Diseño e implementación de sensores y lectores IoT para la caracterización dieléctrica y la detección de espesores

En los últimos años se han reportado multitud de sensores pasivos trabajando en el rango de microondas o radiofrecuencia. Estos sensores son capaces de medir todo tipo de magnitudes. Por este motivo, su uso se extiende a aplicaciones tan variadas como la medida de la velocidad, el desplazamiento angular, la biomedicina, la detección de gases, la detección de espesores o la medida de la temperatura y humedad, entre otras. En la actualidad, existe una gran demanda de desarrollar sensores baratos y, a ser posible, inalámbricos. Los sensores electromagnéticos pasivos parecen buenos candidatos para conseguir estos requisitos. En concreto, en esta tesis doctoral se han diseñado varios sensores basados en Split Ring Resonators (SRR, por sus siglas del inglés). Estos, han sido diseñados para realizar la caracterización de la permitividad dieléctrica de materiales sólidos y líquidos. Además, también pueden ser utilizados como sensores para medir espesores de materiales delgados. La caracterización de la permitividad dieléctrica de materiales resulta una aplicación interesante en muchas industrias. Por un lado, en el caso de los sólidos es útil, por ejemplo, para certificar controles de calidad de materiales formados por láminas delgadas. Por otro lado, en el caso de los líquidos, resultan útiles para realizar la caracterización de aceites, disolventes o disoluciones binarias. Además, se podrían llegar a inferir ciertas propiedades de los líquidos (la densidad, por ejemplo) relacionándolas con la respuesta obtenida en cada caso. El principal problema reside en la lectura de las medidas de los sensores, ya que los datos de estos sensores se obtienen mediante herramientas o equipos de laboratorio caros y difíciles de manejar, necesitando disponer de personal cualificado para poder utilizarlos. Por este motivo, en esta tesis doctoral se propone el desarrollo de un sistema de lectura para sensores pasivos completamente funcional, inalámbrico e integrado con el Internet de las Cosas (IoT, por sus siglas del inglés, Internet of Things). Finalmente, después de demostrar que los sensores diseñados son perfectamente válidos para las aplicaciones propuestas, se ha realizado la implementación del sistema completo. Para lograr un sistema completamente funcional, se ha propuesto un esquema de lector basado en capas. Cada una de estas capas ha sido diseñada y fabricada durante la realización de esta tesis doctoral. En primer lugar, se ha diseñado la capa de enlace, la cual puede ser cableada o radiante de largo o corto alcance, dependiendo de la aplicación. En esta tesis se muestran ejemplos de los tres sistemas. En segundo lugar, se ha diseñado la interfaz de radiofrecuencia, encargada tanto de generar la señal de interrogación necesaria para leer la respuesta del sensor, como de detectar la señal reflejada. A continuación, se ha utilizado un mini-ordenador para realizar la digitalización de la señal recibida del sensor. Este mini-ordenador está dotado con funcionalidades IoT, pudiendo enviar la información del sensor a través de Internet. Finalmente, se ha diseñado la unidad de potencia, necesaria para alimentar a cada una de las capas activas. Después de comprobar el correcto funcionamiento de cada una de las capas por separado, se han ensamblado para realizar un conjunto de medidas, demostrando la viabilidad del sistema. Las medidas realizadas presentan un error muy pequeño en comparación con la caracterización obtenida mediante kits de instrumentación comerciales.En els últims anys s'han reportat multitud de sensors passius treballant en el rang de microones o radiofreqüència. Aquests sensors són capaços de mesurar tot tipus de magnituds. Per aquest motiu, el seu ús s'estén a aplicacions tan diverses com la mesura de la velocitat, el desplaçament angular, la biomedicina, la detecció de gasos, la detecció d'espessors o la mesura de la temperatura i humitat, entre d'altres. En l'actualitat, hi ha una gran demanda per desenvolupar sensors barats i, a ser possible, inalàmbrics. Els sensors electromagnètics passius semblen ser uns bons candidats per aconseguir aquests requisits. En concret, en aquesta tesi doctoral s'han dissenyat diversos sensors basats en SRRs. Aquests, han estat dissenyats per a realitzar la caracteritzaci ó de la permitivitat dielèctrica de materials sòlids i líquids. A més, també es poden utilitzar com a sensors per mesurar gruixos de materials prims. La caracterització de la permitivitat dielèctrica de materials resulta una aplicació interessant en moltes indústries. D'una banda, en el cas dels sòlids és útil, per exemple, per certificar controls de qualitat de materials formats per làmines primes. D'altra banda, en el cas dels líquids, resulten útils per realitzar la caracteritzaci ó d'olis, dissolvents o dissolucions binàries. A més, es podrien arribar a inferir certes propietats dels líquids (la densistat, per exemple) relacionant-les amb la resposta obtinguda en cada cas. El principal problema rau en la lectura de les