Orientador: Fabrício Guimarães Baptista / Banca: Paulo Sérgio da Silva / Banca: Carlos de Marqui Junior / Resumo: Esta dissertação de mestrado apresenta uma análise experimental da viabilidade do uso dos diafragmas piezelétricos comerciais de baixo custo (comumente conhecidos como buzzers) em sistemas de monitoramento de integridade estrutural (SHM - Structural Health Monitoring) baseados na técnica da impedância eletromecânica (E/M). Esse tipo de aplicação tem recebido uma atenção especial nas últimas décadas por se basear no uso de transdutores piezelétricos pequenos e leves que operam simultaneamente como sensores e atuadores. Foram realizados vários testes em barras de alumínio utilizando diafragmas de diversos tamanhos; as assinaturas de impedância elétrica e os índices de dano foram comparados com os obtidos usando uma cerâmica convencional de PZT (Pb-lead Zirconate Titanate - titanato zirconato de chumbo), que é o transdutor mais comumente utilizado nessa aplicação. Os danos estruturais foram simulados utilizando-se massas metálicas (porcas de parafuso), as quais foram fixadas nas barras com cola a base de cianoacrilato. Quatro tipos de experimentos foram realizados para fins de comparação: estimação da sensibilidade dos transdutores utilizando método da quebra do grafite (PLB - Pencil Lead Break - quebra do grafite); comparação dos índices de dano RMSD (root mean square deviation - desvio da raiz média quadrática) e CCDM (correlation coefficient deviation metric - métrica do desvio do coeficiente de correlação), calculados a partir das assinaturas de impedância; avaliação dos efe... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This dissertation presents an experimental analysis of the viability of low-cost commercial piezoelectric diaphragms (commonly known as buzzers) in structural health monitoring (SHM) systems based on the electromechanical impedance (EMI) technique. This application has received special attention in recent decades because it is based on the use of small, lightweight piezoelectric transducers operating as both sensors and actuators. Several tests were carried out on aluminum bars using diaphragms of different sizes; the electrical impedance signatures and damage indices were compared with those obtained using a conventional PZT (Pb-Lead Zirconate Titanate) ceramic, which is the most commonly employed transducer in this application. Structural damage was simulated using metallic bolts (steel nut), which were fixed in the bars using cyanoacrylate glue. Four types of experiments were carried out for comparison between the two transducers: sensitivity estimation using the pencil lead break (PLB) method, analysis of the feasibility to detect structural damage using conventional impedance signatures and damage indices, analysis of temperature effects, and determination of the long-term reproducibility of the results. The results indicated that conventional PZT ceramics and diaphragms with similar size exhibit very close characteristics in relation to reproducibility, sensitivity to damage and temperature effects, which leads to the conclusion that the piezoelectric diaphragms are fea... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Submitted by EVERALDO SILVA DE FREITAS null (everaldo.freitas@gmail.com) on 2018-09-12T02:59:57Z No. of bitstreams: 1 Tese_Doutorado_Everaldo_Freitas_FINAL_2018_ok.pdf: 1723520 bytes, checksum: dbd1b513bc9fa19ca8ac81016da5d0a9 (MD5) / Approved for entry into archive by Lucilene Cordeiro da Silva Messias null (lubiblio@bauru.unesp.br) on 2018-09-12T12:56:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 freitas_es_dr_bauru.pdf: 1679310 bytes, checksum: e2ca0b29e71f13ee7094695c96036f7a (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-12T12:56:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 freitas_es_dr_bauru.pdf: 1679310 bytes, checksum: e2ca0b29e71f13ee7094695c96036f7a (MD5) Previous issue date: 2018-07-23 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Os diafragmas piezelétricos são componentes eletrônicos de baixo custo utilizados em diversas aplicações. Seu uso mais comum é como transdutor de áudio e, nesse tipo de aplicação, é mais comumente conhecido como buzzer. Nos últimos anos, a utilização desses componentes em estudos científicos avançados tem aumentado bastante, e uma das áreas que tem merecido destaque é a dos sistemas de Monitoramento de Integridade Estrutural – Structural Health Monitoring (SHM) – baseados na técnica da impedância eletromecânica (E/M). Esse tipo de aplicação tem recebido uma atenção especial por se basear no uso de transdutores piezelétricos pequenos e leves minimamente invasivos à estrutura monitorada. Portanto, tomando como base o crescente interesse por esses componentes, é proposto neste estudo um circuito eletromecânico equivalente básico que relacione as propriedades elétricas dos diafragmas piezelétricos com as propriedades mecânicas da estrutura monitorada por meio da impedância elétrica. Essa relação é baseada no efeito piezelétrico, que proporciona um acoplamento eletromecânico com a estrutura monitorada e, portanto, permite avaliar as condições mecânicas da estrutura a partir das propriedades elétricas do transdutor. A estrutura utilizada no estudo foi uma barra de alumínio com dimensões de 500 mm x 38,10 mm x 3,18 mm, tipicamente utilizada em laboratórios, e diafragmas com espessuras da ordem de uma fração de milímetro. Nessas condições, o modo de vibração principal pode ser considerado na direção longitudinal da estrutura para uma suposição unidimensional, de forma que o diafragma piezelétrico pode ser representado como um