Submitted by Danilo Ecidir Budoya (dbudoya.eng@gmail.com) on 2018-04-25T21:17:47Z No. of bitstreams: 1 Dissertação - Danilo Budoya.pdf: 3474646 bytes, checksum: 301f48ae4a6c065e915f91fe3d764dd8 (MD5) / Approved for entry into archive by Minervina Teixeira Lopes null (vina_lopes@bauru.unesp.br) on 2018-04-26T12:29:49Z (GMT) No. of bitstreams: 1 budoya_de_me_bauru.pdf: 3415870 bytes, checksum: 35422f7801e20a052d2c9a303aa7e2dd (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-26T12:29:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 budoya_de_me_bauru.pdf: 3415870 bytes, checksum: 35422f7801e20a052d2c9a303aa7e2dd (MD5) Previous issue date: 2018-04-20 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Sistemas de monitoramento de integridade estrutural (SHM – Structural Health Monitoring) são científica e economicamente relevantes como métodos de detecção de danos estruturais em diversos tipos de estruturas, aumentando assim a segurança e reduzindo os custos de manutenção. Entre os vários princípios de detecção de danos, o método da impedância eletromecânica (E/M) baseia-se na medição da impedância elétrica do transdutor piezelétrico fixado à estrutura monitorada. Aqui, a exatidão e precisão do sistema de medição são fundamentais para o diagnóstico correto da estrutura. Portanto, essa dissertação apresenta uma análise comparativa de duas técnicas de medição de impedância para detecção de danos que são tipicamente utilizadas em analisadores de impedância comerciais e em outros sistemas de medição alternativos: medições em estado transitório utilizando um sinal de excitação de varredura e medições em estado estacionário utilizando um sinal senoidal puro para cada frequência de excitação. Os testes foram realizados com cargas resistivas e capacitivas de valores nominais 100 Ω e 10 nF, respectivamente, e com um transdutor piezelétrico fixado em uma barra de alumínio que representa uma estrutura monitorada. As duas técnicas foram comparadas com base na exatidão, precisão, sensibilidade à danos e tempo necessário para as medições. Os resultados destacam as características importantes de cada técnica, as quais devem ser consideradas para o desenvolvimento de sistemas de SHM baseados na impedância e o diagnóstico correto das estruturas monitoradas. / Structural health monitoring (SHM) systems are scientifically and economically relevant as methods of detecting structural damage to various types of structures, thus increasing safety and reducing maintenance costs. Among the various principles of damage detection, the electromechanical impedance (EMI) method is based on the electrical impedance measurement of piezoelectric transducers attached to the monitored structure. Here, the accuracy and precision of the measurement system are fundamental for the correct diagnosis of the structure. Therefore, this dissertation presents a comparative analysis of two impedance measurement techniques for damage detection that are typically used in commercial impedance analyzers and other alternative measurement systems: transient-state measurements using a sweep excitation signal and steady-state measurements using a pure sinusoidal signal for each excitation frequency. Tests were performed with resistive and capacitive loads with nominal values of 100 Ω e 10 nF, respectively, and a piezoelectric transducer fixed to an aluminum bar representing a monitored structure. The two techniques were compared based on the accuracy, precision, sensibility to damage and time required for the measurements. The results highlight the important features of each technique, which should be considered for the development of impedance-based SHM systems and the correct diagnosis of monitored structures. / 2015/23272-1

As bombas de fluxo, além das aplicações clássicas em Engenharia, são instrumentos importantes em áreas como a Bioengenharia, seja para o bombeamento de sangue ou dosagem de reagentes e medicamentos, e na área de refrigeração de equipamentos eletrônicos. Muitos dos novos princípios aplicados no desenvolvimento desse tipo de bomba de fluxo baseiam-se no uso de atuadores piezelétricos. Esses atuadores apresentam certas vantagens em relação a outros tipos tradicionalmente utilizados, como maior potencial de miniaturização, menor geração de ruídos e número reduzido de partes móveis. Entre os vários tipos de bombas de fluxo piezelétricas destacam-se as baseadas nos movimentos ondulatórios e oscilatórios, como o nadar dos peixes. É bem conhecido que os peixes ao nadarem não provocam a morte de micro-organismos ao seu redor, o que torna esse princípio bem promissor para as aplicações em Biotecnologia, por exemplo. Assim, o presente trabalho de mestrado dedica-se ao estudo de novas configurações de atuadores piezelétricos bilaminares associados em paralelo e série para bombeamento de líquidos através do princípio oscilatório, a fim de se obter maiores vazões ou pressões. O escopo deste projeto abrange, computacionalmente, análises estruturais de atuadores piezelétricos bilaminares e simulações do escoamento de fluido e, experimentalmente, construções de protótipos para validação de resultados. Inicialmente é investigado o comportamento de um único atuador piezelétrico bilaminar em fluido viscoso (água), a fim de se dominar o princípio de funcionamento proposto neste trabalho. Esse estudo serviu de referência para as configurações de atuadores em série e paralelo propostas. Espera-se que a configuração dos atuadores em paralelo apresente um ganho na vazão de saída, enquanto que a configuração dos atuadores em série apresente um ganho na pressão de saída. Ao longo desta dissertação são apresentadas a metodologia empregada e as discussões dos resultados obtidos, de forma a analisar o princípio proposto e os fenômenos físicos em questão. / Flow pumps, in addition to traditional applications in Engineering, are important tools in areas such as Bioengineering, applied to blood pumping, dosage of medicine and chemical reagents, and in the field of thermal management solutions for electronic devices. Many of the new principles in flow pumps development are based on the use of piezoelectric actuators. These actuators present some advantages in relation to other applied types, for example, miniaturization potential, lower noise generation and fewer numbers of moving parts. Flow pumps based on undulatory and oscillatory movements, such as fish swimming, stand out among the various types of piezoelectric flow pumps. It is well known that fish swimming does not cause the death of microorganisms, what makes this principle applicable in Biotechnology, for example. Thus, the objective of this work is to study parallel-cascade configurations of bimorph piezoelectric actuators for liquid pumping based on the oscillatory principle, in order to obtain higher flow rates and pressure. The scope of this work includes structural and analyses of bimorph piezoelectric actuators and fluid flow simulations, and construction of prototypes for result validation. First, it is investigated the behavior of a single bimorph piezoelectric actuator oscillating in viscous fluid (water) to better understand the working principle used in this work. The study of a single piezoelectric actuator was used as a reference for the other proposed parallel-cascade configurations of actuators. It is expected that parallel actuators achieve higher flow rates, while the series actuators achieve higher pressures. The methods employed are presented and the obtained results are discussed, analyzing the principle and the related physical phenomena.

O presente trabalho trata do estudo do fatiamento de cristais de quartzo quanto as suas características e influências na fabricação de micro sistemas eletromecânicos (MEMS). A metodologia é iniciada pelo projeto estruturado de um MEMS, convergindo para um gerador energia elétrica do tipo energy harvest, capaz de gerar energia limpa, renovável, de escala reduzida (micro componente), de baixa potência e com vistas para aplicação comercial. Geração de energia tem se tornado um tema cada vez mais frequente, em especial energia para sistemas autônomos (wireless) aonde o uso de baterias é restritivo ou até mesmo inviável devido às dimensões e dificuldade de manutenção. A fabricação de MEMS é a etapa de maior investimento financeiro e por consequência, maior estudo. No caso do gerador de energia, a ênfase recai sobre os processos de corte, que consomem a maior parte do processo fabril. O objetivo do presente trabalho é avaliar o processo de corte abrasivo do quartzo e a influência dos defeitos impregnados pelo processo, sobre o desempenho de geradores de energia piezelétricos baseados em quartzo sintético e natural. Os processos de corte com uso de fita abrasiva (band saw) e disco abrasivo (dicing saw) se destacaram devido aos bons resultados, disponibilidade, produtividade e baixo custo. Procedimentos de corte também foram realizados em outros materiais - Alumina Policristalina 99,8% e Silício (111) - como estudo comparativo das características do mecanismo de remoção de material aplicado aos processos de corte abrasivos. Os parâmetros de corte foram trabalhados em busca de melhor qualidade, que significa redução da impregnação de falhas (principalmente, o chipping e backside chipping) e melhor acabamento das superfícies geradas pelo corte final. Foram obtidas peças nos planos AT, X, Y e Z, com espessuras a partir de 0,5 mm, segmentadas em larguras de 1 a 7 mm. / This work is a study of characteristics and influences of cutting process in manufacturing of microelectromechanical systems (MEMS) based on quartz single crystal. The methodology starts by the structured design of a MEMS device, converging to an electric power generator device, type energy harvest that generates clean energy, renewable, with small dimensions (micro component) and low power. Power generating has become a frequent topic, especially the power generation for wireless devices systems, which use of batteries can be restrictive or even impracticable because of dimensions and difficult of maintenance. The base of the study is the process manufacturing of MEMS, which is the major investment and because of this, the most studied stage. In the case of a power generator, the emphasis is on the cutting process that consumes most part of the work flow. The objective of this work is evaluate the abrasive cutting process of quartz and the influence of defects generated by the cutting process applied to the performance of piezoelectric power generators based on synthetic and natural quartz crystal. The abrasive cutting process of band saw and dicing saw were featured due availability and high productivity with low cost. Procedures of cutting were also applied in other materials - Alumina Polycrystalline 99,8% and Silicon (111) - as comparison for material removal mechanism in cutting process. The process parameters were optimized to reach better cutting quality, which means reduction in faults (mainly, chipping and backside chippings) and better surface finishing from cutting process. It was obtained pieces from AT, X, Y and Z cutting plans, with thickness starting from 0,5 mm and widths from 1 to 7 mm.

Filtros modais permitem que se identifique a contribuição de cada modo de vibrar na resposta dinâmica de uma estrutura, o que pode simplificar o projeto de sistemas dinâmicos em diversas aplicações como controle de vibrações, controle de forma, monitoramento de integridade estrutural e aproveitamento de energia. O objetivo desta dissertação é desenvolver uma metodologia para projetar e otimizar filtros modais a partir de uma rede de sensores piezelétricos discretos. É de especial interesse a relação entre a topologia da rede de sensores e o desempenho dos filtros modais obtidos pela soma ponderada dos sinais de tensão elétrica medida por cada sensor. A modelagem estrutural, usando o método dos elementos finitos com acoplamento eletromecânico, considera uma placa retangular de alumínio com trinta e seis sensores piezelétricos, em forma de pequenas pastilhas, colados sobre uma de suas superfícies. As topologias de rede consideradas neste trabalho consistem das possíveis combinações de trinta e seis sensores tomados doze a doze. Esta estratégia permite um amplo processo de otimização topológica a partir de um único modelo de elementos finitos. Duas funções-objetivo definem os índices de desempenho de cada topologia de rede avaliada, objetivando projetar filtros modais capazes de isolar a resposta dos primeiros modos de vibrar que maximizem a faixa de frequência e minimizem o número de sensores necessários. Em uma primeira abordagem ao problema de otimização topológica combinatorial, é utilizado o método de busca extensiva em um espaço de soluções reduzido. Em seguida, o problema é codificado para o uso de um algoritmo genético. Os resultados mostram que aumentos de 25% a 50% na faixa de frequência dos filtros modais podem ser obtidos a partir da otimização topológica da rede de sensores. / Modal filters allow identifying the contribution of each vibration mode to the dynamical response of a structure, which can simplify the design of dynamical systems in several applications, such as vibration control, shape control, structural health monitoring and energy harvesting. The aim of this dissertation is to develop a methodology to design and optimize modal filters by using a discrete array of piezoelectric sensors. The relationship between the sensors array topology and the performance of the modal filters, which are obtained by means of weighted sum of the voltage signs, draws special interest. The structural modeling through the finite element method with electromechanical coupling considers a retangular aluminum plate with thirty-six patch-shaped piezoelectric sensors bonded on one of its surfaces. The array topologies considered in this work consist of the possible combinations of thirty-six sensors taken twelve at a time. This strategy allows for a broad process of topological optimization by using only one finite element model. Two objective functions define the performance index associated with each evaluated array topology, aiming to design modal filters able to isolate the response of the first vibration modes that maximize the frequency band and minimize the number of sensors needed. As a first approach to the combinatorial topology optimization problem, the extensive search method is applied to a reduced solutions space. Next, the optimization problem is codified for using a genetic algorithm. The results show that an increase from 25% to 50% in the frequency band of the modal filters can be obtained from the topology optimization of the sensors array.

Transdutores baseados em cascas piezocompósitas têm uma vasta aplicação no campo de estruturas inteligentes, principalmente como atuadores, sensores e coletores de energia. Essas estruturas piezocompósitas são geralmente compostas por dois ou mais tipos de materiais, como por exemplo materiais piezelétricos, ortotrópicos elásticos (possuem fibras de reforçamento) e isotrópicos (materiais homogêneos). Vários fatores devem ser considerados no projeto de transdutores baseados em cascas piezocompósitas, como o tamanho, a forma, a localização e a polarização do material piezelétrico, bem como a orientação das fibras do material ortotrópico. O projeto desses transdutores é complexo e trabalhos anteriores envolvendo esses tipos de materiais sugerem utilizar Método de Otimização Topológica (MOT) para aprimorar o desempenho dos transdutores distribuindo o material piezelétrico sobre substratos fixos de materiais isotrópicos e ortotrópicos, ou otimizar a orientação das fibras dos materiais ortotrópicos com material piezelétrico com tamanho, forma e localização previamente estabelecidos. Assim, nesta tese, propõe-se o desenvolvimento de uma metodologia baseada no MOT para projetar transdutores piezocompósitos de casca considerando, simultaneamente, a otimização da distribuição e do sentido de polarização do material piezelétrico, e também a otimização da orientação das fibras de materiais ortotrópicos, que é livre para assumir valores diferentes ao longo da mesma camada compósita. Utilizando essa metodologia, são obtidos resultados numéricos para atuadores e sensores em regime estático e para coletores de energia com circuito elétrico acoplado, em regime dinâmico amortecido. Para os casos dos sensores e dos coletores de energia, também são consideradas as tensões mecânicas na estrutura, as quais devem obedecer os critérios de von Mises (para materiais isotrópicos) e de Tsai-Wu (para materiais ortotrópicos) para que não haja falhas na estrutura, que está sujeita a esforços mecânicos. / Transducers based on laminated piezocomposite shell structures have a wide application in the field of smart structures, especially as actuators, sensors and energy harvesting devices. These piezocomposite structures are generally composed by two or more kinds of materials, such as piezoelectric, isotropic, and elastic orthotropic (fiber reinforcement) materials. Several factors must be considered in the design of piezocomposite transducers, such as size, shape, location and polarization of the piezoelectric material and the fiber orientation of the orthotropic material. The design of these transducers is complex and previous studies involving these types of materials suggest using \"Topology Optimization Method\" (TOM) to enhance the performance of piezoelectric transducers by distributing piezoelectric material over fixed isotropic and orthotropic substrate or to optimize the fiber orientation of orthotropic materials with piezoelectric patches previously established. Thus, this thesis proposes the development of a methodology based on the TOM to design laminated piezocomposite shell transducers by considering simultaneously the optimization of distribution and the polarization direction of the piezoelectric material, and also the optimization of the fiber orientation orthotropic material, which is free to assume different values along the same composite layer. By using this methodology, numerical results are obtained for actuators and sensors under static response, and energy harvesting devices with an electrical circuit coupled, in dynamic damped analysis. In the case of sensors and energy harvesting devices, which are subjected to mechanical loads, the mechanical stresses in the structure are also considered, which must satisfy two stress criteria to prevent failure: von Mises for isotropic materials and Tsai-Wu for orthotropic materials.

Cristais piezelétricos de quartzo (PQC\'s) com configuração de eletrodo separado e superfície quimicamente modificada foram utilizados para obtenção de um sensor para boro. Uma cela de detecção foi construída, de maneira que um eletrodo de aço inoxidável era mantido a uma pequena distância (0,3 mm) da superfície do PQC, da qual foi removido o eletrodo de ouro original. Foi verificado,por espectroscopia de impedância, medidas de freqüência de oscilação e simulações de espectros de impedância do circuito equivalente da cela, que as propriedades físico-químicas (condutividade, permissividade, densidade e viscosidade) das soluções influenciam de modo diferenciado as freqüências características da cela (ressonância e oscilação). Com o intuito de tomar a superfície sem eletrodo do PQC seletiva a boro, foram experimentadas várias estratégias de modificação química, as quais tinham por objetivo imobilizar polióis (manitol e N-metilglucamina) através de reações de silanização ou deposição de polímeros modificados. Os melhores resultados foram obtidos com o recobrimento do PQC com um filme fino (0,1 a 0,5 µm) de um polímero resultante da modificação da poliepicloridrina com N-metilglucamina (NG). O sensor para boro foi avaliado em um sistema de análises por injeção em fluxo (FIA), em que a solução transportadora era uma solução de etilenodiaminotetraacetato disódico (EDTA) 50 mmol/L (pH 8,5). Observou-se que o mecanismo de resposta desse sensor era predominantemente não-gravimétrico, devido a um aumento de rigidez do filme de recobrimento, causado pela complexação do boro pelos grupos NG ancorados ao polímero. Além disso, o sensor apresenta uma característica bastante interessante que é a retenção do boro, o que possibilita uma diminuição do limite de detecção (LD) em FIA, por meio do aumento do volume de amostra injetado. Para remover o boro do filme sensor, era injetada uma solução de manitol 1 mol/L. Para volumes injetados de 160 e 1000 µL de solução de borato foram alcançados LD\'s de 2 e 0,3 /-lmol/L, respectivamente. É possível detectar até 3 ng do analito presentes no volume de amostra injetado. O efeito de vários prováveis íons interferentes (Mg 2+, Ca2+, Al3+, Cr3+, Mn2+, Fé3+, Co2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, Sn2+, Pb2+, HPO42-, SiO32-, F-, Cl-, SO42-, NO3-, CH3COO-, CO32-, VO3-, Sb(OH)6- AsO4-, AsO3-, SeO3-, SeO4- e Ge(OH) 62-)foram avaliados, porém apenas o íon germanato apresentou significativa interferência, tanto que o sensor também foi considerado adequado para a determinação dessa espécie. A adição de sulfeto à amostra eliminou completamente a interferência do germânio. A não interferência dos íons metálicos é devida à complexação dos mesmos por EDTA presente na solução transportadora. Foi constatado que a presença de polióis, em alta concentração, na amostra afeta a resposta do sensor, uma vez que esses compostos competem com o filme sensor pelo analito. Os resultados obtidos com o sensor encorajaram a construção de um equipamento automatizado de FIA, o qual foi empregado com sucesso na determinação de boro em amostras de águas minerais, sucos de uva, vinagre, vinho e amostra certificada de água de rio. / Piezoelectric quartz crystals (PQC\'s) with electrode-separated configuration and chemically modified surface were used to develop a boron sensor. A detection cell was built in such a way that a stainless-steel electrode was held at a short distance (0.3 mm) from the PQC surface, whose original gold electrode was removed. By using impedance spectroscopy, oscillation frequency measurements, and simulations of impedance spectra of the cell equivalent circuit, it was observed that the physico-chemical properties (conductivity, permissivity, density and viscosity) of the solution affect in different ways the characteristic frequencies of the cell (resonance and oscillation). In order to make the electrodeless PQC surface selective to boron, several chemical modification strategies were tested with the aim of anchoring poliols (manitol and N-metilglucamine) via silanization reactions or deposition of modified polymers. Best results were obtained with PQC coated with a thin film (0.1 to 0.5 µm) of a polymer, which was the product of the polyepichlorohydrin modification with N-methylglucamine (NG). The sensor was evaluated in a flow injection analysis system (FIA), which used a carrier solution containing disodic ethylenediaminetetraacetate (EDTA) 50 mmol/L (pH 8.5). It was observed that the mechanism of detection of this sensor is predominantly nongravimetric, owing to an increase in the stiffness of the covering film, because of the complex formation involving boron and the NG groups, which were incorporated in the polymer. Moreover, the sensor shows an interesting characteristic that is the boron retention, which allows decreasing the limit of detection (LOD) of the FIA method by increasing the injected sample volume. Boron is eluted from the sensor film with 1 mol/L manitol solution. For 160 and 1000 µL volumes of borate solution, the LOD\'s were 2 and 0.3 µmol/L, respectively. It is possible to detect down to 3 ng of boron in the injected sample volume. The effect of several ions (Mg 2+, Ca2+, Al3+, Cr3+, Mn2+, Fé3+, Co2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, Sn2+, Pb2+, HPO42-, SiO32-, F-, Cl-, SO42-, NO3-, CH3COO-, CO32-, VO3-, Sb(OH)6-\' AsO4-, AsO3-, SeO3-, SeO4- e Ge(OH) 62-) was evaluated. Only the germanate ion showed a significant interference, thus, the sensor can also be suitable for this species. However, this interference can be eliminated by the addition of sulfide to the sample. The non-interference of the metal ions is due to the complex formation with EDTA present in the carrier solution. Polyols at high concentration in the samples affect the sensor response, because these compounds compete with the sensor film for the analyte. An automated FIA equipment was built and successfully applied for determination of boron in samples such as mineral water, grape juice, vinegar, wine, and a standard reference material (river water).

Materiais piezocompósitos laminados são compostos por camadas de material piezelétrico, metálico e compósito (matriz epóxi com fibras de carbono ou de vidro), que possibilitam obter vantagens em relação aos materiais piezelétricos convencionais, permitindo obter características superiores que não podem ser conseguidas pelos seus componentes de forma isolada como, por exemplo, maior flexibilidade e resistência mecânica ou menor peso. Sob esse enfoque, este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de Estruturas Piezocompósitas Laminadas (EPLA) que consistem basicamente em estruturas multicamadas, através do projeto da sua resposta transiente e harmônica visando aplicações dinâmicas. Entre as potenciais aplicações dessas estruturas, tem-se atuadores, motores, sonares e dispositivos de coleta de energia (\"energy harvester\"), sendo de muito interesse a melhora das suas características dinâmicas e o seu desempenho. O projeto dinâmico de uma EPLA é complexo, porém pode ser sistematizado utilizando o Método de Otimização Topológica (MOT). O MOT é um método baseado na distribuição de material num domínio de projeto fixo com o objetivo de extremizar uma função de custo sujeita às restrições inerentes do problema, combinando algoritmos de otimização e de elementos finitos. A formulação de MOT para o projeto dinâmico de EPLA pretende determinar tanto a topologia ótima dos materiais nas diferentes camadas quanto o sinal de polarização do material piezelétrico e o ângulo da fibra na camada compósita, tendo como finalidade a maximização da amplitude de vibração em pontos determinados (em atuadores) ou da geração de energia elétrica a partir de excitações mecânicas (em coletores de energia). Além disso, é formulado um problema combinando os enfoques harmônico e transiente com o intuito de customizar a resposta da EPLA, de modo que, o nível da resposta seja o mesmo perante diferentes tipos de onda de excitação (transdutores multi-entrada). O trabalho inclui as etapas de projeto, simulação, fabricação e caracterização de protótipos. / Laminated piezocomposite materials are composed by layers of piezoelectric, metal and composite material (epoxy matrix with carbon or glass fiber), which have advantages over conventional piezoelectric materials, because of their superior characteristics, which cannot be achieved by any of its components isolated, for example, more flexibility and strength and less weight. Under this approach, this work aims at the development of Laminated Piezocomposite Structures (LAPS) what primarily consist of multi-layer structures, through the transient and harmonic response design aiming at dynamic applications. Among the potential applications of these structures it can be cited actuators, motors, sonar devices and energy harvester, being of great interest the improvement of its dynamic characteristics and performance. The dynamic design of a LAPS is complex however it can be systematized by using the Topology Optimization Method (TOM). The TOM is a method based on the distribution of material in a fixed design domain with the aim of extremizing a cost function subject to constraints inherent to the problem by means of combining the optimization algorithms and the finite element method (FEM). The TOM formulation for the LAPS dynamic project aims to determine together the optimal topology of the materials for different layers, the polarization sign of the piezoelectric material and the fiber angle of the composite layer, in order to maximize the vibration amplitude at certain points (in actuators), or the generation of electrical energy from mechanical excitations (in energy harvesters). In addition, a TOM problem combining harmonic and transient approaches is formulated with the purpose of customizing EPLA response so that the response level is the same for different excitation waveforms (multi-entry transducers). The work includes design, simulation, manufacturing and characterization of prototypes.

Esta dissertação descreve a construção e avaliação de um detector para fase líquida utilizando cristal piezelétrico de quartzo (PQC) (3,579545MHz) com a configuração de eletrodos separados. A cela de detecção possui dois eletrodos de latão, que foram posicionados a uma pequena distância (cerca de alguns décimos de milímetros) da superfície do cristal, cujos eletrodos de prata originais foram removidos. Um dos espaços existentes entre os eletrodos e o PQC é preenchido com ar e o outro com um líquido, o qual pode fluir pela cela. Os eletrodos são conectados a um oscilador, cuja freqüência de oscilação é medida através de um freqüencímetro interfaceado a um microcomputador. O detector foi caracterizado, no que se refere à influência da condutividade, densidade, viscosidade e vazão da solução, que flui pela cela, na freqüência de oscilação do PQC. Foi estudado também, com o auxílio de um analisador de impedâncias, o comportamento do módulo e do ângulo de fase da impedância elétrica oferecida pela cela de detecção para a variação das propriedades reológicas, mencionadas anteriormente, da solução. Para testar o arranjo como sensor gravimétrico em um sistema de análise por injeção em fluxo (FIA), foram desenvolvidos dois métodos de silanização da superfície do cristal, um envolvendo o reagente trimetilclorosilano (TCS) e outro utilizando o composto N-(β-aminoetil)-γ-aminopropiltrimetoxisilano (AEAPTS). Os PQCs silanizados com o TCS foram testados para a detecção de compostos orgânicos (clorofórmio e acetona), enquanto os outros cristais, silanizados com AEAPTS, foram utilizados para detecção de íons metálicos. Para esses últimos PQCs notou-se uma boa sensibilidade para íons Cu2+, com os quais conseguiu-se um límite de detecção de aproximadamente 20µM. / This work describes the construction and evaluation of a liquid-phase detector using a piezoelectric quartz crystal (PQC) (3,579545 MHz) with separated electrodes. The detection cell has two brass electrodes, which were placed at a small distance (a tenth of millimeters) from the crystal surface, whose original silver electrodes were removed. One of the gaps between the crystal and the electrodes is filled with air, while the other one is filled with a liquid, which flows through the cell. The electrodes are connected to an oscillator, whose oscillation frequency is measured by a frequency counter interfaced to a microcomputer. The influence of the conductivity, density, viscosity and flow rate of the solution on the PQC oscillation frequency was determined. The behavior of the impedance of the cell and its phase angle as a function of the previously mentioned reologic properties ofthe solution were also studied using an impedance analyzer. Two methods for the silanization of the crystal surface, using trimethylchlorosilane (TCS) and N-(β-aminoethyl)-γ-aminopropyltrimethoxysilane (AEAPTS), were developed to test the assembly as a gravimetric sensor in a flow injection analysis system. The TCS-silanized PQCs were tested for the detection of organic compounds (chloroform and acetone), while the AEAPTS-silanized PQC were used for the detection of metallíc íons. These last PQC showed a good sensibility to Cu2+ ions, for which a limit of detection of about 20µM was obtained.

Flextensional actuators assembled in association with piezoceramics feature the amplification of nanometric displacements generated by the ceramics energy conversion. For applications that require high precision positioning or vibration response attenuation, such as hard disc reading or atomic force microscopy, a response tracking control needs to be implemented. Shell and plate piezoactuators with vibration control have been extensively studied in literature, however the design of controlled piezoelectric systems by means of the Topology Optimization Method (TOM) has not been fully explored in literature yet, and is generally focused on the frequency domain transient analysis, which employs a model reduction method for the sake of computational implementation. Dealing with transient analysis of flextensional piezoelectric actuators, an active closed loop control design is more suited for the positioning and vibration problem, which consists on measuring the outputs of the system by the closed loop sensor layer, whose signal is modified by a control gain and eventually inputted into the actuator layer so the system response signal is modulated. Aiming to enhance the active feedback control in piezoelectric actuators (PEAs), this work targets the design of the flextensional microstructure considering an active velocity feedback control (AVFC), where the active piezoelectric sensing and actuating cycles imply in an extra damping to the system. Therefore, the flextensional mechanism compliance shall be distributed within the design domain by the allocation of void regions where there should be the flexible hinges. Such a design can be accomplished by means of the TOM, which employs a systematic analysis of the dynamic model through the finite element method (FEM). In this work, the finite element (FE) system model takes into account the piezoelectric ceramics intermediate nodes, what is denominated as non-collapsed piezoelectric nodes model, and whose induced voltage during the time domain dynamic response contributes to the active control of the system. The topology optimization (TO) problem is formulated for the system vibration suppression at the restoring position and at the actuated position (positioner) subject to material volume and design variables constraints. The TOM implemented is based on the solid isotropic material with penalization (SIMP), the dynamic adjoint sensitivity, and on the optimization solver known as sequential linear programming (SLP). To illustrate the method, bidimensional examples of optimized topologies are numerically obtained by employing different velocity feedback control gains, and the topologies efficiency are compared and contrasted. / Atuadores piezoelétricos flextensionais funcionam como amplificadores nanométricos dos deslocamentos gerados pela piezocerâmica. Em sistemas que necessitam de alta precisão de posicionamento final ou baixa energia de vibração após sofrer um impacto, como na leitura de um disco rígido ou na microscopia de força atômica, requer-se que o atuador conte com um fator de correção de posicionamento, o qual pode ser obtido através de uma lei de controle. A utilização de material piezoelétrico para o controle de vibração em dispositivos de casca e placa foi amplamente abordado na literatura, porém o projeto de sistemas piezoelétricos controlados utilizando-se do Método da Otimização Topológica (MOT) foi pouco explorado e em geral é focado na análise transiente no domínio da frequência, o qual necessita que o problema tenha que ser reduzido para que a implementação computacional torne-se viável. Tratando-se de análise transiente em atuadores piezoelétricos flextensionais pode-se considerar o emprego de um controle ativo, o qual captura informações do dispositivo através de piezo-sensores e as realimenta na forma de um sinal de entrada em piezo-atuadores para modulação do sinal de resposta. Visando aprimorar o efeito do controle ativo em atuadores piezelétricos, este trabalho é voltado para o projeto de sua estrutura flextensional considerando o controle ativo de realimentação de velocidade, em que o ciclo envolvendo sensoreamento e atuação piezoelétricos fornece um amortecimento extra ao sistema. Deseja-se portanto que a flexibilidade do mecanismo flextensional seja distribuída no domínio de projeto pré-definido alocando vazios em regiões ao redor de onde devem estar presentes articulações da estrutura flexível, o que é obtido pelo MOT. Para encontrar a distribuição otimizada de material no domínio de projeto, o MOT emprega a análise sistemática do modelo dinâmico através do Método dos Elementos Finitos (MEF). Neste trabalho a modelagem do sistema para o MEF leva em consideração a presença dos nós intermediários das cerâmicas piezoelétricas, denominada modelagem para nós não colapsados, cuja tensão gerada ao longo da resposta dinâmica temporal influencia no controle ativo do sistema. O problema de Otimização Topológica (OT) é formulado para a atenuação da vibração do sistema em posição neutra e em posição atuada (posicionador) sujeito a restrições de volume e a valores máximo e mínimo que as variaveis de projeto assumem. A implementação do MOT é baseada no modelo de material denominado Material Isotrópico Sólido com Penalização (MISP), no cálculo da sensibilidade dinâmica adjunta, e na rotina de otimização conhecida como Programação Linear Sequencial (PLS). Para ilustrar o método, são projetados dispositivos bidimensionais e diferentes ganhos de controle de realimentação de velocidade são utilizados para obtenção da topologia otimizada, analisando-se a eficiência em cada caso.

As bombas de fluxo, além das aplicações clássicas em Engenharia, são instrumentos importantes em áreas como a biologia, farmácia e medicina. Um novo princípio para o bombeamento de fluidos está sendo estudado dentro do Departamento deEngenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. O presente projeto trata deste princípio: a utilização de um atuador piezelétrico bilaminar inserido num meio fluido para geração de vazão. O objetivo deste projeto é verificar a viabilidade desta bomba piezelétrica através de simulações computacionais, estudando a sensibilidade do sistema a diversos parâmetros e realizando a otimização do mesmo de forma a maximizar seudesempenho. O software ANSYS é utilizado para a simulação computacional do problema de dinâmica de fluidos e para modelar o atuador piezelétrico bilaminar, e o software Altair Hyperstudy na etapa de otimização. O texto apresenta as metodologias empregadas e discute os resultados obtidos, de forma a analisar os fenômenos físicos em questão e validar este novo princípio proposto. / Flow pumps, besides their classical applications in Engineering, are important devices in areas such as Biology, Pharmacy and Medicine. A novel principle for fluid pumping has been studied at the Department of Mechatronic Engineering and Mechanical Systems of the Engineering School of the University of Sao Paulo. The current project deals with this principle: the use of a bimorph piezoelectric actuator in a fluid environment for flow generation. The objective of this project is to verify the viability of this pump through computational simulations, by performing a sensitivity analysis for various parameters and an optimization to maximize its performance. The ANSYS software is used for the computational fluid dynamics simulations and for modeling the bimorph piezoelectric actuator, and the Altair Hyperstudy software for the optimization. The text presents the employed methodologies and discusses the obtained data in order to analyze the physical phenomena involved and to validate this novel principle.