mesures dels sensors, ja que les dades d'aquests sensors s'obtenen mitjançant eines o equips de laboratori cars i difícils de fer ser, necessitant disposar de personal qualificat per poder utilitzar-los. Per aquest motiu, en aquesta tesi doctoral es proposa el desenvolupament d'un sistema de lectura per a sensors passius completament funcional, inalàmbric i integrat amb l'Internet de les Coses. Finalment, després de demostrar que els sensors dissenyats són perfectament vàlids per a les aplicacions propostes, s'ha realitzat la implementació del sistema complet. Per aconseguir un sistema completament funcional, s'ha proposat un esquema de lector basat en capes. Cadascuna d'aquestes capes ha estat dissenyada i fabricada durant la realització d'aquesta tesi doctoral. En primer lloc, s'ha dissenyat la capa d'enllaç, la qual pot ser cablejada o radiant de llarg o curt abast, depenent de l'aplicació. En aquesta tesi es mostren exemples dels tres sistemes. En segon lloc, s'ha dissenyat la interfície de radiofreqüència, encarregada tant de generar el senyal d'interrogació necessària per llegir la resposta del sensor, com de detectar el senyal reflectida. A continuació, s'ha utilitzat un mini-ordinador per realitzar la digitalització del senyal rebut del sensor. Aquest mini-ordinador est à dotat amb funcionalitats Iot, podent enviar la informació del sensor a través d'Internet. Finalment, s'ha dissenyat la unitat de potència, necessària per alimentar cadascuna de les capes actives. Després de comprovar el correcte funcionament de cadascuna de les capes per separat, s'han acoblat per realitzar un conjunt de mesures, demostrant la viabilitat del sistema. Les mesures realitzades presenten un error molt petit en comparació amb la caracterització obtinguda mitjançant kits d'instrumentació comercials.In recent years, many passive sensors working in the microwave or radiofrequency range have been reported. These sensors are capable of measuring all types of magnitudes. For this reason, a wide variety of applications have been proposed such as the measurement of speed, angular displacement, biomedicine, gas detection, detection of thickness or measurement of temperature and humidity, among others. Currently, there is a huge demand to develop low cost and, if possible, wireless sensors. Passive electromagnetic sensors seem good candidates to achieve these requirements. In particular, in this doctoral thesis several SRR-based are designed. These sensors, are designed to perform the characterization of the dielectric permittivity of solid and liquid materials. In addition, they can also be used as sensors to measure the thickness of thin materials. The characterization of the dielectric permittivity of materials is an interesting application in many industries. On the one hand, in the case of solids, it is useful, for example, to certify quality controls of thin sheet materials. On the other hand, in the case of liquids, they are useful for performing the characterization of oils, solvents or binary solutions. In addition, certain properties of liquids (density, for example) could be inferred by relating them to the response obtained in each case. The main problem lies in the reading of the measurements of the sensors, since the data of these sensors is obtained through expensive or complex to use tools or laboratory equipment. In this case, qualified personnel is needed. For this reason, in this thesis fully functional, wireless, passive, reading system for passive sensors are proposed. Finally, after demonstrating that the designed sensors are perfectly valid for the proposed applications, the implementation of the complete system is performed. In order to achieve a fully functional system, a reader scheme based on layers is proposed. Each one of these layers was designed and manufactured during the realization of this doctoral thesis. First, the link layer was designed. The link layer can be wired or short range or long range wireless, depending on the application. In this thesis, examples of the three systems are shown. Secondly, the radiofrequency interface was designed. This interface is responsible for generating the interrogation signal necessary to read the response of the sensor, as well as for detecting the reflected signal. Next, a mini-computer has been used to digitize the signal received from the sensor. This mini-computer was equipped with IoT capabilities, being able to send the sensor information through the Internet. Finally, the power unit was designed. This layer is necessary to feed each of the active layers. After corroborating the proper function of each of the layers separately, they were assembled to make a set of measurements, demonstrating the viability of the whole system. The experimental results present a very small error compared to the characterization obtained through commercial instrumentation kits.Programa de Doctorado en Multimedia y Comunicaciones por la Universidad Carlos III de Madrid y la Universidad Rey Juan CarlosPresidente: Íñigo Cuiñas Gómez.- Secretario: Gregorio Ignacio López López.- Vocal: Javier Matanza Doming