Logging While Drilling (LWD) instruments used in oil and gas exploration are subjected to extreme environmental conditions that make reliable operation a major challenge. The sensors directly exposed to this environment experience accelerated aging and may suffer physical damage leading to failure. The cost of drilling and rig operations is very high magnifying any failures or issues with LWD tools. The goal of this report is to present a built-in self-test for an instrument sensor that provides a means to evaluate sensor functionality. The sensor is a piezoelectric ultrasonic transducer. A brief review of the sensor physics will be given. I will review some methods for characterizing piezoelectric ceramic materials and transducers. The application of sensor test methods is applied in an ultrasound pulse-echo application. A brief review of the application circuit will be covered including state of the art in commercial ultrasound integrated circuit design. A prototype of the BIST method is evaluated using test transducers to verify the circuit provides indication of a transducers ability to function correctly. The prototype is achieved through the AD5933 demo board and MATLAB is used for data processing. / text

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The performance of smart structures depends on the dynamic electromechanical behavior of piezoelectric sensors/actuators and the bonding condition along the interface. This thesis contents a theoretical study of the coupled electromechanical characteristics of a surface-bonded piezoelectric sensor with interfacial debonding, which is subjected to high frequency mechanical loads. A one dimensional sensor model is proposed. Analytical solutions based on the integral equation method are provided. Numerical simulation is conducted to evaluate the effects of different parameters upon the dynamic load transfer between the sensor and the host medium. The results indicate that, the material combination, the sensor geometry, and the loading frequency, affect the load transfer significantly. The analytical solution of the elastic wave field in the host medium is obtained and used to evaluate the effects of different parameters upon the resulting wave field. The theoretical solution demonstrates the basic properties of wave propagation under current loading conditions.

This study aims to develop a new method to monitor peripheral arterial pulse using a PVDF piezoelectric sensor. After comparing different locations of sensor placement, a specific sensor wrap for the finger was developed. Its composition, size, and location make it inexpensive and very convenient to use. In order to monitor the effectiveness of the sensor at producing a reliable pulse waveform, a monitoring system, including the PZT sensor, ECG, pulse-oximeter, respiratory sensor, and accelerometer was setup. Signal analysis from the system helped discover that the PZT waveform is relative to the 1st derivative of the artery pressure wave. Also, the system helped discover that the first, second, and third peaks in PZT waveform represent the pulse peak, inflection point, and dicrotic notch respectively. The relationship between PZT wave and respiration was also analyzed, and, consequently, an algorithm to derive respiratory rate directly from the PZT waveform was developed. This algorithm gave a 96% estimating accuracy. Another feature of the sensor is that by analyzing the relationship between pulse peak amplitude and blood pressure change, temporal artery blood pressure can be predicted during Valsalva maneuver. PZT pulse wave monitoring offers a new type of pulse waveform which is not yet fully understood. Future studies will lead to a more broadly applied use of PZT sensors in cardiac monitoring applications.

Os objetivos deste trabalho foram estudar, desenvolver e avaliar filmes para a captação de vapores de benzeno e amônia, tornando possível a detecção e quantificação destas substâncias no ar atmosférico, utilizando sensores piezelétricos de quartzo. Dispositivos piezelétricos destes cristais são hoje de grande importância em Química Analítica, possuindo inúmeras aplicações (meio gasoso e em solução), uma vez que se encontram muitos trabalhos no campo da eletroanalítica, enzimologia, imunoquímica, análise de alimentos, análises clínicas e em análises ambientais. O princípio do método baseia-se no fato de que o cristal de quartzo, sob um campo elétrico alternado, vibra com uma freqüência bem definida. Ao se depositar uma pequena massa de material na superfície do cristal (eletrodo), ocorre uma queda proporcional da freqüência de vibração. Depositando-se um filme (coating) que tenha afinidade pela substância que se quer detectar e quantificar, tem-se uma microbalança. À medida que o poluente passa pelo cristal ocorre a sorção do mesmo. Com o aumento da massa, a freqüência de vibração do cristal diminui proporcionalmente, sendo possível a construção de uma curva analítica, o que permite a quantificação do poluente em níveis da ordem de parte por milhão (ppm) ou mesmo parte por bilhão (ppb). No início dos estudos, várias substâncias (individualmente ou misturadas) foram investigadas como possíveis substratos captores (filmes) para detecção de benzeno e amônia. Entre elas, diferentes fases estacionárias viscosas utilizadas em cromatografia gasosa, além de alguns silicones, glicóis, ácidos orgânicos, zeólitas, complexos de metais de transição e até porfirinas. Para a detecção e quantificação de benzeno, em níveis da ordem de 10 ppm (32 mg m-3), dentre as muitas substâncias investigadas, até o presente momento, nenhuma apresentou resultados satisfatórios para a montagem de método analítico. Para a detecção e quantificação de amônia, encontrou-se que uma mistura de 50 ?L de solução de ácido glicólico em THEED (3:4 m/m) com 25 ?L de solução saturada de ácido tânico em acetona, mostrou-se a mais promissora. Nas etapas seguintes, passou-se às investigações para otimização das condições experimentais. Foram estudados, então, a melhor vazão de trabalho, os efeitos da quantidade de filme depositado sobre o cristal, efeito da temperatura, reversibilidade, entre outros. Todas as medidas foram realizadas para quatro tempos diferentes de exposição do cristal ao poluente (30 segundos, 1, 2 e 3 minutos). A quantidade de filme considerada ideal foi de 133 g, correspondendo a uma variação de freqüência de aproximadamente 67 KHz. Valores maiores, além de diminuírem a sensibilidade, geralmente causam parada das oscilações enquanto o poluente passa pelo cristal (aumento excessivo de massa), sendo que valores menores de massa provocam diminuição de sensibilidade. A melhor vazão de trabalho encontrada está na faixa de 80 a 100 mL min-1. Temperaturas entre 15ºC e 35ºC não apresentaram efeitos significativos sobre a sensibilidade do detector, ocorrendo uma diminuição da mesma em temperaturas acima deste limite. O sensor apresentou queda de freqüência linear (r = 0,999 para tempos de exposição de 30 segundos e 1 minuto, e r = 0,988 para tempos de exposição de 2 e 3 minutos) no intervalo de concentração estudado (2 à 10 ppm). Alguns possíveis interferentes foram investigados, entre eles CO, CO2, H2S, NO2 e ar atmosférico, sendo que, apenas o NO2 interferiu nas análises. Portanto, deve estar ausente do ar analisado ou deve ser retirado por algum captor específico estrategicamente inserido na linha de entrada. Estudos sobre o \"envelhecimento\"da película após preparo, mostraram que nenhum efeito considerável foi observado quanto à captação do poluente, após dois meses . Nos estudos de reversibilidade, o sensor mostrou-se irreversível, o que nos impediu de verificar o tempo de vida de uma mesma película para vários ciclos consecutivos. Contudo, este fato é compensado pela elevada sensibilidade e pelo curto tempo gasto na análise, ficando demonstrado sua grande potencialidade na detecção e quantificação de amônia no ar. / The objective of this work was to study, develop and evaluate coatings for detecting benzene and ammonia in atmospheric air, by using a piezoelectric quartz sensor. Nowadays, piezoelectric quartz sensors are very important in Analytical Chemistry due to their numerous aplications (in gaseous fase or in solution). This method is based on the fact that the quartz crystal when placed under an alternated electric field, vibrates with a well known frequency. When a very low mass of substance is deposited on the crystal surface (electrode) a proportional decrease in the vibrational frequency occurs. This coating must have affinity for the substance we wish to detect and quantify. The sorption of the pollutant occurs as it is passes through the crystal. Increased mass leads to decreased vibrational frequency in a proportional way, so it is possible to build an analytical curve and quantify the pollutant in levels of part per million (ppm) and part per billion (ppb). Many substances (individually or mixed) were investigated as possible coatings for detection of benzene and ammonia detection, such as different chromatography viscous stationary phases, glycols, some organic acids, zeolites, transition metal complexes and porphyrins. For benzene detection and quantification at the level of 10 ppm (32 mg m-3), none of the investigated substances presented satisfactory results. For ammonia detection and quantification a mixture of 50 ?L of Glycolic Acid in THEED solution (3:4 w/w) and 25 ?L of Tannic Acid in acetone solution was the most promising one. The optimization of the experimental conditions found 133 ?g as the ideal coating mass to be deposited on the crystal surface. A working flow of ix 80 to 100 mL min-1and a working temperature in the 15ºC to 35ºC range (59ºF to 95ºF) were found to be ideal. In the studied concentration range, the sensor presented linear decrease in frequency. Some possible interfering substances were investigated (CO, CO2, H2S, NO2 and atmospheric air) and only NO2 showed some interference. Although the sensor showed to be irreversible, it is also very sensitive and can therefore be used to detect and quantify ammonia.

Transportation by trucks plays a major role in North America’s economy. The growth of this industry will increase the loads on existing roads and highways and raises the possibility of overloaded vehicles, which causes significant damage to the pavement and consequently will reduce the lifespan of the roads. Weigh-in-motion (WIM) systems technology helps to address the challenge of overloaded vehicles. This technology provides traffic monitoring, collects data for pavement research and design, and improves the capacity of static weigh station operations. However, there is still a lack of knowledge about the behaviour of WIM sensors installed in different environments, which affects reliable and precise data gathering. More knowledge is required on proper installation procedures, pavement design for WIM systems, choice of sensor type for location, and calibration processes. This research is intended to explore the behaviour of WIM piezoelectric sensors under different loads and environmental conditions. Specifically, the effects of air and pavement temperature, and weight and speed of trucks are examined with respect to the estimation accuracy of WIM sensors. To accomplish this, three WIM systems composed of different piezoelectric transducers were installed at the CPATT test site at the Waste Management facility of the Region of Waterloo in 2007, and two WIM systems were installed between exits 238 and 250 on Highway 401 eastbound near Woodstock, Ontario. It was concluded that the output of the polymer piezoelectric sensor is influenced by temperature and weight factors but not by normally observed vehicle speed differences. While temperature can be compensated for, not enough information has been gathered yet does the same for weight factor. It should be noted that very low speeds (e.g. < 50 km/hr) result in significant errors for all the sensors, so that in congested sections WIM results should be interpreted accordingly. These results will be useful for investigating the effects of environmental conditions on other WIM systems and for predicting the responses of sensors in actual installation environments. This will assist in the recommendation of: (1) alternative and transparent calibration procedures for the WIM sensor systems, (2) and improved benefits of least expensive technology.

Transportation by trucks plays a major role in North America’s economy. The growth of this industry will increase the loads on existing roads and highways and raises the possibility of overloaded vehicles, which causes significant damage to the pavement and consequently will reduce the lifespan of the roads. Weigh-in-motion (WIM) systems technology helps to address the challenge of overloaded vehicles. This technology provides traffic monitoring, collects data for pavement research and design, and improves the capacity of static weigh station operations. However, there is still a lack of knowledge about the behaviour of WIM sensors installed in different environments, which affects reliable and precise data gathering. More knowledge is required on proper installation procedures, pavement design for WIM systems, choice of sensor type for location, and calibration processes. This research is intended to explore the behaviour of WIM piezoelectric sensors under different loads and environmental conditions. Specifically, the effects of air and pavement temperature, and weight and speed of trucks are examined with respect to the estimation accuracy of WIM sensors. To accomplish this, three WIM systems composed of different piezoelectric transducers were installed at the CPATT test site at the Waste Management facility of the Region of Waterloo in 2007, and two WIM systems were installed between exits 238 and 250 on Highway 401 eastbound near Woodstock, Ontario. It was concluded that the output of the polymer piezoelectric sensor is influenced by temperature and weight factors but not by normally observed vehicle speed differences. While temperature can be compensated for, not enough information has been gathered yet does the same for weight factor. It should be noted that very low speeds (e.g. < 50 km/hr) result in significant errors for all the sensors, so that in congested sections WIM results should be interpreted accordingly. These results will be useful for investigating the effects of environmental conditions on other WIM systems and for predicting the responses of sensors in actual installation environments. This will assist in the recommendation of: (1) alternative and transparent calibration procedures for the WIM sensor systems, (2) and improved benefits of least expensive technology.

