output under the control of a microcontroller 230.
- Un microcontrolador 230 que gestiona las señales de entrada y de salida en tres lazos: térmico, de polarización y de modulación.- A microcontroller 230 that manages the input and output signals in three loops: thermal, of polarization and modulation.
- Un circuito de prerregulación 253, 245, 80 previo a un conjunto de fuentes de alimentación de bajo ruido (263, 264, 265, 266) dedicadas ad-hoc a elementos funcionales concretos.- A pre-regulation circuit 253, 245, 80 prior to a set of low noise power supplies (263, 264, 265, 266) dedicated ad-hoc to specific functional elements.
- Un circuito de control de potencia (231, 232, 233, 234) que permite cambiar el sentido de la corriente en las celdas peltier de un termorregulador de flujo simétrico 10 bajo el control del microcontrolador 230.- A power control circuit (231, 232, 233, 234) which allows to change the direction of the current in the peltier cells of a symmetric flow thermoregulator 10 under the 230 microcontroller control.
El microcontrolador 230 posee conexiones de
entrada y salida que le permiten monitorizar su estado (239, 240,
241, 242, 243); establecer sus condiciones iniciales 244;
comunicarse a través de el bus estándar I2C con otros
microcontroladores en modo maestro-esclavo 248;
acciones de entrada-salida on-off
249, 250; conexiones 251 con sensores de temperatura externos al
aparato transmisor y un conector de entrada-salida
serie para su programación externa
252.The microcontroller 230 has input and output connections that allow it to monitor its status (239, 240, 241, 242, 243); establish its initial conditions 244; communicate via the standard I2C bus with other microcontrollers in master-slave mode 248; input-output actions on-off 249, 250; 251 connections with external temperature sensors to the transmitting device and a serial input-output connector for external programming
252
La Figura 34A ilustra la vista anterior, sin restar generalidad, de una realización del aparato transmisor láser 11 que consta de un diodo láser 183 que contiene a un fotodiodo sensor 183' insertado en un zócalo 236 que lo conecta con la tarjeta de circuito impreso 237. La señal de entrada diferencial a transmitir se inyecta a través de los dos conectores BNC (238, 238') procedente de los conectores BNC del conmutador multipuerto y convertidor de medio (7), 123, 124. El diodo luminiscente 239 indica, si luce, la superación de la corriente de polarización límite en el diodo láser. Esta señal umbral actúa sobre el microcontrolador generando una interrupción y la ejecución de un programa de alarma. El diodo luminiscente 240 indica la condición de encendido del prerregulador. Los diodos luminiscentes (241, 242, 243) monitorizan el estado del microcontrolador en tareas de test. El pulsador 244 activa la señal de reset del microcontrolador para reiniciar sus funciones. Los conectores 245 y 246 son las entradas de las dos fuentes de alimentación independientes: una fuente de alimentación de potencia proveniente de la fuente de alimentación múltiple 5 a través de los conectores 71, 72 para el circuito de control térmico y el termorregulador, y otra fuente de prerregulación de bajo ruido 253 (ruido menor de 10 milivoltios), conectada igualmente a la fuente de alimentación múltiple 5 a través del conector 80. El conector 247 es una salida de alimentación controlada para las celdas peltier del termorregulador. El microcontrolador tiene la posibilidad de comunicarse con otros microcontroladores en modos maestro-esclavo mediante un bus estándar I2C 248 y señales de control 249, 250. El conector 251 recibe las señales de los sensores de temperatura y el conector 252 permite la programación serie del microcontrolador. El prerregulador 253 regula la tensión de entrada 247 previo a las sucesivas etapas de bajo ruido. El microcontrolador activa sus circuitos de tiempo mediante cristal 254.Figure 34A illustrates the previous view, without subtract generality, from one embodiment of the laser transmitter apparatus 11 consisting of a laser diode 183 containing a photodiode 183 'sensor inserted into a 236 socket that connects it to the card printed circuit 237. The differential input signal to transmit is injected through the two BNC connectors (238, 238 ') from the BNC connectors of the multiport switch and medium converter (7), 123, 124. The luminescent diode 239 indicates, if it looks, the exceeding of the polarization current limit on the laser diode. This threshold signal acts on the microcontroller generating an interruption and executing a alarm program The light emitting diode 240 indicates the condition of preregulator on. The luminescent diodes (241, 242, 243) monitor the state of the microcontroller in test tasks. The button 244 activates the microcontroller reset signal for Restart its functions. Connectors 245 and 246 are the inputs of the two independent power supplies: a source of power supply from the power supply multiple 5 through connectors 71, 72 for the circuit thermal control and thermoregulator, and other source of 253 low noise pre-regulation (noise less than 10 millivolts), also connected to multiple power supply 5 through of connector 80. Connector 247 is a power outlet controlled for thermoregulator peltier cells. He microcontroller has the possibility to communicate with others microcontrollers in master-slave modes via a standard I2C 248 bus and control signals 249, 250. The connector 251 receives the signals from the temperature sensors and the connector 252 allows serial programming of the microcontroller. He preregulator 253 regulates input voltage 247 prior to successive stages of low noise. The microcontroller activates its Time circuits using glass 254.
La Figura 34B ilustra la vista posterior del aparato transmisor láser que consta del driver 255 del diodo láser con fotodiodo, el conformador diferencial de la señal de entrada y adaptador de niveles 256, los conversores DAC de "potencia requerida" 257 e "índice de modulación requerido" 258, los filtros paso bajo de la "corriente de modulación" 259, "corriente de polarización del láser", 260 y "corriente del fotodiodo", 261. El microcontrolador 230, los circuitos de control de potencia del termorregulador: inversor de corriente 231, 232 y 233 control de activación y transistores periféricos 234. El circuito 262 genera el nivel de referencia para los conversores ADC de microcontrolador 230. Finalmente, se muestran los reguladores de bajo ruido para los filtros y conversores DAC, 263, etapa de entrada 265, y drivers (266, 267). Los reguladores de bajo ruido y referencia de tensión generan niveles de ruido menores de 10 microvoltios. El regulador convencional 264 suministra una tensión estable para el microcontrolador 230.Figure 34B illustrates the rear view of the laser transmitter apparatus consisting of driver 255 of the laser diode with photodiode, the differential shaper of the input signal and 256 level adapter, the "power DAC converters required "257 e" required modulation index "258, the Low pass filters of the "modulation current" 259, "laser polarization current", 260 and "current of the photodiode ", 261. The microcontroller 230, the circuits of thermoregulator power control: 231 power inverter, 232 and 233 activation control and peripheral transistors 234. The circuit 262 generates the reference level for ADC converters of microcontroller 230. Finally, the regulators of Low noise for DAC filters and converters, 263, input stage 265, and drivers (266, 267). The low noise regulators and voltage reference generate noise levels less than 10 microvolts Conventional regulator 264 supplies a voltage stable for microcontroller 230.
Las Figuras 34A y 34B muestran dos vistas del aparato transmisor láser con el termorregulador de flujo simétrico 10. El termorregulador 10 contiene un dado refrigerado que se adapta a la capsula TO46 del diodo láser utilizado en esta realización.Figures 34A and 34B show two views of the laser transmitter apparatus with symmetric flow thermoregulator 10. The thermoregulator 10 contains a refrigerated die that adapts to the TO46 capsule of the laser diode used in this embodiment.
El objeto del aparato receptor basado en fotodiodo de avalancha con control embebido es la recepción de una señal láser luminosa modulada en formato binario con las especificaciones del estándar para la recepción serie IEEE802.3 FX 100/1000.The object of the receiving device based on avalanche photodiode with embedded control is receiving a binary format modulated laser signal with the Standard specifications for IEEE802.3 FX series reception 100/1000
La Figura 36 muestra el diagrama funcional de bloques del aparato receptor, tal como el divulgado en la solicitud de patente española P201100113. Consta de un fotodiodo de avalancha de estado sólido 268 cuyas características de recepción pueden estar en la franja de longitudes de onda que van desde el espectro visible (680 nm) al infrarrojo lejano (15 micrómetros), con ancho de banda por encima de 1 Gbps y con sensibilidad programable entre 0.5 y 50 Amperios/Watio (0 \leq M(V_{pot}) \leq 100).Figure 36 shows the functional block diagram of the receiver apparatus, such as that disclosed in Spanish patent application P201100113. It consists of a solid state avalanche photodiode 268 whose reception characteristics may be in the range of wavelengths ranging from the visible spectrum (680 nm) to the far infrared (15 micrometers), with bandwidth above 1 Gbps and with programmable sensitivity between 0.5 and 50 Amps / Watt (0? M ( V pot)? 100).
El aparato receptor basado en fotodiodo de avalancha se ha implementado en un circuito electrónico cuyos componentes se encuentran interconectados en una tarjeta de circuito impreso 270 de doble cara con especificación FR4. Los elementos del circuito se pueden agrupar por funcionalidades existiendo la posibilidad de realizar las mismas funciones con distintos elementos de circuito considerando las posibilidades que ofrecen diferentes fabricantes. La realización presentada es un caso particular no restando generalidad a las funciones que se reivindican.The photodiode-based receiver apparatus of avalanche has been implemented in an electronic circuit whose components are interconnected in a circuit board 270 double-sided print with FR4 specification. The elements of circuit can be grouped by functionalities existing the possibility of performing the same functions with different elements circuit considering the possibilities offered by different Manufacturers The embodiment presented is a particular case not subtracting generality to the functions that are claimed.
Las funciones que implementa el receptor basado en fotodiodo de avalancha objeto de esta invención son las siguientes:The functions that the based receiver implements in avalanche photodiode object of this invention are the following:
- Un generador de alta tensión 294 de bajo ruido con una tensión controlable mediante un microcontrolador 230' entre 0 y 150 Voltios.- A 294 low noise high voltage generator with a voltage controllable by means of a 230 'microcontroller between 0 and 150 Volts.
- Un amplificador logarítmico 295 con una referencia de corriente de precisión 297 que procesa la fotocorriente del fotodiodo de avalancha en un rango de cinco décadas entre 5 nA y 500 uA siendo filtrada y enviada al microcontrolador 230' para su valoración.- A 295 log amplifier with a precision current reference 297 that processes the photocurrent of the avalanche photodiode in a range of five decades between 5 nA and 500 uA being filtered and sent to 230 'microcontroller for evaluation.
- Un amplificador a transimpedancia diferencial 299 con autocero 300 que transforma la fotocorriente del fotodiodo de avalancha en fototensión adaptándola a un rango entre los microvoltios y los voltios eliminando la componente de corriente continua debida a fuentes luminosas no moduladas.- A differential transimpedance amplifier 299 with autocero 300 that transforms the photocurrent of the photodiode of avalanche in phototension adapting it to a range between microvolts and volts eliminating the current component continuous due to unmodulated light sources.
- Un driver 301 que recoge la señal de fototensión de salida simple y la transforma a salida diferencial para atacar a un amplificador de ganancia programable 303 bajo el control del microcontrolador 230'.- A driver 301 that collects the signal from simple output phototension and transform it to differential output to attack a 303 programmable gain amplifier under the 230 'microcontroller control.
- Un detector de valor cuadrático medio RMS 302 que estima la potencia media de la señal moduladora recibida para enviarla al microcontrolador 230' para su valoración.- An RMS 302 mean square value detector which estimates the average power of the modulating signal received for send it to the 230 'microcontroller for evaluation.
- Una etapa de salida diferencial 304, 271, 271' formada por un conformador de pulsos, adaptador de nivel y adaptador de impedancias.- A differential output stage 304, 271, 271 ' formed by a pulse shaper, level adapter and adapter of impedances.
- Dos conversores DAC 306, 308 que permiten, bajo el control del microcontrolador 230', la programación de la alta tensión aplicada al circuito de polarización del fotodiodo de avalancha y la programación de la ganancia en tensión de la etapa final de amplificación de la señal demodulada, respectivamente.- Two DAC 306, 308 converters that allow, under the control of the 230 'microcontroller, the programming of the high voltage applied to the polarization circuit of the photodiode of Avalanche and programming of the voltage gain of the stage final amplification of the demodulated signal, respectively.
- El microcontrolador 230', que gestiona las señales de entrada y de salida y cierra tres lazos básicos: térmico, de fotosensibilidad y de ganancia RMS.- The 230 'microcontroller, which manages the Input and output signals and closes three basic loops: thermal, of photosensitivity and RMS gain.
- Un circuito de prerregulación 279-279' previo a un conjunto de fuentes de alimentación de bajo ruido (293, 298, 305, 307, 313, 309, 310, 311, 312) dedicadas ad-hoc a elementos funcionales específicos.- A pre-regulation circuit 279-279 'prior to a set of low noise power supplies (293, 298, 305, 307, 313, 309, 310, 311, 312) dedicated ad-hoc to specific functional elements.
- Un circuito de control de potencia 231', 232', 233', 234' que permite cambiar el sentido de la corriente en las celdas peltier de un termorregulador de flujo simétrico 10' bajo el control del microcontrolador 230'.- A power control circuit 231 ', 232', 233 ', 234' which allows to change the direction of the current in the peltier cells of a 10 'symmetric flow thermoregulator under the 230 'microcontroller control.
El microcontrolador 230' posee conexiones de entrada y salida que le permiten monitorizar su estado 272, 273, 274, 275; establecer sus condiciones iniciales 288; comunicarse a través de el bus estándar I2C con otros microcontroladores en modo maestro-esclavo 282, 283; acciones de entrada-salida on-off 280, 281, 284; conexiones 286 con sensores de temperatura 210', 214' externos al aparato transmisor y un conector 285 de entrada-salida serie para su programación externa.The 230 'microcontroller has connections of input and output that allow you to monitor its status 272, 273, 274, 275; establish its initial conditions 288; communicate to via the standard I2C bus with other microcontrollers in mode master-slave 282, 283; actions of input-output on-off 280, 281, 284; connections 286 with temperature sensors 210 ', 214' external to the transmitter apparatus and a 285 connector of serial input-output for programming external
La Figura 37A ilustra la vista anterior, sin restar generalidad, de una realización del aparato receptor 12 que consta de un fotodiodo de avalancha 268 insertado en un zócalo 269 que lo conecta con la tarjeta de circuito impreso 270. La señal de salida diferencial se recibe a través de los dos conectores BNC 271-271' y se envía, vía coaxial, a la entrada BNC del conmutador y convertidor de medio (7), 125, 126. El diodo luminiscente 272 indica la condición de encendido del prerregulador. Los diodos luminiscentes 273, 274, y 275 monitorizan el estado del microcontrolador en tareas de test. Los conectores 276 y 278 son las entradas de las dos fuentes de alimentación independientes: una fuente de potencia 71, 72 procedente de la fuente de alimentación múltiple 5, para el circuito de control térmico y el termorregulador, y otra fuente simétrica 78, 79 (rizado menor de 10 milivoltios) también procedente de la fuente de alimentación múltiple 5, para el circuito de prerregulación. El conector 277 es una salida de alimentación controlada para las celdas peltier del termorregulador. Los prerreguladores 279-279' regulan la tensión de entrada simétrica 78, 79 previo a las sucesivas etapas de bajo ruido. El microcontrolador tiene la posibilidad de comunicarse con otros microcontroladores en modos maestro-esclavo mediante un bus estándar I2C 282, 283 y señales de control 280, 281 y 287. El conector 285 permite la programación serie del microcontrolador. El conector 286 recibe las señales de los sensores de temperatura 214', 210'. El pulsador 288 activa la señal de reset del microcontrolador para reiniciar sus funciones. El microcontrolador activa sus circuitos de tiempo mediante cristal 289. Los conectores jumper 290, 291 y 292 tienen funciones de programación manual en los circuitos del generador de alta tensión y amplificador de ganancia programable.Figure 37A illustrates the previous view, without subtract generally from an embodiment of the receiving apparatus 12 which consists of an avalanche photodiode 268 inserted into a socket 269 which connects it with the printed circuit board 270. The signal from differential output is received through the two BNC connectors 271-271 'and is sent, via coaxial, to the BNC input of the media converter and converter (7), 125, 126. The diode luminescent 272 indicates the pre-regulator ignition condition. The luminescent diodes 273, 274, and 275 monitor the state of the microcontroller in test tasks. Connectors 276 and 278 are the inputs of the two independent power supplies: one power source 71, 72 from the power supply multiple 5, for the thermal control circuit and the thermoregulator, and other symmetric source 78, 79 (curly less than 10 millivolts) also from the power supply multiple 5, for the pre-regulation circuit. The 277 connector is a controlled power outlet for the peltier cells of the thermoregulator The preregulators 279-279 ' regulate symmetric input voltage 78, 79 prior to successive stages of low noise. The microcontroller has the possibility to communicate with other microcontrollers in modes master-slave via a standard I2C 282 bus, 283 and control signals 280, 281 and 287. Connector 285 allows the serial programming of the microcontroller. Connector 286 receives the temperature sensor signals 214 ', 210'. The 288 button activates the microcontroller reset signal to reset its functions. The microcontroller activates its time circuits by glass 289. The jumper connectors 290, 291 and 292 have manual programming functions in the generator circuits of High voltage and programmable gain amplifier.
La Figura 37B ilustra la vista posterior del aparato receptor que consta del generador de alta tensión 294 con su fuente de alimentación de bajo ruido 293, el amplificador logarítmico 295 con su referencia de corriente 297 y su fuente de bajo ruido simétrica 298, 305. La salida del amplificador logarítmico 295 es llevada al microcontrolador 230' tras ser filtrada con un filtro paso bajo 296 de 10 Hz. La corriente del fotodiodo de avalancha es amplificada a transimpedancia en 299 siendo eliminada la componente de continua en el circuito autocero 300 y convertida a diferencial en el driver 301. La señal es amplificada en el amplificador de ganancia programable 303 bajo el control del microcontrolador 230' y calculado su valor cuadrático medio o RMS en el detector RMS 302. La etapa de salida conformadora, adaptadora de nivel y de impedancias se realiza en el circuito 304 siendo la salida diferencial en los conectores BNC 271-271'. Por otro lado, los circuitos de control de potencia del termorregulador: inversor de corriente 231' y 232', control de activación 233' y transistores periféricos 234'.Figure 37B illustrates the rear view of the receiver apparatus consisting of the 294 high voltage generator with its 293 low noise power supply, the amplifier logarithmic 295 with its current reference 297 and its source of low symmetric noise 298, 305. The amplifier output Logarithmic 295 is taken to microcontroller 230 'after being filtered with a low pass filter 296 of 10 Hz. avalanche photodiode is amplified to transimpedance in 299 the continuous component in the autozero circuit being eliminated 300 and converted to differential in driver 301. The signal is amplified in programmable gain amplifier 303 under the 230 'microcontroller control and calculated its quadratic value medium or RMS on the RMS 302 detector. The shaper output stage, level and impedance adapter is performed in circuit 304 the differential output being the BNC connectors 271-271 '. On the other hand, the control circuits of thermoregulator power: 231 'and 232' power inverter, 233 'activation control and 234' peripheral transistors.
Los reguladores de bajo ruido generan niveles de ruido menores de 10 microvoltios. Estos reguladores de bajo ruido alimentan al generador de alta tensión 293, a los conversores DAC, (307, 313), al amplificador logarítmico y detector RMS (298, 305), al amplificador a transimpedancia (309, 310) y al driver simple-diferencial, amplificador de ganancia programable y etapa de salida (311, 312). El regulador convencional 314 suministra una tensión estable al microcontrolador 230'. Los conversores DAC 306 y 308 generan las señales de actuación para el generador de alta tensión 294 y el amplificador de ganancia programable 303, respectivamente.Low noise regulators generate levels of noise less than 10 microvolts. These low noise regulators feed the high voltage generator 293, to the DAC converters, (307, 313), to the logarithmic amplifier and RMS detector (298, 305), to the transimpedance amplifier (309, 310) and to the driver simple-differential, gain amplifier programmable and output stage (311, 312). Conventional regulator 314 supplies a stable voltage to the microcontroller 230 '. The DAC 306 and 308 converters generate the actuation signals for the 294 high voltage generator and gain amplifier programmable 303, respectively.
Las Figuras 38A y 38B muestran dos vistas del aparato receptor basado en fotodiodo de avalancha con un termorregulador de flujo simétrico 10' y el sistema óptico 166' que focaliza la señal luminosa proveniente de un duplexor óptico 9 dirigiéndola hacia el fotodiodo de avalancha 268 por una fibra de polímero 173. El termorregulador 10' contiene un dado refrigerado que se adapta a la capsula T005 del fotodiodo de avalancha utilizado en esta realización. El termorregulador 10' posee dos sensores de temperatura 214', 210' situados en los focos frío y caliente de las celdas peltier que se conectan al microcontrolador 230' a través del conector 286. Un circuito de control del termorregulador 231', 232', 233' y 234' permiten, bajo el control del microcontrolador 230', suministrar corriente en ambos sentidos para realizar labores de regulación térmica.Figures 38A and 38B show two views of the receiver apparatus based on avalanche photodiode with a 10 'symmetric flow thermoregulator and 166' optical system that focuses the light signal from an optical duplexer 9 directing it towards avalanche photodiode 268 by a fiber of polymer 173. The 10 'thermoregulator contains a refrigerated die that fits the T005 capsule of the avalanche photodiode used In this embodiment. The 10 'thermoregulator has two sensors temperature 214 ', 210' located in the hot and cold foci of the peltier cells that connect to the microcontroller 230 'through the connector 286. A thermoregulator control circuit 231 ', 232', 233 'and 234' allow, under the control of the 230 'microcontroller, supply current in both directions to perform work of thermal regulation
El sistema de seguimiento de haces láser enfrentados basado en control embebido tiene como objeto el establecimiento efectivo y permanente de comunicaciones de alta velocidad realizadas en el espacio libre por los transceptores de una red de comunicación óptica. La Figura 39 muestra un diagrama esquemático del sistema de seguimiento, tal como el divulgado en la solicitud de patente española P201100111, indicando los elementos funcionales que intervienen en el transceptor óptico inteligente 1. La Figura 40 muestra los elementos de dos aparatos de seguimiento 13, 13', instalados cada uno en un transceptor óptico (1, 1'), con haces láser enfrentados tal como se sitúan en lugares remotos para el establecimiento de un seguimiento simultáneo de ambos aparatos. El haz láser 158 es enviado por el aparato de seguimiento 13' y recibido por el aparato de seguimiento 13. El haz láser 158' es enviado por el aparato de seguimiento 13 y recibido por el aparato de seguimiento del transceptor óptico 13'. Se establece de esta manera un seguimiento simultáneo de los dos haces láser 158-158' cuando ambos aparatos ejecutan por separado el procedimiento de seguimiento que aquí se presenta.The laser beam tracking system confronted based on embedded control is aimed at effective and permanent establishment of high communications speed realized in the free space by the transceivers of An optical communication network. Figure 39 shows a diagram schematic of the monitoring system, such as the one disclosed in the Spanish patent application P201100111, indicating the elements functionalities involved in the intelligent optical transceiver 1. Figure 40 shows the elements of two tracking devices 13, 13 ', each installed in an optical transceiver (1, 1'), with facing laser beams as they are located in remote places to the establishment of simultaneous monitoring of both devices. The laser beam 158 is sent by the tracking device 13 'and received by the tracking device 13. The laser beam 158 'is sent by the tracking device 13 and received by the device 13 'optical transceiver tracking. It is established from this way simultaneous monitoring of the two laser beams 158-158 'when both devices run separately The follow-up procedure presented here.
El diagrama funcional de bloques del sistema de seguimiento comprende un aparato de guiado 8 que permite el movimiento de precisión angular de elevación y acimut mediante un sistema mecánico y dos motores actuadores, un aparato duplexor óptico 9 que permite el tratamiento de haces láser polarizados emitidos 158' y recibidos 158 por un transmisor láser 11 y un receptor 12 basado en fotodiodo de avalancha, respectivamente. Un circuito de control 18, gobernado por un microcontrolador 324, procesa la potencia recibida por el receptor P_{r}(\theta_{r}, \varphi_{r}) dependiente de la posición angular \theta_{r}, \varphi_{r}, del aparato de guiado 8 sobre el que se sitúa el duplexor óptico 9. El circuito de control 18 actúa a la vez los motores que fijan dicha posición a través de dos circuitos driver de potencia 19, 19'. El circuito de control 18 forma así de un lazo de control compuesto por la potencia recibida (sensor) y la acción sobre la posiciones angulares de las que depende (actuación).The functional block diagram of the tracking system comprises a guiding apparatus 8 that allows angular precision movement of elevation and azimuth by means of a mechanical system and two actuator motors, an optical duplexer 9 that allows the treatment of emitted polarized laser beams 158 'and received 158 by a laser transmitter 11 and a receiver 12 based on avalanche photodiode, respectively. A control circuit 18, governed by a microcontroller 324, processes the power received by the receiver P r (\ theta_ {r}, \ varphi_ {r}) dependent on the angular position \ theta_ {r}, \ varphi_ {r}, of the guiding apparatus 8 on which the optical duplexer 9 is located. The control circuit 18 acts at the same time the motors that fix said position through two power driver circuits 19, 19 '. The control circuit 18 thus forms a control loop composed of the received power (sensor) and the action on the angular positions on which it depends (actuation).
Las Figuras 41A y 41B muestran dos vistas de la disposición de los elementos que constituyen el sistema de seguimiento 13. El aparato de guiado 8 soporta al aparato duplexor 9 que contiene al aparato transmisor 11. El receptor 12 recibe la señal proporcionada por el aparato duplexor 9 y la envía al circuito de control 18. Éste, tras ejecutar el algoritmo de seguimiento que aquí se presenta, actúa sobre los motores de elevación y acimut del aparato de guiado a través de los circuitos driver de potencia 19, 19'.Figures 41A and 41B show two views of the arrangement of the elements that constitute the system of follow-up 13. The guidance device 8 supports the duplexer 9 containing the transmitting device 11. Receiver 12 receives the signal provided by the duplexer 9 and sends it to the circuit control 18. This one, after executing the tracking algorithm that here it is presented, it acts on the lifting and azimuth motors of the guidance apparatus through power driver circuits 19, 19 '.
Las Figuras 42A, 42B y 42C muestran vistas detalladas de los elementos que componen el circuito de control 18 (Figuras 42A y 42B) y los circuitos driver de los motores 19, 19' (Figura 42C); un driver para cada uno de los motores (un motor para la coordenada de elevación \theta, otro motor para la coordenada de acimut \varphi). Los elementos del circuito de control 18 se han implementado en una tarjeta de circuito impreso 315 de característica FR4. El microcontrolador 324 recibe la alimentación por los conectores 319 siendo regulada por un regulador de tensión 232. El diodo luminiscente 316 indica la condición de funcionamiento. Los diodos luminiscentes 317 monitorizan el estado del microcontrolador 324 bajo distintas acciones. El pulsador 320 establece la condición inicial del microcontrolador 324. Los circuitos de tiempo se activan mediante cristal 321. La programación del microcontrolador 324 se establece mediante un conector serie 322. Las vías de conexión 318 permiten comunicar al microcontrolador 324 con los circuitos driver de los motores 19, 19' y mediante el estándar I2C formar parte de una estructura de microcontroladores en condición de maestro-esclavo. El microcontrolador 324 se conjuga con una serie de circuitos de conmutación 325 para realizar adecuadamente las funciones de control. Cada circuito driver (19, 19') consta de un driver integrado 326 formado por transistores de potencia que actúan sobre los devanados de los motores paso a paso del aparato de guiado a través del conector 327. La alimentación de potencia para los motores se efectúa a través del conector de alimentación 328 y las comunicaciones con el circuito de control 18 se establecen mediante las vías de conexión 329.Figures 42A, 42B and 42C show views details of the elements that make up the control circuit 18 (Figures 42A and 42B) and driver circuits of engines 19, 19 ' (Figure 42C); a driver for each of the engines (an engine for the elevation coordinate \ theta, another engine for the coordinate of azimuth \ varphi). The elements of the control circuit 18 are have implemented in a 315 printed circuit board of FR4 feature. Microcontroller 324 receives power by connectors 319 being regulated by a voltage regulator 232. Luminescent diode 316 indicates the condition of functioning. The 317 light emitting diodes monitor the state of microcontroller 324 under different actions. 320 button establishes the initial condition of microcontroller 324. The time circuits are activated by crystal 321. Programming The microcontroller 324 is set using a serial connector 322. Connection paths 318 allow the microcontroller to be communicated 324 with the motor driver circuits 19, 19 'and through the I2C standard be part of a microcontroller structure in master-slave condition. Microcontroller 324 is combined with a series of switching circuits 325 to properly perform control functions. Each circuit driver (19, 19 ') consists of an integrated driver 326 formed by power transistors that act on the windings of the stepper motors of the guidance device through connector 327. The power supply for the motors is carried out through the 328 power connector and communications with the circuit control 18 are established by connection paths 329.
Presentamos a continuación el procedimiento de seguimiento detallado ejecutado por el microcontrolador 324. Se enumeran previamente los parámetros y las variables implicadas en el mismo:We present below the procedure of detailed tracking executed by microcontroller 324. It previously list the parameters and variables involved in the same:
n es el número de iteración actual. n is the current iteration number.
h_{\theta} es el incremento respecto a la posición local actual de la coordenada de elevación \theta. Este parámetro es una constante. h _ {theta} is the increase with respect to the current local position of the elevation coordinate the. This parameter is a constant.
h_{\varphi} es el incremento respecto a la posición local actual de la coordenada acimutal \varphi. Este parámetro es una constante. h _ {\ varphi} is the increase with respect to the current local position of the azimuth coordinate \ varphi. This parameter is a constant.
h es un parámetro constante que permite acelerar la localización del máximo. h is a constant parameter that allows to accelerate the location of the maximum.
\varepsilon es el módulo al cuadrado del gradiente estimado que indica cómo de cerca está el sistema del máximo. Es una variable.\ varepsilon is the squared module of the estimated gradient that indicates how closely the system is maximum. It is a variable.
\varepsilon_{min} es un parámetro constante que indica la tolerancia en la posición del máximo.\ varepsilon_ {min} is a constant parameter which indicates the tolerance at the maximum position.
n_MAX es un parámetro constante que indica el número máximo de iteraciones que se pueden realizar sin que se active una alarma de seguimiento fallido. n_MAX is a constant parameter that indicates the maximum number of iterations that can be performed without activating a failed tracking alarm.
\varphi^{n}_{r} y \varphi^{n}_{r} almacenan respectivamente el ángulo de elevación \theta y de acimut \varphi en el paso n - ésimo, respectivamente.\ phi ^ {n} _ {r} and \ phi ^ {n} _ {r} respectively store the elevation angle \ theta and azimuth \ phi in step n - th, respectively.
\delta^{n+1}_{\theta} y \delta^{n+1}_{\varphi} almacenan el incremento que, desde la posición actual, hay que realizar en el ángulo de elevación \theta y en el de acimut \varphi, respectivamente, para aproximarnos al máximo en la iteración n + 1 - ésima.\ delta ^ {n + 1} _ {\ theta} and \ delta ^ {n + 1} _ {\ varphi} store the increment that, from the current position, must be made in the elevation angle? and in the of azimuth \ varphi, respectively, to approximate the maximum in the n + 1 - th iteration.
El procedimiento de seguimiento, que se repetirá cada intervalo de tiempo de muestreo T_{m} es el siguiente:The tracking process, each sampling time interval T repeats {m} is as follows:
0. Inicialización de variables:0. Initialization of variables:
- \varepsilon > \varepsilon_{min}\ varepsilon > \ varepsilon_ {min}
- n = 1.n = 1.
1. Bucle: iterar los siguientes pasos mientras no se alcance el máximo (\varepsilon > \varepsilon_{min}) y no se supere el número máximo de iteraciones (n < n_MAX).1. Loop: iterate the following steps as long as the maximum is not reached (\ varepsilon> \ varepsilon_ {min}) and the maximum number of iterations is not exceeded ( n < n_MAX ).
- 2.2.
- Adquisición del valor local de la potencia recibida en el paso n - ésimo:Acquisition of the local value of the power received in step n - th :
- 2.1.2.1.
- Desde la posición actual (\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r}), adquirir P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r}).From the current position (then} _ {r}, \ varphi ^ {n} _ {r}), acquire P n {r} (\n} _ {r}, var n).
- 2.2.2.2.
- Posicionar el sistema en (\theta^{n}_{r} + h_{\theta}, \varphi^{n}_{r}), adquirir P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r} + h^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r}).Position the system in (then} _ {r} + h _ {\ theta}, \ varphi ^ {n} _ {r}), acquire P <n> _ {r} (\ theta ^ { n} r + h n {r}, \ varphi <{r}).
- 2.3.2.3.
- Posicionar el sistema en (\theta^{n}_{r} - h_{\theta}, \varphi^{n}_{r}), adquirir P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r} - h_{\theta}, \varphi^{n}_{r}).Position the system in (then} _ {r} - h _ {\ theta}, \ varphi ^ {n} _ {r}), acquire P <n> _ {r} (\ theta ^ { n} r - h {\ theta}, \ varphi ^ {r}).
- 2.4.2.4.
- Posicionar el sistema en (\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r} + h_{\varphi}), adquirir P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r} + h_{\varphi}).Position the system in (then} _ {r}, \ varphi ^ {n} _ {r} + h _ {\ varphi}), acquire P <n> _ {r} (\ theta ^ { n} r, \ varphi n r + h _ {\ varphi}).
- 2.5.2.5
- Posicionar el sistema en (\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r} - h_{\varphi}), adquirir P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r} - h_{\varphi}).Position the system in (then} _ {r}, \ varphi ^ {n} _ {r} -h _ {\ varphi}), acquire P <n> _ {r} (\ theta ^ { n} r, \ varphi n {r} - h _ {\ varphi}).
- 3.3.
- Estimación del vector gradiente mediante diferencias centrales:Gradient vector estimation through central differences:
- 3.1.3.1.
- \nabla^{n}_{\theta} = (P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r} + h_{\theta}, \varphi^{n}_{r}) - P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r} - h_{\theta}, \varphi^{n}_{r}))/(2 \cdot h_{\theta}).\ nabla_ {n} _ {\ theta} = ( P n} _ {r} (the n} _ {r} + h _ {\ theta}, \ varphi ^ {n} _ {r }) - P ^ {n} _ {r} (\ theta ^ {n} _ {r} - h _ {\ theta}, \ phi ^ {n} _ {r})) / (2 \ · h {\ theta}).
- 3.2.3.2.
- \nabla^{n}_{\varphi} = (P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r} + h_{\varphi}) - P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r} - h_{\varphi}))/(2 \cdot h_{\varphi}).\ nabla ^ {n} _ {\ varphi} = ( P ^ {n} {{r} (\ theta ^ {n} _ {r}, \ varphi ^ {n} _ {r} + h _ {\ varphi }) - P ^ {n} _ {r} (\ theta ^ {n} _ {r}, \ phi ^ {n} _ {r} - h _ {\ phi})) / (2 \ · h {\ varphi}).
- 3.3.3.3.
- El vector gradiente estimado es \nabla P^{n}_{r} = (\nabla^{n}_{\theta}, \nabla^{n}_{\varphi}).The estimated gradient vector is \ nabla P n = (\ nabla ^ {n} _ {\ theta}, \ nabla ^ {n} _ {\ varphi}).
- 4.Four.
- Actualización de la posición en curso:Position update on course:
- 4.1.4.1.
- \delta^{n + 1}_{\theta} = h \cdot \nabla^{n}_{\theta}.δ ^ n + 1} _ {\ theta} = h \ cdot \ nabla ^ {n} _ {\ theta}.
- 4.2.4.2.
- \delta^{n + 1}_{\varphi} = h \cdot \nabla^{n}_{\varphi}.δ ^ n + 1} _ {\ varphi} = h \ cdot \ nabla ^ {n} _ {\ varphi}.
- 4.3.4.3.
- Posicionar el sistema en (\theta^{n}_{r} + \delta^{n+1}_{\theta}, \varphi^{n}_{r} + \delta^{n+1}_{\varphi}).Position the system in (\ theta ^ {n} _ {r} + \ delta ^ {n + 1} _ {\ theta}, \ varphi ^ {r} + δ n + 1} {{var).
- 5.5.
- Actualización de:Update of:
- \varepsilon = (\nabla^{n}_{\theta})^{2} + (\nabla^{n}_{\varphi})^{2}.\ varepsilon = (\ nabla ^ {\ theta}) 2 + (\ nabla _ {\ varphi}) 2.
- n = n + 1. n = n + 1.
- 6.6.
- Fin de bucle.End loop
- 7.7.
- Evaluación de la condición de salida: Activar condición de seguimiento fallido si n > n_MAX, indicando que no se ha podido realizar correctamente el seguimiento. En caso contrario se alcanzó el máximo.Evaluation of the exit condition: Activate failed tracking condition if n > n_MAX , indicating that the tracking could not be performed correctly. Otherwise the maximum was reached.
El sistema de acondicionamiento del aire interior 14 del transceptor óptico 1 está formado estructuralmente por el interior de la cubierta 4 y la base 3 que se encuentran aisladas del exterior según la norma IP66 (Figuras 6, 7 y Figura 43). El aire aislado del interior se mueve por la acción de la turbina 42 por un conducto cerrado de acondicionamiento que comienza en los dos orificios de la base 3, uno de salida de aire 40 y otro de entrada 40'. El orificio de entrada de aire 40 se comunica con el conducto 49, éste con la turbina 42, ésta a su vez con el intercambiador de calor 50' y éste último con el conducto 46 que desemboca finalmente en el orificio de entrada de aire 40' tras pasar por el filtro de aire 41. Así, el aire del interior de la cubierta 4 sigue un camino cerrado de recirculación.The air conditioning system interior 14 of the optical transceiver 1 is structurally formed inside the cover 4 and the base 3 that are insulated from the outside according to IP66 (Figures 6, 7 and Figure 43). The isolated air inside moves through the action of the turbine 42 through a closed conditioning duct that begins in the two holes of the base 3, one air outlet 40 and the other 40 'input. The air inlet port 40 communicates with the duct 49, this one with turbine 42, this one in turn with the 50 'heat exchanger and the latter with conduit 46 which finally flows into the air inlet hole 40 'after pass through the air filter 41. Thus, the air inside the Deck 4 follows a closed recirculation path.
El intercambiador de calor 50' conforma el foco frío una bomba de calor activa formada por una celda peltier 51 cuyos focos frío 50' y caliente 50 intercambian calor con el aire aislado del interior de la cubierta y el aire exterior respectivamente. El aire exterior entra en la turbina 43 y atraviesa el foco caliente 50 de la celda peltier 51 absorbiendo calor y devolviéndose de nuevo al exterior por el conducto 47 por la parte anterior del transceptor 1.The 50 'heat exchanger forms the focus cold an active heat pump formed by a peltier cell 51 whose 50 'hot and 50 hot spots exchange heat with the air insulated from inside cover and outside air respectively. The outside air enters turbine 43 and passes through the hot spot 50 of the peltier cell 51 absorbing heat and returning back to the outside through conduit 47 on the part front of the transceiver 1.
La celda peltier 51 es la bomba de calor del sistema de acondicionamiento. Los intercambiadores de calor de la bomba 50 (foco caliente) y 50' (foco frío), se encuentran en el interior de los conductos 46 y 47. Entorno al intercambiador 50' en el foco frío, el conducto 46 forma dos planos inclinados en el que se sitúa el condensador-evaporador 48 compuesto por una gamuza absorbente con una de sus caras en contacto con el exterior.The peltier cell 51 is the heat pump of the conditioning system The heat exchangers of the pump 50 (hot spot) and 50 '(cold spot), are in the inside ducts 46 and 47. Environment to the exchanger 50 'in the cold focus, the conduit 46 forms two inclined planes in which the condenser-evaporator 48 is composed of an absorbent suede with one of its faces in contact with the Exterior.
El accionamiento de las turbinas 42, 43 y la celda peltier 51 se lleva a cabo mediante el control del sistema supervisor 6 que a la vez sensa la temperatura del aire interior 37 y exterior 45.The operation of turbines 42, 43 and the peltier cell 51 is carried out by system control supervisor 6 who feels the temperature of the indoor air at the same time 37 and exterior 45.
El control del sistema de acondicionamiento del aire interior se lleva a cabo mediante el sistema supervisor 6 que posee los drivers 114 y 115 que permiten activar o desactivar las turbinas 42, 43; el driver 113 que activa o desactiva la celda peltier 51 y lee los sensores de temperatura interior 37 y exterior 45. El algoritmo de control térmico que ejecuta el microcontrolador 109 del sistema supervisor se realiza a intervalos regulares de tiempo que verifican el criterio de Nyquist.The conditioning system control of the indoor air is carried out by the supervisory system 6 which It has the 114 and 115 drivers that allow you to activate or deactivate the turbines 42, 43; the driver 113 that activates or deactivates the cell peltier 51 and read the indoor and outdoor 37 temperature sensors 45. The thermal control algorithm that runs the microcontroller 109 of the supervisory system is performed at regular intervals of time that verify the Nyquist criterion.
Cualitativamente, el funcionamiento del sistema de acondicionamiento del aire interior se basa en la extracción del agua disuelta en el aire interior por la reducción de su temperatura. En los ciclos iniciales de funcionamiento del sistema, el aire interior se enfría haciendo que el agua que posee disuelta condense en el condensador-evaporador 48 que consiste en una gamuza absorbente con una de sus caras en contacto con el exterior. El foco frío de la bomba 50' condensa el agua disuelta en una de las caras de la gamuza. Por la otra cara de la gamuza se evapora el agua hacia el exterior. Al cabo de un tiempo relativamente pequeño, el aire de recirculación interior se encuentra prácticamente seco y permanecerá así si el aislamiento con el exterior es adecuado. Por otro lado, el filtro de aire retiene las partículas que contiene el aire interior ocurriendo un proceso parecido. Al cabo de un cierto tiempo, si el aislamiento es suficiente, el aire interior se encontrará libre de partículas. Una vez ocurrido este proceso de limpieza inicial, se tratara de acondicionar térmicamente el aire interior. Conocida la temperatura exterior T_{ext} y la franja térmica \DeltaT = T_{h} - T_{c} de la celda peltier, se podrá bajar la temperatura del aire interior hasta la temperatura T_{int,min} - T_{ext} - \DeltaT, siendo el límite superior precisamente la temperatura exterior T_{ext}.Qualitatively, the operation of the indoor air conditioning system is based on the extraction of dissolved water in the indoor air by reducing its temperature. In the initial cycles of operation of the system, the indoor air is cooled causing the dissolved water to condense in the condenser-evaporator 48 consisting of an absorbent chamois with one of its faces in contact with the outside. The cold focus of the pump 50 'condenses the dissolved water on one of the faces of the suede. On the other side of the suede the water evaporates outwards. After a relatively small time, the indoor recirculation air is practically dry and will remain so if the insulation with the outside is adequate. On the other hand, the air filter retains the particles contained in the indoor air and a similar process occurs. After a certain time, if the insulation is sufficient, the indoor air will be free of particles. Once this initial cleaning process has occurred, it will be a matter of thermally conditioning the indoor air. Known external temperature T {ext} and thermal strip \ Delta T = T {h} - T _ {c} of the peltier cell may lower the indoor air temperature to the temperature T {int min } - {T ext} - \ Delta T, the upper limit precisely the external temperature T ext {}.
Por tanto, el algoritmo de acondicionamiento del aire interior posee dos fases: fase de secado y limpieza, y fase de acondicionamiento térmico.Therefore, the conditioning algorithm of indoor air has two phases: drying and cleaning phase, and phase of thermal conditioning
Una realización particular de este algoritmo que no resta generalidad es:A particular embodiment of this algorithm that no general subtraction is:
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- --
- Enfriamiento del aire interior, condensación-evaporación del agua disuelta y filtrado de partículas.Indoor air cooling, condensation-evaporation of dissolved water and particle filtering
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- a.to.
- Minimizar la producción de calor interior desactivando todos los elementos del transceptor que generen calor: motores, termorreguladores, transmisor y receptor.Minimize heat production inside deactivating all the transceiver elements that generate heat: motors, thermoregulators, transmitter and receiver.
- b.b.
- Activar la celda peltier 51 a su máxima corriente (máximo enfriamiento) y las turbinas 42 y 43.Activate peltier cell 51 to its maximum current (maximum cooling) and turbines 42 and 43.
- c.C.
- Mantener la situación de recirculación durante un tiempo suficiente (15 a 30 minutos).Maintain the recirculation situation for a sufficient time (15 to 30 minutes).
- d.d.
- Activar todos los elementos del transceptor en régimen de funcionamiento normal.Activate all the elements of the transceiver in normal operation.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- --
- Bucle de control de temperatura que se realizará a intervalos regulares de t_{m} segundos verificando el teorema del muestreo.Temperature control loop to be performed at regular intervals t _ {m} seconds verifying the sampling theorem.
- a.to.
- Leer la temperatura exterior: T_{ext} del termómetro exterior 45 y almacenarla como cota superior permisible.Read the outside temperature: T ext of the outer thermometer 45 and store it as the upper allowable level.
- b.b.
- Fijar la temperatura interior objetivo: T_{int\_obj} \leq T_{ext} - \DeltaT, siendo \DeltaT = T_{h} - T_{c} la franja térmica de la celda peltier.Set target indoor temperature: T {int \ _obj} \ _ {? T ext} - \ Delta T, where \ Delta T = T {h} - {c} T thermal strip of the peltier cell.
- c.C.
- Leer la temperatura interior T_{int} del termómetro interior 37.Read the inside temperature T int of the indoor thermometer 37.
- d.d.
- Comparar la temperatura objetivo con la temperatura interior:Compare the target temperature with the indoor temperature:
- d1.d1.
- Si T_{int\_obj} < T_{int}, activar la celda peltier 51 y las turbinas 42 y 43.If T int \obob < T int}, activate the peltier cell 51 and the turbines 42 and 43.
- Volver a la línea c.Back to line c.
- d2.d2.
- Si T_{int\_obj} \geq T_{int}, desactivar la celda peltier 51 y las turbinas 42 y 43.If T int \ obj ≥ T int, deactivate the peltier cell 51 and the turbines 42 and 43.
- Volver a la línea c.Back to line c.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
Se utiliza aquí el aparato y un procedimiento antivaho predictivo 15 que se anticipa en la actuación de mecanismos que bajan localmente la temperatura de rocío en torno a superficies expuestas a ambientes exteriores en los que debe evitarse la condensación. El diagrama funcional de bloques del aparato antivaho predictivo se muestra en la Figura 44, tal como el divulgado en la solicitud de patente española P201001620. Éste consta de un sensor de humedad relativa del aire 44, un sensor de temperatura del aire 45 y un sensor de temperatura 58 del objeto 57 a evitar la deposición de vaho. Los sensores (44, 45, 58) son leídos por el sistema supervisor 6 que, tras ejecutar el algoritmo de anticipación o predicción, activa mediante drivers a un actuador 59 que modifica las propiedades del aire circundante bajando su humedad relativa y punto de rocío y aumentando la temperatura del objeto. La temperatura de rocío es una función directa de la temperatura de una masa de aire y su humedad relativa según la expresión:The device and a procedure are used here predictive anti-fog 15 that is anticipated in the performance of mechanisms that lower the dew temperature around surfaces locally exposed to outdoor environments in which the condensation. The functional block diagram of the anti-fogging device predictive is shown in Figure 44, as disclosed in the Spanish patent application P201001620. This consists of a sensor of relative air humidity 44, an air temperature sensor 45 and a temperature sensor 58 of object 57 to avoid fog deposition The sensors (44, 45, 58) are read by the supervisor system 6 which, after executing the anticipation algorithm or prediction, activated by drivers to an actuator 59 that modifies the properties of the surrounding air lowering its relative humidity and dew point and increasing the temperature of the object. The dew temperature is a direct function of the temperature of a mass of air and its relative humidity according to the expression:
Expresión que indica que, conociendo la temperatura T de una masa de aire arbitrario y su humedad relativa H_{r}, es posible calcular la temperatura T_{r} por debajo de la cual ese aire empezará a condensar el vapor de agua que contiene. La condición de no condensación viene dada por:Expression indicating that, knowing the temperature T of an arbitrary air mass and its relative humidity H r, it is possible to calculate the temperature T r below which that air will begin to condense the water vapor that contains The non-condensing condition is given by:
Para mantener esta condición se pueden seguir dos acciones:To maintain this condition you can follow two actions:
- 1.one.
- Disminuir la humedad relativa del aire que circunda al objeto:Decrease the relative humidity of the air surrounding the object:
- a)to)
- Eliminando el agua que posee disuelto.Eliminating the water it has dissolved.
- b)b)
- Calentando el aire.Heating the air.
- 2.2.
- Aumentar la temperatura del objeto.Increase the temperature of object.
La Figura 7 y la Figura 45 muestran una realización del aparato antivaho en el visor del transceptor óptico 1, junto con una vista explosionada del actuador 59. La caja del sistema óptico se ha realizado generando una cavidad en tomo al visor de vidrio 57, donde se debe evitar la deposición de vaho. La chapa de recubrimiento 52 junto con la tapa 53 de la cubierta 4 forman una cavidad que envuelve visor de vidrio 57. Para minimizar la transmisión del calor por conducción entre el aluminio y el vidrio se ha intercalado entre ellos una corona 56 de un material aislante del calor, por ejemplo de policarbonato. El actuador 59, situado a una pequeña distancia (por ejemplo, de unos 5 mm) de la tapa 53 y con un ángulo de unos 30º con respecta a ésta, genera calor unidireccional en la superficie metálica 330 realizada en aluminio o cobre sobre la que se adhiere una resistencia eléctrica calefactora en zigzag 332 cubriendo toda su superficie. La parte posterior de la resistencia eléctrica calefactora 332 se adosa a una lámina aislante térmica 333 (en una realización preferida de polipropileno) con un recubrimiento de aluminio para reflejar el calor generado por radiación hacia la superficie 330. La lámina posterior 334 de policarbonato y los soportes 335-335' completan la estructura del actuador 59. La cavidad en forma de visera crea un confinamiento local del aire.Figure 7 and Figure 45 show a realization of the anti-fogging device in the viewfinder of the optical transceiver 1, together with an exploded view of the actuator 59. The box of the optical system has been made generating a cavity in volume at glass visor 57, where mist deposition should be avoided. The cover plate 52 together with cover 53 of cover 4 they form a cavity that wraps glass visor 57. To minimize heat transfer by conduction between aluminum and the glass has been inserted between them a crown 56 of a material heat insulator, for example polycarbonate. The actuator 59, located at a small distance (for example, about 5 mm) from the cover 53 and with an angle of about 30º with respect to this one, generates unidirectional heat on the metal surface 330 made in aluminum or copper on which an electrical resistance adheres zigzag 332 heater covering its entire surface. The part rear of the heating electric heater 332 is attached to a thermal insulating sheet 333 (in a preferred embodiment of polypropylene) with an aluminum coating to reflect the heat generated by radiation to surface 330. The sheet 334 rear polycarbonate and brackets 335-335 'complete the structure of the actuator 59. The visor-shaped cavity creates a local confinement of the air.
El aire confinado es calentado mediante el actuador 59 formando un ángulo menor de 45 grados con la vertical. La inclinación óptima permite el máximo intercambio térmico entre la lámina calefactora 330 y el aire, y depende del tamaño y potencia de la lámina calefactora empleada (la anchura de la lámina y de su temperatura), normalmente entre 30 y 45 grados. La temperatura de la lámina calefactora unidireccional 330 debe ser relativamente alta para facilitar el intercambio de calor con el aire frío (v. g. más de 70º y menos de 100º centígrados para evitar cambios de fase). Así, el aire que toca la superficie caliente, se calienta y disminuye su densidad provocándose una corriente de convección dentro de la cavidad. Al cabo de pocos segundos el aire que contiene la cavidad ha aumentado su temperatura (disminuyendo su humedad
\hbox{relativa), a la vez que ha calentado la superficie del objeto 57 a evitar la deposición de vaho.}The confined air is heated by the actuator 59 at an angle less than 45 degrees with the vertical. The optimum inclination allows the maximum thermal exchange between the heating sheet 330 and the air, and depends on the size and power of the heating sheet used (the width of the sheet and its temperature), usually between 30 and 45 degrees. The temperature of the unidirectional heating sheet 330 must be relatively high to facilitate heat exchange with cold air (eg more than 70 ° and less than 100 ° C to avoid phase changes). Thus, the air that touches the hot surface, heats up and decreases its density causing a convection current inside the cavity. After a few seconds the air in the cavity has increased its temperature (decreasing its humidity
\ hbox {relative), while heating the surface of the object 57 to avoid vapor deposition.}
En la realización presentada del aparato antivaho para exteriores, la temperatura de la lámina calefactora unidireccional 330 está en el entorno de 80ºC. En un ambiente simulado de un aire estático a 12ºC y 70% de humedad (temperatura de rocío de 6.7ºC), supuesta la temperatura inicial de la caja y visor de 5ºC; es decir, verificando la condición de deposición de vaho, el simulador calcula la respuesta estacionaria (termodinámica del equilibrio), mostrando los siguientes resultados (Figuras 46A, 46B, 46C y 46D):In the presented embodiment of the apparatus outdoor anti-fog, the temperature of the heating sheet Unidirectional 330 is in the environment of 80 ° C. In an environment simulated static air at 12ºC and 70% humidity (temperature of dew of 6.7ºC), assumed the initial temperature of the box and viewfinder of 5 ° C; that is, by checking the condition of vapor deposition, the simulator calculates the stationary response (thermodynamics of equilibrium), showing the following results (Figures 46A, 46B, 46C and 46D):
1. La lámina calefactora unidireccional 330, calentada a 80ºC, genera un flujo de aire forzado convectivo con velocidades máximas de 0.3 m/s en una sección de unos 5 mm pasando entre la lámina y la tapa recorriendo el visor de forma laminar (Figura 46A).1. Unidirectional heating sheet 330, heated at 80 ° C, generates a convective forced air flow with maximum speeds of 0.3 m / s in a section of about 5 mm passing between the sheet and the cover running the laminar viewfinder (Figure 46A).
2. En pocos segundos, todo el aire del interior de la cavidad se encuentra a una temperatura media de 18ºC. El visor 57, inicialmente a 5ºC se calienta presentando un mapa de isotermas con temperaturas del orden de 10ºC por encima de la temperatura inicial (Figura 46B).2. In a few seconds, all the air inside of the cavity is at an average temperature of 18 ° C. The viewfinder 57, initially at 5 ° C, is heated by presenting a map of isotherms at temperatures of the order of 10ºC above the temperature initial (Figure 46B).
3. La humedad relativa del aire en la superficie del visor baja del orden de 30 puntos porcentuales frente a la humedad relativa inicial existente. Por lo que la temperatura de rocío baja a 4.1ºC (18ºC - 40%) (Figura 46C).3. The relative humidity of the surface air of the low viewfinder of the order of 30 percentage points compared to the Initial relative relative humidity. So the temperature of dew drops to 4.1 ° C (18 ° C - 40%) (Figure 46C).
4. Con el visor a 18º y con un aire al 40% de humedad relativa media es imposible la deposición de vaho tal como demuestra el mapa de fracción de masa de agua condensada en la superficie del visor (Figura 46D).4. With the viewfinder at 18º and with an air at 40% of medium relative humidity is impossible to vapor deposition such as shows the mass fraction map of condensed water in the viewfinder surface (Figure 46D).
El algoritmo de predicción o anticipación antivaho detallado ejecutado por el sistema supervisor 6 se describe a continuación mostrándose su diagrama de flujo de datos en la Figura 47.The prediction or anticipation algorithm Detailed anti-fog executed by supervisor system 6 is described then showing its data flow diagram in the Figure 47
La medición y cálculo de variables se realiza por parte del microcontrolador a intervalos regulares de t_{m} segundos. Estos intervalos verifican el teorema de Nyquist y se calculan en base a un estudio de la evolución de las temperaturas y humedades relativas que se sucedan en el ambiente donde se sitúe el aparato antivaho predictivo (intervalos entre algunos segundos y varios minutos).The measurement and calculation variables is performed by the microcontroller at regular intervals t _ {m} seconds. These intervals verify the Nyquist theorem and are calculated based on a study of the evolution of the relative temperatures and humidity that occur in the environment where the predictive anti-fogging apparatus is located (intervals between a few seconds and several minutes).
- --
- Periodo de medida: t_{m}Measurement period: t _ {m}
- --
- Variable binaria de activación del actuador: A Binary actuator activation variable: A
- --
- Humedad relativa del aire: H_{a}Relative humidity of the air: H a
- --
- Temperatura del aire: T_{a}Air temperature: T a
- --
- Temperatura del objeto (visor): T_{o}Object temperature (viewfinder): T_ {o}
- --
- Temperatura de rocío: T_{r}Dew Temperature: T r
- --
- Parámetro de valor constante que representa el margen de seguridad expresado en grados centígrados: \deltaT.Constant value parameter representing the safety margin expressed in degrees Celsius: δ T.
De acuerdo con el diagrama de flujo de la Figura 48 el procedimiento que se repite cada t_{m} segundos, pudiendo ser un valor predeterminado o no, variable o constante en el tiempo, es:According to the flowchart of Figure 48 the procedure is repeated every t seconds _ {m} and can be a predetermined or variable or constant time value, is:
- S0.S0.
- Inicialización de variables:Initialization of variables:
- --
- Fijar el parámetro del margen térmico de seguridad \deltaT Set the parameter of the safety thermal margin δ T
- --
- Fijar las variables a un valor inicial.Pin up the variables to an initial value.
- S1. S1.
- Adquisición de datos:Data acquisition:
- --
- Adquirir el valor de la temperatura del aire: T_{a}Acquire the value of the air temperature: T a
- --
- Adquirir el valor de la humedad relativa del aire: H_{a}Acquire the value of the relative humidity of the air: H a
- --
- Adquirir el valor de la temperatura del objeto: T_{o}.Acquire the temperature value of the object: T o.
- S2. S2
- Cálculo de la temperatura de rocío según la expresión (Ec.9):Dew temperature calculation according to expression (Ec.9):
- --
- Calcular la temperatura de rocío: T_{r}Calculate dew temperature: T r
- S3. S3
- Comparación de la temperatura de rocío más el margen de seguridad con la temperatura del objeto:Comparison of dew temperature plus margin Safety with object temperature:
- --
- Si T_{o} \geq T_{r} + \deltaT, desactivar el actuador y volver a S1.If T o ≥ T r + δ T , deactivate the actuator and return to S1.
- --
- Si T_{o} < T_{r} + \deltaT, activar el actuador y volver a S1.If T_ {o} < T r} + δ T , activate the actuator and return to S1.
Las condiciones a verificar para activar y/o desactivar el actuador pueden ser otras diferentes, como por ejemplo:The conditions to verify to activate and / or deactivating the actuator may be different ones, as per example:
- --
- Si T_{o} < 2\cdotT_{r}, activar el actuador y volver a S1.If T o <2 • T r, activate the actuator and return to S1.
- --
- La desactivación (A = 0) podría ser manual, y no automática, o con otras diferentes condiciones y/o márgenes de seguridad.The deactivation ( A = 0) could be manual, and not automatic, or with other different conditions and / or safety margins.
Claims (31)
- --
- una fuente de alimentación múltiple (5) encargada de proporcionar la energía eléctrica al transceptor (1);a multiple power supply (5) responsible for providing the electric power to the transceiver (1);
- --
- un sistema supervisor (6) encargado de establecer tareas de comunicación bidireccional del transceptor (1), entre sus microcontroladores esclavos y el exterior adaptando el formato de datos a un formato estándar;a supervisor system (6) responsible for establishing tasks of two-way communication of the transceiver (1), between its slave and external microcontrollers adapting the format of data to a standard format;
- --
- un conmutador multipuerto y convertidor de medio (7) que permite al transceptor (1) la conexión de múltiples transceptores ópticos en un mismo nodo a la vez que las convierte en un formato serie para un transmisor láser (11) y un receptor (12) basado en fotodiodo de avalancha;a multiport switch and media converter (7) that allows the transceiver (1) connecting multiple optical transceivers in a same node while converting them into a serial format for a laser transmitter (11) and a receiver (12) based on photodiode of avalanche;
- --
- un aparato de guiado micrométrico motorizado (8) que permite el posicionamiento preciso de haces láser enviados y recibidos por el transceptor óptico (1);a motorized micrometric guidance device (8) that allows the precise positioning of laser beams sent and received by the optical transceiver (1);
- --
- un duplexor óptico (9) que permite al transceptor óptico (1) la transmisión y la recepción de haces láser mediante un único eje óptico;a optical duplexer (9) that allows the optical transceiver (1) the transmission and reception of laser beams using a single axis optical;
- --
- un transmisor láser (11) encargado de generar un haz láser y que dispone de un sistema de control que gestiona la potencia transmitida, el índice de modulación y el estado térmico de un diodo láser (183) de estado sólido;a laser transmitter (11) responsible for generating a laser beam and that It has a control system that manages the power transmitted, modulation index and thermal state of a diode solid state laser (183);
- --
- un receptor (12) encargado de recibir un haz láser modulado y que dispone de un sistema de control que gestiona la sensibilidad, la ganancia y el estado térmico de un fotodiodo de avalancha (268) de estado sólido;a receiver (12) responsible for receiving a modulated laser beam and that It has a control system that manages the sensitivity, gain and thermal status of an avalanche photodiode (268) of solid state;
- --
- dos termorreguladores de flujo simétrico (10, 10') para mantener un estado térmico estable en el diodo láser (183) del transmisor (11) y en el fotodiodo de avalancha (268) del receptor (12), respectivamente.two symmetric flow regulators (10, 10 ') to maintain a stable thermal state in the laser diode (183) of the transmitter (11) and in the avalanche photodiode (268) of the receiver (12), respectively.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- --
- dos puertos de salida de par trenzado con formato IEEE 802.3 TX 100/1000 (120, 121), que permiten la conexión con la red WAN y con otro posible transceptor homólogo para constituir un nodo de múltiples transceptores;two twisted pair output ports with IEEE 802.3 TX 100/1000 format (120, 121), which allow connection to the WAN network and to another possible homologous transceiver to constitute a multiple node transceivers;
- --
- un puerto de par trenzado (122) que comunica la red WAN con el sistema supervisor (6) proporcionando una página WEB del transceptor óptico (1), junto con aplicaciones complementarias;a twisted pair port (122) that communicates the WAN network with the system supervisor (6) providing a web page of the optical transceiver (1), together with complementary applications;
- --
- un puerto serie con formato estándar IEEE 802.3 FX 100/1000 que permite la salida de datos hacia el transmisor láser (11) y la entrada de datos desde el receptor (12);a serial port with standard IEEE 802.3 FX 100/1000 format that allows the data output to the laser transmitter (11) and the input of data from the receiver (12);
- --
- una dirección MAC registrada que permite diferenciar unívocamente al transceptor óptico (1) en una red de transceptores interconectados.a registered MAC address that allows univocally differentiate the optical transceiver (1) in a transceiver network interconnected
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- --
- un soporte de amarre (138) preparado para sostener al duplexor óptico (9) y al transmisor láser (11);a tie down bracket (138) ready to hold the optical duplexer (9) and to the laser transmitter (11);
- --
- medios electromecánicos encargados de accionar el soporte de amarre (138), permitiendo su giro en torno a un eje de acimut (150) y un eje de elevación (151) de manera independiente, comprendiendo dichos medios electromecánicos:media electromechanics responsible for operating the mooring support (138), allowing its rotation around an azimuth axis (150) and an axis of elevation (151) independently, said means comprising electromechanical:
- \bullet?
- un motor de elevación (136), de tipo paso a paso, encargado de suministrar la fuerza motriz empleada para el giro del soporte de amarre (138) en torno al eje de elevación (151);a lifting motor (136), of type step by step, responsible for supplying the driving force used for turning the mooring support (138) around the axis of elevation (151);
- \bullet?
- medios de transmisión de la fuerza motriz del motor de elevación (136) encargados de producir, para cada paso del motor de elevación (136), un giro del soporte de amarre (138) en torno al eje de elevación (151);means of transmission of the driving force of the lifting motor (136) responsible for producing, for each step of the lifting motor (136), a rotation of the support of mooring (138) around the lifting axis (151);
- \bullet?
- un motor de acimut (137), de tipo paso a paso, encargado de suministrar la fuerza motriz empleada para el giro del soporte de amarre (138) en torno al eje de acimut (150);an azimuth motor (137), of type step by step, responsible for supplying the driving force used for turning the mooring support (138) around the azimuth axis (150);
- \bullet?
- medios de transmisión de la fuerza motriz del motor de acimut (137) encargados de producir, para cada paso del motor de acimut (137), un giro del soporte de amarre (138) en torno al eje de acimut (150);means of transmission of the driving force of the azimuth motor (137) responsible for producing, for each step of the azimuth motor (137), a turn of the mooring bracket (138) around the azimuth axis (150);
- --
- medios sensores fin de carrera de elevación para delimitar el giro del soporte de amarre (138) en torno al eje de elevación (151) y al eje de acimut (150);media limit switches to delimit the rotation of the tie down support (138) around the lifting axis (151) and the axis azimuth (150);
- --
- un microcontrolador (324) encargado de controlar los motores de elevación (136) y de acimut (137).a microcontroller (324) responsible for controlling the motors of elevation (136) and azimuth (137).
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- --
- un tornillo sin fin de elevación (142) que gira solidario al eje (152) del motor de elevación (136);a lifting screw (142) that turns integral to the shaft (152) of the lifting motor (136);
- --
- una corona helicoidal de elevación (143) que engrana con el tornillo sin fin de elevación (142) y encargada de producir el giro de un perno de elevación (144) en torno a un eje de tracción de elevación (153);a helical lifting crown (143) that engages with the screw without end of lift (142) and responsible for producing the rotation of a bolt lifting (144) around a lifting traction axis (153);
- --
- el perno de elevación (144), con una parte roscada;he lifting bolt (144), with a threaded part;
- --
- una tuerca de tracción de elevación (145) roscada al perno de elevación (144), siendo dicha tuerca cilíndrica y con una ranura en el eje del cilindro;a lifting traction nut (145) threaded to the lifting bolt (144), said nut being cylindrical and with a groove in the axis of the cylinder;
- --
- una biela de elevación (146), disponiendo en su extremo libre de una guía (149) para el ajuste de la ranura de la tuerca de tracción de elevación (145), estando configurada dicha biela de elevación (146) para producir el giro del soporte de amarre (138) en torno al eje de elevación (151) cuando se produce un desplazamiento de la tuerca de tracción de elevación (145).a lifting rod (146), having at its free end a guide (149) for adjusting the groove of the drive nut lift (145), said lifting rod being configured (146) to produce the rotation of the mooring support (138) around the axis of lift (151) when there is a displacement of the nut lifting traction (145).
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- --
- un tubo reflector catadióptrico (161) para la recepción del haz láser recibido (158') y la transmisión del haz láser transmitido (158); ya catadioptric reflector tube (161) for laser beam reception received (158 ') and transmitted laser beam transmission (158); Y
- --
- un sistema óptico que comprende:a optical system comprising:
- \bullet?
- un prisma polarizador (169), encargado de:a polarizing prism (169), Manager:
- --
- dividir el haz láser transmitido (2SP), procedente del transmisor láser (11), en dos haces (2P, 2S) polarizados linealmente en planos perpendiculares, dirigiendo únicamente la componente reflejada (2S) hacia el reflector catadióptrico (161);split the transmitted laser beam (2SP), from the laser transmitter (11), in two beams (2P, 2S) linearly polarized in perpendicular planes, directing only the reflected component (2S) towards the reflector catadioptric (161);
- --
- dividir el haz láser recibido (2'SP), procedente del reflector catadióptrico (161), en dos haces (2'P, 2'S) polarizados linealmente en planos perpendiculares, dirigiendo únicamente la componente refractada (2'P) con destino al receptor (12); ysplit the received laser beam (2'SP), from the catadioptric reflector (161), in two beams (2'P, 2'S) linearly polarized in perpendicular planes, directing only the refracted component (2'P) destined for the receiver (12); Y
- \bullet?
- una lente divergente (170) situada entre el prisma polarizador (169) y el reflector catadióptrico (161) y encargada de:a divergent lens (170) located between the polarizing prism (169) and the reflector catadioptric (161) and in charge of:
- --
- recibir la componente reflejada (2S) del haz láser transmitido (2SP) procedente del prisma polarizador (169) y adaptarla al plano focal del reflector catadióptrico (161);receive the reflected component (2S) of transmitted laser beam (2SP) from the polarizing prism (169) and adapt it to the focal plane of the catadioptric reflector (161);
- --
- recibir y colimar el haz láser recibido (2'SP) procedente del reflector catadióptrico (161) y dirigirlo al prisma polarizador (169).receive and collimate the received laser beam (2'SP) from the catadioptric reflector (161) and direct it to the polarizing prism (169).
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
\global\parskip0.900000\baselineskip\ global \ parskip0.900000 \ baselineskip
- \bullet?
- al menos un espejo de primera superficie desviador del haz transmitido (167), encargado de dirigir el haz láser transmitido (2SP), procedente del transmisor láser (11), al prisma polarizador (169);at least one first mirror deflected surface of the transmitted beam (167), responsible for directing the transmitted laser beam (2SP), coming from the laser transmitter (11), to the polarizing prism (169);
- \bullet?
- al menos un espejo de primera superficie desviador del haz recibido (167'), encargado de dirigir la componente refractada (2'P) del haz láser recibido (2'SP), procedente del prisma polarizador (169), al receptor (12).at least one first mirror deflector surface of the received beam (167 '), responsible for directing the refracted component (2'P) of the received laser beam (2'SP), from the polarizing prism (169), to the receiver (12).
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- --
- un espejo primario (174) en forma de corona circular móvil a través de un soporte cilíndrico (179) que se desplaza por la acción de un tornillo (163) por un tubo hueco (177) por el que discurren simultáneamente los haces láser transmitido y recibido;a primary mirror (174) in the form of a mobile circular crown through a cylindrical support (179) that is displaced by the action of a screw (163) through a hollow tube (177) through which they run Simultaneously transmitted and received laser beams;
- --
- un espejo secundario (175); ya secondary mirror (175); Y
- --
- una lente menisco correctora (176).a meniscus corrective lens (176).
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- --
- un dado metálico (220) encargado de albergar en su eje central a un dispositivo electrónico de geometría cilíndrica a regular térmicamente, seleccionado entre el diodo láser (183) del transmisor (11) o el fotodiodo de avalancha (268) del receptor (12);a metallic die (220) in charge of housing in its central axis a electronic device with regular cylindrical geometry thermally, selected from the laser diode (183) of the transmitter (11) or the avalanche photodiode (268) of the receiver (12);
- --
- cuatro celdas peltier (218), cada una con una primera cara en contacto con cada lado externo del dado metálico (220), encargadas de intercambiar calor con el dado (220);four peltier cells (218), each with a first face in contact with each outer side of the metal die (220), responsible for exchange heat with the die (220);
- --
- un intercambiador térmico encargado de intercambiar calor con las celdas peltier (218), que comprende cuatro disipadores térmicos (209), cada uno en contacto térmico con la segunda cara de cada celda peltier (218);a heat exchanger responsible for exchanging heat with the peltier cells (218), comprising four heatsinks (209), each in thermal contact with the second face of each peltier cell (218);
- --
- medios de medición de la temperatura del dado (214);media of measuring the temperature of the die (214);
- --
- medios de medición de la temperatura del intercambiador térmico (210);media of heat exchanger temperature measurement (210);
- --
- un controlador de las celdas peltier (231-231', 232-232', 233-233', 234-234', componentes situados en las tarjetas de circuito impreso del transmisor (11) y del receptor (12)), que permite el control de la corriente que circula por las celdas peltier (218) y de su sentido de circulación;a peltier cell controller (231-231 ', 232-232 ', 233-233', 234-234 ', components located on the cards printed circuit of the transmitter (11) and receiver (12)), which allows control of the current flowing through the cells peltier (218) and its sense of movement;
- --
- medios de procesamiento de datos (230, 230'), encargados de recibir las temperaturas del dado (220) y del intercambiador térmico y controlar a través del controlador de las celdas peltier (231-231', 232-232', 233-233', 234-234', componentes situados en las tarjetas de circuito impreso del transmisor (11) y del receptor (12) que conforman el diagrama esquemático de la Figura 31), la corriente de las celdas peltier (218) y su sentido de circulación para mantener la temperatura del dado (220) regulada.media data processing (230, 230 '), responsible for receiving the temperatures of the die (220) and heat exchanger and control through the peltier cell controller (231-231 ', 232-232', 233-233 ', 234-234', components located on the transmitter's printed circuit boards (11) and of the receiver (12) that make up the schematic diagram of Figure 31), the current of the peltier cells (218) and their sense of circulation to maintain die temperature (220) regulated.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
\global\parskip1.000000\baselineskip\ global \ parskip1.000000 \ baselineskip
- a-to-
- fijar la temperatura objetivo del dado (220);pin up the target temperature of the die (220);
- b-b-
- fijar el valor de la variable de error;pin up the value of the error variable;
- c-C-
- obtener la temperatura del dado (220);get the temperature of the dice (220);
- d-d-
- obtener la temperatura del intercambiador térmico (209);get the temperature of heat exchanger (209);
- e-and-
- calcular la franja térmica de actuación de las celdas peltier (218);calculate the thermal performance range of the peltier cells (218);
- \text{*}\ text {*}
- si no es alcanzable la temperatura objetivo del dado y no están activados los ventiladores (208), activarlos y volver a medir la temperatura del dado (220) y del intercambiador para calcular de nuevo la franja térmica de actuación \DeltaT;if the target temperature of the die and the fans are not activated (208), activate them and re-measure the temperature of the die (220) and of the exchanger to recalculate the thermal strip of ΔT performance;
- \text{*}\ text {*}
- si están activados los ventiladores (208) y no se consigue la temperatura objetivo, cambiar la temperatura objetivo del dado y volver a medir la temperatura del dado (220) y del intercambiador para calcular de nuevo la franja térmica de actuación \DeltaT;if the fans (208) and the target temperature is not achieved, change the target temperature of the die and re-measure the temperature of the die (220) and the exchanger to calculate the fringe again thermal actuation ΔT;
- f-F-
- si la temperatura objetivo del dado (220) está dentro de la franja térmica de actuación, comparar la temperatura del dado (220) con la temperatura objetivo;yes the target temperature of the die (220) is within the thermal range of performance, compare the temperature of the die (220) with the target temperature;
- g-g-
- actuar sobre las celdas peltier (218), calentando o enfriando el dado (220) según corresponda hasta que la diferencia térmica entre la temperatura objetivo del dado (220) y la temperatura medida del dado (220) alcance el valor de la variable de error previamente fijado;act on peltier cells (218), heating or cooling the die (220) as appropriate until the thermal difference between the target temperature of the die (220) and the measured temperature of the die (220) reaches the value of the variable of previously fixed error;
- h-h-
- volver a fijar el valor de la variable de error y repetir el proceso.set the value of the variable again of error and repeat the process.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- --
- un lazo de control térmico encargado de mantener estable, a un valor determinado por el microcontrolador (230), la temperatura del diodo láser (183), comprendiendo dicho lazo de control térmico un termorregulador (10) con medios sensores de temperatura (214, 210) conectados al microcontrolador (230) y un circuito de control del termorregulador (231, 232, 233, 234) controlado por el microcontrolador (230);a thermal control loop responsible for maintaining stable, at a value determined by the microcontroller (230), the temperature of the diode laser (183), said thermal control loop comprising a thermoregulator (10) with temperature sensing means (214, 210) connected to the microcontroller (230) and a control circuit of the thermoregulator (231, 232, 233, 234) controlled by the microcontroller (230);
- --
- un lazo de control luminoso encargado de mantener estable, a un valor determinado por el microcontrolador (230), la irradiancia del haz láser emitida por el diodo láser (183), comprendiendo dicho lazo de control luminoso:a light control loop responsible for maintaining stable, at a value determined by the microcontroller (230), the beam irradiance laser emitted by the laser diode (183), said loop comprising light control:
- \bullet?
- el fotodiodo sensor (183'), medios sensores de la corriente del fotodiodo conectados al microcontrolador (230) para medir la irradiancia emitida y medios sensores de la corriente de polarización láser conectados al microcontrolador (230); ythe sensor photodiode (183 '), photodiode current sensing means connected to the microcontroller (230) to measure emitted irradiance and media Laser polarization current sensors connected to the microcontroller (230); Y
- \bullet?
- un driver (255), mediante una fuente de corriente de polarización controlada por el microcontrolador (230), para polarizar el diodo láser en un estado determinado de corriente;a driver (255), by means of a polarization current source controlled by the microcontroller (230), to polarize the laser diode in a state current determined;
- --
- un lazo de control del índice de modulación encargado de controlar la profundidad de modulación del haz láser, comprendiendo dicho lazo de control del índice de modulación medios sensores de la corriente de la señal moduladora conectados al microcontrolador (230) y el driver (255), mediante una fuente de corriente de modulación que actúa sobre el par diferencial controlada por el microcontrolador (230), para modificar el índice de modulación del haz láser.a modulation index control loop responsible for controlling the modulation depth of the laser beam, said loop comprising modulation index control means current sensors the modulating signal connected to the microcontroller (230) and the driver (255), by means of a modulating current source that acts on the differential torque controlled by the microcontroller (230), to modify the modulation index of the laser beam.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- --
- un lazo de control térmico encargado de mantener estable, a un valor determinado por el microcontrolador (230'), la temperatura del fotodiodo de avalancha (268), comprendiendo dicho lazo de control térmico un termorregulador (10') con medios sensores de temperatura (214', 210') conectados al microcontrolador (230') y un circuito de control del termorregulador (231', 232', 233', 234') controlado por el microcontrolador (230');a thermal control loop responsible for maintaining stable, at a value determined by the microcontroller (230 '), the temperature of the avalanche photodiode (268), said control loop comprising thermal a thermoregulator (10 ') with temperature sensing means (214 ', 210') connected to the microcontroller (230 ') and a circuit thermoregulator control (231 ', 232', 233 ', 234') controlled by the microcontroller (230 ');
- --
- un lazo de control de sensibilidad del fotodiodo encargado de mantener estable, a un valor determinado por el microcontrolador (230'), la fotosensibilidad del fotodiodo de avalancha (268), comprendiendo dicho lazo de control de sensibilidad del fotodiodo medios sensores de la corriente de polarización del fotodiodo (268) conectados al microcontrolador (230') y un generador de alta tensión (294), controlado por el microcontrolador (230'), para polarizar el fotodiodo de avalancha;a sensitivity control loop of the photodiode responsible for maintaining stable, at a value determined by the microcontroller (230 '), the photosensitivity of the avalanche photodiode (268), comprising said sensitivity control loop of the photodiode means sensors of the polarization current of the photodiode (268) connected to the microcontroller (230 ') and a high voltage generator (294), controlled by the microcontroller (230 '), to polarize the avalanche photodiode;
- --
- un lazo de control de ganancia RMS encargado de controlar la ganancia y mantener la estabilidad de la señal proveniente del fotodiodo de avalancha (268) que alimenta una etapa de salida (304, 271, 271'), comprendiendo dicho lazo de control de ganancia RMS un amplificador de ganancia programable (303), controlado por el microcontrolador, que alimenta la etapa de salida (304, 271, 271') y un detector de valor cuadrático medio RMS (302) conectado al microcontrolador (230') para la estimación de la potencia media de dicha señal que alimenta la etapa de salida (304, 271, 271').a RMS gain control loop responsible for controlling the gain and maintain the stability of the signal from the photodiode of avalanche (268) that feeds an output stage (304, 271, 271 '), said RMS gain control loop comprising an amplifier programmable gain (303), controlled by the microcontroller, that feeds the output stage (304, 271, 271 ') and a detector RMS mean square value (302) connected to the microcontroller (230 ') for the estimation of the average power of said signal that feed the output stage (304, 271, 271 ').
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
diendo:18. Intelligent optical transceiver according to claims 1 to 17, wherein the optical duplexer (9) has a catadioptric reflector tube (161) for receiving the received laser beam (158 ') and transmitting the transmitted laser beam (158); wherein the motorized micrometric guidance apparatus (8) of the catadioptric reflector tube (161) comprises a lifting motor and an azimuth motor for modifying, respectively, the elevation angle? and the azimuth angle? of the catadioptric reflector tube ( 161); and where the receiver (12) is responsible for obtaining the power P r received from the received laser beam (158 '); characterized in that the transceiver (1) comprises a tracking system (13) of polarized laser beams with annular irradiance, said tracking system (13) comprising a control circuit (18) responsible for obtaining the value of the receiving apparatus (12) of the power P r received by it and periodically applying a tracking algorithm, said tracking algorithm comprises
giving:
- --
- inicializar una variable \varepsilon que representa el valor estimado del módulo al cuadrado del gradiente;initialize a variable \ varepsilon which represents the estimated value of the squared module of the gradient;
- --
- iterar mientras \varepsilon > \varepsilon_{min}, siendo \varepsilon_{min} un valor predeterminado, los siguientes pasos:iterate while \ varepsilon> \ varepsilon_ {min}, being \ varepsilon_ {min} a default value, the following Steps:
- \bullet?
- adquirir el valor local de la potencia recibida en la iteración n,acquire the local value of the power received in iteration n,
- \bullet?
- estimar el vector gradiente de potencia \nablaP^{n}_{r} = (\nabla^{n}_{\theta}, \nabla^{n}_{\varphi}) en la posición actual de la iteración n (\theta^{n}_{r} \varphi^{n}_{r}) con respecto a la variación del ángulo de elevación \theta y de acimut \varphi;estimate the power gradient vector \ nabla P n {r} = (\ nabla ^ {n} _ {\ theta}, \ nabla ^ {n} _ {\ varphi}) at the current position of the iteration n (n n n var r) respecto with respect to the variation of the angle of elevation the and of azimuth var;
- \bullet?
- obtener, a partir de dicho vector gradiente de potencia, las variaciones \delta^{n+1}_{\theta} y \delta^{n+1}_{\varphi} en el ángulo de elevación \theta y de acimut \varphi, respectivamente, que hay que realizar desde la posición actual en la iteración n (\theta^{n}_{r} \varphi^{n}_{r}) para aproximarse al máximo de potencia en la siguiente iteración n+1;get, from said power gradient vector, variations δ ^ n + 1} _ {\ theta} and δ ^ n + 1} _ {\ varphi} at the angle of elevation \ theta and azimuth \ varphi, respectively, which must be done from the current position in the iteration n (\ theta ^ {n} _ {r} \ varphi ^ {r}) to approximate the maximum of power in the next iteration n + 1;
- \bullet?
- actuar sobre los motores de elevación y acimut del aparato de guiado (8) para posicionar el duplexor óptico (9) en la posición (\theta^{n}_{r} + \delta^{n+1}_{\theta}, \varphi^{n}_{r} + \delta^{n+1}_{\varphi});act on the engines of lifting and azimuth of the guiding device (8) to position the optical duplexer (9) in position (\ n r + δ ^ n + 1} _ {\ theta}, \ varphi ^ {r} + δ n + 1} ({var));
- \bullet?
- actualizar el valor estimado del módulo al cuadrado del gradiente \varepsilon.update the estimated value of squared module of the gradient.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- --
- adquirir, en la posición actual de la iteración n (\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r}), la potencia recibida P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r});acquire, at the current position of the iteration n ((n} _ {r}, var n} _ {r}), the received power P ^ n {r} (\ theta ^ {n} r, var r);
- --
- actuar sobre los motores de elevación y acimut del aparato de guiado (8) para posicionar el duplexor óptico (9) en las posiciones (\theta^{n}_{r} + h_{\theta}, \varphi^{n}_{r}), (\theta^{n}_{r} - h_{\theta}, \varphi^{n}_{r}), (\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r} + h_{\varphi}) y (\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r} - h_{\varphi}) y adquirir para cada una de dichas posiciones la potencia recibida, siendo respectivamente P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r} + h_{\theta}, \varphi^{n}_{r}), P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r} - h_{\theta}, \varphi^{n}_{r}), P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r} + h_{\varphi}) y P^{n}_{r}(\theta^{n}_{r}, \varphi^{n}_{r} - h_{\varphi}), siendo h_{\theta} y h_{\varphi} unos valores predeterminados.act on the lifting and azimuth motors of the guiding apparatus (8) to position the optical duplexer (9) in the positions (? n} r { h } { h \ {theta}, \ varphi ^ {n } {r}, (the n} r - h _ {the}, var r), (the n), \ varphi ^ {r} + h _ {\ varphi}) and (the n} _ {r}, \ varphi ^ {n} _ {r} - h _ {\ varphi}) and acquiring for each of these positions the received power, being respectively P n {r} (? n} {r} + h _ {theta}, \ varphi ^ {r} }), P n {r} (the n} {r} - h _ {theta}, var n} r, P n} { r} (? n}, {var} + {r} + h _ {\ varphi}) and P n {r} (the n) _ {r}, \ varphi ^ {r} -h _ {\ varphi}), with h _ {\ theta} and h _ {\ varphi} being predetermined values.
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- --
- primeros medios sensores de temperatura (58), encargados de medir la temperatura T_{o} de una primera superficie del objeto (57) a evitar la deposición de vaho;first temperature sensing means (58), responsible for measuring the temperature T o of a first surface of the object (57) to prevent the deposition of mist;
- --
- primeros medios actuadores (59) configurados, cuando están activados, para:first actuator means (59) configured, when activated, to:
- \bullet?
- disminuir la humedad relativa local del aire circundante a la primera superficie del objeto (57); ydecrease relative humidity local air surrounding the first surface of the object (57); Y
- \bullet?
- aumentar la temperatura de dicha primera superficie;increase the temperature of said first surface;
- --
- segundos medios sensores de temperatura (45), encargados de medir la temperatura T_{a} del aire enfrentado a la primera superficie y fuera de la influencia de los primeros medios actuadores (59);second temperature sensing means (45), responsible for measuring the temperature T a of the air facing the first surface and outside the influence of the first actuating means (59);
- --
- primeros medios sensores de humedad relativa del aire (44), encargados de medir la humedad relativa H_{a} del aire enfrentado a la primera superficie y fuera de la influencia de los primeros medios actuadores (59);first air relative humidity sensing means (44), responsible for measuring the relative humidity H a of the air facing the first surface and outside the influence of the first actuating means (59);
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- \bullet?
- obtener de los primeros medios sensores de temperatura (58), segundos medios sensores de temperatura (45) y primeros medios sensores de humedad relativa del aire (44), la temperatura T_{o} de la primera superficie, la temperatura T_{a} del aire y la humedad relativa H_{a} del aire;obtain from the first temperature sensing means (58), second temperature sensing means (45) and first air relative humidity sensing means (44), the temperature T o of the first surface, the temperature T a of the air and the relative humidity H a of the air;
- \bullet?
- calcular, a partir de la temperatura T_{a} del aire y la humedad relativa H_{a} del aire, la temperatura T_{r} de rocío del aire;calculate, from the temperature T a of the air and the relative humidity H a of the air, the temperature T r of the air dew;
- \bullet?
- comparar la temperatura T_{r} de rocío del aire con la temperatura T_{o} de la primera superficie, y activar o no los primeros medios actuadores (59) en función de dicha comparación.compare the dew temperature T r of the air with the temperature T o of the first surface, and activate or not the first actuator means (59) according to said comparison.
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Family Applications (1)
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ES201100409A Active ES2360040B2 (en) | 2011-04-04 | 2011-04-04 | INTELLIGENT OPTICAL TRANSCEIVER IN LASER NOT GUIDED IN FREE SPACE. |
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