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APLICACIONESde la
MECATRÓNICAa la
INSTRUMENTACIÓNASTRONÓMICA
Roberto Bartali2007
2
• Como se relaciona la Mecatrónica con la instrumentación astronómica.
• Cuales son los instrumentos utilizados en Astronomía.
• Cuales son sus funciones y características principales.
•Como interviene la Mecatrónica.
• Como han evolucionado.
CONTENIDO
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Sistemas electrónicos
Motores
+
+ +
+
+Software de control
Sistemas mecánicos
+
=
Computadoras
LA ECUACIÓN DE LAMECATRÓNICA
INTELIGENCIA yCONOCIMIENTOS
+Sensores
4
ROBOT
5
LA ECUACIÓN DE LAINSTRUMENTACIÓN
ASTRONÓMICA
+Sistemas ópticos
Sistemamecatrónico
+
+
Software especializado
Ingenio yConocimiento
=
6
SISTEMAS MECATRÓNICOSDEDICADOS
Y
ALTAMENTE ESPECIALIZADOS
QUE EN NUESTRO CASO SON:
capaces de detectar y amplificar la débil radiación electromagnética(luz visible, UV, IR, microondas, X, Gamma, Radio) que llega desde
los planetas, las estrellas y las galaxias.
analizar de forma autónoma las características del medio ambiente, moverse y evitar los obstáculos, recibir comandos y transmitir los
resultados a los centros de investigación.
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Telescopiosterrestres
Observatoriosterrestres
Observatorio de Padua
Observatorio Gemini
8
Telescopiosespaciales
ExploradoresAutomáticos
Interplanetarios
Telescopio Espacial Hubble
Explrorador Marciano Spirit
9
Radiotelescopiosmóviles
Radiotelescopiosfijos
Green Bank
Arecibo
10
Interferómetrosradio
Interferómetrosópticos
ESO – Very Large Telescope
Very Large Array
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Observatoriosa bordo
de aviones
SOFIA
12
EXPLORADORES INTERPLANETARIOS
MAGELLAN GALILEO
NEW HORIZONS CASSINI
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EXPLORADORES INTER- ESTELARES
Pioneer 10 y 11
Voyager 1 y 2
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Detectores de neutrinos Detectores de ondas gravitacionales
Observatorio LIGO
Geo600
Super Kamiokande
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VAMOS A DESCRIBIR BREVEMENTE:
cuales son las partes fundamentalesde los diferentes
instrumentos astronómicos.
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Partes Fundamentales deun Telescopio Óptico
Tubo óptico
Montura
Base
Tubo óptico
Montura
Base
Telescopio reflector
Observatorio
Observatorio
Telescopio refractor
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Partes Fundamentales deun Radiotelescopio
Base
Antena yguia de ondamóviles
Montura
Arecibo
Reflectorfijo
NRAO 43m
Montura
Centro de Control
Reflectormóvil
Antena yguia de ondafijos
Centro deControl
Base Base
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Partes Fundamentales deun Telescopio Espacial
19
Partes Fundamentales deun Robot Explorador
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Vamos a describir brevemente:
cuales son las funciones de lasdiferentes partes que componen un
instrumento astronómico
y su evolución en la historia.
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Funciones delTUBO ÓPTICO
Sostener telescopiosauxiliares o buscadores
• Cámaras fotográficas (1)• Porta placas fotográficas (2)• Espectroscopios (3)
Alojar lentes y espejos y sostener todo tipo de
instrumentos auxiliares
(1)(2)
(3)
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SIGLO XVII
EVOLUCIÓN DEL TUBO ÓPTICO
Diàmetro del tubo de 4 a 12 cm, longitud de 100 cm.Dimensiones de lentes y espejos reducidas (pocos centímetros).Fabricados en bronce o fierro.Baja calidad de lentes y espejos.
SIGLO XVIII
Tubo en fierro.Dimensiones medianas, muy pesados.Estructura sólida para evitar deformaciones.Calidad de lentes y espejos relativamente buena.
