Estudio de inclinmetros para el sistema de alineamiento de CMS

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Estudio de inclinómetros para el sistema de
alineamiento de CMS

• XXVIII Reunión Bienal de Física de la RSEF
• Sevilla, Septiembre 2001
• Alicia Calderón Tazón

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Índice

• El sistema Link de Alineamiento de CMS.
• Medida del ángulo ?
• Inclinómetros
• - Principio de funcionamiento y modelos testados
• - Procedimiento de calibración y test de
  prestaciones medidas
• de resolución, linealidad y estabilidad
• - Dependencia con la temperatura, campo
  magnético y radiación
• Nivel Láser
• - Descripción del prototipo y principio de
  funcionamiento
• - Procedimiento de calibración
• Conclusiones

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El sistema Link de Alineamiento de CMS.Medida
del ángulo ?

• Relaciona las posiciones de los detectores de
  muones y el detector Central de Trazas a través
  de haces láser de referencia.
• Consiste en un conjunto de elementos
  optomecánicos, sensores y láseres.
• La orientación angular ? entre el detector
  Central de Trazas y los detectores de muones se
  mide mediante inclinómetros de gran precisión.
• Los movimientos angulares, en el sistema Link,
  pretenden ser medidos con una precisión inferior
  a 20 microrradianes.

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Inclinómetros Principio de funcionamiento

• Todos los modelos testados son de tipo
  electrolítico.
• Una burbuja suspendida en un líquido se orienta
  siempre en una posición
• perpendicular al vector gravedad.
• La medida se realiza mediante la lectura de el
  electrodo central ( Pick-up
• electrode ) tras aplicar un voltaje AC a los
  electrodos de excitación.
• El voltaje medido es función del ángulo de
  inclinación.

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Inclinómetros Modelos testados,
principalescaracterísticas
AGI ( Applied Geomechanics Incorporated)
Rango dinámico ? 10 grados Resolución
intrínseca 1 microrradian (0.2 arc. sec.)
Rango de temperatura -25ºC a 70 ºC
Miniature Tilt Sensor serie 756
AOSI ( Advanced Orientation System, Inc.)
Rango dinámico ? 3 grados Resolución
intrínseca ? 2.5 microrradianes (? 0.5
arc. sec. ) Rango de temperatura -55ºC a
125ºC
EZ-PLM Dual Axis Platform Leveling Module
AOSI SX-003D_NULL

• Unidades utilizadas en los test 2 1D AGI (AGI1,
  AGI2)
• 2 1D AOSI (EZ1, EZ2)
• 1 2D AOSI (EZA, EZB)

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Inclinómetros Procedimiento de calibración
Objetivos 1) Encontrar la relación que permite
medir las variaciones angulares relativas
V(mV) K (mV/mrad) ? (mrad)
2) Encontrar
Vbias (V V-) / 2

• Vbias permite obtener la medida angular absoluta
  respecto a la gravedad y aparece por
• la asimetría intrínseca en la construcción del
  sensor.
• Su determinación requiere medidas consecutivas,
  sobre una superficie perfectamente
• pulida, en dos orientaciones del sensor ( ?
  180 º ).

Dispositivo experimental utilizado en la
calibración
10 mm
1150 mm
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Vista del montaje experimentalpara la
calibración del los inclinómetros.
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Inclinómetros Medidas de linealidad y resolución.
Ejemplos
1000
4000
Std. Deviation 13 ?rad
Std. Deviation 110 ?rad
3000
500
2000
1000
Response (mV)
Response (mV)
0
0
-1000
AGI1
EZ1
-500
-2000
-3000
-1000
-4000
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
? (mrad)
? (mrad)
Resoluciones
Conclusión En base a los resultados sobre
resolución seleccionamos el modelo
AGI 756 para su utilización en el sistema
LINK.
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Inclinómetros Medidas de estabilidad
Laboratorio de Santander
Tiempo de medida 4 días Temperatura 20.6 ?
0.8 ºC
Estabilidad lt 3 microrradianes
Laboratorio ISR
Tiempo de medida 13horas Temperatura 17.7 ?
0.2 ºC
-128
533
532.5
-128.5
(?rad)
(?rad)
532
-129
Estabilidad ? 2 microrradianes
531.5
AGI1
AGI2
-129.5
531
-130
530.5
-130.5
530
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Time (min)
Time (min)
Conclusión El modelo AGI 756 es estable
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Inclinómetros Dependencia con la
temperatura,campo magnético y radiación

• Las dependencias con la temperatura son
  pequeñas,además estas se pueden corregir
• empleando coeficientes de corrección.

• Para la inversa S(mrad/mV) del factor de escala
  K(mV/mrad)

Ks 0.05 / ºC
S Scal 1Ks (T-Tcal)

• Para un cierto valor del voltaje medido V

? ? S x V
Kz ? 10 ?rad/ºC
V VT - Kz (T-Tcal)
Hemos obtenido una dependencia típica con la
temperatura de ? 7 ?rad/ºC

• Insensibles a campos magnéticos uniformes.
• Buen funcionamiento hasta un gradiente de
  campo magnético de ?B ? 14 gauss /mm

• Insensibles a la radiación gamma hasta 9.76 Mrad

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Nivel Láser Descripción y principio de
funcionamiento.
Objetivo Extender las medidas angulares
realizadas por los inclínómetros (tamaño
típico del sensor 2.5 cm) a superficies
extensas (varios metros).

• Consiste en un inclinómetro y un diodo láser
  ligados
• en un montaje mecánico de gran estabilidad.

Características del diodo láser
Características del inclinómetro ( AGI 756)
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Nivel Láser Procedimiento de calibración (I)
?0
?0
g
?0 Es el ángulo que forma el haz láser respecto
a la horizontal (esta horizontal está definida
usando puntos survey).
?0 Es el ángulo que forma la base del
inclinómetro con el vector gravedad
? Objetivo de la calibración Determinar ?0 y
?0
1) Calibración 1 (?01 , ?0 1) (-750.7 ? 1.4
, -39.3 ? 0.6) ?rad
2) Calibración 2 (?02 , ?0 2) (-723.0 ? 1.2 ,
-12.3 ? 4.7) ?rad
Ambas calibraciones son perfectamente compatibles
(?01 - ?0 1 ) (?02 - ?0 2 ) ? -711.1 ?rad
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Nivel Láser Procedimiento de calibración (II)
? Tanto el láser como el inclinómetro presentan
el mismo movimiento global debido a
movimientos angulares del soporte mecánico del
nivel láser.
(?01 - ? 0 1 ) (? 02 - ?0 2 )? 27.4 ?rad
Estabilidad láser-sensores ? 5 ?rad Resolución
angular láser-sensores ? 10 ?rad
Conclusiones 1) El láser y el inclinómetro
detectan el mismo ángulo
2) Ambas calibraciones son equivalentes
3) El nivel láser presenta
el comportamiento esperado.
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Conclusiones

• Se han caracterizado las prestaciones de
  diversos tipos de sensores electrolíticos y
• hemos seleccionado un modelo que cumple las
  especificaciones requeridas por
• el sistema de alineamiento link de CMS.
• Las precisiones de medida típicas son del orden
  de ? 15 ?rad (incluyendo efectos
• de no linealidad) y permiten medidas de
  estabilidad al nivel de ? 5 ?rad .
• Se han diseñado y construido unidades de nivel
  láser que permiten extender las
• medida angular a grandes superficies sin
  degradación en las prestaciones encontradas
• para los inclinómetros.
• El nivel láser muestra un buen comportamiento
  con una perfecta correlación entre
• la medida del inclinómetro y la medida del haz
  láser.