Os objetivos deste trabalho foram estudar, desenvolver e avaliar filmes para a captação de vapores de benzeno e amônia, tornando possível a detecção e quantificação destas substâncias no ar atmosférico, utilizando sensores piezelétricos de quartzo. Dispositivos piezelétricos destes cristais são hoje de grande importância em Química Analítica, possuindo inúmeras aplicações (meio gasoso e em solução), uma vez que se encontram muitos trabalhos no campo da eletroanalítica, enzimologia, imunoquímica, análise de alimentos, análises clínicas e em análises ambientais. O princípio do método baseia-se no fato de que o cristal de quartzo, sob um campo elétrico alternado, vibra com uma freqüência bem definida. Ao se depositar uma pequena massa de material na superfície do cristal (eletrodo), ocorre uma queda proporcional da freqüência de vibração. Depositando-se um filme (coating) que tenha afinidade pela substância que se quer detectar e quantificar, tem-se uma microbalança. À medida que o poluente passa pelo cristal ocorre a sorção do mesmo. Com o aumento da massa, a freqüência de vibração do cristal diminui proporcionalmente, sendo possível a construção de uma curva analítica, o que permite a quantificação do poluente em níveis da ordem de parte por milhão (ppm) ou mesmo parte por bilhão (ppb). No início dos estudos, várias substâncias (individualmente ou misturadas) foram investigadas como possíveis substratos captores (filmes) para detecção de benzeno e amônia. Entre elas, diferentes fases estacionárias viscosas utilizadas em cromatografia gasosa, além de alguns silicones, glicóis, ácidos orgânicos, zeólitas, complexos de metais de transição e até porfirinas. Para a detecção e quantificação de benzeno, em níveis da ordem de 10 ppm (32 mg m-3), dentre as muitas substâncias investigadas, até o presente momento, nenhuma apresentou resultados satisfatórios para a montagem de método analítico. Para a detecção e quantificação de amônia, encontrou-se que uma mistura de 50 ?L de solução de ácido glicólico em THEED (3:4 m/m) com 25 ?L de solução saturada de ácido tânico em acetona, mostrou-se a mais promissora. Nas etapas seguintes, passou-se às investigações para otimização das condições experimentais. Foram estudados, então, a melhor vazão de trabalho, os efeitos da quantidade de filme depositado sobre o cristal, efeito da temperatura, reversibilidade, entre outros. Todas as medidas foram realizadas para quatro tempos diferentes de exposição do cristal ao poluente (30 segundos, 1, 2 e 3 minutos). A quantidade de filme considerada ideal foi de 133 g, correspondendo a uma variação de freqüência de aproximadamente 67 KHz. Valores maiores, além de diminuírem a sensibilidade, geralmente causam parada das oscilações enquanto o poluente passa pelo cristal (aumento excessivo de massa), sendo que valores menores de massa provocam diminuição de sensibilidade. A melhor vazão de trabalho encontrada está na faixa de 80 a 100 mL min-1. Temperaturas entre 15ºC e 35ºC não apresentaram efeitos significativos sobre a sensibilidade do detector, ocorrendo uma diminuição da mesma em temperaturas acima deste limite. O sensor apresentou queda de freqüência linear (r = 0,999 para tempos de exposição de 30 segundos e 1 minuto, e r = 0,988 para tempos de exposição de 2 e 3 minutos) no intervalo de concentração estudado (2 à 10 ppm). Alguns possíveis interferentes foram investigados, entre eles CO, CO2, H2S, NO2 e ar atmosférico, sendo que, apenas o NO2 interferiu nas análises. Portanto, deve estar ausente do ar analisado ou deve ser retirado por algum captor específico estrategicamente inserido na linha de entrada. Estudos sobre o \"envelhecimento\"da película após preparo, mostraram que nenhum efeito considerável foi observado quanto à captação do poluente, após dois meses . Nos estudos de reversibilidade, o sensor mostrou-se irreversível, o que nos impediu de verificar o tempo de vida de uma mesma película para vários ciclos consecutivos. Contudo, este fato é compensado pela elevada sensibilidade e pelo curto tempo gasto na análise, ficando demonstrado sua grande potencialidade na detecção e quantificação de amônia no ar. / The objective of this work was to study, develop and evaluate coatings for detecting benzene and ammonia in atmospheric air, by using a piezoelectric quartz sensor. Nowadays, piezoelectric quartz sensors are very important in Analytical Chemistry due to their numerous aplications (in gaseous fase or in solution). This method is based on the fact that the quartz crystal when placed under an alternated electric field, vibrates with a well known frequency. When a very low mass of substance is deposited on the crystal surface (electrode) a proportional decrease in