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EVOLUCIÓN DEL TUBO ÓPTICOSIGLOS XIX y primera mitad del XX
Lentes con diámetro hasta de 1 metro (refractores) y espejos con diámetro de hasta 5 metros (reflectores) .Longitud del tubo de varios metros (2 a 20).Estructura metálica cerrada.Peso elevado.Problemas de flexión y de turbulencia del aire en el interior.Calidad de las partes ópticas muy buena.
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EVOLUCIÓN DEL TUBO ÓPTICOSegunda mitad del siglo XX y siglo XXI
Se construyen solo telescopios reflectores.Diámetro del espejo primario de 6 a 11 metros.Longitud de la estructura de pocos metros.Estructura metálica abierta evita problemas de turbulencia.Calidad de las partes ópticas excelente.Peso liviano.Elevada estabilidad y reducida flexión.
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EL SISTEMA ÒPTICO
REFRACTOR
La función básica del sistema óptico es la de recolectar la mayor cantidad de luz posible y amplificarla sin distorsiones o aberraciones.
Las principales características son el diámetro del lente (objetivo) o espejo primario y su distancia focal.
Tenemos dos distintas configuraciones básicas de telescopios.
REFLECTOR
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EL SISTEMA ÒPTICOMayor superficie recolectora de luz
= mayor dimensión de la imagen en el
plano focal y mayor luminosidadMayor distancia focal
=Mayor amplificación de la
imagen y menor luminosidad;
Menor distancia focal=
Menor amplificación y mayor luminosidad de la
imagen
CARACTERÍSTICAS
Utilizando lentes o espejos del mismo diámetro.
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EL SISTEMA ÒPTICOCARACTERÍSTICAS
Mayor diámetro = mayor poder de resolución
Incremento en el diámetro
0.06 mde diámetro
8.2 m de diámetro
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EL SISTEMA ÒPTICODISTORSIONES o ABERRACIONES
Aberración cromáticaSe debe a que el vidrio refracta las diferentes longitudes de onda en diferentes ángulos, la imagen resultante (de un punto blanco) es una combinación de varios colores.
Se elimina fabricando tres lentes cada uno de un tipo diferente de vidrio (con diferente índice de refracción).
Turbulencia atmosféricaLa imagen de una estrella, en lugar que ser un punto se ve como una nube. Se debe al diferente índice de refracción de los varios estratos de la atmósfera que se encuentran a diferente temperatura y densidad.
Se corrige deformando los espejos para crear distorsiones iguales y contrarias a las introducidas por la atmósfera.
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EL SISTEMA ÒPTICOESTRELLA ARTIFICIAL
Un rayo láser de argón (589.2 nm) de aproximadamente 10 W es reflejado por los espejos de un telescopio y enviado hacia la estratosfera, donde, excita a los átomos de sodio, produciendo una estrella artificial.
Esta estrella es generada dentro del campo de observación de otro telescopio. Su luz será detectada y analizada para deformar su sistema óptico.
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EL SISTEMA ÒPTICOÒPTICA ACTIVA
El espejo de 8.2 m de diámetro y 10 cm ( o menos) de espesor es soportado por una serie de pistones (de 170 a 650 piezas) que son capaces de deformarlo en determinados puntos con precisión de nanometros.
El sistema de control analiza la imagen de la estrella artificial, de la cual se conocen perfectamente las características, y calcula en tiempo casi real (de 500 a 1000 veces por segundo), la forma que debe tomar el espejo para compensar las distorsiones producidas por la atmósfera.
A esa frecuencia envía los comandos a cada uno de los pistones para que deformen el espejo, produciendouna imagen perfecta, libre de aberraciones.
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EL SISTEMA ÒPTICOÒPTICA ADAPTIVA
La deformación se realiza en el espejo secundario o en uno auxiliar fuera del eje óptico del sistema. Los espejos son mucho más delgados (algunos mm) y pequeños. El número de pistones es del orden del medio millar y están mucho más cerca uno del otro. La frecuencia de los ciclos de deformación es de 500 a 1000 veces por segundo.
