Development and applications of sensors based on piezoelectric resonators
- Autores: Javier Toledo Serrano
- Directores de la Tesis: José Luis Sánchez de Rojas Aldavero (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Castilla-La Mancha ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Marta Clement Lorenzo (presid.), Jorge Hernando Garcia (secret.), Tomas Manzaneque García (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias y Tecnologías aplicadas a la Ingeniería Industrial por la Universidad de Castilla-La Mancha
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUIdeRA
- Resumen
La medida y el control de las propiedades físicas de los líquidos es de gran interés en diferentes campos como la industria del automóvil, vitivinícola, aeroespacial, sanitaria o farmacéutica. En el caso de la industria del automóvil, la evaluación en tiempo real de las propiedades del aceite lubricante de un motor es fundamental para determinar su rendimiento.
En la industria del vino, el control en línea de un proceso de fermentación, a través de medidas de densidad, es crucial ya que el procedimiento tradicional seguido por los enólogos para controlar la fermentación del mosto de uva no se encuentra automatizado, no tiene suficiente precisión o solo ha sido probado en muestras discretas de mosto. Además, los métodos experimentales de análisis se basan en instrumentos de un elevado coste y dimensiones.
Por lo que uno de los objetivos de esta tesis es el desarrollo de microestructuras resonantes (MEMS) para la determinación de propiedades reológicas de diferentes líquidos como la densidad y la viscosidad. La determinación de estos parámetros se ha realizado a través de la medida de la frecuencia de resonancia y el factor de calidad de un resonador piezoelectrico.
Este enfoque presenta varias ventajas con respecto a los métodos de análisis reológicos: mediciones en tiempo real, medidas en línea, bajos volúmenes de líquidos, etc.
Para determinar los parámetros de resonancia del resonador piezoelectrico, se ha diseñado un circuito interfaz capaz de reducir los efectos parásitos del resonador para posteriormente incluirlo en un circuito oscilador, ya que este nos permite monitorizar la frecuencia de resonancia en tiempo real y de una forma sencilla. Por esta razón se han analizado diferentes circuitos osciladores: un circuito de lazo de enganche de fase (PLL) basado en instrumentación, una versión más compacta basada en componentes discretos y un PLL basado en el circuito integrado 74HCT4046, mostrando todos ellos una resolución similar. Además se han estudiado diferentes circuitos para realizar medidas en lazo abierto: un circuito de bajo coste basado en análisis transitorio, otro para la medida de la respuesta en función de la frecuencia y un analizador de impedancias.
Otro objetivo clave de esta tesis es la evaluación de un método de calibración de resonadores piezoeléctricos con el objetivo de obtener de forma simultánea la densidad y la viscosidad. Un avanzado modelo de calibración, basado en un desarrollo en serie de Taylor de la función hidrodinámica, se ha establecido como un método adecuado para determinar la densidad y la viscosidad con el menor error de calibración.
Finalmente, se han estudiado otras aplicaciones como la medida de elasticidad de diferentes materiales y la detección de partículas procedentes de un cigarro. Estas aplicaciones también se basaron en circuitos electrónicos similares demostrando la capacidad de estos para ser utilizados en un gran número de aplicaciones.
