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Principio de funcionamiento de las cintas

Generalidades - Materiales Magnéticos

Las etiquetas magnéticas consisten en una delgada tira magnética suave, en su mayoría una aleación amorfa, que actúa como sensor y un imán de polarización semiduro para fines de activación y desactivación.

Al hacer coincidir sus dimensiones, composición química y tratamiento térmico, el material magnético blando recibe un comportamiento de magnetización diseñado específicamente

Los requisitos de la tira magnética semidura son básicamente los mismos para ambos tipos de etiquetas magnéticas. Principalmente debe tener la coercitividad Hc adecuada, que normalmente oscila entre 20 y 100 Oe, según el diseño de la etiqueta específica. Un límite inferior a Hc resulta naturalmente del requisito de que la tira no debe ser desmagnetizada por su propio campo desmagnetizante y/o por los campos magnéticos. La etiqueta debe ser convenientemente activable o desactivable (magnetizando o desmagnetizando el imán) a distancias posiblemente grandes, lo que pone un límite superior práctico en Hc: El material semiduro magnético que se usa típicamente es una aleación cristalina a base de Fe con adiciones de Ni, Co y/o Cr y, por ejemplo, con adiciones de Ti y Al para el endurecimiento por precipitación. Los requisitos en la tira del sensor difieren mucho para la etiqueta armónica y la acústico-mecánica.

La etiqueta armónica hace uso de las características no lineales del bucle BH, es decir, la dependencia del campo magnético de la permeabilidad. Por lo tanto, cuando se excita con un campo magnético sinusoidal H con una frecuencia f0 (normalmente en el rango de 50 Hz a algunos kHz), la tira del sensor magnético blando responde con un cambio periódico de inducción B que contiene una distribución característica de frecuencias armónicas: La unidad de detección analiza la tensión inducida en la antena del receptor y activa la alarma si se supera un determinado nivel de armónicos y/o si se reconoce una relación específica de determinados armónicos. La no linealidad más básica común a todos los tipos de bucles BH se da cuando el bucle se convierte en saturación ferromagnética. La permeabilidad luego cambia de valores relativamente altos en la parte central del bucle BH a valores cercanos a uno cuando el material está saturado.

En última instancia, el factor de desmagnetización no es solo una clave para optimizar el contenido armónico, sino también la clave para encender y apagar el sensor. Para ello, las etiquetas contienen unas pocas piezas de un material magnético semiduro junto al material del sensor. Cuando se magnetiza, su campo errante satura localmente el material magnético blando, rompiéndolo en varias piezas cortas. El factor de desmagnetización de estas piezas cortas es casi dos órdenes de magnitud superior al de la tira larga. Como consecuencia, el campo AC no puede saturar el sensor y solo barre la parte lineal del bucle BH que no da una respuesta armónica.

Etiquetas acustico-mecánicas

Dado que las cintas anti robo usadas por las bibliotecas son de tipo acústico mecánicas se procede a hacer una revisión más detallada del funcionamiento de estas.

Como se mencionó antes, las etiquetas están compuestas de una capa magnética y otra capa de un material magnetostrictivo el cual al ser expuesto a un campo magnético variable de la frecuencia adecuada puede entrar en resonancia y ser detectable. La clave del funcionamiento es que la frecuencia a la que resuena el material sensible depende del campo magnético de polarización que provee la capa magnética [4].

Así pues para distintos valores de campo magnético remanente en la capa magnética, y por ende distintos campos de polarización, la capa magnetostrictiva tendrá distintas frecuencias de resonancia, tal como se ve en la siguiente imagen [4].

De esta forma dependiendo del estado de la capa magnética la etiqueta es sensible a distintas frecuencias, por lo que si por ejemplo el detector opera a 58 kHz (frecuencia típica de operación de estos sistemas de vigilancia) y el campo de polarización es de alrededor de 6.5 Oe la etiqueta es detectada. Si por el contrario el campo de polarización es muy bajo, la frecuencia de resonancia del material sensible aumenta y por ende no responde a la señal de excitación de 58 kHz. Estos dos escenarios se pueden ver en la siguiente imagen [4].

Esquema de detección de las etiquetas

En la siguiente figura se pede observar el esquema básico de detección que utilizan los sistemas con etiquetas asusto-magnéticas. Claramente se ve como el sistema consta de una antena emisora, que emite una portadora de 58 kHz (tipicamente) modulada por una serie de pulsos cuadrados con un tiempo de repetición de aproximadamente 10ms. Del otro lado hay una antena receptora que recibe la señal del emisor y de las etiquetas (si están presentes y activadas). En tres las dos antenas es esencial un circuito de sincronización que permite que la antena receptora (y su circuito asociado) capture la señal en los periodos en los que la antena emisora no está emitiendo [4].

En cuanto a la señal recibirá por la antena receptora y la forma en que se determina la presencia o ausencia de una etiqueta activa, se utiliza un esquema de detección basado en 2 ventanas de observación, tal como se ve en la siguiente figura. Como se ve en la figura, cuando existe alguna etiqueta activa luego de que el transmisor termina de emitir aun existe una señal (proveniente de la etiqueta), dicha señal decrece exponencialmente, por los que al evaluar los niveles de señal en en la primera ventana y en la segunda ventana se puede determinar si existe la presencia de una etiqueta activa [4].

Cabe destacar que el uso de 2 ventanas permite mejorar el la tasa de falsos positivos, ya que si por ejemplo existe una señal de ruido constante, en la ventana 1 y 2 se va a detectar esta señal, pero como en ambas ventanas la señal es de la misma intensidad se puede deducir que la señal no es producto de una etiqueta, pues no se tiene el comportamiento exponencial propio de las etiquetas, caracterizado por un nivel de señal más bajo en la segunda ventana de observación [4].

Cintas anti robo usadas en los libros

En particular las cintas más utilizadas en las librerías son bastante similares a la vista en la siguiente imagen, en ella se nota como las cintas poseen varias capas, por un lado en los extremos tienen unas capas adhesivas, y en el interior se encuentran los materiales sensibles al campo magnético así como la capa del material con una alta fuerza coerciva que condiciona la respuesta de los materiales sensibles al campo magnético [2].

Por ultimo en la siguiente imagen se observa como se incluyen las cintas en los libros [2].

Máquinas desmagnetizadoras

Luego de revisar ampliamente el principio de funcionamiento de las cintas anti robo se procede a investigar sobre el método utilizado para magnetizarlas y desmagnetizarlas.

Al respecto fue posible encontrar información en la patente “DUAL AXIS MAGNETIC FIELD DEVICE FOR CHANGING STATUS OF EAS MARKER” [1], en donde se informa de un dispositivo capaz de magnetizar y desmagnetizar cintas anti robo, con la ventaja extra de tener la capacidad de funcionar sobre etiquetas que estén con distintas orientaciones con respecto al dispositivo, además el invento tiene la ventaja de poder magnetizar y desmagnetizar cintas que estén puestas en elementos de almacenamiento magnético (tales como casete) sin dañarlos [1].

El dispositivo propuesto utiliza un par de bobinas Helmholtz para generar el campo magnético necesario, y ademas una bobina pseudo solenoidal de forma perpendicular para generar un campo magnético en ella otra dirección, tal como se ve en la siguiente figura, de esta forma se pueden desmagnetizar etiquetas sin importar la dirección de esta [1].

Además la patente describe el tipo de campo al que se debe someter una cinta anti robo para activarla, este debe ser un campo magnético oscilante que en un primer momento tenga una magnitud de 275 Gauss, y que esta decrezca exponencialmente hasta que el campo sea menor a la coercividad el material magnético, la envolvente debe ser tal que entre picos sucesivos haya una atenuación de entre 30 y 38% [1].

Por otra parte para realizar la desactivación de las etiquetas el campo usado no debe ser oscilatorio, por el contrario se busca que la magnitud del campo siga aproximadamente la forma de media onda seno y que el valor pico de dicha onda sea de 275 Gauss al menos [1].

Un punto importante de los procesos de magnetización y desmagnetización es que en ningún momento se deben superar los 560 Gauss, pues a estos niveles de campos magnéticos se pueden dañar los dispositivos de almacenamiento magnético [1].

Con estos esquemas de activado y desactivado de las etiquetas, la patente asegura que funciona de forma confiable con una gran variedad de cintas usadas en bibliotecas para proteger libros CDs y casetes, entre ellas está “Tattle-tape” que corresponde justamente con el tipo de cintas que utiliza la Universidad Nacional de Colombia [1].

En cuanto al circuito propuesto en la patente es el que se puede ver a continuación. Su funcionamiento es relativamente sencillo, en primer lugar se encuentra una fuente de tensión DC (elemento 200) y seguido de ella un condensador (elemento 202) cuyo objetivo es mantener estable la tensión DC en todo momento, luego hay un pequeño circuito RLC (elementos 220 222 y 224) que sirven de Snubber contra picos de corriente para el SCR 226. Una vez se activa el SCR 226, el condensador 230 se comienza a cargar, y al llegar a cierta tensión la corriente del SCR se hace 0 y este se apaga, a partir de ese momento el tanque LC (elementos 236 y 230) comienza a oscilar, naturalmente las oscilaciones se atenuándolos con el tiempo y de esta forma se logra desactivar la etiqueta [1].

Para el caso de la activación de la etiqueta se utiliza el mismo circuito, pero en vez de permitir que el tanque LC oscile, se enciende el SCR 232 y a travez de él se descarga el condensador, de esta forma se consigue un solo pulso positivo que logra activar la cinta anti robo [1].

Otra aproximación a un circuito desensibilizador

Este segundo modelo de desensibilizador [3], parte del mismo principio de funcionamiento que el anteriormente mencionado, pero con la ventaja de que se suprime el uso de un circuito RC. A través de un procesador se pretende controlar una unidad de manejo que genere los pulsos de corriente necesarios para energizar una bobina, que es la encargada de suministrar el campo magnético para sensibilizar o desensibilizar las bandas de seguridad. Para que dicho procesador sea capaz de controlar la unidad de manejo de corriente, activará o desactivará de forma selectiva los elementos conmutadores que se encuentran en este. Esta aproximación posee ventajas en cuanto a que se puede generar un tren con la cantidad de pulsos de corriente, y amplitudes necesarias según sea determinado por el usuario. Esto a su vez permitiría alterar la magnitud del campo aplicado y por tanto su uso en distintos ámbitos como el de artículos de ropa o los ya mencionados casetes. El diagrama de bloques general de esta implementación se observa en la imagen a continuación:

La bobina que se observa en el indicador 8, por lo general es un solenoide redondo que como requisito principal pueda generar un campo magnético sustancialmente uniforme en su interior. Dicho campo magnético cambiará en amplitud y polaridad según un perfil de pulsos de corriente generados por la unidad de control, donde se alteran factores como ancho de pulso, frecuencia, ciclo útil, etc. Con el fin de alcanzar una intensidad de campo objetivo dependiendo del elemento al que estuviera adherida la banda de seguridad (que por ejemplo sería mayor en caso de tratar con libros o ropa y menor para cintas magnéticamente grabadas). Aquí se nota además el componente 11, el cual es un sensor de campo, que permitiría una realimentación a la unidad de control y con ello ajustar automáticamente la salida de campo magnético en caso de ser necesario. Desde un punto de abstracción más detallado, se tiene un diagrama de bloques específico como el que se observa a continuación:

Aquí se observa en el punto 13, algún tipo de interfaz mediante la cual el usuario pueda interactuar con el dispositivo, sea una pantalla con teclado y mouse o cualquier otra entrada, tal que se puedan configurar los parámetros que controle el procesador. Se recomienda que dicho procesador sea de arquitectura RISC (Reduced instruction Set Computer) o CISC (Complex instruction Set Computer), que además puede ser acompañado de memorias de tipo no volátil, volátil o hasta extraíble en caso de que se quiera guardar parámetros de mediciones, instrucciones, estructuras de datos, entre otros. Este procesador es el encargado de controlar la unidad de manejo de corriente, la cual generará la señal de salida para energizar la bobina y general el campo magnético. Dicha unidad está conformada como se observa en la siguiente figura:

Mediante la activación de el par de MOSFETS C1 (o dispositivos de conmutación de corriente), se genera entonces una señal de corriente que pasa por la bobina del sistema, creando con ello un campo magnético en un sentido. Si se desactiva este y luego activa el par C2, se generará una corriente en el sentido contrario y por tanto un campo también en sentido contrario. Esta unidad puede conectarse al procesador a través de por ejemplo, un sistema lógico programable o comparadores de tensión. La salida deseada de corriente a través de la unidad de manejo es la que se ve a continuación, para el caso de la desensibilización de una banda:

Este resultado es obtenido a través de únicamente la activación o desactivación de un par de conmutadores, siendo que hasta se puede cambiar la magnitud de la corriente mediante el cambio del ciclo útil de la señal (disminuyendo el periodo de activación de los MOSFET). Aquí se nota como el cambio de la corriente es considerablemente constante por ejemplo de To a T1, lo que implica así mismo que el campo magnético cambiará también de forma considerablemente lineal, a diferencia del circuito RLC que disminuye de manera sinusoidal. Esta diferencia permite una más fácil detección de las bandas ya que esta acción depende de una señal enviada por la banda que es función del campo en la posición donde esta se encuentra, y de la variación de la corriente, que al ser constante resulta una variable menos de medición. Esta realización del circuito permite además general señales de sensibilización con magnitudes constantes, como la de la figura a continuación:

Finalmente, para realizar la desensibilización del marcador se debe generar únicamente un pulso de corriente y campo magnético a través de la activación exclusiva del par de MOSFET C1, obteniendo una salida como:

Como resumen del procedimiento a realizar, se tiene el siguiente diagrama de flujo que indica los pasos realizados por el procesador para la generación de las señales de corriente que se envían al devanado, con el fin de generar el campo magnético suficiente para sensibilizar o desensibilizar el marcador.

Cabe añadir, que el procesador determina la magnitud de la corriente pico a aplicar mediante parámetros como:

  • Intensidad de campo magnético objetivo
  • Tensión de control VDC
  • Parámetros dados por el usuario
  • Tipo de artículo al cual está adherido el marcador
  • Modo de check-in o check-out.
  • Modo de revision.

Máquina de desmagnetización usada en la universidad

A continuación se puede ver el interior de las máquinas que se están usando actualmente en la biblioteca para desmagnetizar y magnetizar las cintas de los libros. En la primera imagen se puede ver como a la izquierda está el circuito de potencia y alimentación del dispositivo, que consta de un transformador y un par de rectificadores de onda completa, uno para los circuitos de control (baja potencia) y otro para el circuito desmagnetizador (alta potencia). A la derecha se puede ver una placa que por un lado implementa todo el circuito de control del dispositivo, y más a la derecha el circuito de potencia que activa la bobina. Dicho circuito de potencia consta de 4 Mosfet y 4 diodos principalmente, por lo que se intuye que es un puente H como el visto anteriormente.

Por último se puede observar la bobina que utiliza la máquina para crear el campo magnético, esta se encuentra justo al respaldo de la carcasa en donde deben ir los libros.

Referencias

[1] DUAL AXIS MAGNETIC FIELD DEVICE FOR CHANGING STATUS OF EAS MARKER, A. BELKA,M. Saint Paul, (2002, 04 09). Patente WO 2002/103650. [online]. available on: https://www.lens.org/images/patent/EP/1399901/B1/EP_1399901_B1.pdf

[2] MARKER ASSEMBLY FOR USE WITH AN ELECTRONIC ARTICLE SURVELLANCE SYSTEM, NormanL.Koning,St.Paul,Minn., (1992 09 01). Patente 5,331,313. [online]. available on: https://patentimages.storage.googlea pis.com/cd/ff/af/4fdcf3259c3e84/US5331313.pdf

[3]A.Belka, P.Zarembo and E.Goff,"FIELD CREATION IN A MAGNETIC ELECTRONIC ARTICLE SURVELLANCE SYSTEM", U.S Patent 2004/0145476A1, Jul. 29, 2004. [online]. available on: https://patents.google.com/patent/US20040145476

[4] Amorphous magnetostrictive alloy and an electronic article surveillance system employing same, G. Herzer, (1999, 03 18). Patente WO 99/13442. [online] available on: https://patentimages.storage.googleapis.com/82/09/d3/4a93a533fe7298/WO1999013442A1.pdf