El sistema de control analiza la imagen y el frente de onda de la estrella artificial, de la cual se conocen perfectamente las características, y calcula en tiempo real (de 500 a 1000 veces por segundo), la forma que debe tomar el espejo para compensar las distorsiones producidas por la atmósfera.
A esa frecuencia envía los comandos a cada uno de los pistones para que deformen el espejo, produciendouna imagen perfecta, libre de aberraciones.
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EL SISTEMA ÒPTICOESPEJO PRIMARIO SEGMENTADO
En lugar que fabricar un solo espejo de 11 metros de diámetro, se fabrica una serie de espejos hexagonales mucho más pequeños.Estos, son alineados formando un solo espejo del diámetro requerido.La luz reflejada por cada uno de ellos es dirigida a un solo punto (espejo secundario).
Ventajas:Menor costo de fabricación y mantenimiento.
Desventajas:Sistema de control complejo.Instalación dificultosa.
Cada uno de los espejos debe ser alineado y deformado automáticamente (óptica activa) para crear la forma requerida para la obtención de imágenes libres de defectos.
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EL SISTEMA ÒPTICOTELESCOPIOS BINOCULARES y MULTI-ESPEJO
La luz captada por dos o más espejos primarios es enviada a un solo espejo secundarioEl cual la dirige a un sistema de óptica adaptiva.
La superficie colectora de luz es mucho mayor que la que captaría cada espejo por separado, aumentando el poder resolutivo del sistema.
Transporte de los espejos
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EL SISTEMA ÒPTICOESPEJO DE MERCURIO LÍQUIDO
Consiste básicamente de una tina que contiene mercurio, la cual debe girar a una velocidad constante para que la superficie forme una parábola reflectora de la luz. La imagen es reflejada hacia un sistema de lentes que ilumina el sensor de imagen.
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EL SISTEMA ÒPTICOINTERFERÓMETRO ÓPTICO
Es un sistema óptico en el cual la luz captada por todos los telescopios visibles en la fotografía, es enviada en fase hacia el sistema de detección.
La imagen resultante y la resolución son equivalentes a las de un solo telescopio de 80 metros de diámetro
El complejo sistema de líneas de retardo ópticas para compensar las diferencias de fase de las imágenes que llegan desde cada telescopio.
VLT
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EL SISTEMA ÒPTICOSENSOR DE IMAGEN
Sensor CCD de 100 MPixels
Mosaico de varios sensores para incrementar la resolución.(>40 CCD)
ASTRO-CCD
Grafico de la eficiencia quántica de los diferentes tipos de sensor de imagen
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EL SISTEMA ÒPTICO
Sistema de enfriamiento de los sensores de imagen por medio de nitrógeno líquido (-120ºC)
Parte del sistema electrónico de control de los sensores de imagen y del sistema de enfriamiento.Carrusel de filtros.
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EL SISTEMA ÒPTICOESPECTROSCOPIO
La luz blanca se puede descomponer en diferentes colores (espectro) cuando pasa a través de un prisma o es reflejada por una fina rejilla de difracción.
Cada color y línea que aparecen en el espectro representan a un diferente y particular elemento químico o a su estado de ionización.
Ejemplo de un espectrógrafo.
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EL SISTEMA ÒPTICOESPECTROSCOPIO
Las líneas brillantes y obscuras en el espectro representan los elementos químicos que están presentes en el objeto que se esta observando y son sobrepuestos al espectro continuo que emite ese cuerpo.
Graficando la intensidad de las líneas respecto de la longitud de onda de la radiación (color), obtenemos un gráfico como el de la figura en el cual las líneas de emisión y absorción están sobrepuestas al espectro continuo.
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ESPECTROSCOPIO DE FIBRAS ÒPTICAS
EL SISTEMA ÒPTICO
Para aumentar la eficiencia y utilizar toda la capacidad de los telescopios, se acoplan robots que colocan una serie de fibras ópticas en la posición donde llega la luz de diferentes estrellas.La luz de 400 estrellas puede ser analizada simultáneamente.
Robot colocador de fibras ópticas
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EL SISTEMA ÒPTICO
El robot puede colocar en pocos minutos 400 fibras en la posición exacta, pero mientras se esta llevando a cabo la observación, puede colocar otras 400 fibras en diferentes posiciones para observar otro campo estelar.
ESPECTROSCOPIO DE FIBRAS ÒPTICAS
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Funciones de la MONTURASostener, balancear, mover el tubo óptico
y la instrumentación auxiliarMONTURA ECUATORIAL
El eje polar (ascensión recta) se mueve constantemente para compensar el movimiento de la Tierra, mientras que el de declinación, una vez apuntado el telescopio, solo se mueve para hacer ajustes de la posición.
Desventajas:Peso y dimensiones excesivas,Problemas de deformación,Necesita motores muy potentesY sistemas de balanceo.
Ventajas:Sistema de control sencillo.
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Funciones de la MONTURASostener, balancear, mover el tubo óptico
y la instrumentación auxiliar
Eje de Altitud
Eje de Acimut
MONTURA ALT-AZIMUTAL
Sistema de rotación del campo visual
Los tres ejes se mueven constante y simultáneamente para compensar el movimiento de la Tierra.
Ventajas sobre la montura ecuatorial:
Mucho más robusta y ligera,Dimensiones y peso menores,No necesita balanceo,Sufre menores deformaciones
Desventajas:
Sistema de control más complejo
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Siglos XVII y XVIII
EVOLUCIÓN DE LA MONTURA
Poca funcionalidad.Muy inestables.Grandes dificultades en el manejo.Reducidos movimientos.
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EVOLUCIÓN DE LA MONTURASiglo XXISiglo XIX Siglo XX
Grandes dimensionesMuy pesadasNecesitan ser balanceadasMovimientos muy precisos
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EVOLUCIÓN DE LA MONTURASiglo XXI
Grandes dimensionesMovimientos extremadamente precisosPoco consumo de energíaPueden soportar muchas toneladas
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EVOLUCIÓN DE LA MONTURACONTROL DEL MOVIMIENTO
La Tierra se mueve constantemente, por lo que aparentemente las estrellas se mueven durante la noche de Este a Oeste.
Pero también las estrellas tienen sus propios movimientos.
Tierra
Sol
Principales movimientos:RotaciónTraslaciónPrecesión Todos estos movimientos y
varios otros, deben ser compensados por los motores que mueven el telescopio.
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ESTE
ZENIT
OESTE
EVOLUCIÓN DE LA MONTURACONTROL DEL MOVIMIENTO
Durante la noche no solo las estrellas se mueven aparentemente de Este a Oeste, sino que también su orientación cambia por efecto del movimiento de rotación de la Tierra.
El sensor de imagen debe rotar de manera sincrónica con el campo visual.
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Movimientos precisos y elevada capacidad de posicionamiento controlados por sistemas mecánicos basados en péndulos.
EVOLUCIÓN DE LA MONTURA
Movimientos muy precisos y elevada capacidad de posicionamiento, controlados por sistemas de lazo cerrado con encoders ópticos, servomotores y motores de pasos, acoplados a computadoras o sistemas electrónicos dedicados.
Movimientos extremadamente precisos y total capacidad de posicionamiento. Los motores son acoplados directamente, transmisión por fricción y retroalimentación con encodersabsolutos.Controlados por computadoras y sistemas basados en DSP
CONTROL DEL MOVIMIENTO
SIGLOS XVIII y XIX SIGLO XXSIGLO XXI
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Funciones dela BASE
Soportar firmementeel tubo óptico,
la monturay todos los instrumentos
auxiliares
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Funciones de la BASE
Firme: no generar ni transmitir vibracionesLibre de deformaciones: flexión, compresión, torsiónCimentación separada de la del edificio
Independientemente del tamaño y de la posición del telescopio
Los sensores determinan el tipo de deformación y envían la información a la computadora de control de los movimientos para que sean compensados
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
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EVOLUCIÓN DE LA BASE
Siglos XVII y XVIII
Muy poca estabilidad.Ineficientes y difíciles de controlar.Movimientos manualesEstructuras muy pequeñas respecto del sistema óptico o exageradas estructuras de piedra.
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EVOLUCIÓN DE LA BASESiglos XIX y XX
Enormes estructuras de concreto.Cimentación independiente del resto de la estructura del observatorio.Muy estables pero con problemas de flexión.Reducidas vibraciones.En algunos casos el piso se levanta para alcanzar el telescopio.
Siglo XXI
El edificio completo se convierte en la base y se mueve junto con el telescopio.Elevada estabilidad.Movimientos controlados y compensados contra vibraciones y deformaciones por medio de computadoras.
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EVOLUCIÓN DE LA BASESiglo XXI
El edificio completo se mueve junto con el telescopio.Elevada estabilidad.Movimientos controlados y compensados contra vibraciones y deformaciones por medio de computadoras.
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Funciones del OBSERVATORIO
Proteger los instrumentosde la intemperie y de la iluminación externa; y
mantener la temperaturay la humedad estables.
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Funciones del OBSERVATORIO
La compuerta se abre para permitir la entrada de la luz de los objetos observados y este movimiento debe ser simultáneo al del telescopio.
El domo o cúpula también debe seguir el movimiento de rotación del telescopio.
Las ventanas deben abrirse y cerrarse automáticamente para que el aire en el exterior tenga la misma temperatura y humedad que el aire en el interior, además deben prevenir la formación de corrientes de aire que provocarían turbulencia y diferencias de presión, degradando la calidad de las imágenes.
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EVOLUCIÓN DEL OBSERVATORIO
Estructuras naturalescomo montañas, grandes
rocas o árboles fueronutilizadas como puntos
de referencia.
Después se tallaron y erigieronmonolitos y fueronalineados con las
estructurasnaturales.
Escocia
Armenia
España
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EVOLUCIÓN DEL OBSERVATORIOLos monolitos
fueron sustituidospor grandesmonumentos
diseñados parafacilitar la
observación del movimiento del
Sol, la Luna y losplanetas.
Surgieron edificios especialmente diseñados para la observación astronómica.
Stonehenge
Chichen Itza Monte Alban
India
Uraniborg
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EVOLUCIÓN DEL OBSERVATORIO
El arte, la arquitectura y la cienciase unieron para crear hermosos edificios dedicados a la observaciónastronómica desde el siglo XVII hasta la primera mitad del siglo XX.
Greenwich Griffit Yerkes
Stockholm Pulkovo Yazdt
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EVOLUCIÓN DEL OBSERVATORIO
VLT
GEMINI
NTT
Durante la segunda mitad del siglo XX y en la actualidad, el arte cede el paso a la tecnología.En muchos casos el edificio entero gira junto con el telescopio.
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EQUIPOS
que están en fase dedesarrollo y construcción
que serán operativos en un lapsode 10 a 15 años.
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Telescopios gigantes
ESO-ELT
Espejo primario de 42 m. de diámetro
Interferómetros radio
Square km array
SISTEMASEN FASE DE
CONSTRUCCIÓN
Cientos de antenas ocupando 1 km2
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James Webb Space Telescope
Telescopios espacialesgigantes
6.5 m de diámetro, -266ºC
SISTEMASEN FASE DE
CONSTRUCCIÓN
Interferometro espacial
Darwin
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CONCLUSIONES
Típica sala de control de un telescopio óptico moderno
Típico sistema de control de un radio telescopio moderno
Un observatorio astronómico moderno es un complejo y extremadamente preciso sistema mecatrònico en el cual los sistemas mecánicos, eléctricos, electrónicos y
ópticos deben ser diseñados, fabricados y operados en los limitesque permitan las respectivas tecnologías.
Además la capacidad de almacenamiento, velocidad de proceso y graficación de las computadoras y la eficiencia del software deben ser las más elevadas posibles.