hexapolo com três portas, sendo uma porta elétrica e duas portas acústicas, solução esta comumente usada na literatura. As sensibilidades aos danos estruturais foram teoricamente analisadas em três diafragmas de diferentes tamanhos utilizando o circuito equivalente proposto. Essas sensibilidades foram comparadas com a de uma cerâmica piezelétrica convencional, que é o transdutor comumente utilizado no método da impedância E/M. Além disso, testes experimentais foram realizados em barras de alumínio para validação do circuito equivalente. Pode-se concluir que há correspondência entre os resultados teóricos e experimentais, pois as sensibilidades dos transdutores em ambas as análises foram próximas com poucas variações. / Piezoelectric diaphragms are inexpensive electronic components used in a variety of applications. Its most common use is as an audio transducer and, in this type of application, it is commonly known as "buzzer". In recent years, the use of these components in advanced scientific studies has increased significantly, and one of the areas that has received special mention is the Structural Health Monitoring (SHM) systems based on electromechanical impedance (EMI). This type of application has received special attention because it is based on the use of small and lightweight piezoelectric transducers minimally invasive to the monitored structure. Therefore, based on the growing interest in these components, a basic equivalent electromechanical circuit is proposed in this study that relates the electrical properties of the piezoelectric diaphragms to the mechanical properties of the monitored structure through the electrical impedance. This relationship is based on the piezoelectric effect, which provides an electromechanical coupling with the monitored structure and, therefore, allows to evaluate the mechanical conditions of the structure from the electrical properties of the transducer. The structure used in the study was an aluminum bar with dimensions of 500 mm x 38.10 mm x 3.18 mm, typically used in laboratories, and diaphragms with thicknesses of the order of a fraction of millimeter. Under these conditions, the main vibration mode can be considered in the longitudinal direction of the structure for a one-dimensional assumption, so that the piezoelectric diaphragm can be represented as a three-port hexapolo, one electric port and two acoustic ports, which is a solution commonly used in the literature. Sensitivities to structural damage were theoretically analyzed in three diaphragms of different sizes using the proposed equivalent circuit. These sensitivities were compared with that of a conventional piezoelectric ceramic, which is the transducer commonly used in the EMI method. In addition, experimental tests were performed on aluminum bars for equivalent circuit validation. It can be concluded that there is a correspondence between the theoretical and experimental results, because the sensitivities of the transducers in both analyzes were close with few variations. / FAPESP: 2015/02500-6

Submitted by EVERALDO SILVA DE FREITAS null (everaldo.freitas@gmail.com) on 2016-07-03T18:42:32Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Mestrado_Everaldo_Freitas_2016_final.pdf: 3897384 bytes, checksum: 5c9536e39331c3a9d0ddfa1752cc723a (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-07-07T16:33:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 freitas_es_me_bauru.pdf: 3897384 bytes, checksum: 5c9536e39331c3a9d0ddfa1752cc723a (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-07T16:33:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 freitas_es_me_bauru.pdf: 3897384 bytes, checksum: 5c9536e39331c3a9d0ddfa1752cc723a (MD5) Previous issue date: 2016-05-30 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Esta dissertação de mestrado apresenta uma análise experimental da viabilidade do uso dos diafragmas piezelétricos comerciais de baixo custo (comumente conhecidos como buzzers) em sistemas de monitoramento de integridade estrutural (SHM – Structural Health Monitoring) baseados na técnica da impedância eletromecânica (E/M). Esse tipo de aplicação tem recebido uma atenção especial nas últimas décadas por se basear no uso de transdutores piezelétricos pequenos e leves que operam simultaneamente como sensores e atuadores. Foram realizados vários testes em barras de alumínio utilizando diafragmas de diversos tamanhos; as assinaturas de impedância elétrica e os índices de dano foram comparados com os obtidos usando uma cerâmica convencional de PZT (Pb-lead Zirconate Titanate – titanato zirconato de chumbo), que é o transdutor mais comumente utilizado nessa aplicação. Os danos estruturais foram simulados utilizando-se massas metálicas (porcas de parafuso), as quais foram fixadas nas barras com cola a base de cianoacrilato. Quatro tipos de experimentos foram realizados para fins de comparação: estimação da sensibilidade dos transdutores utilizando método da quebra do grafite (PLB – Pencil Lead Break – quebra do grafite); comparação dos índices de dano RMSD (root mean square deviation – desvio da raiz média quadrática) e CCDM (correlation coefficient deviation metric – métrica do desvio do coeficiente de correlação), calculados a partir das assinaturas de impedância; avaliação dos efeitos da temperatura; e a avaliação da reprodutibilidade dos resultados a longo prazo. Os resultados indicaram que a cerâmica convencional de PZT e um diafragma de tamanho semelhante apresentam características bem próximas em relação à reprodutibilidade dos resultados, sensibilidade ao dano e aos efeitos de temperatura, o que leva a conclusão de que os diafragmas são viáveis para sistemas de SHM baseados na impedância E/M. / This dissertation presents an experimental analysis of the viability of low-cost commercial piezoelectric diaphragms (commonly known as buzzers) in structural health monitoring (SHM) systems based on the electromechanical impedance (EMI) technique. This application has received special attention in recent decades because it is based on the use of small, lightweight piezoelectric transducers operating as both sensors and actuators. Several tests were carried out on aluminum bars using diaphragms of different sizes; the electrical impedance signatures and damage indices were compared with those obtained using a conventional PZT (Pb-Lead Zirconate Titanate) ceramic, which is the most commonly employed transducer in this application. Structural damage was simulated using metallic bolts (steel nut), which were fixed in the bars using cyanoacrylate glue. Four types of experiments were carried out for comparison between the two transducers: sensitivity estimation using the pencil lead break (PLB) method, analysis of the feasibility to detect structural damage using conventional impedance signatures and damage indices, analysis of temperature effects, and determination of the long-term reproducibility of the results. The results indicated that conventional PZT ceramics and diaphragms with similar size exhibit very close characteristics in relation to reproducibility, sensitivity to damage and temperature effects, which leads to the conclusion that the piezoelectric diaphragms are feasible in SHM systems based on the EMI method. / FAPESP: 2015/02500-6

Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho null (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-21T20:22:26Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho null (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-22T14:06:59Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho null (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-22T18:09:14Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho null (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-22T18:12:24Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho null (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-22T19:44:22Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho null (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-23T11:57:14Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-23T12:57:55Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-23T13:16:31Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-23T13:34:44Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-23T17:24:55Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-23T17:29:01Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-24T12:05:23Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-24T12:39:44Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-24T16:47:39Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-24T17:31:21Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Submitted by Nelson Medeiros da Silva Filho (nelson@feb.unesp.br) on 2017-11-27T11:40:49Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_Nelson_definitiva.pdf: 7460359 bytes, checksum: 2454c030157e861e2383abfc17deeed5 (MD5) / Approved for entry into archive by Minervina Teixeira Lopes null (vina_lopes@bauru.unesp.br) on 2017-11-27T11:49:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 silvafilho_ne_me_bauru.pdf: 7341586 bytes, checksum: 69bdcc2dde57f38f92436f203095b2a2 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-27T11:49:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 silvafilho_ne_me_bauru.pdf: 7341586 bytes, checksum: 69bdcc2dde57f38f92436f203095b2a2 (MD5) Previous issue date: 2017-09-29 / O Motor de Indução Trifásico (MIT) é o mais utilizado em aplicações industriais e acionamentos eletromecânicos diversos, por ser um motor de construção robusta, ter baixo custo de fabricação e bom rendimento elétrico. Nesse cenário, destaca-se a importância de um correto diagnóstico de falhas de uma forma incipiente, evitando perdas nos processos produtivos e danos severos nessas máquinas. A estratégia da manutenção corretiva impõe, nos processos produtivos, paradas inesperadas da linha de produção podendo causar grandes prejuízos financeiros. Nesse contexto, a manutenção preditiva, auxiliada por sistemas de monitoramento constante, vem de encontro as necessidades dos processos industriais pois, além de prever paradas inesperadas, permite um planejamento da produção mais seguro, no que tange a continuidade do processo e administração da equipe de manutenção especializada. Entretanto, requer monitoramento constante com uma análise dos dados e conhecimento prévio do sistema para a avaliação dos parâmetros e das variáveis envolvidas. Esse trabalho de pesquisa propôs o desenvolvimento de uma abordagem para diagnosticar defeitos em MIT, por meio de diafragmas piezelétricos de baixo custo e sistemas inteligentes do tipo Redes Neurais Artificiais (RNA). Mais especificamente, defeitos elétricos do tipo curto-circuito entre espiras de uma mesma bobina nos estatores dessas máquinas. Para tal, foi implementada uma bancada experimental em ambiente de laboratório, onde foram realizados ensaios com simulações de falhas relacionadas a curto-circuito entre espiras das bobinas do enrolamento do estator, visando a obtenção de dados de corrente elétrica e vibração do MIT, para o treinamento das arquiteturas de RNA. Em seguida essas redes foram treinadas e validadas, e a análise dos resultados obtidos foi realizada através de critérios estatísticos como taxa de acerto percentual, erro relativo percentual, desvio padrão e coeficiente de correlação entre os dados. Os resultados indicam que a abordagem proposta mostrou-se precisa e robusta, sinalizando a factibilidade do uso da técnica em motores de maior potência e tensão elétrica de operação, que possuem valores de custo para aquisição relativamente altos. / The three-phase induction motor (MIT) is the most widely used in industrial applications and various electromechanical drives, as it is a robust construction engine, low manufacturing cost and good electrical performance. In this scenario, the importance of a correct fault diagnosis in an incipient way is highlighted, avoiding losses in the productive processes and severe damages in these machines. The strategy of corrective maintenance imposes, in the productive processes, unexpected stops of the production line and can cause great financial losses. In this context, the predictive maintenance, aided by constant monitoring systems, meets the needs of industrial processes because, in addition to anticipating unexpected stops, it allows a safer production planning regarding the continuity of the process and administration of the maintenance team specialized. However, it requires constant monitoring with an analysis of the data and prior knowledge of the system for the evaluation of the parameters and variables involved. This research project proposed the development of an approach to diagnose defects in MIT, through low cost piezoelectric diaphragms and intelligent artificial neural networks (ANNs). More specifically, short-circuit electrical defects between turns of the same coil in the stators of these machines. For this, an experimental bench was implemented in a laboratory environment, where tests were performed with fault simulations related to short circuits between turns of the coils of the stator winding, aiming to obtain data of electrical current and vibration of the MIT for the training of ANN architectures. Afterwards, these networks were trained and validated, and the analysis of the results obtained was performed through statistical criteria such as percentage success rate, relative percentage error, standard deviation and correlation coefficient between the data. The results indicated that the proposed approach proved to be accurate and robust, signaling the feasibility of using the technique in engines with higher power and operating voltage, which have relatively high acquisition cost values.

Orientador: José Alfredo Covolan Ulson / Resumo: O leite é um alimento de alto valor nutritivo e de extrema importância na dieta alimentar especialmente de gestantes, crianças e idosos. Entre os alimentos mais consumidos está o leite bovino, o qual tem sido alvo de adulterações por diversas substâncias em todo o mundo por motivações econômicas, muitas vezes colocando em risco a saúde do consumidor. No controle de adulterações no leite, sensores aplicados na indústria alimentícia são ferramentas importantes para o controle de qualidade. Atualmente, as análises disponíveis no mercado para verificação de possíveis adulterações no leite geralmente são custosas e/ou demoradas, devido a necessidade de ambiente laboratorial e utilização de equipamentos de alto valor. Portanto, é de extrema importância, o desenvolvimento de metodologias e sensores de triagem para identificação de adulterantes no leite que sejam viáveis economicamente e de fácil acesso e utilização. Neste intuito, este estudo utilizou diafragmas transdutores piezelétricos para implementar uma metodologia que identificasse adulterações no leite por meio do método de propagação de ondas mecânicas (vibração e emissão acústica). Leite pasteurizado puro e padronizado e três substâncias comumente encontradas nos casos de adulteração do leite (peróxido de hidrogênio, ureia e bicarbonato de sódio) foram utilizados para as análises. Foi desenvolvido em impressora 3D um dispositivo para a inserção das amostras de leite a serem analisadas, onde dois diafragmas piezelétricos fo... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Milk is a food with high nutritional value and extremely important in the diet especially for pregnant women, children and the elderly. Among the most consumed foods is beef milk, which has been tampered with by various substances around the world for economic reasons, often endangering consumer health. In the control of milk adulteration, sensors applied in the food industry are important tools for quality control. Currently, commercially available analyzes for possible milk adulteration are costly and/or time consuming, due to the need for laboratory environment and use of high value equipment. Thus, is of utmost important to develop methodologies and screening sensors for the identification of milk adulteration that are economically viable and easy to access and use. To this end, this study used piezoelectric transducer diaphragms to implement a methodology which identify milk adulterations through the mechanical wave propagation method (vibration and acoustic emission). Pure and standardized pasteurized milk and three substances commonly found in cases of milk adulteration (hydrogen peroxide, urea and sodium bicarbonate) were used for the analyzes. A device was developed in 3D printer for the insertion of milk samples to be analyzed, where two piezoelectric diaphragms were adapted. The first was excited by a chirp signal with 1 V of amplitude and a frequency band from 0 to 65 kHz with 2 Hz pitch and 1.2 second duration, and concomitantly acquired the response signal of th... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre