Detector Spread Spectrum

21/06/2012 Ing. Sergio G. Bernal

Ensayo detector de metales SS Pgina 1

Detector Spread Spectrum

Introduccin:

El presente trabajo intenta dar una idea del principio de funcionamiento del equipo detector de metales Spred Spectrum planteado como una nueva alternativa de funcionamiento, y los resultados de los primeros ensayos de laboratorio realizados.

Principio de funcionamiento:

El principio de funcionamiento de un equipo de este tipo sera en la base muy similar a un equipo estndar de deteccin por variacin de amplitud y fase de la seal receptora. La diferencia principal radica en que la seal que se inyecta a la transmisora es modulada en fase por un cdigo aleatorio binario, por lo que se tendr un defasaje de 0 cuando el cdigo modulador est en 1 y 180 cuando el cdigo modulador est en 0. El cdigo modulador es un cdigo cclico de una longitud determinada y debe tener caractersticas especiales de correlacin. La frecuencia a la cual se transmiten cada uno de los bits del cdigo (chips) la llamaremos Fch y la frecuencia de la portadora la llamaremos Fosc. A diferencia de un equipo normal que trabaja en una nica frecuencia, este tipo de modulacin genera una dispersin del espectro, por lo que en lugar de existir una nica frecuencia existir infinitas seales superpuestas de diferente frecuencia, concentrndose las principales en torno a la frecuencia de la portadora y en un ancho de banda igual al doble de la frecuencia del cdigo. En el caso ensayado use una portadora de 312KHz y un cdigo de longitud 255 bit a una frecuencia de 26Kbps, por lo que se requiere un ancho de banda de al menos 52KHz en la transmisora y en la receptora. El cdigo completo se transmite en 10ms, de manera que resulte fcil de separar de las seales de los metales El hecho de utilizar un cdigo modulador pseudo-aleatrio permite utilizar una misma frecuencia para todos los equipos sin que estos se interfieran, eligiendo cdigos diferentes para cada equipo. Por otro lado, todo ruido externo que no guarde relacin con el cdigo modulador (ruido lnea, variadores, etc), tambin se ver atenuado ya que presentar una baja correlacin. En resumen el efecto sera similar al del circuito tanque sintonizado solo que en lugar de requerir tener que ajustar los equipos a una frecuencia especfica, la sintona se realizara variando el cdigo.

A2

FFo + FcFoFo - Fc



a) Circuito transmisor

El circuito de la transmisora es igual al que tiene el equipo actual formado por un tanque sintonizado a la frecuencia de osciladora pero se le debe ampliar el ancho de banda a 52KHz. Para ello se coloca en paralelo una resistencia de manera de disminuir el Q del circuito tanque a un valor de Q = 312/52 = 6

Al disminuir el Q, la tensin de la transmisora cae en este caso de 6,8Vpp a 1,4Vpp y se hace mucho menos susceptible a variaciones en el circuito de sintona. La resistencia en el emisor controla la cantidad de corriente inyectada al circuito y por consiguiente la tensin en la transmisora. Se debe notar que la tensin en la transmisora depende de las perdidas en el circuito resonante, siendo preponderante la disipada por la resistencia colocada en paralelo, por lo que la tensin en transmisora tambin ser menos susceptible a variaciones en las prdidas de los componentes del circuito de sintona (perdidas en la bobina y capacitores). El valor de r se calcula como Q/(2*pi*Fosc*C).

b) Circuito receptor

La etapa receptora, al igual que en un equipo clsico, se encuentra formada por 2 bobinas en contrafase dispuestas a ambos lados de la transmisora y sintonizadas formando un tanque paralelo. Al igual que en la transmisora se debe bajar el Q para aumentar el ancho de banda colocando una r en paralelo. En este caso tambin se obtiene una disminucin en la seal de la receptora debido al bajo Q, por lo que la seal en las bobinas ser en este caso unas 28 veces menor que en un equipo normal. Para poder detectar variaciones en amplitud y fase en la receptora se debe desbalancear el sistema de manera que se obtenga una pequea seal sobre la cual medir. Debido al alto grado de atenuacin y el bajo Q del circuito se obtiene una mayor estabilidad frente a variaciones en la sintona pero tambin en el balance del equipo. El punto de trabajo es fijado por unos capacitores y resistencias colocados en una de las bobinas por lo que se ver poco influenciado por las variaciones en las capacidades parsitas de las bobinas o las diferencias constitutivas de las mismas. Por ejemplo, colocando un capacitor de 5pF en paralelo con una bobina simulando un desbalance se tiene una variacin del 66% en la amplitud de la receptora en el equipo prototipo mientras que esa misma carga produce una variacin del 200% en la amplitud de la receptora en un equipo estndar.



c) Procesamiento de la seal

Al pasar un metal por el prtico se produce un desbalance en las bobinas y hace que la seal en la receptora vare en amplitud y/o fase. En un equipo clsico estas variaciones se detectan con un detector de pico con un rectificador y la de fase por un comparador de fase. En el equipo propuesto las dos seales se extraen por correlacin. Para poder determinar los corrimientos en fase y amplitud se debe primero demodular la seal utilizando un cdigo exactamente igual al utilizado en la transmisora, de manera de reconstituir la seal de la osciladora y extraer la informacin de la variacin se amplitud y fase. Para ello la seal receptora se la pasa por dos circuitos correladores que la correlaciona con dos cdigos similares al utilizado en la modulacin solo que desfasado levemente hacia ambos lados, tal como se ver ms adelante

Cada uno de los circuitos correladores consta de una llave que invierte la seal de la receptora dependiendo del cdigo utilizado para demodular, es decir si es 1 no se invierte y si es cero se invierte. El cdigo utilizado ya contiene la convolucin entre el cdigo propiamente dicho y la osciladora. La correlacin se realiza a lo largo de toda la secuencia del cdigo (255 bits) integrando durante ese lapso de tiempo la seal producto de la convolucin. Para ello se emplea un integrador reseteable, donde al inicio de la secuencia del integrador se resetea y al finalizar el perodo de integracin se samplea en un capacitor a travs de una llave. En el equipo prototipo, las seales que comandan las llaves y los cdigos son generados por un microcontrolador.



Osc

Code

Cod Tx

Cod Ret

Cod Adel

Code

S/H

Reset

Integrador

Salida

La funcin transferencia del correlador puede observarse en el siguiente grfico

La salida del correlador depender tanto de la diferencia de fase entre la seal recibida y el cdigo

demodulador como de la amplitud de la seal recibida, pasando por cero en un desfasaje igual a

T/4, siendo T el perodo de la osciladora.

Para poder separar las variaciones de amplitud y de fase, se utilizan 2 correladores, uno con una

secuencia de cdigo adelantada T/8 y la otra con una secuencia retrasada T/8, siendo T el perodo

de la osciladora (1/Fosc).



Realizando la suma o la resta de estas dos seales se puede obtener la variacin de fase y amplitud de manera independiente.

Cod Adel

2*Cod Ret

Cod Adel- Cod Ret

0-T/4 T/4-T/8 T/8

2*Cod Adel

Cod Ret

2*Cod Adel- 2*Cod Ret

Al realizar la resta de los correladores se observa que en el intervalo de variacin de fase de T/8 a

T/8 la salida es proporcional a la variacin de fase, y en el entorno de 0, es independiente de la

variacin de amplitud.

Cabe aclarar que las variaciones producidas por los metales son muy pequeas (menores a

T/1000) por lo que puede ajustarse el punto de trabajo de manera de que se encuentre en el

punto de 0 de desfasaje. Tambin el hecho de ser muy pequeas puede considerarse a las

variaciones como lineales en torno a dicho punto.

Para extraer la informacin de variacin de amplitud se realiza la suma de las dos seales tal como se muestra en el siguiente grfico



Como se puede apreciar la suma de las dos correlaciones es directamente proporcional a la amplitud de la receptora y es independiente de la variacin de fase en el intervalo de T/8 a T/8 Por otro lado las variaciones de amplitud producidas por los metales son muy pequeas y podran considerarse lineales entorno al punto de trabajo elegido.

En el caso de que algn metal o el producto genere una variacin de fase y amplitud al mismo tiempo, la suma ser proporcional a la amplitud pero la resta se ver influenciada por la variacin de amplitud y fase. Esto podra traer deformacin en los vectores por lo que sera conveniente ajustar el punto de trabajo de manera que los productos con mucho efecto como ser quesos, carnes, foil, etc generen una variacin solamente en fase o en amplitud. Ser cuestin de analizar ms adelante los vectores y cual resulta ms conveniente. Tambin podran emplearse tcnicas de correccin digital para linealizar los vectores.

Resultados:

Aun teniendo un circuito resonante con un bajo Q y una intensidad de seal de casi 30 veces menor a la que se tendra con un equipo clsico, fue posible mediante estas tcnicas de correlacin generar seales significativas con metales del orden de los mnimos detectables par un equipo estndar. Probetas de Fe=1.0mm, No-Fe=1.0mm e Inox de 1.8mm generaban seales significativas en un anular 170mm. De todas maneras estos son resultados preliminares ensayados en un prototipo que por la forma en que estaba realizado (experimentor) la influencia del ruido inducido en los componentes era muy grande, en especial ruido de lnea inducido en los componentes. Aun as se poda apreciar con claridad la seal de los vectores, en especial luego de filtrar los ruidos. Por otro lado se pudo obtener la separacin de los vectores de diferentes metales como en un equipo clsico, obtenindose el Ferroso casi a 90 grados del Inoxidable como es aconsejable. La diferencia de ngulo en los vectores es fundamental para poder separar el producto de los metales.

Conclusiones:

Los ensayos realizados con el prototipo demuestra que es factible un tipo de procesamiento con este tipo de tcnicas

Se demostr que de esta manera la variacin del balance y del punto de trabajo frente a variaciones en el circuito de sintona es mucho menor que el equipo clsico, por lo que se espera un equipo mucho ms estable y de caractersticas de funcionamiento ms predecibles. Esto evita que debido a variaciones de temperatura, humedad, envejecimiento, etc. de las bobinas o cualquier otro componente del circuito de sintona los vectores del producto y metales se mantengan, evitando tener que reconfigurar el equipo.

Los niveles de seales son comparables a los de un equipo estndar, queda ver si luego de mejorar el equipo no pueden ser incluso mejores.

Se pudieron obtener diferentes ngulos en funcin del tipo de metal tal como se obtiene en un equipo clsico.

La tcnica de correlacin por integracin en un perodo de tiempo y muestreo permite un mejor filtrado que los filtros pasabajo convencionales por lo que se espera que sea mucho ms inmune a ruidos generados por esttica.



Algunas fotos:

Equipo prototipo

Transmisora



Receptora

Demodulacin cdigo adelantado Demodulacin cdigo retardado

Salida Integrador

Detector Spread Spectrum

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