the vibrational frequency occurs. This coating must have affinity for the substance we wish to detect and quantify. The sorption of the pollutant occurs as it is passes through the crystal. Increased mass leads to decreased vibrational frequency in a proportional way, so it is possible to build an analytical curve and quantify the pollutant in levels of part per million (ppm) and part per billion (ppb). Many substances (individually or mixed) were investigated as possible coatings for detection of benzene and ammonia detection, such as different chromatography viscous stationary phases, glycols, some organic acids, zeolites, transition metal complexes and porphyrins. For benzene detection and quantification at the level of 10 ppm (32 mg m-3), none of the investigated substances presented satisfactory results. For ammonia detection and quantification a mixture of 50 ?L of Glycolic Acid in THEED solution (3:4 w/w) and 25 ?L of Tannic Acid in acetone solution was the most promising one. The optimization of the experimental conditions found 133 ?g as the ideal coating mass to be deposited on the crystal surface. A working flow of ix 80 to 100 mL min-1and a working temperature in the 15ºC to 35ºC range (59ºF to 95ºF) were found to be ideal. In the studied concentration range, the sensor presented linear decrease in frequency. Some possible interfering substances were investigated (CO, CO2, H2S, NO2 and atmospheric air) and only NO2 showed some interference. Although the sensor showed to be irreversible, it is also very sensitive and can therefore be used to detect and quantify ammonia.

The brain, like many parts of the human body, can experience swelling, also known as cerebral edema. Cerebral edema may occur because of an injury, health related issues, tumors, or even high altitudes[1]. When cerebral edema occurs, a rise in intracranial pressure (ICP) becomes prevalent and may cause a serious threat. Without immediate treatment, increased intracranial pressure can prevent blood from flowing to the brain and depriving it of necessary oxygen it needs to function. A normal ICP is usually between 5-15 mmHg (666 Pa - 1333Pa). Any ICP observed to be above 20 mmHg (2666Pa) can be associated with brain ischemia and is usually treated[2, 3]. If prolonged, high intracranial pressures can be fatal. Current methods of measuring increased ICP are invasive and may involve drilling into the skull. Extreme invasive measures are not always suitable for certain situations. This thesis presents a study of a non-invasive sensor using piezoelectric PVDF wire to measure the ICP. The PVDF wire sensor is wrapped around the outer portion of the human head to measure the integrated hoop strain. Using this hoop strain, the pressure is then calculated from a known coupling factor of strain to pressure outputted from finite element modeling simulations. The coupling factor is then incorporated into a final calibration factor to calibrate the piezoelectric PVDF wire sensor from charge (Picocoulomb) to pressure (Pascal). These calibration factors are proven to be primarily dependent on the circumference of the human skull. Furthermore, part of this study analyzed the effectiveness and validity of the sensor due to asymmetries in the human skull. A comparison of analytical analysis results versus computational results using finite element modeling simulations show that the PVDF wire sensor neglects any asymmetries presented within the test subject. The results of this study show that this sensor will output correct ICP measurements of different subjects using appropriate calibration factors and is a viable option for measuring ICP non-invasively. / Master of Science

O objetivo deste trabalho é filtrar sinais corrompidos por ruído Gaussiano ou impulsivo, preservando a amplitude e a morfologia do sinal original. Normalmente, um filtro linear é utilizado nesta tarefa, porém este filtro altera significativamente as amplitudes e as bordas dos sinais, bem como insere atrasos no sinal. Mostra-se neste trabalho que a difusão anisotrópica em conjunto com filtro mediana é muito mais eficaz do que os filtros lineares para esta aplicação. A difusão anisotrópica é uma filtragem iterativa, onde o sinal é filtrado repetidamente. A difusão anisotrópica é controlada por uma função denominada parada-na-aresta, por um parâmetro de escala e pelo número de iterações. Neste trabalho, testamos três bem conhecidas funções parada-na-aresta, concluindo que a função de parada na aresta de Malik e Perona consegue o maior fator de redução de ruído. Infelizmente, esta função é extremamente sensível ao número de iterações, onde o fator de redução de ruído deteriora-se rapidamente antes e depois do ponto ótimo. Como não se conhece o sinal sem ruído, não é possível determinar precisamente qual é o melhor momento de encerrar as iterações do filtro anisotrópico. Desenvolve-se neste trabalho um novo método de parada de difusão baseado na análise da resposta de freqüência do sinal filtrado. Também mostramos como determinar automaticamente um valor de escala adequado. Aplicamos a técnica proposta em eletrocardiograma (ECG). complexo QRS e as Contrações Ventriculares Prematuras (Premature Ventricular Contractions - PVCs) são informações importantes contidas no sinal de ECG. Quando esses sinais são adquiridos no mundo real, eles são freqüentemente corrompidos por eletromiogramas (EMG), artefatos ruidosos provenientes da atividade elétrica associada às contrações musculares. EMG é considerado o ruído de ECG mais difícil de ser eliminado. Ao filtrar o sinal de ECG para remover EMG, não se pode alterar a informação do complexo QRS e anomalia PVC, para não comprometer o diagnóstico clínico. O sinal EMG é modelado como sendo ruído Gaussiano ou, de uma forma mais realística, como ruído com distribuição alfa-estável com características impulsivas. Aplicamos a técnica proposta para filtrar sinais de eletrocardiograma reais do banco de dados de Massachusetts Institute of Technology - Beth Israel Hospital (MIT-BIH). Também é analisada nesta tese a filtragem de sinais provenientes de sensor piezoelétrico. Estes sinais são usados em sistemas reais de corte de aço duro. Em geral uma ferramenta de corte tem sensores piezoelétricos, usados para medição do esforço do corte. Quando a ferramenta de corte se encosta à peça a ser cortada, o sinal do sensor produz uma informação que decai erroneamente ao longo do tempo. Aplicamos a difusão anisotrópica em conjunto com o filtro mediana para determinar o decaimento do sinal do sensor piezoelétrico ao longo do tempo, e assim compensar esta distorção e melhorar o corte de aço duro. / This thesis aims to filter signals corrupted by Gaussian or impulsive noise, preserving the amplitude and the morphology of the original signal. Typically, a linear filter is used for this task, but this filter significantly alters the amplitudes and the edges of the signals and inserts delays in the signal. This work shows that the anisotropic diffusion in conjunction with median filter is much more effective than linear filters for this application. The anisotropic diffusion is an iterative filter, where the signal is filtered repeatedly. An edge-stopping function, a scale parameter and the number of iterations control the anisotropic diffusion. In this study, we tested three well-known edge-stopping functions, concluding that the Perona and Maliks function yields the largest noise reduction factor. Unfortunately, this function is extremely sensitive to the number of iterations, where the noise reduction factor deteriorates quickly before and after the optimal point. As we do not have access to the original noiseless signal, it is not possible to determine precisely the best moment to stop the iterations of the anisotropic filtering. We develop in this paper a new method to determine the best stopping time based on the analysis of the frequency response of the filtered signal. We also show how to determine automatically an adequate scale parameter. We apply the proposed technique to filter electrocardiogram (ECG). The QRS complex and Premature Ventricular Contractions (PVCs) are important information in the ECG signal. When these signals are acquired in the real world, they are often corrupted with noise artifacts from the electrical activity associated with muscle contractions called Electromyography (EMG). EMC is considered the most difficult noise to be eliminated from ECG. When the ECG signal is filtered to remove EMG, the information of the QRS complex and the PVC abnormality must not be altered, to not compromise the clinical diagnosis. We model the EMG signal as Gaussian noise or, more realistically, as alpha stable distribution noise with impulsive characteristics. We apply this technique to filter the real ECG signals from the Massachusetts Institute of Technology - Beth Israel Hospital database (MIT-BIH). This thesis also analyzes the filtering of signals from piezoelectric sensor. These signals are used in real systems for cutting hard steel. In general, a cutting tool has piezoelectric sensors, used to measure the cutting force. When the cutting tool touches the part to be cut, the signal from the sensor produces information that falsely decays over the time. We apply the anisotropic diffusion in conjunction with the median filter to determine the decay of the signal, and therefore offset this distortion and improve the hard steel cutting.