Orientador: Carlos Alberto dos Reis Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-10T09:10:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nadalin_EvertonZaccaria_M.pdf: 2191420 bytes, checksum: 38decb6d182261bd5e5fc2df03ad1b9a (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este trabalho está relacionado com o problema da pesagem de um bovino criado em campo aberto, não confinado, destinado ao corte. O conhecimento da evolução contínua do peso do animal é de grande importância neste ramo de negócios e uma solução tecnicamente satisfatória, de custo aceitável e de tecnologia proprietária, certamente representa uma significativa contribuição ao Brasil. Uma solução idealizada, que é a meta maior do projeto em que este trabalho se enquadra, prevê o uso de um dispositivo instalado nas patas do animal, contendo um sensor de pressão ou de impacto e uma unidade eletrônica local que condiciona, digitaliza e armazena os sinais do sensor. Além disto, a unidade eletrônica transmite estes dados através de uma rede de comunicação de dados sem fio e de baixo consumo de energia para centrais de coleta e processamento estrategicamente situadas na área em que o gado se desenvolve. Tal sistema viabiliza, deste modo, acumular no tempo as informações de cada pisada de cada animal. O sinal produzido por um sensor em conseqüência do impacto de cada pisada é influenciado por diversos parâmetros, dentre os quais o peso do animal. Sendo assim, é impossível estabelecer uma relação direta e exclusiva entre o sinal do sensor e o peso. Entretanto, os valores acumulados destes sinais descrevem uma função de múltiplas variáveis que pode ser tratada juntamente com algumas informações complementares sobre o ambiente, buscando-se o isolamento da variável peso. Para isto, uma abordagem adequada prevê o desenvolvimento ou adoção de um modelo do mecanismo de movimentação do animal e o tratamento numérico dos dados acumulados aplicando filtragens e buscas de correlações. Trata-se, portanto, de uma solução de natureza multidisciplinar, que exige uma aliança de conhecimentos complementares para a sua realização. Coube ao presente trabalho, desenvolvido no âmbito da engenharia eletrônica, a implementação de uma etapa preliminar e necessária que consiste de um sistema de caracterização de pisadas constituído de um conjunto de sensores piezoelétricos, uma interface que permite a transferência dos dados destes sensores a um computador e um ambiente de software através do qual foram testados algoritmos para a verificação de correlação entre os sinais associados às pisadas e o peso do agente. São frutos deste trabalho um sistema de coleta automática dos sinais de pisadas, que permitiu a captura de sinais com sensores instalados tanto numa plataforma fixa como num sapato tênis, e um estudo comparativo dos resultados obtidos de tratamentos numéricos distintos aplicados aos dados experimentais / Abstract: This work deals with the problem of weighting non-confined cattle raised in open field for meat production. The knowledge of the continuous weight change of the animal is of great importance in this business field. Therefore, a technically satisfactory solution, with acceptable price and customized technology, certainly represents a significant contribution to Brazil. The idealized solution, which is the major goal to be pursued by the project in which this work takes part, considers the use of a device placed into the animal¿s hooves. It would contain a pressure or impact sensor and a local electronic unit, which conditions, digitizes and stores the signals received from the sensor. The electronic unit also transmits this data through a low-energy wireless communication network to reception and processing stations placed strategically around the area where the cattle raises. Such a system enables accumulating data about the steps of each animal throughout time. Several parameters, including the animal¿s weight, influence the signal produced by a sensor as a consequence to the impact of a step. Therefore, it is impossible to establish a direct and exclusive relation between the signal given by the sensor and the weight. Nevertheless, the accumulated data of these signals describe a multiple variable function that can be treated together with some complementary information about the environment, seeking the isolation of the weight variable. An adequate approach predicts the development or use of a model of the animal¿s locomotion mechanism and the numeric treatment of the accumulated data by applying filtering and seeking correlations. The multidisciplinary nature of this solution demands an alliance of complementary knowledge for its accomplishment. This work, developed in the scope of electrical engineering, implemented a necessary and preliminary stage that consists of: a step characterization system, made of a set of piezoelectric sensors, an interface that allows transferring data from the sensors to a computer and a software environment, in which algorithms were tested to verify the correlation between the signals associated to the steps and the agent¿s weight. The main result of this work are a system that performs automatic collecting of steps, which allowed the capture of the signals with sensors installed both on a fixed platform and inside tennis shoes, and the comparative study of the results of different numerical treatments applied to the experimental data / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia de projeto ótimo de estruturas ativamente controladas (inteligentes), com o objetivo de suprimir as vibrações induzidas por perturbações externas. O projeto é realizado simultaneamente para a topologia estrutural e a localização de atuadores. O problema de otimização topológica é formulado para três fases materiais (dois materiais sólidos e vazio),com dois grupos de variáveis de projeto. Um material não piezelétrico elástico isotrópico forma a parte puramente estrutural, enquanto um material piezelétrico compõe a parte ativa. Uma vez que não há método eficiente para tratar as variáveis de projeto estruturais e de controle em um mesmo ambiente de otimização, este trabalho propõe uma abordagem de solução aninhada. Nesta solução, o posicionamento dos atuadores e a síntese do sistema controlador são considerados em um laco de projeto paralelo ao processo de otimização que lida com a topologia estrutural. O laço de otimização principal está relacionado `as variáveis de projeto estruturais, ou seja, ´e calculado onde deve haver material sólido e onde deve haver espaços vazios, através de um problema de minimização de flexibilidade. A localização de atuadores ´e determinada por uma otimização baseada em uma lei de controle que define onde o material deve ter propriedades piezelétricas, através da maximização de uma medida de controlabilidade. Os exemplos numéricos mostram que a abordagem utilizada neste trabalho pode produzir uma topologia estrutural bem definida com uma boa colocação para os atuadores. Além disso, as topologias ótimas encontradas são capazes de melhorar o amortecimento ativo da estrutura. / This work develops an optimal design methodology for actively controlled structures, aiming to suppress vibrations induced by external disturbances. Design is conducted simultaneously for the structural topology and actuator placement. A topology optimization problem is formulated for three material phases (two solid materials and void) with two design variables groups. A non-piezoelectric elastic isotropic material forms the structural only part of the design, while a piezoelectric material composes the active part. Since there is no efficient method to treat structural and control design variables in the same optimization framework, this work proposes a nested solution approach, where the actuator locations and controller syntheses are regarded as a parallel design to the main optimization process dealing with the structural topology. The main optimization loop designs the structural variables, i.e., it is decided where there should be solid material and where there should be voids, through a minimum compliance design problem. The actuators are placed by considering a control law optimization that defines where the material should have piezoelectric properties, through the maximization of a measure of controllability. Numerical examples show that the approach used in this paper can produce a clear structural topology with a good actuator placement. Besides, the optimal topologies can improve the active damping.

Nas últimas décadas, intensas pesquisas estão sendo desenvolvidas na área de controle ativo de vibrações utilizando estruturas flexíveis e transdutores piezoelétricos distribuídos em sua superfície. Este trabalho possui como objetivo a implementação, identificação e a aplicação do controle ativo de vibrações em barras engastadas. Os transdutores piezoelétricos são fixados próximos à extremidade fixa da barra. Um sistema de aquisição de sinais e de controle é utilizado para gravar os dados experimentais e implementar os projetos dos controladores de vibrações. Para a implementação computacional foi utilizado o software Matlab operando em conjunto com uma placa dSpace DS1104. A identificação do sistema, efetuada a partir da resposta em frequência das barras, é realizada considerando apenas os três primeiros modos de vibração das barras. Um modelo teórico que representa a dinâmica do sistema é apresentado e seus parâmetros são ajustados de acordo com dados experimentais, obtidos em ensaios, com a estrutura flexível. Para o problema de rejeição a perturbações e regulação de posição, são aplicados os métodos de controle conhecidos como Positive Position Feedback (PPF) e de Alocação de Pólos. Resultados experimentais são apresentados para demonstrar a eficácia do controle ativo de vibrações, utilizando transdutores piezoelétricos. / In recent decades, intensive researches have been developed in the area of active vibration control making use of flexible structures and piezoelectric transducers distributed on its surface. This work aims to identify, implement and apply the active control of vibrations in cantilevers beams. The piezoelectric transducers are surface-bonded near the fixed end of cantilever beam. A data acquisition and control system is used to record experimental data and to implement the design of a vibration controller. The software Matlab operating in conjunction with a board dSpace DS1104 was used for the computational implementation. The identification system, made from the frequency response of the cantilevers beams, is performed by considering only the first three modes of vibration of the cantilevers beams. A theoretical model representing the system dynamics is presented and its parameters are adjusted according to experimental data, obtained in tests, with the flexible structure. As for the problem of disturbance rejection and regulation position, control methods known as Positive Position Feedback (PPF) and Pole Placement are applied. Experimental results are presented to demonstrate the effectiveness of active control of vibration using piezoelectric transducers.

