A disadvantage with battery powered circuits is the fact that the battery sometimes can run out of power. If a button that can generate energy by applying mechanical work to it was applied instead of batteries, is it possible to enable a transmitter to stay active long enough to transmit data which can later by received and decoded? This thesis contains a study, in which how to effectively send data wirelessly between a transmitter and receiver module, without the use of any batteries or external power sources, only an energy harvesting push button is constructed and evaluated. There will also be a theoretical comparison between different transmission formats and which is more suitable for a task such as this.

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.

abstract: There is a strong medical need and important therapeutic applications for improved wireless bioelectric interfaces to the nervous system. Multichannel devices are desired for neural control of robotic prosthetics that interface to remaining nerves in limb stumps of amputees and as alternatives to traditional wired arrays used in for some types of brain stimulation. This present work investigates a new approach to ultrasound-powering of implantable microelectronic devices within the tissue that may better support such applications. These devices are of ultra-miniature size that is enabled by a wireless technique. This study investigates two types of ultrasound-powered neural interfaces for multichannel sensory feedback in neurostimulation. The piezoceramics lead zirconate titanate (PZT) ceramic and polyvinylidene fluoride (PVDF) polymer were the primary materials used to build the devices. They convert ultrasound to electricity that when rectified by a diode produce a current output that is neuro stimulatory to peripheral nerve or the neurons in the brain. Multichannel devices employ a form of spatial multiplexing that directs focused ultrasound towards localized and segmented regions of PVDF or PZT that allows independent channels of nerve actuation. Different frequencies of ultrasound were evaluated for best results. Firstly, a 2.25 MHz frequency signal that is reasonably penetrating through body tissue to an implant several centimeters deep and also a 5 MHz frequency more suited to application for actuation of devices within a less than a centimeter of nerve. Results show multichannel device performance to have a complex inter-relationship with frequency, size and thickness, angular incidence, channel separations, and number of folds (layers connected in series and parallel). The output electrical port impedances of PVDF devices were examined in relationship to that of stimulating electrodes and tissue interfaces. Miniature multichannel devices were constructed using an unreported method of employing state of the art laser cutting systems. The results show that PVDF based devices have advantages over PZT, because of better acoustic coupling with tissue, known better biocompatibility, and better separation between multiple channels. However, the PZT devices proved to be better overall in terms of compactness and higher outputs for a given ultrasound power level. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Bioengineering 2015

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.

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.

Orientador: Michael John Brennan / Abstract: The guarantee of security in transport vehicles, buildings, bridges and critical structures is extremely important for people and the environment. Therefore, in the last decades, several Structural Health Monitoring (SHM) techniques have been proposed and developed for many areas. One technique to detect corrosion could be the use of guided waves. Considering one wave travelling in a structure and impinging on a discontinuity (damage), this wave will interact with this discontinuity and will be scattered. Thus wave motion in structures may be a powerful way to indicate the presence of damage in a structure. This work aims to investigate wave propagation in a thin Euler-Bernoulli infinite beam, and the way in which these waves interact with simulated corrosion damage (symmetric and asymmetric). The studies show the importance to know the behavior of waves before chose main frequencies to used for a SHM system. Piezoelectric elements are used to excite and sense the waves. The behavior of the systems studied are widely discussed in frequency and time domains. In order to detect and quantify the damage, reflected waves showed better sensitivity and proportionality with damage severity for all configuration studied. The longitudinal wave incident in the damage is easier to be used in a SHM system than flexural waves because longitudinal waves present simplicity compared to flexural. However, is important to choose appropriate frequency range in order to generate good levels of th... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: A garantia de segurança em veículos de transporte, edifícios, pontes e estruturas críticas é extremamente importante para as pessoas e o meio ambiente. Portanto, nas últimas décadas, várias técnicas de Monitoramento da Integridade Estrutural (SHM) foram propostas e desenvolvidas para diversas áreas. Uma técnica para detectar corrosão pode ser o uso de ondas guiadas. Considerando uma onda propaganda em uma estrutura e se chocando a uma descontinuidade (dano), esta onda irá interagir com esta descontinuidade e será transformada (parte é refletida e parte transmitida). Assim, o movimento de ondas em estruturas pode ser uma maneira poderosa de indicar a presença de dano em estruturas. Este trabalho tem como objetivo investigar a propagação de ondas em uma viga de Euler-Bernoulli e a forma como estas ondas interagem com danos simulados de corrosão (simétricos e assimétricos). Os estudos mostram a importância de conhecer o comportamento das ondas antes de escolher as freqüências principais a serem usadas em um sistema SHM. Elementos piezelétricos são usados para gerar sensoriar as ondas. O comportamento dos sistemas estudados é amplamente discutido nos domínios de frequência e tempo. Para detectar e quantificar os danos, as ondas refletidas apresentaram melhor sensibilidade e proporcionalidade com a severidade do dano para todas as configurações estudadas. As ondas longitudinais incidentes no dano são mais recomendadas pelo sistema SHM por apresentarem maior simplicidade em relação... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Structural Health Monitoring (SHM) techniques are widely used in a number of Non – destructive Evaluation (NDE) applications. There is a need to develop effective techniques for SHM, so that the safety and integrity of the structures can be improved. Two most widely used SHM methods for plates and rods use either the spectrum of the impedances or monitor the propagation of lamb waves. Piezoelectric wafer – active sensors (PWAS) were used for excitation and sensing. In this study, surface response to excitation (SuRE) and Lamb wave propagation was monitored to estimate the integrity of the round objects including the pipes, tubes and cutting tools. SuRE obtained the frequency response by applying sweep sine wave to surface. The envelope of the received signal was used to detect the arrival of lamb waves to the sensor. Both approaches detect the structural defects of the pipes and tubes and the wear of the cutting tool.

L’imagerie échographique en trois dimensions (3D) est une modalité d’imagerie médicale en plein développement. En plus de ses nombreux avantages (faible cout, absence de rayonnement ionisant, portabilité) elle permet de représenter les structures anatomiques dansleur forme réelle qui est toujours 3D. Les sondes à balayage mécaniques, relativement lentes, tendent à être remplacées par des sondes bidimensionnelles ou matricielles qui sont unprolongement dans les deux directions, latérale et azimutale, de la sonde classique 1D. Cetagencement 2D permet un dépointage du faisceau ultrasonore et donc un balayage 3D del’espace. Habituellement, les éléments piézoélectriques d’une sonde 2D sont alignés sur unegrille et régulièrement espacés d’une distance (en anglais le « pitch ») soumise à la loi del’échantillonnage spatial (distance inter-élément inférieure à la demi-longueur d’onde) pour limiter l’impact des lobes de réseau. Cette contrainte physique conduit à une multitude d’éléments de petite taille. L’équivalent en 2D d’une sonde 1D de 128 éléments contient128x128=16 384 éléments. La connexion d’un nombre d’éléments aussi élevé constitue unvéritable défi technique puisque le nombre de canaux dans un échographe actuel n’excède querarement les 256. Les solutions proposées pour contrôler ce type de sonde mettent en oeuvredu multiplexage ou des techniques de réduction du nombre d’éléments, généralement baséessur une sélection aléatoire de ces éléments (« sparse array »). Ces méthodes souffrent dufaible rapport signal à bruit du à la perte d’énergie qui leur est inhérente. Pour limiter cespertes de performances, l’optimisation reste la solution la plus adaptée. La première contribution de cette thèse est une extension du « sparse array » combinéeavec une méthode d’optimisation basée sur l’algorithme de recuit simulé. Cette optimisation permet de réduire le nombre nécessaire d’éléments à connecter en fonction des caractéristiques attendues du faisceau ultrasonore et de limiter la perte d’énergie comparée à la sonde complète de base. La deuxième contribution est une approche complètement nouvelle consistant à adopter un positionnement hors grille des éléments de la sonde matricielle permettant de supprimer les lobes de réseau et de s’affranchir de la condition d’échantillonnage spatial. Cette nouvelles tratégie permet d’utiliser des éléments de taille plus grande conduisant ainsi à un nombre d’éléments nécessaires beaucoup plus faible pour une même surface de sonde. La surface active de la sonde est maximisée, ce qui se traduit par une énergie plus importante et donc unemeilleure sensibilité. Elle permet également de balayer un angle de vue plus important, leslobes de réseau étant très faibles par rapport au lobe principal. Le choix aléatoire de la position des éléments et de leur apodization (ou pondération) reste optimisé par le recuit simulé.Les méthodes proposées sont systématiquement comparées avec la sonde complète dansle cadre de simulations numériques dans des conditions réalistes. Ces simulations démontrent un réel potentiel pour l’imagerie 3D des techniques développées. Une sonde 2D de 8x24=192 éléments a été construite par Vermon (Vermon SA, ToursFrance) pour tester les méthodes de sélection des éléments développées dans un cadreexpérimental. La comparaison entre les simulations et les résultats expérimentaux permettentde valider les méthodes proposées et de prouver leur faisabilité. / 3D Ultrasound imaging is a fast-growing medical imaging modality. In addition to its numerous advantages (low cost, non-ionizing beam, portability) it allows to represent the anatomical structures in their natural form that is always three-dimensional. The relativelyslow mechanical scanning probes tend to be replaced by two-dimensional matrix arrays that are an extension in both lateral and elevation directions of the conventional 1D probe. This2D positioning of the elements allows the ultrasonic beam steering in the whole space. Usually, the piezoelectric elements of a 2D array probe are aligned on a regular grid and spaced out of a distance (the pitch) subject to the space sampling law (inter-element distancemust be shorter than a mid-wavelength) to limit the impact of grating lobes. This physical constraint leads to a multitude of small elements. The equivalent in 2D of a 1D probe of 128elements contains 128x128 = 16,384 elements. Connecting such a high number of elements is a real technical challenge as the number of channels in current ultrasound scanners rarely exceeds 256. The proposed solutions to control this type of probe implement multiplexing or elements number reduction techniques, generally using random selection approaches (« spars earray »). These methods suffer from low signal to noise ratio due to the energy loss linked to the small number of active elements. In order to limit the loss of performance, optimization remains the best solution. The first contribution of this thesis is an extension of the « sparse array » technique combined with an optimization method based on the simulated annealing algorithm. The proposed optimization reduces the required active element number according to the expected characteristics of the ultrasound beam and permits limiting the energy loss compared to the initial dense array probe.The second contribution is a completely new approach adopting a non-grid positioningof the elements to remove the grating lobes and to overstep the spatial sampling constraint. This new strategy allows the use of larger elements leading to a small number of necessaryelements for the same probe surface. The active surface of the array is maximized, whichresults in a greater output energy and thus a higher sensitivity. It also allows a greater scansector as the grating lobes are very small relative to the main lobe. The random choice of the position of the elements and their apodization (or weighting coefficient) is optimized by the simulated annealing.The proposed methods are systematically compared to the dense array by performing simulations under realistic conditions. These simulations show a real potential of the developed techniques for 3D imaging.A 2D probe of 8x24 = 192 elements was manufactured by Vermon (Vermon SA, Tours,France) to test the proposed methods in an experimental setting. The comparison between simulation and experimental results validate the proposed methods and prove their feasibility. / L'ecografia 3D è una modalità di imaging medicale in rapida crescita. Oltre ai vantaggiin termini di prezzo basso, fascio non ionizzante, portabilità, essa permette di rappresentare le strutture anatomiche nella loro forma naturale, che è sempre tridimensionale. Le sonde ascansione meccanica, relativamente lente, tendono ad essere sostituite da quelle bidimensionali che sono una estensione in entrambe le direzioni laterale ed azimutale dellasonda convenzionale 1D. Questo posizionamento 2D degli elementi permette l'orientamentodel fascio ultrasonico in tutto lo spazio. Solitamente, gli elementi piezoelettrici di una sondamatriciale 2D sono allineati su una griglia regolare e separati da una distanza (detta “pitch”) sottoposta alla legge del campionamento spaziale (la distanza inter-elemento deve esseremeno della metà della lunghezza d'onda) per limitare l'impatto dei lobi di rete. Questo vincolo fisico porta ad una moltitudine di piccoli elementi. L'equivalente di una sonda 1D di128 elementi contiene 128x128 = 16.384 elementi in 2D. Il collegamento di un così grandenumero di elementi è una vera sfida tecnica, considerando che il numero di canali negliecografi attuali supera raramente 256. Le soluzioni proposte per controllare questo tipo disonda implementano le tecniche di multiplazione o la riduzione del numero di elementi, utilizzando un metodo di selezione casuale (« sparse array »). Questi metodi soffrono di unbasso rapporto segnale-rumore dovuto alla perdita di energia. Per limitare la perdita di prestazioni, l’ottimizzazione rimane la soluzione migliore. Il primo contributo di questa tesi è un’estensione del metodo dello « sparse array » combinato con un metodo di ottimizzazione basato sull'algoritmo del simulated annealing. Questa ottimizzazione riduce il numero degli elementi attivi richiesto secondo le caratteristiche attese del fascio di ultrasuoni e permette di limitare la perdita di energia.Il secondo contributo è un approccio completamente nuovo, che propone di adottare un posizionamento fuori-griglia degli elementi per rimuovere i lobi secondari e per scavalcare il vincolo del campionamento spaziale. Questa nuova strategia permette l'uso di elementi piùgrandi, riducendo così il numero di elementi necessari per la stessa superficie della sonda. La superficie attiva della sonda è massimizzata, questo si traduce in una maggiore energia equindi una maggiore sensibilità. Questo permette inoltre la scansione di un più grande settore,in quanto i lobi secondari sono molto piccoli rispetto al lobo principale. La scelta casualedella posizione degli elementi e la loro apodizzazione viene ottimizzata dal simulate dannealing. I metodi proposti sono stati sistematicamente confrontati con la sonda completaeseguendo simulazioni in condizioni realistiche. Le simulazioni mostrano un reale potenzialedelle tecniche sviluppate per l'imaging 3D.Una sonda 2D di 8x24 = 192 elementi è stata fabbricata da Vermon (Vermon SA, ToursFrance) per testare i metodi proposti in un ambiente sperimentale. Il confronto tra lesimulazioni e i risultati sperimentali ha permesso di convalidare i metodi proposti edimostrare la loro fattibilità.