Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2172.pdf: 3848393 bytes, checksum: 7a8baaabd76fb4d68c01f2456a6427ab (MD5) Previous issue date: 2008-10-23 / Universidade Federal de Sao Carlos / This work was motivated on the great technological and commercial interest of ultrasonic transducer, capable to generate diffraction controlled ultrasonic beams in the frequency range of kHz up to MHz. As a solution, in this work we proposed the construction of Bessel-like transducers, which have the polarization of the piezoelectric constituent element with a Bessel function profile. As a comparative result, conventional transducers were also built. The conventional modes of vibration, thickness and radial, were characterized, aiming to estimate the potential of these transducers for applications in diagnosis, such as: non-destructive tests or medicalultrasonography. The transducers were based on a poled niobium doped PZT ferroelectric ceramics, with disk shape. The polarization profile, of the concentric electroded rings, of the Bessel-like transducer followed the Bessel function (Jo) profile. The characterizations were based on electromechanical and acoustics techniques for the emission, reception and emissionreception (pulse-echo) modes. To the acoustic characterizations (acoustic field) transducers receivers (hydrophones) were also constructed and calibrated as a function of the frequency, to present a linear response in the frequency range for each transducer. The electromechanical characterization provided the impedance spectrum of the vibration modes, and their respective harmonics, for the transmitters and receivers transducers. The characterization of the transducers acoustic field, for both modes, thickness and radial, has shown that on the Bessel-like transducers the diffraction of the central beam can be controlled and/or reduced, if compared with the conventional, or uniform poled transducer. However, the experimental verification of radial mode pattern of the conventional transducer (in the fundamental mode or in each of its harmonics), showed a natural Bessellike transducer behavior, with a typical Bessel polarization profile. Exploring the radial mode can provide a lower frequency of operation (if compared with the thickness mode), allowing one increase of the penetration depth, besides a decreasing on the ultrasound Rayleigh beam distance, with good collimation and good resolutions. The results of this study shown that ultrasonic transducer with non uniform polarization pattern, especially those of Bessel type, are promising materials for applications in ultrasonic piezoelectric transducers, exploring as well the radial mode as the thickness vibration modes. / O desenvolvimento deste trabalho foi motivado pela necessidade do mercado em transdutores ultra-sônicos, capazes de gerar feixes ultra-sônicos com difração controlada, para se trabalhar com freqüências tanto da ordem de kHz quanto na faixa dos MHz. Uma solução encontrada para suprir essa carência foi a construção de transdutores do tipo Bessel , em que a polarização do elemento piezoelétrico apresenta um perfil que segue uma função de Bessel. Neste trabalho foram construídos e caracterizados transdutores ultra-sônicos do tipo Bessel e convencional, para os modos de vibração espessura e radial, visando estimar o potencial dos transdutores para aplicações em diagnose (ensaios não destrutivos ou ultrasonografia em medicina). Construiu-se um transdutor utilizando discos cerâmicos ferroelétricos de PZT dopado com nióbio, com polarização uniforme e outro com polarização variável. O perfil da polarização não uniforme seguiu o perfil de uma função de Bessel (Jo), em anéis concêntricos pintados nas faces da cerâmica. Os transdutores construídos foram caracterizados pelas técnicas eletromecânica e acústica, em regime de emissão, recepção e de emissão-recepção (pulso-eco). Para as caracterizações de campo acústico transdutores receptores (hidrofones) foram construídos e adequados para obter boa linearidade nas freqüências de operação dos transdutores. A caracterização eletromecânica forneceu o espectro de impedância para os modos de vibração e seus respectivos harmônicos dos transdutores emissores e receptores. A caracterização do campo acústico dos transdutores, tanto para o modo de espessura quanto radial, permitiu verificar que os transdutores Bessel permitem diminuir ou controlar a difração do lóbulo central, quando comparados a um transdutor com polarização convencional ou uniforme do elemento piezoelétrico Relevante, todavia foi a verificação experimental de que transdutor convencional, quando excitado no modo radial (no modo fundamental ou em um dos seus harmônicos), comporta-se como um transdutor Bessel natural , assumindo naturalmente as características condizentes a esse perfil de polarização. A excitação no modo radial pode proporcionar uma freqüência de operação inferior (àquela do modo de espessura), aumentando a profundidade de penetração e diminuindo a distância de Rayleigh do feixe ultra-sônico, com boa colimação e boas resoluções. Os resultados decorrentes deste trabalho evidenciam claramente que transdutores ultra-sônicos com polarização não uniforme, em particular os do tipo Bessel, apresentam potencial para utilização em transdutores ultra-sônicos piezoelétricos com difração controlada, que explorem tanto o modo de vibração radial quanto o de espessura do elemento piezoelétrico.

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

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-04-28Bitstream added on 2014-06-13T18:06:43Z : No. of bitstreams: 1 sakamoto_jms_me_ilha.pdf: 6608858 bytes, checksum: 00cb410d8ba756148ea0f5626f2c8f3b (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A interferometria a laser é uma técnica consolidada para a caracterização de atuadores piezoelétricos. No entanto, este método requer um alinhamento óptico preciso e uma operação meticulosa. Há um grande interesse no desenvolvimento de sistemas de medição de deslocamento e vibração usando sensores reflexivos em fibra óptica devido a sua inerente simplicidade, tamanho reduzido, largura de banda ampla, limite de detecção extremamente baixo e capacidade de realizar medições sem contato ou afetar o sistema a ser ensaiado. Neste trabalho apresenta-se um arranjo simples do sensor reflexivo para se atingir resolução sub-micrométrica, utilizando-se fibras e componentes ópticos de baixo custo e circuitos eletrônicos simples. O sistema é constituído por duas fibras ópticas adjacentes (uma transmissora e outra receptora) e com extremidades emparelhadas, posicionadas na frente de uma superfície reflexiva vibratória. A luz proveniente de uma fonte óptica (no caso um laser) é acoplada à fibra transmissora e parte dos raios refletidos pela superfície móvel é capturada pela fibra receptora, que conduz a luz para um fotodetector. A tensão de saída do fotodetector é função da distância entre as extremidades das fibras e a superfície reflexiva. Apresenta-se uma formulação teórica da função de intensidade óptica refletida no plano a uma distância qualquer, juntamente com comparações entre características experimentais e teóricas do sensor reflexivo. Finalmente, atuadores piezoelétricos flextensionais, projetados com o método de otimização topológica, são caracterizados experimentalmente através da medição de seus deslocamentos sub-micrométricos, utilizando o sensor reflexivo. As respostas em freqüência dos piezoatuadores flextensionais são levantadas e o fenômeno de erro de trajetória e linearidade são discutidos. / The laser interferometer method is a well-established technique for the characterization of piezoelectric actuators. However, this method requires precise optical alignment and meticulous operation. There is great interest in developing displacement and vibration measurement systems using reflective fiber optic displacement sensors (RFODS) because of their inherent simplicity, small size, wide frequency range, extremely low displacement detection limit, and ability to perform measurements without contact or affecting the vibrating system. This work presents a simple arrangement of RFODS to achieve sub-micrometer resolution, using low-cost fibers and optical components, and simple electronic circuits. The system is composed of two adjacent transmitting and receiving fibers at one end, located in front of a reflecting vibrating surface. The transmitting fiber is connected to a laser source, and part of the reflected rays by the moving surface is captured by the receiving fiber, which is connected to a light detector. The output voltage is a function of the distance between probe and vibrating surface. A theoretical formulation of the reflected light intensity function at distal end plane is presented, together with comparisons of experimental and ideal RFODS characteristics. Finally, piezoelectric flextensional actuators (PFAs), designed with the topology optimization method, are experimentally characterized by the measurement of their sub micrometric displacements using a RFODS. The frequency responses of the PFAs are evaluated, and the tracking error phenomenon and linearity are discussed.

Orientador: Milton Dias Júnior / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-25T08:49:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rocha_TeoLenquistda_D.pdf: 5484630 bytes, checksum: 40d5122ff01ee4077957ffbc79369379 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Ruído em um veículo é geralmente causado pela vibração de vários componentes. Por exemplo, vibrações causadas pelo motor podem causar vibração de um painel levando a ruído no interior da cabine. O controle de tal ruído e vibração pode ser conseguido através da aplicação de uma manta visco-elástica ou de outro material de amortecimento adequado sobre o componente do automóvel; no entanto, materiais de amortecimento convencional geralmente têm uma alta densidade, que pode conduzir a um aumento significativo na massa total do sistema de isolamento acústico. Uma alternativa para redução de peso emprega pastilhas piezocerâmicas ligadas em série a um circuito Resistor - Indutor ( RL ), funcionando como um amortecedor de vibração sintonizado; daí o termo ressoador piezoelétrico é utilizado. No presente trabalho, a capacidade de amortecimento de ressonadores piezoelétricos é comparada a tratamentos convencionais de amortecimento em uma sequência de três experimentos. Investigações iniciais são realizadas em uma chapa de aço instalada entre câmaras reverberante e anecóica para permitir medições de transmissão do som através da placa. Uma abordagem integrada utilizando análise modal e técnicas de visualização de campo acústico é utilizada para identificar os modos mais relevantes para a propagação do ruído. Na sequência, simulação por elementos finitos e análise teórica são utilizados para auxiliar na escolha dos valores dos componentes elétricos e no posicionamento dos resonadores piezoelétricos para atuação maximizada. Medições de Perda de Transmissão Sonora e Funções de Resposta em Frequência são realizadas para demonstrar o controle de vibração estrutural e o isolamento acústico resultante. Na sequência, os elementos de projeto deste experimento são replicados no painel de instrumentos de um veículo. Com o painel de instrumentos instalado entre salas reverberante e anecóica, a contribuição dos ressonadores piezoelétricos sobre a perda de transmissão sonora é demonstrada em uma estrutura complexa. Finalmente, ressonadores piezoeléctricos são utilizados para atenuar a vibração induzida pelo funcionamento de motor no painel traseiro de um veículo. Nesta aplicação prática, o efeito do controle de vibração e da atenuação de ruído interno são avaliados em condições operacionais. O trabalho é concluído com uma discussão sobre os resultados alcançados e os benefícios de redução de massa proporcionados pela técnica de amortecimento proposta / Abstract: Noise in a vehicle is generally caused by the vibration of various automotive components, such as the dash board, door panels, roof, or the like. For example, vibrations caused by the engine may cause a dash panel to vibrate leading to noise inside the cabin. The control of such noise and vibration may be achieved by placing a viscoelastic or other suitable damping material on the automotive component; however, conventional damping materials usually have a high density, which can lead to significant increases in the overall mass of the sound insulation system. A lightweight alternative employs piezoceramic patches connected in series to a Resistor-Inductor (R-L) circuit, performing as a tuned vibration absorber; hence the term piezoelectric resonator is used. In the present work, the damping capacity of piezoelectric resonators is compared to conventional damping treatments in a sequence of three experiments. Initial investigations are carried out in a steel plate installed between reverberant and anechoic rooms, to enable measurements of sound transmission through the plate. An integrated approach using component modal analyses and assessments of sound pressured distribution is employed to identify the most relevant modes to the noise propagation. In sequence, FE simulation and theoretical analysis are used to support the choice of the electrical components values and the placement of piezoelectric patches for maximized actuation. Measurements of Sound Transmission Loss (STL) and Frequency Response Function (FRF) are conducted to demonstrate the structural vibration control and its resulting sound insulation. Furthermore, design elements of this experiment are replicated into a vehicle dash panel. With the dash panel installed between reverberant and anechoic rooms, the contribution of piezoelectric resonators on the sound transmission loss is proven to be effective in a complex structure. Finally, piezoelectric resonators are employed to attenuate the vibration induced by powertrain excitation in the back panel of a vehicle. In this practical application, the effect of structural vibration control and interior noise attenuation are evaluated in operational conditions. The work is concluded with a discussion on the achieved results and mass saving benefits of the proposed lightweight damping technique / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientadores: Niederauer Mastelari, Carlos Alberto Cimini Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T13:21:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AguiarRibeiro_AndreLuizde_M.pdf: 1696181 bytes, checksum: 0e5d5c8b94f2e38b7abbbc10c62ab120 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A utilização de materiais compósitos na indústria tem crescido cada vez mais e se firmou como uma tendência para os próximos anos. Seja nos ramos automotivo, náutico, aeroespacial ou de defesa, as aplicações são as mais diversas, tendo em comum o usufruto da excelente relação de resistência por peso oferecida por este tipo de material. Em certos ramos, entretanto, como o aeroespacial, a utilização de materiais compósitos requer atenção especial, por ser característico destes materiais a ocorrência de tipos de falha próprios como delaminações, rupturas de fibra e de matriz, descolamentos, perfuração parcial ou total, alguns dos quais não observáveis a olho nu. O presente trabalho se debruça sobre esta problemática, visando o desenvolvimento de um método de apoio a técnicas de monitoramento de integridade estrutural por meio da localização de impactos com uso de sensores piezelétricos, implantado em peças sobretudo da indústria aeroespacial, permita catalogar regiões que hajam sofrido impactos importantes e possam apresentar falhas. Para conduzir o presente trabalho, foi feita uma revisão bibliográfica de técnicas de