O processo de microfabricação por coextrusão (MFCX) foi estudado a fim de obter compósitos de zirconato titanato de chumbo (PZT), por meio da fabricação de fibras. O princípio desta técnica é a redução dimensional de um pré-formato cilíndrico formado pelos materiais já nas posições e proporções desejadas ao longo da secção transversal em filamentos mais finos, através da passagem por um molde. Tais componentes devem possuir o mesmo comportamento reológico para que possam fluir juntos, fazendo com que o pré-formato sofra apenas uma redução da secção transversal ao passar pela boquilha. Entre tais componentes, o material principal é uma suspensão concentrada de pó de PZT e polietileno de baixa densidade (PEBD). Este fornece a característica termoplástica para a mistura e auxilia na resistência mecânica a verde. Existe ainda, o material provisório, o qual já havia sido estudado e foi trocado de negro de fumo (NF) para celulose microcristalina (MCC), uma vez que com o uso de NF, um resíduo inorgânico foi verificado após a etapa de retirada do ligante o qual poderia influenciar na microestrutura e nas propriedades piezoelétricas do PZT, causando queda na polarização obtida. Para caracterizar a reologia das misturas, foram usados pré-formatos cilíndricos formados por metades de diferentes materiais com secção transversal semicircular, tendo como composição padrão 58 vol. % de PZT + PEBD. Já os materiais provisórios foram estudados nas seguintes composições: 25 vol. % de NF + PEBD, 31 vol. % de MCC + PEBD e 41 vol. % de MCC + ácido esteárico (AE) + PEBD. Os filamentos obtidos após a passagem pelo molde foram caracterizados e posteriormente comparados entre si, a fim de verificar a influência do material fugitivo e dos aditivos na microestrutura. A capacidade do pré-formato de manter o equilíbrio das dimensões e proporções após a coextrusão também foi verificada por meio de análise de imagem. Verificou-se que as misturas de MCC + PEBD e PZT + PEBD não foram capazes de fluir concomitantemente mesmo quando ambas apresentavam a mesma viscosidade. Assim, a reologia foi estudada considerando não apenas a viscosidade, mas também as propriedades de deslizamento na parede do molde para este sistema. Depois de modificações na composição e parâmetros do processo, foi obtida uma equivalência adequada entre os materiais, concluindo que a coextrusão de dois materiais compondo um pré-formato de seção transversal complexa pode ser bem-sucedida quando as mesmas velocidades de deslizamento na parede e as mesmas viscosidades corrigidas puderem ser encontradas para a mesma taxa de cisalhamento. / The process of microfabrication by coextrusion (MFCX) was investigated to obtain composites of lead zirconate titanate (PZT), through the fabrication of PZT fibers. The principle of this technique is the reduction of a preform formed of concentrated suspensions in the positions and proportions desired, into filaments thinner after passing through a die. Such materials must have the same rheological behavior so they can flow together, making the preform to suffer only a reduction in the cross section to pass through the capillary. The main material was a concentrated suspension of PZT powder and low density polyethylene (LDPE), which provides the thermoplastic characteristic for the mixture and improves the mechanical strength at green state. In the other hand, the fugitive material was changed from carbon black (CB) into microcrystalline cellulose (MCC), once with the use of CB, an inorganic residue was found after the step of debinding. Furthermore, the CB impurities could influence the piezoelectric properties of PZT, causing a drop in the polarization measured. The rheological characterization employed preforms with cross section geometry of a half moon, with a standard composition of 58 vol. % PZT. Meanwhile, the fugitive materials were studied using the following compositions: 25 vol. % CB + LDPE, 31 vol. % MCC + LDPE and 41% vol. MCC + stearic acid (ST) + LDPE. The filaments obtained were characterized and then compared to verify the influence of the fugitive material and the additives on the microstructure. The ability of the preform to maintain the balance of the dimensions and proportions after co-extrusion was also verified by image analysis. It was found that mixtures of MCC + LDPE and CB + LDPE were not able to flow simultaneously. Thus, the rheology was studied considering not only the viscosity but also the properties of slip on the wall of the capillary die. After changing the composition and process parameters, a good match between the materials could be obtained, which allowed the coextrusion in the shape of half moon, getting a constant and well defined reduction of the diameter.

Este trabalho desenvolveu uma metodologia de otimização da localização de material piezelétrico para avaliar vibrações estruturais. O principal objetivo foi estabelecer um procedimento para a determinação concomitante da localização mais adequada para atuadores e sensores piezelétricos através de uma formulação de um problema de otimização topológica. De acordo com a metodologia proposta, a localização desses atuadores e sensores é determinada através da maximização da controlabilidade e da observabilidade, ambas medidas por intermédio do seu gramiano, definindo onde o material deve ter propriedades piezelétricas. Os resultados do processo de otimização foram avaliados em malha fechada através do uso de dois controladores ótimos (LQR e LQG), utilizados em simulações para atenuar as oscilações estruturais resultantes da aplicação de perturbações externas. O desenvolvimento dos algoritmos de controle foi realizado com a utilização de um modelo modal truncado em seus primeiros modos de vibração. Os resultados mostram a eficácia do processo de otimização topológica quanto à localização de atuadores e sensores na estrutura. Além disso, verificou-se que a localização do material piezelétrico melhora o amortecimento estrutural, sendo importante para o desempenho das técnicas de controle utilizadas. / This work proposes a topology optimization methodology for the location of piezoelectric actuator/sensors for active vibration control. The main objective is to develop a procedure to determine the most suitable location for piezoelectric sensors and actuators using a topology optimization formulation. According to the proposed method, the location of these actuators and sensors is determined the maximization of the controllability and observability, both measured by the gramian matrix, defining where the material should have piezoelectric properties. The results of the optimization process are evaluated in closed loop by using two (LQR and LQG) active controllers, which are used in simulations to attenuate structural oscillations resulting from the application of external disturbances. The development of control algorithms was performed with the use of a modal model truncated to lowest modes. Results show the effectiveness of the topology optimization process as the location of actuators and sensors in the structure. Furthermore, it was found that location of the piezoelectric material improves the structural damping, which is important for the performance of control techniques.

Neste trabalho, é estudado o controle da transmissão do som numa placa retangular e fina. Para tanto, é encontrada a resposta dinâmica da placa, excitada por forças harmônicas pontuais e piezomomentos, obtida usando uma base não-clássica e uma análise modal. A radiação sonora emitida pela vibração da placa é encontrada. A potência sonora radiada pode ser calculada aplicando controle ativo diretamente na estrutura, na forma de uma entrada vibratória, uma vez conhecida a resposta na superfície da placa, obtendo-se uma signicativa redução analitica. Os piezocerâmicos, modelados como quatro momentos pontuais, são unidos a superfície da placa como atuadores. A potência sonora transmitida antes e depois do controle é comparada, usando diferentes número de atuadores. Uma estratégia clássica de controle linear quadrático (LQR) e empregada no contexto de um procedimento de otimização da posição dos atuadores do sistema.

O objetivo deste trabalho é aplicar os métodos de medidas dinâmicos dos polímeros piezoelétricos na caracterização dos eletretos termo-formados de Teflon-FEP desenvolvidos no Laboratório de Medidas e Padrões da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) - Universidade de São Paulo (USP). Para isso, foram implementados os métodos dinâmico direto, acústico direto, acústico inverso e interferométrico. Também foram desenvolvidos neste trabalho dois aplicativos computacionais de controle e aquisição de dados dos equipamentos de medidas, Lock-in SR510, osciloscópio Tektronix TDS 210 e gerador de áudio Tektronix CFG253. Esta caracterização é importante porque visa utilizar os eletretos termo-formados como dispositivos eletromecânicos para realizar inúmeras aplicações nas áreas da robótica, da bioengenharia e nas medidas elétricas e mecânicas. A vantagem dos eletretos termo-formados com relação aos demais polímeros piezoelétricos, é que estes são estruturas homogêneas, com grande reprodutibilidade no processo de fabricação e apresentam altos coeficientes piezoelétricos. / The aim of this work is to apply the dynamical measurement methods of piezoelectric polymers into the characterization of thermo-formed electrets of Teflon-FEP developed in the Laboratory of Measurements and Standards of the School of Engineering of Sao Carlos (EESC) - University of Sao Paulo (USP). The direct dynamical, direct acoustic, inverse acoustic and interferometric methods are aplyed to implement these measurements. Two routines were also developed to control and realize the data acquisition of the measurement equipments Lock in SR510, Tektronix TDS-210 oscilloscope and Tektronix CFG-253 function generator. The characterization of these termo-formed electret is important because they can be used into electromechanical devices for innumerable applications in the areas such as robotics, bioengineering and electric and mechanic measurements. The advantage of the thermo-formed electrets, compared to all others piezoelectric polymers, is that they are homogeneous structures with reproducible fabrication process, to presenting high piezoelectric coefficients.

Orientador: Ioshiaki Doi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-26T04:10:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moreira_MilenadeAlbuquerque_D.pdf: 14247893 bytes, checksum: d1c3fea8288827b46285a590dc311de4 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Os requisitos do mercado consumidor de dispositivos de alta frequência têm sido cada vez mais exigentes nas últimas décadas. Assim, é necessária uma melhoria contínua no desempenho dos dispositivos a fim de atender a estes requisitos. Numa visão macro, alterações no desenho dos dispositivos podem resultar em melhoria de desempenho. Em uma visão micro, as propriedades físicas dos materiais que compõem os dispositivos têm uma forte influência no desempenho final dos mesmos. No caso de dispositivos de alta frequência baseados em materiais piezoelétricos, uma forma natural de melhorar o seu desempenho é através da melhoria das propriedades da camada piezoelétrica. O material piezoelétrico estudado neste trabalho é o Nitreto de Alumínio (AlN), o qual destaca-se entre outros materiais piezoelétricos devido à sua combinação única de propriedades. Esta tese apresenta o resultado de estudos experimentais na síntese de filmes finos de AlN tendo em vista aplicações em altas frequências, microeletrônica e sensores. O principal objetivo desta tese é a melhoria nas propriedades funcionais do AlN para melhor atender aos requisitos das aplicações em questão. Isto é obtido através do controle cuidadoso da estrutura, textura cristalográfica e composição do filme. As propriedades piezoelétricas dos filmes de AlN foram melhoradas através da dopagem dos filmes com Sc. Amostras com diferentes concentrações de Sc foram fabricadas e analisadas, e o valor do coeficiente de acoplamento eletromagnético (kt2) foi duplicado ao adicionar 15 % de Sc aos filmes de AlN. O aumento no valor de kt2 é desejável uma vez que pode diminuir as restrições no projeto de dispositivos de alta frequência. Neste trabalho é proposta também uma nova configuração experimental com o objetivo de obter um melhor controle na deposição de filmes de AlN inclinados no eixo-c. Filmes com uniformidade em espessura e inclinação foram obtidos ao utilizar-se a referida configuração experimental. Filmes com tais características são aplicáveis em sensores baseados em dispositivos eletroacústicos operando em meio líquido/viscoso. Foram também realizados estudos com o objetivo de obter filmes de AlN orientados no eixo-c e depositados diretamente sobre substratos de Si e a temperaturas reduzidas. A técnica de deposição utilizada foi HiPIMS e os resultados indicam melhorias significativas na textura dos filmes quando comparados com o processo de deposição convencional por corrente-direta pulsada / Abstract: The requirements of the consumer market on high frequency devices have been more and more demanding over the last decades. Thus, a continuing enhancement of the devices¿ performance is required in order to meet these demands. In a macro view, changing the design of the device can result in an improvement of its performance. In a micro view, the physical properties of the device materials have a strong influence on its final performance. In the case of high frequency devices based on piezoelectric materials, a natural way to improve their performance is through the improvement of the properties of the piezoelectric layer. The piezoelectric material studied in this work is AlN, which is an outstanding material among other piezoelectric materials due to its unique combination of material properties. This thesis presents results from experimental studies on the synthesis of AlN thin films in view of telecom, microelectronic and sensor applications. The main objective of the thesis is to custom design the functional properties of AlN to best suit these for the specific application in mind. This is achieved through careful control of the crystallographic structure and texture as well as film composition. The piezoelectric properties of AlN films were enhanced by doping with Sc. Films with different Sc concentrations were fabricated and analyzed, and the coupling coefficient (kt2) was enhanced a factor of two by adding 15 % of Sc to the AlN films. The enhancement of kt2 is of interest since it can contribute to a more relaxed design of high frequency devices. Further, in order to obtain better deposition control of c-axis tilted AlN films, a new experimental setup were proposed. When this novel setup was used, films with well-defined thicknesses and tilt uniformity were achieved. Films with such characteristics are very favorable to use in sensors based on electroacoustic devices operating in viscous media. Studies were also performed in order to obtain c-axis oriented AlN films deposited directly on Si substrates at reduced temperatures. The deposition technique used was HiPIMS, and the results indicated significant improvements in the film texture when comparing to the conventional Pulsed DC deposition process / Doutorado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Doutora em Engenharia Elétrica

Orientador: Vera Lúcia da Silveira Nantes Button / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-22T22:55:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nascimento_ValeriaMonteirodo_D.pdf: 6068450 bytes, checksum: 537e820daa45af6d8d50ccee4ad135e5 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Para observar o efeito no campo acústico dos diversos parâmetros de configuração do projeto de um transdutor ultrassônico, foram simuladas várias configurações de transdutor de alta frequência (5 a 50 MHz), tipo array anular, com kerf e kerfless, de cerâmica PZT-5H e de filme de PVDF. Transdutores com configurações de três, quatro, cinco e seis anéis, em que os anéis possuíam a mesma largura foram simulados com elemento ativo de cerâmica. E transdutores com cinco, seis, sete, oito e dez anéis de mesma área, com separação física entre os elementos (kerf) e sem separação física entre os elementos (kerfless) foram simulados com elementos piezoelétricos de cerâmica PZT-5H e filme de PVDF. Também foram testados materiais de diferentes impedâncias acústicas nas camadas de retaguarda (epóxi, epóxi e Araldite, ferro, tungstênio, alumina e madeira), foram usadas diversas funções de excitação dos elementos piezoelétricos (Blackman, Wavelet, Gauss, Seno, Step) em frequências variadas, além de se acionar os diversos elementos anelares isoladamente, em grupos e com atraso temporal. O objetivo das simulações realizadas foi determinar a melhor configuração de um transdutor array anular, quanto ao número de anéis, espaçamento entre eles e necessidade ou não de separação física entre os elementos, levando-se em conta a complexidade de construção e as características do campo acústico gerado. Para isso, os parâmetros observados no campo acústico foram à amplitude do pico, a amplitude média de pressão, a profundidade do campo, a colimação do feixe principal e a presença de lóbulos laterais. Outros parâmetros observados foram à tensão e a carga nos elementos. Os resultados obtidos nas simulações dos transdutores arrays circulares, feitas com o programa PZFlex®, foram processados no Matlab® para visualização do campo acústico e extração de parâmetros. As funções de transferência do sinal de excitação e da resposta à estimulação foram calculadas com os dados obtidos. O transdutor kerfless foi simulado no PZFlex® e seus resultados processados no Matlab®, para comparar com os resultados do transdutor com kerf de mesma configuração. Os resultados das simulações mostraram que o campo acústico neste tipo de transdutor, array anular, tem a região de campo distante começando bem próximo à face do transdutor. A camada de retaguarda de epóxi e Araldite® apresentaram valores mais elevados de amplitude do campo acústico. A função de excitação foi Wavelet na frequência de 30 MHz devido às restrições da relação diâmetro / espessura da cerâmica PZT-5H. O transdutor kerfless apresentou um campo acústico com as mesmas características do transdutor com kerf, com a vantagem de sua construção ser mais simples / Abstract: In order to observe the effect of ultrasound transducers parameters configurations in an acoustic field, simulations were made in some different configuration of an annular array ultrasound transducer in high frequency (5 to 50 MHz), kerf and kerfless, with active element of PZT - 5H ceramic or PVDF. The transducers configurations simulated were three, four, five and six annulus, with the same width, and the active element was PZT-5H. And transducers with five, six, seven, eight and ten annulus, with the same area, with and without physical separation between the elements had been simulated with active element of PZT-5H ceramics or PVDF. The materials of backing layer (epoxy, epoxy and Araldite, iron, tungsten, alumina and wood dust) with different impedance were also be tested, and a variety of excited functions (Blackman, Wavelet, Gauss, Sine, Step), in different frequencies, and also with time delay in active elements. The objective of this simulation was to find out the better configuration of an annular array ultrasound transducer in high frequency, the number of annulus, spacing between them, the area, the transducer is kerf or kerfless, considering the build complexity and the characteristics of acoustic field. To do this, the peak amplitude, the depth and the average amplitude of the acoustic field was measured. The charge and the voltage in the elements were also observed. The results obtained in simulations in PZFlex® software were run in Matlab® to visualize the acoustic field and to extract parameter. The ultrasound kerfless transducer was simulated in PZFlex® and the data obtained runs in Matlab®, the results were compared with the results of a transducer with kerf in the same configuration. The simulation results showed that the acoustic field of this kind of transducer has Fraunhofer zone began near the transducer's face. The backing layer with epoxy and Araldite® showed high amplitude of acoustic field. The frequency 30 MHz was choice due to diameter/thickness relations. The excitation function was wavelet, as this present high values response in acoustic field. Kerfless transducer showed acoustic field characteristics the same as the kerf transducers, with the advantage of a simple construction / Doutorado / Engenharia Biomedica / Doutora em Engenharia Elétrica

Orientador: Vera Lucia da Silveira Nantes Button / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-04T03:25:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Duarte_MauricioGomes_M.pdf: 2754469 bytes, checksum: 075905e730585b96c40637855bee28c3 (MD5) Previous issue date: 2003 / Resumo: o objetivo deste trabalho foi aprimorar o processo de apodização de discos de cerâmica piezoelétrica utilizado no LUS (Laboratório de Ultra-Som, DEB/FEEC e CEB, UNlCAMP), buscando estabelecer uma melhor relação entre tempo de aplicação do campo elétrico e a temperatura do banho de óleo isolante usado no processo. A apodização das cerâmicas piezoelétricas é utilizada para reduzir a difração no campo acústico gerado por transdutores de ultra-som, como já foi comprovado no LUS em trabalhos anteriores. Buscou-se reduzir o tempo de aplicação do campo elétrico através do ensaio de temperaturas diferentes do óleo mineral que banha o disco cerâmico e verificando em quais ensaios foi obtida uma boa apodização. Foram utilizadas cerâmicas piezoelétricas PZT-5A de 12,7mm de diâmetro, com 0,885mm (EDO Acoustics) e lmm (APCI) de espessura. O campo elétrico aplicado foi de 2kV/mm de espessura de cerâmica, e um eletrodo esférico de 5mm de raio foi usado para formatar o campo elétrico de apodização. Foram utilizados dois tipos de óleo mineral: o Nujol, que acima de 160°C evapora rapidamente e o óleo da CooperPower, que permitiu utilizar temperaturas até 250°C, com pouca evaporação. Os discos cerâmicos apodizados para os quais o coeficiente eletromecânico do modo espessura, kt, resultou em valores acima de 0,37, foram considerados bem apodizados. O óleo isolante foi aquecido a temperaturas diferentes entre 120°C e 250°C e o campo elétrico foi aplicado por períodos de 2 minutos até 4 horas e 30 minutos (tempo necessário para a temperatura do óleo resfriar até 25°C). Este estudo também incluiu a avaliação do efeito de sucessivas despolarizações e repolarlzações nos modos de vibração da cerâmica piezoelétrica. Os resultados confirmaram que, usando temperaturas mais altas (acima de 200°C), o campo elétrico precisa ser aplicado durante um período menor. Apodizações que utilizaram temperatura igual a 160°C, só mostraram acoplamentos bons quando o campo permaneceu aplicado enquanto o óleo resfriava até 25°C. Apodizações em que o óleo foi aquecido a temperaturas inferiores a 160°C não apresentaram bons resultados, independentemente do tempo de aplicação do campo elétrico. Os resultados também mostraram que o efeito de aplicar o campo elétrico ainda antes do óleo ser aquecido foi um aumento do acoplamento eletromecânico obtido, comparando com o resultado de um processo de apodização semelhante, mas em que o campo elétrico só foi aplicado depois do aquecimento do óleo. O mesmo efeito não foi observado com as apodizações em que utilizou-se a temperatura mais alta possível, 250°C, usando o óleo mineral da Copper Power. Concluiu-se que, usando a temperatura igual a 250°C, foi possível reduzir o tempo de aplicação do campo elétrico de apodização, com resultados satisfatórios, de mais de 4 horas para apenas 2 minutos. No entanto, o processo que utiliza uma dada relação tempo de aplicação do campo/temperatura do óleo, e que apodiza satisfatoriamente uma cerâmica com lmm de espessura, pode resultar na polarização convencional (linear) de uma cerâmica mais fina, como a cerâmica com espessura igual a O,885mm. Algumas das cerâmicas apodizadas foram usadas para construir transdutores de ultra-som. Os campos acústicos gerados pelos transdutores construidos foram mapeados, confirmando o aumento da profundidade do campo acústico, como conseqüência da redução da difração acústica, obtida a partir da apodização da polarização das cerâmicas piezoelétricas / Abstract: The objective of this work was to optimize the process of apodization of piezoelectric ceramics disks, looking for the better relation between the insulating oil bath temperature and the smaIlest period of time through which the poling field must be applied. The apodization of the piezoelectric ceramic is performed to reduce the diffraction in the acoustic field generated by ultrasonic transducers. We looked for the best initial temperature of the insulating mineral oil that surrounds the piezoelectric ceramic, and how long the poling electric field must be applied to the ceramic to achieve a good apodization. We used 12.7mm diameter, 0.885mm and lmm thickness PZT-5A ceramic disks. The non-uniform poling electric field (2kV/mm) has been shaped by a 5mm radius spherica1 electrode. The apodized ceramic disks which showed piezoelectric coupling coefficient values larger than 0.37, were considered well apodizated. We used oil temperatures from 120°C to above 200°C and the electric field was applied for periods of at least 2 minutes to up to 4 hours and third minutes (until the oil temperature cooled down to 25°C). This study a1so inc1uded the ceramic disk evaluation after successive depolarizations and repolarizations. The results showed that using higher temperatures (above 200°C) we needed to apply the poling field for a shorter time. Temperature equa1160°C was efficient on1y ifthe poling field was applied until the oil was cooled down to 25°C (4 hours and thirty minutes). The results also showed that if the poling electric field was applied to the piezoelectric ceramic even before the oil was heated, we obtained larger piezoelectric coupling coefficients, compared to the poling processes where the electric field was applied to the ceramic on1y afier the oil was heated. This was not necessary if we used higher temperatures (250°C). We concluded that using higher temperatures (250°C) it was possible to reduce the apodization process, with good results, from more than 4 hours to on1y 2 minutes. Ultrasound transducers were built; their acoustic fields were mapped in a water tank, and the results confirmed the increasing of the depth of the acoustic field, as consequence of the acoustic difraction reduction / Mestrado / Engenharia Biomedica / Mestre em Engenharia Elétrica