A força dos músculos Abdutor curto do polegar (ACP) e Abdutor do quinto dedo (AQD) serve como parâmetro para a avaliação da função dos nervos mediano e ulnar, respectivamente. Um aparelho foi desenvolvido para realizar a medida da força daqueles músculos em mãos de diferentes tamanhos, com a mesma eficiência. Este aparelho foi construído inteiramente com materiais de fácil obtenção e baixo custo, incluindo o aço, o latão, o alumínio e o duralumínio, e consiste de uma base dotada de uma coluna rígida para a fixação de um transdutor de força do tipo resistivo (célula de carga) e de um apoio para a mão para mantê-la firme durante os testes. Acessórios foram construídos segundo medidas antropométricas previamente obtidas nos polegares e quintos dedos voluntários, de modo que pudessem ser acoplados à célula de carga e permitir a avaliação de mãos direitas e esquerdas de diferentes tamanhos. A célula de carga foi calibrada. Quando pronto, o protótipo final foi utilizado para medir a força dos músculos ACP e AQD de 42 voluntários, sendo 20 mulheres e 22 homens, cujo critério de inclusão era a total ausência de qualquer patologia nos membros superiores. Dois pontos de aplicação da carga foram selecionados, sendo um proximal, no nível da falange proximal, e outro distal, no nível da falange distal. Três medidas eram tomadas para cada ponto de aplicação da carga, para cada um dos músculos, e uma média foi obtida para uso na análise estatística dos resultados, que mostraram que a força de ambos os músculos era consistentemente maior nos homens e na mão direita. Quanto aos dois pontos de aplicação da carga, a força foi sempre maior no ponto proximal, tanto para o polegar, como para o quinto dedo. A avaliação geral do desempenho do aparelho mostrou que ele é versátil, fornecendo informações confiáveis para as mãos direitas e esquerdas de todos os tamanhos. / The strength of the Abductor pollicis brevis and Abductor digiti quinti muscles may serve as a parameter to the evaluation of the median and ulnar nerve function, respectively. A device was developed especially for carrying out measurements of the strength of those muscles in hands of different sizes with the same efficiency. The device was built entirely with easily obtained low cost materials, including steel, solid brass, aluminium and duralumin, and consists of a metal base provided with a rigid colunm for fixation of a resistive type strength transducer (load cell) and a hand stand to keep the hand still while in test. Accessories were built according to a previous anthropometric measurement of both thumb and fifth fingers of volunteers, so as to be coupled onto the load cell and allow for the evaluation of the strength of different size hands. The load cell was calibrated. Once ready, the final prototype was used to measure the strength of the APB and AbDQ muscles in 42 volunteers, being 20 women and 22 men, whose inclusion criterion was the total absence of any pathology in the upper limbs. Two points of load application were selected, being one proximal, at the level of the proximal phalanx, and another one distal, at the level of the distal phalanx. Three measurements were taken for each point of load application for both muscles, an average value being obtained for use in the statistical analysis of the results, which showed that the strength was consistantly greater in men and in the right hand. As refers to the different points of load application, the strength was always greater at the proximal point, both for the thumb and the fifth finger. The overall evaluation of performance of the prototype showed that it is versatile, supplying reliable information for all size hands.

[pt] Nesta dissertação é realizada uma análise experimental da influência da pressão estática na medição de pressão diferencial com transmissores eletrônicos, dotados de sensores capacitivos ou sensores de silício ressonante, cuja tecnologia é amplamente difundida nos dias atuais por serem de elevada repetitividade, reprodutibilidade, exatidão e baixa histerese. A medição de pressão diferencial é amplamente utilizada na indústria de Petróleo, com o objetivo de medição de vazão, nível, entupimento de filtros e medição de interface óleo água. A calibração dos transmissores de pressão diferencial é feita no país a pressão atmosférica, não se preocupando com a influência da pressão estática do processo sobre seu desempenho. Como sua principal contribuição, o trabalho apresenta uma metodologia inovadora ainda não disponível no país de calibração de transmissores de pressão diferencial na pressão de operação, melhorando a confiabilidade e a incerteza das medições de vazão de líquidos e gases nas indústrias em geral. As faixas estudadas de pressão estática (0 a 20000 KPa) e diferencial (40 a 250 KPa), atendem a utilização interna da área de produção e exploração da Petrobras. A simples substituição da máquina de ensaio e seus instrumentos é suficiente para a calibração em uma faixa mais ampla, utilizando-se da mesma metodologia. Para alcançar os resultados, um dispositivo de amplificação de pressão foi desenvolvido neste estudo e utilizado em cada extremidade do transmissor de pressão, para aumentar a pressão desde valores próximos da atmosférica, que podem ser medidos com boa exatidão e repetitividade, até sua pressão de operação. Durante sua utilização, a pressão diferencial em suas extremidades é deduzida a partir dos valores medidos próximos da pressão atmosférica e do fator de amplificação. A incerteza dos resultados foi estimada e a metodologia foi utilizada para mostrar que a curva de calibração de um transmissor de pressão varia com sua pressão de operação. / [en] This paper deals with an experimental analysis of the static pressure influence upon the measurement of the differential pressure. Using capacitive or silicon resonator transducers, the electronic transmitters used in the experiment are thoroughly diffused nowadays due to their repetitiveness, reproducibility, accuracy and low hysteresis. The measurement of the differential pressure is widely employed in the petrol industry for determining the flow rate, level, blockage of filters and the oil-water interface. The calibration of the differential pressure transmitters is made in Brazil at atmospheric pressure, since there is little concern about the static pressure influence on the transducer performance. As a main contribution, this study presents a calibration methodology of differential pressure transmitters, still unavailable in the country, increasing its reliability and reducing the uncertainty of measuring the flow of liquid or gaseous substances. The ranges of the studied static pressure (from 0 to 20000 KPa) and differential pressure (from 40 to 250 KPa) cover Petrobras production and exploration operating conditions. The same methodology can be applied to wider ranges, by properly sizing the calibrating device and the related instruments. To achieve the results, a pressure amplification device was developed and used at each port of the pressure transmitter. A methodology was also developed in this study to determine the amplification factor from near atmospheric values, which can be measured very accurately, up to the operating pressure of the transmitter. Thus, during the calibration of a pressure transmitter, the pressure differential at the transmitter ports is deduced from the measured value at nearly atmospheric pressure and the amplification factor. The uncertainty of the results were estimated and the methodology was used for the calibration of a pressure transmitter, showing that its calibrating curve varies with the operating pressure.

Este trabalho apresenta um estudo de transdutores piezelétricos de potência usados em máquinas de estampagem e soldagem de tecidos sintéticos por ultra-som, através de modelos de elementos finitos implementados no software ANSYS e verificações experimentais. O transdutor é do tipo sanduíche e está acoplado a um amplificador mecânico e a um sonotrodo. Os comportamentos elétrico e vibracional do transdutor tipo sanduíche foram analisados em relação à quantidade de discos de piezocerâmicas em modelos axi-simétricos com quatro e oito discos. Comparam-se os resultados numéricos da resposta em frequência da impedância elétrica e do coeficiente de acoplamento eletromecânico com resultados experimentais de protótipos. Apresentam-se também análises numéricas do comportamento vibracional do amplificador mecânico e de dois tipos de sonotrodos, um cilíndrico e outro com o formato de uma lâmina larga, usados no processo de corte e soldagem de tecidos por ultra-som. É feita uma análise da distribuição de amplitude de vibração ao longo da face de trabalho dos dois sonotrodos. Os resultados simulados são comparados com os resultados experimentais de uma varredura feita na superfície de trabalho de cada protótipo usando-se um vibrômetro laser Doppler. Mostra-se que a vibração na face do sonotrodo cilíndrico ocorre com maior amplitude em uma região na sua borda. Considerando que para o processamento adequado do tecido é necessário que todos os pontos ao longo da face de trabalho do sonotrodo vibrem com a mesma amplitude, verifica-se a necessidade de modificar a forma do sonotrodo visando obter uma distribuição uniforme de deslocamentos em sua face. Para isso utiliza-se a modelagem do sonotrodo com a técnica de otimização paramétrica disponível no ANSYS, com o objetivo de se obter uma distribuição de vibração uniforme ao longo de sua face de trabalho. Os resultados experimentais do protótipo do sonotrodo cilíndrico otimizado são comparados com os resultados numéricos da distribuição de vibração ao longo de sua face de trabalho mostrando uma boa concordância e, portanto, validando o modelo numérico. / This work presents a study of high power piezoelectric sandwich transducers used in ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles using finite element models with ANSYS and experimental verifications. The electrical/vibrational behaviour of transducers with four and eight piezoceramics is analysed using axisymetric models. The numerical results of electrical impedance frequency response and electromechanical coupling factor are compared with experimental results of prototypes. There are presented the numerical analysis of the vibrational behaviour of an acoustical amplifier and two types of sonotrodes, a cylindrical and an wide blade shape, used in the ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles. It is performed an analysis of the distribution of vibration amplitude along the work surface of both sonotrodes and the simulated results are compared with esperimental measurements of the prototypes using a laser Doppler vibrometer. The results show that the amplitude of vibration of the cylindrical sonotrode is not uniform on its working surface. A maximum of amplitude occurs in its border. In order to guarantee the process quality it is necessary that all points along the working surface vibrate with the same amplitude. It is used the parametric optimization technic of ANSYS in order to obtain an uniform amplitude of displacement on the working surface of the cylindric sonotrode. The simulated and experimental results optimized prototype of the cylindric sonotrode are compared showing good agreement and therfore validating the numerical model.

Este trabalho apresenta um estudo de transdutores piezelétricos de potência usados em máquinas de estampagem e soldagem de tecidos sintéticos por ultra-som, através de modelos de elementos finitos implementados no software ANSYS e verificações experimentais. O transdutor é do tipo sanduíche e está acoplado a um amplificador mecânico e a um sonotrodo. Os comportamentos elétrico e vibracional do transdutor tipo sanduíche foram analisados em relação à quantidade de discos de piezocerâmicas em modelos axi-simétricos com quatro e oito discos. Comparam-se os resultados numéricos da resposta em frequência da impedância elétrica e do coeficiente de acoplamento eletromecânico com resultados experimentais de protótipos. Apresentam-se também análises numéricas do comportamento vibracional do amplificador mecânico e de dois tipos de sonotrodos, um cilíndrico e outro com o formato de uma lâmina larga, usados no processo de corte e soldagem de tecidos por ultra-som. É feita uma análise da distribuição de amplitude de vibração ao longo da face de trabalho dos dois sonotrodos. Os resultados simulados são comparados com os resultados experimentais de uma varredura feita na superfície de trabalho de cada protótipo usando-se um vibrômetro laser Doppler. Mostra-se que a vibração na face do sonotrodo cilíndrico ocorre com maior amplitude em uma região na sua borda. Considerando que para o processamento adequado do tecido é necessário que todos os pontos ao longo da face de trabalho do sonotrodo vibrem com a mesma amplitude, verifica-se a necessidade de modificar a forma do sonotrodo visando obter uma distribuição uniforme de deslocamentos em sua face. Para isso utiliza-se a modelagem do sonotrodo com a técnica de otimização paramétrica disponível no ANSYS, com o objetivo de se obter uma distribuição de vibração uniforme ao longo de sua face de trabalho. Os resultados experimentais do protótipo do sonotrodo cilíndrico otimizado são comparados com os resultados numéricos da distribuição de vibração ao longo de sua face de trabalho mostrando uma boa concordância e, portanto, validando o modelo numérico. / This work presents a study of high power piezoelectric sandwich transducers used in ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles using finite element models with ANSYS and experimental verifications. The electrical/vibrational behaviour of transducers with four and eight piezoceramics is analysed using axisymetric models. The numerical results of electrical impedance frequency response and electromechanical coupling factor are compared with experimental results of prototypes. There are presented the numerical analysis of the vibrational behaviour of an acoustical amplifier and two types of sonotrodes, a cylindrical and an wide blade shape, used in the ultrasonic cutting and welding of thermoplastic textiles. It is performed an analysis of the distribution of vibration amplitude along the work surface of both sonotrodes and the simulated results are compared with esperimental measurements of the prototypes using a laser Doppler vibrometer. The results show that the amplitude of vibration of the cylindrical sonotrode is not uniform on its working surface. A maximum of amplitude occurs in its border. In order to guarantee the process quality it is necessary that all points along the working surface vibrate with the same amplitude. It is used the parametric optimization technic of ANSYS in order to obtain an uniform amplitude of displacement on the working surface of the cylindric sonotrode. The simulated and experimental results optimized prototype of the cylindric sonotrode are compared showing good agreement and therfore validating the numerical model.

Orientador: Jozue Vieira Filho / Resumo: Neste trabalho foram realizados estudos, análises, simulações e implementações de um sistema de power harvesting utilizando transdutores piezelétricos, com o objetivo de extrair a máxima potência. A fim de alcançar tal objetivo, o sistema mecânico e a interface elétrica foram analisados com foco na quantidade de potência extraída. Com os resultados básicos desses estudos, tem-se que o desempenho de tais sistemas depende da interação eletromecânica, da deformação, da frequência de excitação e da carga conectada. Com exceção do último, esses parâmetros não interferem no modelo tradicional de simulação no SPICE. Para aprimorar os resultados da simulação, foi proposta uma metodologia para a modelagem do sistema mecânico com a interface elétrica, implementada e avaliada em MATLAB/Simulink e em SPICE com VHDL-AMS. Além disso, um novo circuito eletrônico, denominado Conversor Direto CA-CC com Chaveamento Sincronizado - CDCS, foi projetado para maximizar a potência média extraída e reduzir sua dependência com a frequência de excitação e com a carga conectada. Os resultados das simulações foram comparados com dados experimentais para os circuitos eletrônicos retificador em ponte e SSHI em paralelo. A modelagem desenvolvida em SPICE com VHDL-AMS apresentou melhores resultados, pois permite uma modelagem mais precisa dos componentes eletrônicos sem comprometer o domínio mecânico. Comparado com três circuitos existentes na literatura (retificador em ponte, SSHI em paralelo e SECE), o cir... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In this work studies, analysis, simulations and the implementation of power harvesting system using piezoelectric transducer were done aiming to extract its maximum power. In order to achieve this goal, the mechanical system and electrical interface were analyzed especially focused on the amount of power that can be able to extracted. The conclusion of these studies was that the system performance depends of the electromechanical interaction, deformation, excitation frequency and the connected load. Except for the latter, these parameters does not interfered in the standard model by SPICE. To improve the simulation results, a novel methodology for modeling the mechanical system with electrical interface was proposed. It was implemented and evaluated in MATLAB/Simulink and in SPICE with VHDL-AMS. In addition, a new electronic circuit, well know as Direct AC-DC Converter with Synchronous Switch (CDSS), was designed to improve the extract power and the response at the frequency of excitation and the connected load. The simulation results were compared with experimental data for the electronic circuits: bridge rectifier and P-SSHI. The SPICE with VHDL-AMS model offered the best results, since it allows accurate model for the electrical component without compromising the mechanical system. The performance of the proposed circuit was compared with three electronic circuits (bridge rectifier, P-SSHI and SECE). The results show that the proposed circuit presented the higher power ext... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

[pt] Esta dissertação tem por objetivo o desenvolvimento de um transdutor de pressão de alta sensibilidade, baseado nas características de fase da impedância de sensores de Magnetoimpedância Gigante. A configuração do dispositivo visa a aplicações biomédicas, tais como medições da onda de pulso arterial e de sua velocidade de propagação. Projetou-se um sistema de transdução de pressão em tensão, que contém um módulo intermediário baseado em um magnetômetro GMI. O protótipo implementado inclui uma estrutura mecânica, responsável pela transdução de pressão em campo magnético, e um circuito eletrônico, responsável pela conversão deste em uma tensão elétrica de saída. A conversão de pressão em campo magnético é feita por meio de uma fonte de campo magnético aderida a uma membrana elástica. Foram realizados estudos comparativos empregando agulhas magnetizadas e ímãs permanentes como fontes móveis de campo. Por sua vez, o elemento sensor GMI utilizado foi experimentalmente caracterizado, a fim de se obter suas curvas características de módulo e fase, em função do campo magnético. O circuito eletrônico de transdução foi projetado e avaliado de forma computacional e experimental. As principais características do mesmo são detalhadas ao longo do texto e as previsões teórico-computacionais são comparadas com os resultados experimentais obtidos. Por sua vez, parâmetros chave do protótipo desenvolvido são minuciosamente analisados, tais como: sensibilidade, linearidade e resposta em frequência. Também, avalia-se a densidade espectral de ruído do transdutor desenvolvido e estima-se sua resolução na banda de passagem. Os resultados obtidos indicam que o protótipo de baixo custo desenvolvido apresenta alta resolução e alta sensibilidade, além de uma banda de passagem compatível com a requerida pelas aplicações biomédicas nas quais deseja-se empregá-lo. Dessa forma, espera-se que o dispositivo desenvolvido contribua para o avanço tecnológico do ferramental utilizado no setor da saúde. / [en] This dissertation aims at the development of a high sensitivity pressure transducer, based on the phase impedance characteristics of Giant Magnetoimpedance sensors. The configuration is intended to employ the developed device in biomedical applications, such as in measurements of arterial pulse wave and pulse wave velocity. A transduction system of pressure into voltage was designed, which contains an intermediate module based on a GMI magnetometer. The idealized prototype contains a mechanical structure, responsible for converting pressure into magnetic field, and an electronic circuit, responsible for converting the latter into a voltage output. The conversion of pressure into magnetic field is performed by means of a magnetic field source adhered to an elastic membrane. Comparative studies were carried out using magnetized needles and permanent magnets as field sources. In turn, the GMI sensor element was experimentally characterized in order to evaluate how its impedance magnitude and phase are affected by the magnetic field. The influence of the cable length used to interconnect the GMI sensor to the electronic circuit is also discussed. The electronic transduction circuit was designed and analyzed by computational and experimental evaluations. The main features of the circuit are detailed throughout the text and the theoretical and computational predictions are compared with the obtained experimental results. Furthermore, the key parameters of the developed prototype are meticulously analyzed, such as: sensitivity, linearity and frequency response. Also, the spectral noise density of the developed transducer is evaluated and its resolution in the passband is estimated. The obtained results indicate that the developed prototype presents low cost of manufacture and operation, high resolution, high sensitivity and a passband compatible with the requirements imposed by the biomedical applications of interest. In this way, it is intended that the device developed in the present Dissertation contributes to the technological enhancement of measurement equipment used in health sector.

This study aims to analyze the use of plastic diaphragm in the speaker industry replacing the existing diaphragms (phenolic and titanium). For this analysis of comparative studies of product, process and economic viability will be conducted. The comparison is performed through practical methods, with construction of prototypes and conducting comparative measurements, and also through computer simulations, where will be used the finite element method and analyze the electroacoustic transducer. For performing such analysis is necessary to characterize the mechanical plastic, titanium and phenolic (Poisson s ratio, Young s modulus and damping), their vibrational analysis (vibrational modes of the diaphragm) and acoustic analysis (frequency response function and sensitivity). Due to increased market competitiveness, companies do not measure efforts to ensure space in the market. New products, innovation and creativity are the hallmarks of a globalized market. Cost, time and quality dictate the pace of a consumerist market, closely linked these factors are crucial to maintaining the company s market. In this sense the research on the use of new materials behind the renovation products, technological and marketing advantages. Achieve cost and quality combine with technological innovation is what every company aspires to but can achieve this level of excellence is not easy, requires large investments, research and determination. Using plastic diaphragm drivers (transducers for audio playback in high frequency range) opens a possibility of renewal in these products. / O presente trabalho se propõe a analisar a utilização de diafragma plástico na indústria de alto-falantes em substituição aos diafragmas existentes (fenólico e titânio). Para tal serão realizados estudos comparativos de análise de produto, processo e viabilidade econômica. A comparação será realizada através de métodos práticos, com construções de protótipos e realização de medições comparativas e, também, através de simulações computacionais, onde se utilizará o método de elementos finitos e análise eletroacústica do transdutor. Para a realização de tais análises faz-se necessário a caracterização mecânica do plástico, titânio e fenólico (coeficiente de Poisson, módulo de Young e amortecimento), sua análise vibracional (modos vibracionais do diafragma) e sua análise acústica (função resposta em frequência e sensibilidade). Devido ao aumento da competitividade do mercado as empresas lutam para garantir o seu espaço. Novos produtos, inovação e criatividade são a marca de um mercado globalizado. Custo, tempo e qualidade ditam o ritmo de um mercado consumista. Intimamente ligados esses fatores são determinantes para a permanência da empresa no mercado. Nesse sentido, a pesquisa sobre a utilização de novos materiais traz renovação aos produtos, vantagens tecnológicas e mercadológicas. Conseguir aliar custo e qualidade com inovação tecnológica é o que toda a empresa almeja, mas, conseguir alcançar esse grau de excelência não é nada fácil, requer grandes investimentos, pesquisa e determinação. A utilização de diafragma plástico em drivers (transdutores para reprodução de áudio em faixa de alta frequência) abre uma possibilidade de renovação nesses produtos.

Submitted by Morgana Silva (morgana_linhares@yahoo.com.br) on 2016-07-27T17:45:52Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2648831 bytes, checksum: 9541497365622df815ae71c695bd6f89 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-27T17:45:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2648831 bytes, checksum: 9541497365622df815ae71c695bd6f89 (MD5) Previous issue date: 2015-02-24 / In recent decades, the growing demand for miniaturized, portable and autonomous electronics has intensified the search for new and appropriate energy sources. Following this context, the purpose of this work is to develop an energy-autonomous electronic system, powered by magnetic energy harvesting. Being the energy harvesting system composed of an electromagnetic transducer, to capture and convert stray magnetic field around power lines, and an electronic circuit to condition the energy generated by the transducer and provide adequate power for a resistive load of low consumption. An experimental methodology was employed to select the appropriate material for the core of the transducer therefore been conducted many laboratory tests to analyze and compare the performance of the transducers with respect to power and power density provided by the transducers two ferromagnetic materials distinct, the Ferrite and Nanocrystalline Alloy (FeSiB). After analyzing the data, it is concluded that for this application the Nanocrystalline Alloy showed the best results in terms of power density, and therefore, was selected as the material of the toroidal core of the transducer. However, in the output of the secondary coil was observed high voltage peaks, so that could cause damage to electronic devices connected to the coil circuit. Therefore, it chose to divide the secondary coil into two coils, both connected in parallel to reduce the inductance, at end It is found the effectiveness of the solution, because, reduced voltage spikes and kept the magnitude of the effective tension. However, the showed transducer high inductive reactance, due to its physical parameters, in particular, the high permeability, to compensate were used capacitances connected in series with the coil, in order to define the ideal situation for the system provide maximum power for the load. The power conditioning circuit has been designed to power the wireless sensor node nRF24LE1 the Nordic semiconductors, therefore, have been designed a full-wave rectifier, a filter to the capacitor and a voltage regulator. Finally, it can be concluded that an electronic system with energetic autonomy could be implemented, using as power supply the energy harvesting by magnetic induction, and it can be installed in environments in which there is a magnetic field available for "exploited". / Nas últimas décadas, a crescente demanda por circuitos eletrônicos miniaturizados, portáteis e autônomos, vem intensificando a busca por novas e adequadas fontes energéticas. Seguindo este contexto, o propósito desta dissertação é desenvolver um sistema eletrônico energeticamente autônomo, alimentado por colheita de energia magnética. Sendo o sistema de colheita composto por um transdutor eletromagnético, para captar e converter o campo magnético disperso em torno de linhas de potência, e um circuito eletrônico para condicionar a energia gerada pelo transdutor e fornecer a potência adequada para uma carga resistiva de baixo consumo. Uma metodologia experimental foi empregada para selecionar o material adequado para o núcleo do transdutor, por isso, foram realizados diversos testes em laboratório para analisar e comparar o desempenho dos transdutores em relação à potência e a densidade de potência, fornecidas pelos transdutores de dois materiais ferromagnéticos distintos, a Ferrita e a liga Nanocristalina (FeSiB). Após a análise dos dados, concluiu-se que para esta aplicação a liga Nanocristalina apresentou os melhores resultados quanto à densidade de potência, e por isso, foi selecionada como o material do núcleo toroidal do transdutor. Porém, na saída da bobina secundária se observou altos picos de tensão, de modo que poderia ocasionar danos aos dispositivos eletrônicos do circuito conectado a bobina. Portanto, optou-se por fazer a divisão da bobina secundária em dois enrolamentos, ambos ligados em paralelo, para reduzir a indutância, ao final constatou-se a eficácia da solução, pois, reduziu os picos de tensão e manteve a magnitude da tensão eficaz. Contudo, o transdutor apresentou alta reatância indutiva, devido os seus parâmetros físicos, em particular, a alta permeabilidade, para compensá-la foram utilizadas capacitâncias ligadas em série com a bobina, a fim de definir a situação ideal para o sistema fornecer a máxima potência à carga. O circuito de condicionamento de energia foi projetado para alimentar o nó sensor sem fio nRF24LE1 da Nordic semiconductors, para tanto, foram projetados um retificador de onda completa, um filtro à capacitor e um regulador de tensão. Por fim, pode-se concluir que um sistema eletrônico com autonomia energética pode ser implementado, utilizando-se como fonte de alimentação a colheita de energia por indução magnética, e o mesmo pode ser instalado em ambientes nos quais existam um campo magnético disponível para ser “aproveitado”.

Submitted by FLAVILENE DA SILVA SOUZA (flavilener3@gmail.com) on 2018-04-24T19:08:16Z No. of bitstreams: 1 tese_flavilene_final.pdf: 13353047 bytes, checksum: d43d4d8f0c658e67b155882a0640ae05 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-04-24T19:20:49Z (GMT) No. of bitstreams: 1 souza_fs_dr_ilha.pdf: 13353047 bytes, checksum: d43d4d8f0c658e67b155882a0640ae05 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-24T19:20:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 souza_fs_dr_ilha.pdf: 13353047 bytes, checksum: d43d4d8f0c658e67b155882a0640ae05 (MD5) Previous issue date: 2018-03-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho foram realizados estudos, análises, simulações e implementações de um sistema de power harvesting utilizando transdutores piezelétricos, com o objetivo de extrair a máxima potência. A fim de alcançar tal objetivo, o sistema mecânico e a interface elétrica foram analisados com foco na quantidade de potência extraída. Com os resultados básicos desses estudos, tem-se que o desempenho de tais sistemas depende da interação eletromecânica, da deformação, da frequência de excitação e da carga conectada. Com exceção do último, esses parâmetros não interferem no modelo tradicional de simulação no SPICE. Para aprimorar os resultados da simulação, foi proposta uma metodologia para a modelagem do sistema mecânico com a interface elétrica, implementada e avaliada em MATLAB/Simulink e em SPICE com VHDL-AMS. Além disso, um novo circuito eletrônico, denominado Conversor Direto CA-CC com Chaveamento Sincronizado - CDCS, foi projetado para maximizar a potência média extraída e reduzir sua dependência com a frequência de excitação e com a carga conectada. Os resultados das simulações foram comparados com dados experimentais para os circuitos eletrônicos retificador em ponte e SSHI em paralelo. A modelagem desenvolvida em SPICE com VHDL-AMS apresentou melhores resultados, pois permite uma modelagem mais precisa dos componentes eletrônicos sem comprometer o domínio mecânico. Comparado com três circuitos existentes na literatura (retificador em ponte, SSHI em paralelo e SECE), o circuito proposto obteve os maiores valores de potência extraída (102 µW) e de eficiência (70 %), além de apresentar resultados satisfatórios na faixa de operação da carga (1 kΩ - 1 MΩ) e largura de banda (6,0 Hz). / In this work studies, analysis, simulations and the implementation of power harvesting system using piezoelectric transducer were done aiming to extract its maximum power. In order to achieve this goal, the mechanical system and electrical interface were analyzed especially focused on the amount of power that can be able to extracted. The conclusion of these studies was that the system performance depends of the electromechanical interaction, deformation, excitation frequency and the connected load. Except for the latter, these parameters does not interfered in the standard model by SPICE. To improve the simulation results, a novel methodology for modeling the mechanical system with electrical interface was proposed. It was implemented and evaluated in MATLAB/Simulink and in SPICE with VHDL-AMS. In addition, a new electronic circuit, well know as Direct AC-DC Converter with Synchronous Switch (CDSS), was designed to improve the extract power and the response at the frequency of excitation and the connected load. The simulation results were compared with experimental data for the electronic circuits: bridge rectifier and P-SSHI. The SPICE with VHDL-AMS model offered the best results, since it allows accurate model for the electrical component without compromising the mechanical system. The performance of the proposed circuit was compared with three electronic circuits (bridge rectifier, P-SSHI and SECE). The results show that the proposed circuit presented the higher power extracted (102 μW) and of efficiency (70%). In addition, both the resistance range (1 kΩ - 1 MΩ) and the bandwidth (6,0 Hz) were improved. / CAPES: 99999.006504/2015-09

[pt] A presente pesquisa de mestrado, de interesse da indústria de armamento, mais especificamente no controle de qualidade de lotes de munição, relaciona-se com o desenvolvimento de metodologia para calibração de transdutor piezelétrico para medição de pressão transiente cuja duração é da ordem de milisegundos. Como sua principal contribuição, o trabalho disponibiliza metodologia própria de calibração ainda não disponível no País, atribuindo confiabilidade a medições realizadas em fenômenos associados ao que se denomina balística interna, que se constitui no estudo científico dos processos que ocorrem no interior de uma arma de fogo a partir do instante de iniciação (ignição) do propelente. Não obstante a faixa de pressão estudada, de 34,7 a 349,8 bar), ser baixa se comparada com as pressões desenvolvidas na balística interna, que podem até superar 6000 bar, a simples substituição do gerador de pressão por outro de maior capacidade é suficiente para a calibração numa faixa mais larga utilizando-se a mesma metodologia. O complexo processo de balística interna foi simulado em condições laboratoriais pela submissão brusca do sensor piezelétrico, objeto da calibração, originalmente montado em uma câmara diminuta (cerca de dez vezes menor que o volume total de fluido pressurizado) de óleo à pressão atmosférica, a um pico de pressão induzido pela comunicação da câmara a uma linha de óleo pressurizada à pressão de calibração pré-determinada através de uma bomba hidráulica, pressão esta que caracteriza um ponto de calibração. Complementando o aparatus experimental utilizado para simular o fenômeno da balística interna, foi utilizado um sistema de medição com tempo de resposta compatível (rise time < 5 us) à ordem de grandeza da duração do fenômeno estudado. O aparatus experimental utilizado é tal que permite alterar a duração desses eventos por meio de uma válvula de restrição, o que resultou em eventos com duração de 2 a 2200 ms. O monitoramento do sinal de resposta do transdutor piezelétrico no curso da calibração realizada permite estabelecer o tempo-limite associado ao qual o sinal mantém-se isento de indesejável atenuação, considerada fonte de erro na medição de pressão. O processo de calibração desenvolveu-se para 10 pontos distintos, perfazendo um total de 340 experimentos (variando-se o transiente de pressão imposto ao transdutor), monitorando-se o sinal de resposta do transdutor contra o valor da pressão medida por um manômetro calibrado pelo laboratório de pressão da PUC-Rio, credenciado pelo INMETRO e, portanto, assegurando rastreabilidade das medições ao Sistema Internacional de Unidades. Alterações no aparatus experimental permitem que calibrações usualmente realizadas em regime de pressurização sejam também realizadas em regime de despressurização, viabilizando, dentre outras análises possíveis, o estudo de estabilidade e histerese do sinal do transdutor. O método experimental desenvolvido não apenas mostrou-se tecnicamente viável e adequado às condições laboratoriais da faixa de pressão na qual foi validado (34,7 a 349,8 bar), como também se mostrou viável economicamente. A incerteza associada a esse método, obviamente, é maior que aquela obtida com uma balança de peso morto, que se baseia num método primário. A incerteza associada ao método de calibração desenvolvido no presente trabalho de pesquisa pode ser diminuída se for usado um sistema de medição de tensão com melhor exatidão. / [en] The current research, of armaments industry s interest, more specifically in the quality control of ammunition lots, is related to the development of methodology for calibrating piezoelectric transducers for transient pressure measurements associated with events whose duration is of the order of milliseconds. As its main contribution, this work presents proper methodology, not available yet in the Country, to ensure reliability to measurements of pressure in internal ballistics, which is the scientific study of the operating processes within the gun from at the moment when the burning process of the propellant is initiated. In spite of the low transient pressure range studied, 34,7 to 349,8 bar, when compared with the pressures developed in internal ballistics, up to 6000 bar, the simple replacement of the pressure generator for another one of larger capacity is enough to allow for calibration in a wider pressure range using the same methodology. The complex process associated to internal ballistics was simulated in laboratorial conditions by the abrupt exposure of the piezoelectric sensor, object of the calibration, planned and originally mounted in a small oil chamber (about ten times smaller than the total volume of fluid pressurized) maintained at atmospheric pressure, to a pressure peak introduced by the communication of the small chamber to a line of oil pressurized at a desired calibration pressure level by means of a hydraulical pump used to feed the oil system. Each calibration pressure condition corresponds to what is called a calibration point. Complementing the experimental apparatus used to simulate the phenomenon of the internal ballistics, an adequate measurement system (rise time < 5 us, therefore adequate to the time duration of the studied phenomenon) was used. The experimental apparatus employed is such that the time duration of the events could be changed by means of a restriction valve, allowing events with duration from about 2 to 2200 ms. Within the calibration process, the monitoring of the piezoelectric transducer output signal allowed for establishing a specific time-limit to ensure that the signal remained exempt of undesirable attenuation, considered a source of error in the measurement of the transient pressure. The calibration process was developed for 10 distinct points, totalizing 340 experiments (varying the transient pressure to which the transducer is exposed), monitoring the output signal of the transducer against the value of the pressure measured with a manometer calibrated in the accredited pressure laboratory of PUC-Rio, traceable to the national standard maintained by the Brazilian National Metrology Laboratory (INMETRO) and, therefore, ensuring overall traceability of measurements to the International System of Units (SI). Modifications introduced in the experimental apparatus used allow that calibrations usually carried out under a regime of pressurization may also be carried out under a regime of unpressurization, making possible other studies such as stability and hysteresis of the transducer s output signal. From the technical point of view the experimental method proved to be feasible and suitable to the laboratorial conditions for the pressure range to which it was validated (34,7 to 349,8 bar). It also revealed economically viable. Although validated, the uncertainty associated with the proposed method, obviously is greater than the uncertainty associated with a dead weight tester, which is based on a primary method. However, the uncertainty associated with the method of calibration herein proposed can be minimized whenever a more accurate voltage measurement system is used.