localização de impactos ou falhas em placas presentes no estado da arte, com análise e proposta de um método que se preste a este mesmo propósito inclusive para placas anisotrópicas. Foi estudado e desenvolvido um método a base de funções de erro, associando através de uma função pertinente cada ponto do domínio da placa a um valor de erro tanto menor quanto sua distância ao ponto de impacto real. O local de impacto estará associado ao ponto de menor erro. O método proposto, que já havia sido testado em simulações e experimentalmente em placas isotrópicas, forneceu resultados promissores também em placas anisotrópicas, apresentando estimativas com erro médio inferior a 2,0 cm / Abstract: The use of composite materials in industry has been increasing and establishing itself as a tendency for the next years. Be it in automotive, nautical, aerospace or defense, applications are many, all of which have in common taking advantage of the excellent relationship amongst resistance and weight offered by this kind of material. In certain areas, however, such as in aerospace, use of composite materials demands special attention, due to being characteristic of these materials the occurrence of certain proper types of damage such as delamination, fiber or matrix ruptures, debondings or partial or total perforation, some of which aren't even observable to naked eye. The present works focus in these problematics, aiming to develop a structural health monitoring supportive method via impact localization with low cost piezoelectric sensors that, embedded in parts primarily from the aerospace industry, allows to catalogue regions that have suffered significant impact and may have been damaged. In order to conduct the present work, a bibliographic revision was made of current state-of-the-art impact and damage localization techniques, with analysis and proposal of an innovative method for the same purpose. With that in mind, an error function method was studied and developed that associates through a pertinent function to each point in the plate an error value that is as small as its distance to real point of impact. This way, the point of impact will be related to the point of smaller error. The proposed method, which has already been tested in simulations and isotropic plates, presented interesting results also in anisotropic plates, with average estimative errors of less than 2.0 cm / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Carlos Alberto Cimini Junior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-28T23:32:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Almeida_RobertoSilvade_M.pdf: 4039070 bytes, checksum: 5f3fa81abaa6c19d365c550dd4b59dbd (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: O principal objetivo deste trabalho, foi desenvolver uma metodologia para identificar impacto em placas laminadas de materiais compósitos, a fim de reduzir o tempo de inspeção e assim otimizar o intervalo de inspeção para uma determinada estrutura, já que muitas vezes é necessário interromper a sua operação. Uma compreensão abrangente dos efeitos de interação estrutura, sensores piezelétricos e objetos utilizados para aplicar cargas de impacto foi essencial. Este trabalho efetua uma análise numérica a partir dos tempos que conduziram ondas de deformação para alcançar os sensores e os seus efeitos sobre a exatidão dos resultados, obtidos pelo algoritmo desenvolvido, bem como a exatidão da metodologia aplicada. Sensores piezelétricos fabricados pela International APC e um sistema de aquisição de dados da National Instruments foram utilizados para obter respostas de ondas de tensão geradas por cargas de impacto. Uma identificação simples e robusta do impacto em tempo real com base na triangulação foi implementada. O uso de recursos computacionais através da plataforma Labview, juntamente com um algoritmo implementado no código computacional, forneceu resultados promissores, após testes realizados em configurações de placas experimentais monitoradas com redes de sensores piezelétricos. A metodologia proposta foi validada para placas de material isotrópico (aço) e anisotrópico (carbono/epóxi) apresentando bons resultados. A interface foi desenvolvida para ser aplicada a materiais com diferentes índices de anisotropia, onde se pode ajustar os valores de velocidade das ondas em diferentes direções. Observou-se que o erro máximo medido foi de 0,028 m. O código computacional apresentou-se robusto para identificar o local do impacto em qualquer ponto da placa em tempo real. Foi possível também comprovar para as diferentes massas de impacto que um procedimento simples de triangulação combinado com as características de velocidade de propagação das ondas proporciona um meio de localizar impactos / Abstract: The main objective of this work was to develop a methodology for identifying impact in laminated plates of composite materials in order to reduce inspection time and thus reduce the inspection interval for a given structure, since it is often necessary to stop its operation. A comprehensive understanding of the interaction effects of structure, piezoelectric sensors and objects used to apply impact loads was essential. This work demonstrates the numerical analysis of time leading waves of deformation to reach the sensors and their effect on not only the accuracy of the results obtained by the algorithm but also the accuracy of the methodology applied. In this work, piezoelectric sensors manufactured by International APC and data acquisition system of National Instruments were used. A simple and robust real-time impact identification based on triangulation was implemented. The use of computational resources within Labview platform along with a computer code implemented algorithm provided promising results after testing experimental settings for plates monitored with of piezoelectric sensors. The proposed methodology was validated for isotropic (steel) and anisotropic (carbon/epoxy) plate materials with fairly good results. The interface was designed to be applied to materials with different degrees of anisotropy, adjusting the values of wave velocity in different directions for composite materials. It was observed that the maximum error was 0.028 m. The computer code was robust enough to identify the impact location at any point of the plate in real time. It was also possible to demonstrate for different impact masses that a simple triangulation procedure combined with the characteristics of wave propagation provides a methodology for locating impacts / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica