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Dipartimento di Elettronica e Informazione Applicazioni elettroottiche dedicate per l'industria Michele Norgia Sommario • Misure di vibrazioni: • vibrometro selmix per bilanciatura • vibrometro a triangolazione per saldatori a ultrasuoni • Misure biomedicali: • misuratore di flusso di sangue (self-mixing) • misuratore del flusso di flebo a infusione • Misure meccaniche: • misura del flusso waterjet a 900 m/s • sensore per molatura di turbine (in funzione presso Ansaldo-ENergia) •Applicazioni di largo consumo: • triangolatore dedicato per misura dell'angolo di rollio di moto (testato da Ducati in moto-GP) • chitarra laser (con sensori multipli di distanza a triangolazione) Dipartimento di Elettronica e Informazione PROGETTO E REALIZZAZIONE DI UN VIBROMETRO LASER A LARGA BANDA Dipartimento di Elettronica e Informazione Interferometria a self mixing S0 Sm PD Sorgente Laser, E0 Er s(t) Iph Fattore di retroiniezione: Potenza emessa dal laser: F(Φ) funzione di periodo 2π Dipartimento di Elettronica e Informazione Interferometria a self mixing 0<C≤0.1 retroiniezione molto debole AdÆogni salto di 0.1<C<1 Æ retroiniezione frangia corrisponde debole 1<C<4.6 Æ retroiniezione uno spostamento del moderata C>4.6bersaglio Æ retroiniezione pari a λ/2forte Segnale di comando del bersaglio C=0.01 Dipartimento di Elettronica e Informazione C=0.7 C=3 Principio di funzionamento • Aggancio a metà frangia • • • • Trasduzione lineare del segnale utilizzando la pendenza della frangia Massima dinamica ±λ/4 Pendenza lineare: almeno moderata retroiniezione (C>1) Necessità di un anello di retroazione per operare l’aggancio Dipartimento di Elettronica e Informazione Principio di funzionamento Dipartimento di Elettronica e Informazione Circuito vibrometro Vout Circuito di alimentazione laser Stadio adel transimpedenza • Retroazione interna per controllo • Guadagno: Z=10potenza kΩ • Trimmer per regolazione la potenza • Adattamento in AC Dipartimento di Elettronica e Informazione Circuito vibrometro Circuito di compensazione Ramo chiusura anello di controllo • fp=71.9 kHz regolabile • Trimmerin perAC regolazione guadagno e polo fp • Accoppiamento • Alimentato tra massa e +5 V • Trimmer per regolazione valore @Lf del Gloop Dipartimento di Elettronica e Informazione Comportamento in frequenza Indipendenza, ad alta frequenza, della sensibilità OUT1/Δs dalla distanza s0 s0= 50 cm Dipartimento di Elettronica e Informazione s0= 5 cm s0= 1 m Realizzazione vibrometro • 31 mm x 42 mm Dipartimento di Elettronica e Informazione MISURATORE DI VIBRAZIONI PER SALDATORI A ULTRASUONI Dipartimento di Elettronica e Informazione Ultrasonic welding Welding method particularly suited for non ferrous metals (aluminum) The two elements are compressed and then relatively moved at ultrasonic frequency Advantages: Low working temperature (∼50% of the fusion temperature) Minimum energy consumption Dipartimento di Elettronica e Informazione 13 Vibration Normal force materials Ultrasonic welder under test Welder model “Albatros 20” by STAPLA Ultrasonic Piezo‐actuator, booster and sonostrode Piezo-actuator Sonotrode Nodes Anti-nodes • Oscillation frequency: 20 kHz • Maximum vibration p‐p amplitude: 50 μm Dipartimento di Elettronica e Informazione 14 System requirements 15 The required instrument should measure istantaneous vibration amplitude and frequency, in order to control the correct welder working • High bandwidth (B > 100 kHz) • High resolution (Δx < 1 µm) • Low measurement range (∼1 mm) • Low cost (< 100 $) • Compactness (few cm) Dipartimento di Elettronica e Informazione Measurement technique Interferometry 16 A custom‐made low‐cost self mixing interferometer has been s developed LASER MONITOR PD REMOTE TARGET Very difficult to develop a low-cost acquisition and elaboration system Interferometric signal Dipartimento di Elettronica e Informazione Reconstructed displacement Measurement technique Optical triangulator – working principle 17 The target distance L is measured by the position x of the spot on the photodetector : L Laser ΔL A D Target frec B x Δx Photodetector: PSD or linear CCD Dipartimento di Elettronica e Informazione Measurement technique Optical triangulator - PSD 18 PSD (Position Sensitive Detector) Made by a photodiode with two anode contacts and high resistance. Low-cost analog device, with a good linearity. Optical beam Ir L x Il Iph Dipartimento di Elettronica e Informazione The two photo-generated currents depend on the optical spot position Measurement technique Optical triangulator - Project 19 Problems: • Typical triangulator are pulsed (few kHz), in order to cancel ambient light contribution (by a high-pass filtering) Difficult to find 100 kHz bandwidth • Resolution Δx < 1 µm • Low cost (< 100 $) Solutions: • No need for pulsed modulation: the signal itself is at high frequency (20 kHz) Easy to reach 100 kHz bandwidth • Custom geometrical project • Analog elaboration and a simple low-frequency microcontroller Dipartimento di Elettronica e Informazione Measurement technique Optical triangulator – Block Scheme 20 PSD Double Trans‐impedance amplifier Sum and difference circuits Analog divider LED indicators HP filter Microcontroller Peak measurement Display Analog output Dipartimento di Elettronica e Informazione Measurement technique Optical triangulator – First prototype Dipartimento di Elettronica e Informazione 21 Measurement technique Optical triangulator – Characterization 22 Static characterization: good linearity over a range ±0.5 mm Vout [V] y = 0,0117x 0,4 0,347 0,3 0,287 Sensitivity 0,230 0,2 0,174 0,115 0,1 0,065 0,0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 -0,004 0 -0,071 -0,113 -0,1 5 10 15 20 30 35 Spostamento [ μm] Displacement -0,168 -0,2 -0,243 -0,301 25 -0,3 -0,355 -0,4 Dipartimento di Elettronica e Informazione Resolution Δx ≅ 0.5 µm Measurement results Vibration measurement 23 Pre‐burst time Sonotrode separation 40 20 -20 -40 -60 -80 5 -100 0 -120 0 0.5 1 1.5 Time [s] Amplitude [μm] Amplitude [μm] 0 Sonotrode fall -5 -10 2 2.5 -15 -20 -25 -30 1.0499 Dipartimento di Elettronica e Informazione 1.05 1.0501 1.0502 1.0503 1.0504 Time [s] Measurement results Example of non-correct welding Amplitude decreased during the welding process Dipartimento di Elettronica e Informazione 24 Conclusions 25 • The realized optical triangulator has demonstrated the requested performances: • High bandwidth (B = 150 kHz) • High resolution (Δx ≅ 1 µm) • 1 mm measurement range • Low cost (about 50 $) • Compactness (few cm) • Available outputs : • display (frequency and amplitude) • Analog displacement • Serial communication (RS‐232) Future development: • Realization of an engineered instrument • Application of the instrument for the real‐time welder control Dipartimento di Elettronica e Informazione Dipartimento di Elettronica e Informazione Optical Flowmeter for Blood Extracorporeal Circulators Michele Norgia, Alessandro Pesatori : Politecnico of Milano Luigi Rovati: University of Modena and Reggio Emilia Objectives • Laser based sensor • Low cost • Simple implementation • Good accuracy (∼2%) • Wide range of measurement (till to 0.4 m/s) • Measurements of velocities in different media (blood, water, milk, etc…) Dipartimento di Elettronica e Informazione State of art 4/18 Doppler effect based sensors (ultrasonic sensors) Sensible to thermal dilatation and vibration Mechanical mounting complexity Time of flight based sensors (ultrasonic sensors) Tube must be always filled of fluid Not always good accuracy High cost of calibration for different media Dipartimento di Elettronica e Informazione Measurement principle 8/18 Self-mixing interferometry: Doppler shift for displacement in laser direction. Interferometric signal shows this behavoiur: s(t) = sin(2kvt) 2ks = 2π 2 (2π/λ) (v sin(α)) = 2πf Interferences fringes λ 1 v =f ⋅ ⋅ 2 sin(α ) Dipartimento di Elettronica e Informazione Flow = v × Area Setup design 9/18 Self-mixing interferometer setup: LENS 1 f = 8 mm MONITOR PHOTODIODE LENS 2 f = 8 mm α LASER DIODE 8 mm flux 8 mm Laser and photodiode Electronic scheme Two lenses focalization setup Dipartimento di Elettronica e Informazione vm = vf × sin(α) Transimpedance amplifier Setup design peristaltic pump (max v = 45 cm/s) 10/18 intralipid filled tube Dipartimento di Elettronica e Informazione interferometer Experimental results 11/18 Spectra measurements acquired for fluid (Intralipid) at different velocities (α = 25°) -35 stop 11 cm/s 17.5 cm/s 21 cm/s 31.5 cm/s 37.5 cm/s 45 cm/s -40 Amplitude [dBm] -45 -50 -55 -60 -65 -70 -75 0 200 400 600 800 Frequency [kHz] Dipartimento di Elettronica e Informazione 1000 1200 Setup design Doppler spectrum → PDF of the velocity distribution ∞ ∫ p( f ) fdf ∑S( f ) f f= ≅ ∑S( f ) p ( f ) df ∫ 0 ∞ 0 Implementation of weighted filters: Photodiode signal High pass Low pass Band pass Band pass - Bank of filters 10 kHz 80 kHz 180 kHz 400 kHz Estimated frequency Dipartimento di Elettronica e Informazione Flow calculation Experimental results 16/18 Measured velocities on Intralipid with weighted analog filters 50 45 A1 ⋅V12 ⋅ f1 + A2 ⋅V22 ⋅ f 2 + A3 ⋅V32 ⋅ f3 + A4 ⋅V42 ⋅ f 4 f = V12 +V22 +V32 +V42 Measured Velocity [cm/s] 40 35 30 25 λ 1 v =f ⋅ ⋅ 2 sin(α ) 20 15 10 10 15 20 25 30 35 Real Velocity [cm/s] 40 45 50 A1, A2, A3, A4 parameters calculated after calibration Dipartimento di Elettronica e Informazione Conclusions 18/18 Conclusions •An optical flowmeter was designed and realized and experimentally tested •The instrument is capable of measure every type of liquid calibrating weighting values •Accuracy of measurement of 2% over a dynamic of measurement till 0.4 m/s •Very low cost implementation Future development •Analog filters and velocity calculation will be implemented digitally in a DSP system with bubble detection feature Dipartimento di Elettronica e Informazione MISURATORE VOLUMETRICO PER FLEBOCLISI Dipartimento di Elettronica e Informazione Tesi di Laurea di Simone SUARIA matr. 708556 Tecniche di infusione • • Sistemi di pompaggio Infusione per gravità morsetto diversità delle gocce • velocità, temperatura, viscosità, peso specifico Sistema di infusione che coniughi semplicità di regolazione, costi contenuti ed elevata precisione. Dipartimento di Elettronica e Informazione Stima del volume: analisi teorica variazione intensità luminosa raggio del cilindro velocità di caduta altezza del cilindro Dipartimento di Elettronica e Informazione Sistema di lenti Singolo fascio, due barriere luminose barriera meccanica sui fotodiodi Dipartimento di Elettronica e Informazione Circuito di rilevazione fHPF = 200 Hz GOPA = 4 Dipartimento di Elettronica e Informazione Tensioni rilevate 2.4 2.2 tensione (V) 2 1.8 1.6 1.4 ΔT 1.2 0 5 OUT 1 OUT 2 10 15 tempo (ms) Dipartimento di Elettronica e Informazione 20 25 Oscuramento 7 raggio della goccia (mm) 6 5 4 3 2 1 0 oscuramento percentuale 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 oscuramento percentuale r = f(oscuramento%) Dipartimento di Elettronica e Informazione 0.7 0.8 0.9 1 Stima della velocita’ • Prima stima: goccia ~ corpo rigido 1 25 0.95 Stima del volume 0.9 0.85 Velocità media su cui effettuare integrazione 20 s (mm) 15 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 10 0.35 0.3 0.25 0.2 5 0.15 0.1 Stima della velocità 0.05 0 0 0 V reale V misurata Appr. lineare 0 0.05 0.1 0.01 0.15 0.2 0.25 0.3 0.02 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 Velocità misurata (m/s) 0.03 0.04 0.65 dipendenza da lG t(s) Dipartimento di Elettronica e Informazione 0.7 0.75 0.05 0.8 0.85 0.9 0.06 0.95 1 0.07 Stima della velocita’ • Seconda stima: goccia ~ particelle scorrelate v[0] = vmis v[i] = vmis + gt[i] • Algoritmo implementato v’[i] = v[i] • C C = 0.6 ~ 0.8 h[i] = v’[i] • dt Dipartimento di Elettronica e Informazione Programma LabVIEW Dipartimento di Elettronica e Informazione Prototipo realizzato e taratura CT = 0.94 Dipartimento di Elettronica e Informazione Distribuzione misure 1ml 30 frequenza di ripetizione 25 μ1 = 1.01 ml σ1 = 0.04 ml N = 100 20 15 10 5 0 0.8 0.85 0.9 0.95 1 volume stimato (ml) CT‘ = 0.93 Dipartimento di Elettronica e Informazione 1.05 1.1 1.15 1.2 Distribuzione misure 2 ml 20 18 μ2 = 2.00 ml σ2 = 0.05 ml N = 50 16 frequenza di ripetizione 14 12 10 8 6 4 2 0 1.9 1.95 2 volume stimato (ml) 2.05 limite urel = 1% per V > 10 ml Dipartimento di Elettronica e Informazione 2.1 Conclusioni • Principio di funzionamento semplice • Rispettate le specifiche di progetto Accuratezza minore 5% Costo contenuto: circa 5 € • Ipotizzato funzionamento con gocciolatore in plastica lo strumento di misura realizzato è in grado di competere, in termini di prestazioni e accuratezza, con gli strumenti di infusione farmacologica attualmente presenti sul mercato. Dipartimento di Elettronica e Informazione MISURAZIONE DI VELOCITÀ DI APPARATI WATERJET MEDIANTE TECNICHE DI LASER DOPPLER VELOCIMETRY Dipartimento di Elettronica e Informazione L’IMPIANTO DI TAGLIO WATERJET TRAMOGGIA ABRASIVO ACCUMULATORE INTENSIFICATORE TESTA DI TAGLIO TRATTAMENTO ACQUA Componenti principali: WATERJET: Tecnologia che permette tramite getto ad alta velocità il taglio e la lavorazione di diverse tipologie di materiali. Impianto di trattamento dell’acqua Sistema di intensificazione della pressione Accumulatore Tubazioni dell’alta pressione Testa di taglio Sistema di adduzione dell’abrasivo Dipartimento di Elettronica e Informazione IL SISTEMA DI MISURA LASER DOPPLER VELOCIMETRY Parametri costanti: Distanza getto d’acqua - beamsplitter L Distanza specchio - beamsplitter s Lunghezza d’onda del laser λ Dipartimento di Elettronica e Informazione IL SISTEMA DI MISURA LASER DOPPLER VELOCIMETRY Componenti del sistema di misura Laser Doppler Velocimetry: FotodiodoeGPIB Interfaccia Oscilloscopio Lente - USB - B Specchio Laser beamsplitter Dipartimento di Elettronica e Informazione IL SISTEMA DI MISURA LASER DOPPLER VELOCIMETRY Frange: piani orizzontali luogo dei punti in cui i due fasci si sommano tra loro con interferenza costruttiva. λ⋅L f ⋅D 6 velocità del d’acqua vale: V = D vale: D ≅ ⋅ 10 = 0,05 mm [ m/s ] La distanza tra getto le frange d’interferenza −3 s 10 dove: dove: D = distanza tra le frange [mm] nota λ = 787,5 nm lunghezza d’onda laser f = frequenza di attraversamento delle frange [MHz] acquisita L = 2250 mm distanza getto - beamsplitter s = 35 mm distanza specchio - beamsplitter Dipartimento di Elettronica e Informazione LE PARTICELLE DI SCATTER ED IL SEGNALE ACQUISITO Generazione del segnale affidata al fenomeno di scattering (formazione di • In frequenza, qualora un su muovano segnale luminoso) le particelle ’attraversamento delle frange. tutte a all velocit à v, il • Il singolo profilo del segnale segnale siè presenta come un ancora gaussiano seno modulato da una •gaussiana La risoluzione migliora con il numero delle • Il attraversate segnale frange complessivo è la •somma Particelledeicentrali le singoli pi ù idonee acongenerare sommati fasi un buon segnale casuali Dipartimento di Elettronica e Informazione CIRCUITI ELETTRONICI PER LA FOTORIVELAZIONE Il segnale in uscita transimpedenza: dal • Necessita di amplificazione in quanto troppo debole per essere elaborato correttamente • Richiede un filtraggio per impedire al rumore a bassa frequenza di divergere 56 Dipartimento di Elettronica e Informazione ANALISI DELLE MISURE SPERIMENTALI Obiettivi: RICERCA DELLA CURVA MATEMATICA CHE DESCRIVE I DATI SPERIMENTALI (fitting) CONFRONTO FRA LE CURVE DI REGRESSIONE CON E SENZA FILTRAGGIO 57 Dipartimento di Elettronica e Informazione ANALISI DELLE MISURE SPERIMENTALI Curva di regressione Lorentziana su ugello SP • • • A pressione minima (100MPa) la distribuzione Lorentziana ben si addice ai risultati della misura Simmetria nell’intorno del picco Valida approssimazione cilindrica del getto Minima dispersione delle particelle d’acqua più esterne per attrito con l’aria SPECIAL 15mm 100MPa -60 -70 -80 Amplitude [dB] • -90 -100 -110 -120 5 10 15 Frequency [Mhz] 20 58 Dipartimento di Elettronica e Informazione 25 ANALISI DELLE MISURE SPERIMENTALI Curva di regressione Gaussiana su ugello SP • • Allargamento Gaussiano dovuto alla strumentazione elettronica di misura (attraversamento di un numero limitato di frange) Curva Gaussiana segue i dati sperimentali solo nell’intorno del picco Allargamento Lorentziano proprio del sistema WaterJet SPECIAL 15mm 100MPa - Gaussian Fitting -60 -65 -70 -75 Amplitude [dB] • -80 -85 -90 -95 -100 -105 -110 -115 2 4 6 8 10 12 Frequency [Mhz] 14 59 Dipartimento di Elettronica e Informazione 16 18 20 MISURA CON WEBCAM DELLA DISTANZA FRA LE FRANGE Risultati dell’analisi con webcam • • Grafico dell’andamento dell’intensità luminosa su una linea verticale dell’immagine Il programma cerca le frequenze di interesse, ne fa la trasformata ed estrae il valore più ripetuto Infine tramite trigonometria si risale alla distanza cercata (51μm) FFT didiuna intensità unariga rigaverticale verticale 180 7000 160 6000 140 intensità luminosa modulo intensità • Dipartimento di Elettronica e Informazione 5000 120 4000 100 3000 80 2000 60 1000 40 0 00 50 100 0.005 150 200 300 0.01 250 0.015 n° pixel frequenza spaziale 350 400 0.02 450 0.025 500 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI Conclusioni • • • • Il sistema produce risultati ripetibili e stabili Il sistema presenta una buona riproducibilità delle misure Incertezza teorica molto piccola Velocità ricavata inferiore a quella teorica sebbene ne rispecchi l’andamento Dipartimento di Elettronica e Informazione Prospettive future Sistema robusto e stabile ma ulteriori migliorie potrebbero coinvolgere: • Il sistema di generazione dei fasci (utilizzo di laser più potenti) • Una elettronica di ricezione più sensibile Tuttora in svolgimento lo studio teorico delle analogie fra allargamento Lorentziano della distribuzione di velocità e natura 61 fisica del getto 62 Dipartimento di Elettronica e Informazione Dipartimento di Elettronica e Informazione Optical Instrument for Real Time Monitoring of Steam Turbine Grinding Alessandro Pesatori Michele Norgia Cesare Svelto STEAM TURBINE Numeric control Palette radial length measurement Mechanical translator Grinder Length 13 m Diameter 4 m turbogas turbine Dipartimento di Elettronica e Informazione OBJECTIVES Measurements requirements from Ansaldo ENergia: • Relatively quick measurement • Real-time measurement during grinding process •Different shape and material palette measurement • Measurement accuracy of 20 μm • High repeatability • Allowing measurement while turbine rotating at 10 round/min Dipartimento di Elettronica e Informazione Measurement technique choice laser optical beam mechanical translator turbine electronic interface palette four quadrant photodiode System block diagram Dipartimento di Elettronica e Informazione worker Working principles Palette Sout (V) Optical barrier direction of work Minimum uncertainty point Four qudrant photodiode Position (µm) costant Dipartimento di Elettronica e Informazione Mechanical project Mechanical structure realized Dipartimento di Elettronica e Informazione OBJECTIVES • Mechanical requirements: • High stiffness structure Precision mechanical translator • Aerodynamic and not vibrating due to palette rotation • Weight inferior to 2,5 kg Measurement system • Compatibility with precision mechanical translator Dipartimento di Elettronica e Informazione Feeler pin Electronic project Readout electronic from four quadrant photodiode Laser diode Trans-impedance Four quadrant photodiode Dipartimento di Elettronica e Informazione Circuit realized Electronic project Electronic elaboration manage four quadrant signal and activate the mechanical arm stop command in turbine machine PLC Back panel of electronic elaboration that interface SAFOP PLC + AL 4PD IN - Diagnostic OUT + SP - WAR + - LEV + - Dipartimento di Elettronica e Informazione /LEV + - CAB + - SYNC + - POWER MAX 10W Line voltage range AC 220-240 ~ Preliminary results System transfer function and error Accuracy lower then 2 µm over 50 µm (estimated over 100 points for measurement) Dipartimento di Elettronica e Informazione Results at Ansaldo Dipartimento di Elettronica e Informazione Results at Ansaldo Measurements done real-time at Ansaldo ENergia 1.1 200 0 0.8 -200 0.7 0.6 0 -50 displacement (um) 0.9 displacement (um) voltage (V) 1 -400 -600 0.5 -100 -150 -200 1.08 1.09 -800 1.1 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 time (min) -250 -1000 0 0.5 1.06 1.07 1 1.08 1.09 1.11 1.5 1.1 2 time (min) time (min) Dipartimento di Elettronica e Informazione 1.12 1.13 2.5 1.14 Results at Ansaldo Conclusions •An optical barrier was designed and realized For palette radial measurement •The instrument is capable of measure every type (shape and material) palette •Accuracy of measurement of 10 μm over a range of 450 μm dominated by mechanical arm error •Repeatability of 5 μm Future development An automated system through Pc will be realized in order to obtain a more accurate control of process Dipartimento di Elettronica e Informazione Dipartimento di Elettronica e Informazione Characterization of Optical Sensors for Real-Time Measurement of Motorcycle Tilt Angles Michele Norgia Cesare Svelto Ivo Boniolo Mara Tanelli Sergio Savaresi Motorcycle attitude roll-pitch-yaw angles 77 In a motorcycle, the attitude is described referring to a moving frame centred in the vehicle center of mass G. The attitude of the vehicle is represented by the roll-pitchyaw angles: •the roll angle φ measures the rotation around the x axis •the pitch angle θ that around the y axis •the yaw angle ψ that around the z axis Dipartimento di Elettronica e Informazione Measurement system 78 Roll and pitch angle measurement by distance measurement - 1 PITCH Measurement points ROLL Three measurement points are enough for calculating the roll and pitch angles Dipartimento di Elettronica e Informazione Measurement system 79 Roll and pitch angle measurement by distance measurement - 2 θ Y φ d1 = H 0 + L/ 2 ⋅ tan (ϕ ) X d 2 = H 0 − L/ 2 ⋅ tan (ϕ ) ⎛ d1 − d 2 ⎞ ϕ = arctan ⎜ ⎟ ⎝ L ⎠ Dipartimento di Elettronica e Informazione Measurement system Low-cost optical triangulator - 1 For this specific application, the best solution seems to be an optical triangulator, also available at very low cost. 80 Linear CCD or PSD A B TARGET • Very small • Low cost • Low weight: <10 g • Variable range depending on the mounting conditions • Not-high performances Dipartimento di Elettronica e Informazione B A OPTICAL SOURCE Measurement system Low-cost optical triangulator - 2 Static calibration curve To avoid ambient light disturbances, the optical source is pulsed at 1 kHz 10% duty cycle Δd ≅ 1 mm Output Voltage [V] 81 Δd ≅ 1 cm Target Distance [cm] Dipartimento di Elettronica e Informazione • • • • • • • Vin: 5 V Iin: 30 mA Vout: 0.5 – 2.8 V Range: 5 – 80 cm Resolution 20 mV Delay time: 40 ms Poptical: 0.5 mW average Measurement system Measurement accuracy 82 The mounting parameters H0 and L should be determined so to minimize the uncertainty in the measurement. Andamento incertezza di rollio con parametri ottimi Roll angle accuracy < 1° Pitch angle < 0.2° Andamento incertezza accuracy di beccheggio con parametri ottimi 0.2 0.18 0.8 Pitch uncertainty [°] Roll uncertainty [°] 1 0.6 0.4 0.2 60 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 60 10 40 5 20 Roll angle [°] -5 5 20 0 0 10 40 Pitch angle [°] Dipartimento di Elettronica e Informazione Roll angle [°] 0 0 -5 Pitch angle [°] Trial sessions Sensors mounting 83 Sensors with range 5-50cm under the keel Sensors with range 12-100 cm Dipartimento di Elettronica e Informazione Trial sessions Acquired signals 84 • Some problems appear at high motorcycle speed with solar lighting. • A significant optical interference phenomenon exists, due to a combination of high vehicle speed and strong solar lighting, but also depending on the asphalt roughness. 30 Solar ligth - 10 km/h 0 5 10 15 20 Time [s] 25 30 30 35 40 Distance [cm] 20 10 Shadow - 70 km/h 25 20 15 10 20 10 0 5 10 Time [s] 15 20 35 0 5 10 15 20 Time [s] 25 30 30 35 40 Solar ligth - 70 km/h 20 10 Solar ligth - High roughness - 70 km/h 30 Distance [cm] Distance [cm] Distance [cm] Distance [cm] 35 0 5 10 15 20 Time [s] 25 30 35 40 Dipartimento di Elettronica e Informazione Solar ligth - Low roughness - 70 km/h 30 25 20 15 10 0 5 10 Time [s] 15 20 Trial sessions Asphalt roughness measurement 85 Asphalt profilometry measured by means of a high precision optical laser sensor, in a test carried out at constant vehicle speed v=3 km/h 1 20 high frequency optical disturbances 15 10 0.5 1 0 10 20 25 Time [s] 50 0 40 1 km/h 0.5 0 0 500 1000 1500 Frequency [Hz] 2000 2500 PSD magnitude 1 30 -0.5 20 10 0 5 10 15 15 20 25 30 Horizontal distance [cm] 20 35 40 15 km/h 0.5 0 25 Time [s] Dipartimento di Elettronica e Informazione 0 500 1000 1500 Frequency [Hz] 2000 2500 1 PSD magnitude Distance [cm] 15 PSD magnitude 5 Roughness [cm] Speed [km/h] 25 50 km/h 0.5 0 0 500 1000 1500 Frequency [Hz] 2000 2500 Low-cost optical solution 86 PROBLEM SOLUTION: increase signal-to-noise ratio, without increasing cost and complexity •LASER emitter (in substitution to the LED, directly supplied by a current shunt) • → signal power increased of a factor 50 •Optical low-cost plastic filter (attenuating visible light) • → disturb power divided by a factor 5 Dipartimento di Elettronica e Informazione Measurement system Block scheme of the elaboration algorithm Distance OUTLIERS ELIMINATION Voltage measured (RAW) Non linear filtering Data processing for spikes avoiding 87 Attitude Angle Distance FILTERED Linear filtering 15 Hz filtering stage for noise reduction Dipartimento di Elettronica e Informazione Attitude angles measurement Computation of the roll angle Measurements on urban road Algorithm test 88 40 Roll angle - RAW Roll angle - NL FILTER Roll- angle - RAW Roll angle L FILTER Roll angle - NL FILTER Roll angle - L FILTER 40 30 30 20 20 10 0 A ngle [°] Angle [°] 10 0 -10 -10 -20 -20 -30 -40 -30 0 20 -40 0 40 5 60 80 10 100 15 Time [s] Dipartimento di Elettronica e Informazione 120 20 Time [s] 140 25 160 30 180 35 200 40 Measurement on a racetrack (Misano, Italy) Reconstruction of one lap 89 The signal on the racetrack asphalt is very good, even for speed of 300 km/h! Curve number 1 3 4 8 9 10 11 60 Roll Angle 40 8 6 5 20 9 7 Angle [°] 4 13 3 2 12 1 6 0 -20 10 -40 11 -60 Dipartimento di Elettronica e Informazione 0 10 2 20 30 5 40 7 50 60 Time [s] 70 80 90 100 12 13 110 Measurement on a racetrack (Misano, Italy) Reconstruction of seven laps 90 60 Giro 1 Giro 2 Giro 3 Giro 4 Giro 5 Giro 6 Giro 7 40 Angle [°] 20 0 -20 -40 -60 0 10 20 30 40 50 60 Time [s] Dipartimento di Elettronica e Informazione 70 80 90 100 110 Measurement on a racetrack (Qatar) Reconstruction of ten laps 91 The wear and tear on tires (at the last laps) 80 60 40 Angle [°] 20 0 -20 -40 -60 -80 40 60 80 100 Time [s] Dipartimento di Elettronica e Informazione 120 140 160 92 Dipartimento di Elettronica e Informazione 93 Dipartimento di Elettronica e Informazione Dipartimento di Elettronica e Informazione Optical Instrument for Real-Time Guitar Measurements Michele Norgia Measuring the fingers position Dipartimento di Elettronica e Informazione 95 Measurement technique Optical triangulator – working principle 96 The target distance L is measured by the position x of the spot on the photodetector : L Laser ΔL A D Target frec B x Δx Photodetector: PSD Dipartimento di Elettronica e Informazione Evaluation of a single triangulator range 97 as a function of the distance between the laser and the PSD The distance range is calculated by the Signal to Noise ratio and the geometry, in order to reach a resolution of 1 mm (blue), 2 mm (green) or 3 mm (black). (black) The PSD dimension is 3.5 mm. The distance between the lens and the PSD (equal to the focal lens) is 2 or 3 cm. The calculation is based on some assumptions on the laser power, finger reflectivity, electronic and PSD noise, with 10 averages for each measurement (pulses freq. 60 kHz ), considering the worst-case. WORST-CASE CALCULATION 100 100 Focal length 2 cm 80 80 70 70 60 60 50 40 30 50 40 30 20 20 Res=1mm Res=2mm Res=3mm 10 0 Focal length 3 cm 90 Distance [cm] Distance [cm] 90 1 2 3 4 5 Triangulator Arm [cm] 6 Res=1mm Res=2mm Res=3mm 10 7 Dipartimento di Elettronica e Informazione 0 1 2 3 4 5 Triangulator Arm [cm] 6 7 Design of the multiple laser-receiver system 98 4 Detectors Position Sensing Detectors 3.5 cm Alternatively pulsed laser beams 3 cm 4 cm 3.5 cm Legend: yellow - good measurement blue – no measurement black – not useful (triangulator arm too short) Dipartimento di Elettronica e Informazione Finger Examples of critical cords 99 Legend: Dipartimento di Elettronica e Informazione yellow - good measurement blue – no measurement black – not useful (triangulator arm too short) Test of the measurement technique First design Electronic reading circuit DAQ card Electronic supply Dipartimento di Elettronica e Informazione 100 Electronic circuits Laser pulsed supply Dipartimento di Elettronica e Informazione 101 Electronic reading circuit Data Acquisition: LabVIEW program 102 Calibration coefficients Acquired signals: Sum and Difference Calculated Finger Distance Dipartimento di Elettronica e Informazione Proof of concept: mechanical realization 103 lens Electronic reading circuit LASER Dipartimento di Elettronica e Informazione Proof of concept: performance characterization on the guitar 104 70 Analytical model: D= Distance [cm] 60 1 c1 + c2 S + c3 S 2 + c4 S 3 50 40 30 D = finger distance 20 -0.8 S = PSD output 2 -0.6 -0.4 -0.2 0 Out PSD 0.2 0.4 0.6 0.8 Error [mm] 1 0 -1 -2 -3 20 Model error Standard deviation 30 Dipartimento di Elettronica e Informazione 40 50 Distance [cm] 60 70 Proof of concept: real-time MIDI output Distance acquired in real-time (10 measurements/second) converted in a MIDI output SOUND Dipartimento di Elettronica e Informazione 105 Conclusion 106 The realized proof of concept, with 1 string measurement, exhibits: • Resolution <1 mm (limited by noise and disturbances) • Absolute accuracy <3 mm (limited only by the mechanical stability of the first prototype) • Speed 10 meas./second: real-time sound • • • (limited by PC acquisition and elaboration time) Optical laser power 0.5 mW Laser wavelength 980 nm (infrared) Battery operation Dipartimento di Elettronica e Informazione Final Design Dipartimento di Elettronica e Informazione