Sensores en tecnología de microondas para monitoreo agrícola y ambiental.

La medición de variables como la temperatura y la humedad, entre otros, es importante en procesos ambientales y agrícolas. Esta se ve afectada por la falta de versatilidad, escalabilidad, durabilidad, compatibilidad y precisión de los sensores utilizados. Las mediciones mediante sensores usando tecnología de microondas ha sido ampliamente usada en las últimas décadas debido al desarrollo de la electrónica a altas frecuencias (>30 MHz). Los sensores a microondas tienen características distintivas con respecto a otro tipo de sensores, entre las cuales podemos destacar: 1) su rápido proceso de medición, prácticamente instantáneo; 2) su posibilidad de hacer la medición in-situ; 3) su forma de medición no invasiva; 4) su medición es confiable y tiene una precisión aceptable, con un error en algunas aplicaciones de menos del 0.5% (Masoud et al, 2012); 5) su fácil proceso y costo de fabricación; 5) su adaptabilidad a diferentes condiciones de medición. Esta propuesta de investigación se basa en la investigación, el diseño, fabricación y medición de dos nuevos tipos de sensores en microondas para aplicaciones específicas: 1. Medición del porcentaje de humedad en cultivos para agricultura: En esta primera parte, los sensores de medición propuestos hacen uso de técnicas electromagnéticas, mediante la medición de las propiedades dieléctricas de los materiales. Aunque las mediciones hechas por estos sensores son indirectas, han ganado un gran reconocimiento en las últimas décadas debido a su fácil implementación y a su confiabilidad en la medición. La medición del contenido de agua de los materiales se hace mediante la estimación de las características dieléctricas del material, debido a la alta permitividad eléctrica del agua comparada con la de otros materiales secos. El uso de tecnología de microondas para esta aplicación permite solucionar el problema principal que se tenía con los sistemas de medición a bajas frecuencias, los cuales hacían medición de porcentaje de humedad mediante estimación de la conductividad eléctrica del material. Esta forma de medición era altamente dependiente de la salinidad del material a bajas frecuencias, lo que restringía su funcionamiento sólo en ciertos materiales. Así, la contribución del proyecto será la investigación y el desarrollo de nuevos sensores de humedad que mejoren la precisión, portabilidad y confiabilidad de los sensores propuestos en literatura y que además se puedan adaptar para la medición de humedad en cultivos agrícolas en Colombia. En literatura se encuentran varios tipos de sensores en tecnología de microondas para múltiples aplicaciones (Tiuri, 1987) y (Jiri, 2007), sin embargo el proyecto de investigación propone enfocarse en sensores de bajo costo, basándose en dos clases de sensores: 1) Sensores usando técnicas en tiempo con líneas de trasmisión, como por ejemplo reflectometría y medición de retardos (Masoud et al, 2012); 2) Sensores usando técnicas de resonancia con capacitancias dieléctrica de doble tapa o interdigitales (Mamishev et al, 2004)- (Zhao et al, 2014). Las clases de sensores se explican más detalladamente en el marco teórico de la propuesta. La idea general del sensor usando técnicas de tiempo se muestra en el diagrama en bloques de la Figura 1 (Ver formato de la propuesta). El funcionamiento del sensor consiste en la generación de un tono puro en frecuencias de microondas enviado a una línea de transmisión (Figura 2, Ver en el formato de la propuesta) y a un detector de fase. La cabeza del sensor produce un desfase inicial debido al retardo de propagación de las ondas electromagnéticas en la línea de transmisión. Al enterrarse, el desfase cambia debido al cambio de medio, la onda se propaga más lentamente, por lo cual existe un desfase diferente, que es medido por el detector de fase y procesado posteriormente por el microprocesador. La estimación de la humedad se hace indirectamente dado que diferentes desfases son causados por medios con diferentes porcentajes de humedad. Aunque este tipo de sensor ya ha sido propuesto en literatura, existen varios desafíos en el desarrollo del sensor que no han sido considerados, como por ejemplo: 1) La estimación de las dimensiones y la forma óptima de la cabeza del sensor; 2) La elección de la frecuencia y la sensibilidad del sensor en diferentes frecuencias; 3) La elección del tipo, el diseño y la construcción del oscilador; 4) El cálculo del modelo de la estimación del desfase usando ondas totales estacionarias; 5) La elección del tipo, el diseño y la construcción del detector; 6) El uso de acopladores direccionales para desacoplar ondas incidentes y reflejadas en la entrada y la salida de la cabeza del sensor para poder hacer la estimación del desfase de forma directa con ondas desacopladas; 7) La estimación de la sensibilidad del sensor para varios tipos de terreno; 8) El tiempo de respuesta del sensor y la integración escalable del sensor para escalarlo a una red de sensores en un cultivo. La segunda clase de sensor es usando la técnica de resonancia, se desea explorar la posibilidad de hacer la medición indirecta de humedad mediante un circuito resonante (LC) usando elementos distribuidos. La investigación de capacitores distribuidos de este tipo de sensores para medición de la humedad, no se encuentra en literatura de forma explícita. Existen varios tipos de capacitores distribuidos, algunos se muestran en la Figura 3 (Ver en el fomato de la propuesta). Los desafíos de investigación para este tipo de sensores son: 1) La forma óptima para hacer los sensores capacitivos; 2) El material del substrato para el circuito impreso del capacitor; 3) El método de medición de humedad a partir del cambio de la frecuencia de resonancia; 4) El tiempo de respuesta del sensor y la integración escalable del sensor para escalarlo a una red de sensores en un cultivo. 2. Monitoreo de calidad del agua usando sensores capacitivos de bajo costo Los metales pesados se consideran como una de las sustancias más tóxicas para el medio ambiente, lo cual hace necesario el monitoreo de dichos contaminantes. Existen métodos para la detección de metales pesados incluyendo los espectroscópicos y los electroquímicos. Sin embargo, estos métodos son costosos, y por tanto sólo disponibles en laboratorios especializados. Ante las necesidades de medición, en esta segunda parte, se propone un sensor con elementos capacitivos (pasivos) que se integran directamente en el circuito impreso (bajo costo), que aunque pueden llegar a tener una precisión más baja y un espectro más reducido en comparación con otro tipo de técnicas de medición, si pueden permitir discernir inicialmente entre una muestra contaminada de otra limpia. Adicionalmente, para hacer el sistema fácilmente escalable se propone implementar una etapa de cosechado energético desde una fuente RF (NFC ¿ near field communication) para poder alimentar el sistema completo sin la necesidad de baterías de respaldo, las cuales implican recargas contínuas y contaminación a largo plazo. Por último, el sistema será portable a través del uso de un dispositivo móvil celular, el cual nos permitirá energizar el sistema a través de una conexión NFC, así como recolectar la información adquirida por los sensores capacitivos, para visualizarla localmente, y posteriormente transmitirla hacia un servidor central donde se concentrará todas las medidas. El sensor es de tipo pasivo basado en resonadores LC (Inductancia ¿ capacitancia interdigital). Con la estructura inductiva se busca que el sensor sea inalámbrico y con la capacitancia interdigital se quiere trabajar sobre ella con sustancias químicas selectivas que reaccionen directamente con contaminantes específicos para tener una huella que muestre presencia o ausencia de dicho contaminante. Es de aclarar que identificar selectivamente varios contaminantes no es tarea fácil, por lo que inicialmente y en concordancia con el trabajo realizado hasta el momento se plantea la utilización de huellas estadísticas como resultado de medidas sobre los sensores y adicionalmente se buscan fabricar estructuras diferenciales (dos estructuras capacitivas interdigital en donde una tiene mayor sensibilidad a un contaminante específico). Este tipo de geometrías para el sensor han sido poco reportadas en la literatura y sobre todo en este campo de resonadores LC son alternativas novedosas. El diagrama del sensor se muestra en la Figura 4 (Ver en el formato de la propuesta).