Orientador: Alexandre Zirpoli Simoes / Banca: José Vitor Candido de Souza / Banca: Mauricio Antonio Algatti / Banca: Francisco Moura Filho / Banca: Filiberto González Garcia / Resumo: Os elementos de memórias de múltiplos estados nos quais a informação pode ser armazenada tanto nos estados de polarização quanto no estado de magnetização espontânea do elemento, podem ser obtidos, através da fabricação de filmes finos texturizados de BiFeO3 (BFO) dopados com Cálcio, sobre eletrodo de (Pt/TiO2/SiO2/Si), visando otimizar as propriedades ferroeletromagnêticas. O método Pechini ou percursores poliméricos, depositados por "Spin-Coating", é relativamente de fácil controle e baixo custo para a deposição de filmes finos texturizados. O cristal do BiFeO3 possui uma estrutura perovskita distorcida em um sistema romboédrica, mas em formato de filme fino encontramos uma fase pseudo tetragonal favorável as propriedades de memorias de múltiplos estados, como a diminuição da degradação, aumento da polarização espontânea e remanescente, diminuição na corrente de fuga, diminuição do tempo de resposta ao impulso, crescimento epitaxial, controle de vacâncias de oxigênio e diminuição de fases secundarias. Tudo isso é atingido, através de variações das resinas, controlando a volatização excessiva do Bismuto e de parâmetros no crescimento do filme, como, o tempo e temperatura de cristalização, da quantidade de dopante Ca, na variação de diferentes eletrodos óxidos de base para produção do filme fino. Apesar das excelentes propriedades dos filmes finos de BiFeO3 (BFO), dois sérios problemas são comumente encontrados para imediata aplicação deste material em memórias multiferróica... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The multi-state memory elements in which the information can be stored in both the polarization states and the spontaneous magnetization state of the element can be obtained by the production of calcium-doped thin films of BiFeO3 (BFO) on electrode (Pt / TiO2 / SiO2 / Si), in order to optimize ferroelectromagnetic properties. The Pechini method or polymer precursors, deposited by Spin-Coating, is relatively easy to control and low cost for the deposition of textured thin films. The crystal of the BiFeO3 has a perovskite structure distorted in a rhombohedral system, but in thin film format we find a pseudo tetragonal phase favorable to the properties of memories of multiple states, such as the decrease of the degradation, increase of the spontaneous and remaining polarization, decrease in the current reduction of impulse response time, epitaxial growth, control of oxygen vacancies and decrease of secondary phases. All of this is achieved through variations of the resins, controlling the excessive volatilization of Bismuth and parameters in the growth of the film, such as the time and temperature of crystallization, the amount of dopant Ca, in the variation of different base oxides electrodes for production of the thin film. Despite the excellent properties of the BiFeO3 (BFO) thin films, two serious problems are commonly encountered for the immediate application of this material in multiferroic memories: high current density, resulting in Fe (Fe3 + to Fe2 +) valence fluctuatio... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

El presente documento es la tesis doctoral de Alfredo de Blas del Hoyo, dirigida por el Dr.Ing. Ramón Bargalló Perpiñá, realizada en el marco del programa de doctorado de Ingeniería Electromecánica del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Politécnica de Cataluña. El trabajo de investigación realizado trata sobre la modelización de la histéresis magnética y su aplicación al cálculo numérico. En concreto se trata de aportar un sistema de cálculo que permita considerar el efecto de la histéresis en la determinación de la distribución del campo magnético en los núcleos ferromagnéticos de las máquinas eléctricas. Lo aquí expuesto es fácilmente extrapolable a otros sistemas que empleen materiales ferromagnéticos.Se han analizado y comparado los modelos de histéresis más difundidos. Fruto de la comparación se ha elegido el modelo más adecuado para nuestro ámbito de aplicación, el modelo de Preisach. Dicho modelo es analizado exhaustivamente, no solo en sus fundamentos y propiedades, sino que también se comparan los diversos métodos de caracterización y desarrollo, determinando cual es la opción más apropiada. Nuestra propuesta es el modelo de Preisach caracterizado por el método de Mayergoyz y desarrollado directamente a partir de su definición algebraica o bien mediante integrales de Everett.Basándonos en una idea de G. Bertotti, desarrollamos también un modelo de Preisach dinámico. Además proponemos un modelo de Preisach completamente inverso, necesario en problemas en los que la ecuación de difusión del campo magnético se formula en A-U.Para caracterizar el modelo de Preisach mediante el método de Mayergoyz hemos desarrollado un ensayo basado en el método balístico que permite obtener de una forma económica los datos experimentales necesarios. También se investiga la forma de obtener estos datos experimentales mediante el método histeresigráfico, para ello desarrollamos un equipo automático controlado por ordenador que empleamos además para determinar llas características magnéticas de las muestras.La combinación del modelo de Preisach con los métodos numéricos se realiza mediante una aplicación, la determinación del campo, flujo y pérdidas magnéticas disgregadas en el núcleo de un transformador monofásico de 220V/380V y 1,3kVA. / This document is the doctoral thesis of Alfredo de Blas del Hoyo, directed by Dr. Ramón Bargalló Perpiñá, made in the context of the doctorate program of Electromechanics Engineering of the Electric Engineering Department of the Polytechnic University of Catalonia.This researching work is about the modelization of the magnetic hysteresis and its application to numeric calculus. Actually it treats to contribute a calculus system that allows consider the effect of magnetic hysteresis on the determination of the magnetic field distribution inside the ferromagnetic cores of electric machines. This study is easy to extrapolate to other systems with ferromagnetic materials.We have analyzed and compared the most spread models of hysteresis. Result of this comparison we have chosen the model most suitable for our scope of application, the model of Preisach. This model is exhaustively analyzed, not only on its foundation and on properties, but several methods of characterization and development are compared. Our proposal is the Preisach model characterized by the method of Mayergoyz and developed directly from its algebraic definition or with Everett integrals.From an idea by G. Bertotti we develop a dynamic generalization of the model of Preisach. We propose also a full inverse model of Preisach. The inverse model is necessary in problems where the diffusion equation of magnetic field is formulated in A-U. To characterize the model of Preisach with the method of Mayergoyz we have developed a procedure based on the ballistic method that allows obtain in a cheap way the experimental data required. We also research the way to obtain this experimental data with the hysteresigraphic method, developing an automatic device controlled by computer. This device is also used to obtain the magnetic characteristics of the samples.The combination of the model of Preisach with numeric methods is carry out by means of an application, the determination of magnetic field, magnetic flux and core losses on a single - phase transformer of 1,3kVA and 220V / 380V.

Nenhuma / Neste trabalho propõe-se uma nova metodologia para a análise do ruído magnético Barkhausen, as transformadas Wavelet., uma ferramenta de processamento de sinais que possibilita exibir o comportamento das freqüências e a quantidade de informações presentes em um determinado sinal. As transformadas Wavelet são utilizadas para a análise de sinais não estacionários, proporcionando uma representação tempo-frequência do sinal simultaneamente. Foram estudados três tipos de materiais ferromagnéticos, os aços ASTM A 515, USI SAC 50 e AISI 1045. A primeira fase dos estudos abordou a análise do ruído magnético Barkhausen para a avaliação de tensões mecânicas presentes nestes materiais. Os experimentos foram realizados utilizando-se as transformadas Wavelet contínua, Wavelet discreta e Wavelet Packet Entropia Wavelet e o método RMS convencional, sendo comparados os resultados obtidos pelos dois métodos. Verificou-se que a utilização da transformada Wavelet Packet Entropia Wavelet apresentou melhores resultados do que os obtidos pelo método RMS. Na segunda fase, os experimentos foram realizados de forma a verificar a possibilidade de emprego do método para a diferenciação das amostras estudadas. Os estudos foram realizados para valores de tensões mecânicas entre -30 MPa e 30 MPa e os resultados obtidos pelo método tradicional RMS e pelo método de Entropia Wavelet foram submetidos a uma análise estatística que possibilitou diferenciar, por intervalos de confiança de 95%, as amostras dos diferentes materiais. As principais conclusões deste trabalho é que a análise do ruído magnético Barkhausen utilizando a técnica de processamento de sinais pelo uso de Entropia Wavelet possibilita a diferenciação de amostras dos diferentes materiais ferromagnéticos estudados e apresenta sensibilidade para a detecção de variações de tensões numa faixa de tensões superior ao método tradicional RMS. Os resultados obtidos com o uso das transformadas Wavelet contínuas e das outras transformadas Wavelet discretas não apresentaram informações relevantes para estas aplicações. / In this study, a new methodology for Barkhausen noise analysis of ferromagnetic materials is proposed. This methodology is based on the use of the Wavelet transforms, a signal processing tool capable of providing the frequency content and he amount of information of a particular signal. The Wavelet transforms are used for non-stationary signals analysis and are capable of providing the time and frequency information simultaneously, hence giving a time-frequency representation of the signal. Three different ferromagnetic materials were investigated, the ASTM A 515, USI SAC 50 and AISI 1045 steels. The first part of the study was directed to the analysis of the magnetic Barkhausen noise for evaluation of the mechanical stresses present in these materials. The experiments were performed using the Continuous Wavelet Transforms, the Discrete Wavelet Transforms, the Wavelet Packet Transform Wavelet Entropy and the conventional RMS Method. The results obtained from these methods were compared. The results obtained from the use of the Wavelet Packet Transform Entropy Wavelet were more representative than those obtained from the use of the RMS method. In the second part of this study, the experiments were performed in order to verify the use of these methods to separate the materials studied. The experiments were performed in the stress range from 30 MPa to 30 MPa and the results obtained from the RMS Method and the Wavelet Packet Transforms Method Entropy Wavelet were submitted to a statistical analysis that allowed differentiating, with 95% on confidence interval, the samples of the materials studied. The mains conclusions obtained from this study are: the stress range where the Wavelet Packet Transforms - Entropy Wavelet Method presented sensitivity for stress changes in the materials studied was larger than the presented by the RMS Method and the use of this Wavelet Transforms was adequate to differentiate the materials used in this work. The results obtained from the Continuous Wavelet Transforms and the other Discrete Wavelet Transforms did not present relevant information for these applications.

[pt] Os procedimentos atuais de localização de corpos estranhos ferromagnéticos utilizados na prática clínica envolvem as técnicas de imageamento de radioscopia e radiografia, que apresentam diversas limitações e riscos. Assim, técnicas de localização baseadas em magnetômetros como SQUID, GMI e GMR têm sido desenvolvidas, com variados graus de complexidade e sucesso. Uma das principais dificuldades de ordem prática, além do custo e das dimensões do sistema de medição no caso do SQUID, que opera a temperaturas criogênicas, é a necessidade de o paciente estar posicionado em uma estrutura móvel de grandes dimensões que permita a determinação das coordenadas da posição bidimensional do mapeamento magnético. Por outro lado, as pequenas dimensões dos sensores GMR ou GMI possibilitam o desenvolvimento de um sistema de medição portátil que poderia integrar outros sensores que em conjunto viabilizem a determinação da posição espacial do sensor magnético em relação ao paciente. Esta dissertação de mestrado investiga técnicas de determinação da posição espacial de um dispositivo portátil, baseado em uma plataforma Raspberry Pi, integrando sensor GMR, câmera, sensores inerciais e um sensor de distância, visando ao futuro desenvolvimento de um protótipo de dispositivo médico portátil para localização de corpos estranhos ferromagnéticos. A pesquisa também investiga técnicas de resolução do problema inverso magnético em tempo real baseadas em filtros de Kalman e ajuste por mínimos quadrados, de modo a acelerar o procedimento diagnóstico na futura aplicação clínica do dispositivo. / [en] The current procedures for locating ferromagnetic foreign bodies used in the clinic involve radioscopy and radiography image techniques, which presents several limitations and risks. Thus, localization techniques based on magnetometers were developed as SQUID, GMI and GMR, with varying degrees of complexity and success. One of the main difficulties, in addition to the cost and dimensions of the system, in the case of the SQUID, which operates at cryogenic temperatures, is the need for the patient to be positioned in a large structure that allows flexibility in the configurations of the two-dimensional position of the magnetic mapping. On the other hand, the small dimensions of the GMR or GMI sensors allow the development of a portable measurement system that could integrate other sensors that together make it possible to determine the spatial position of the magnetic sensor in relation to the patient. This master s dissertation investigates techniques for determining the spatial position of a portable device, based on a Raspberry Pi platform, integrating GMR sensor, camera, inertial sensors and a distance sensor, aiming at the future development of a prototype of a portable medical device for localization of ferromagnetic foreign bodies. The research also investigates real-time inverse magnetic problem solving techniques based on Kalman filters and least squares adjustment, in order to accelerate the diagnostic procedure in the future clinical application of the device.

[pt] Corpos estranhos ferromagnéticos inseridos acidentalmente em pacientes geralmente precisam de remoção cirúrgica. Os métodos convencionalmente empregados para localizar corpos estranhos são frequentemente ineficazes devido à baixa precisão na determinação da posição do objeto e representam riscos decorrentes da exposição da equipe médica e dos pacientes à radiação ionizante durante procedimentos de longa duração. Novos métodos utilizando sensores SQUID têm obtido sucesso na localização de corpos estranhos de forma inócua e não invasiva, mas têm a desvantagem de apresentar alto custo e baixa portabilidade. Este trabalho faz parte de pesquisas que buscam trazer maior portabilidade e baixo custo na localização de corpos estranhos no corpo humano utilizando sensores GMI e GMR. O objetivo principal deste trabalho é avaliar e aplicar o uso de Aprendizado Profundo para a localização de corpos estranhos ferromagnéticos no corpo humano utilizando um dispositivo portátil e manual baseado em magnetômetro GMR, incluindo o rastreamento da posição e orientação deste dispositivo a partir de imagens de padrões conhecidos obtidas por uma câmera integrada ao dispositivo e a solução do problema inverso magnético a partir do mapeamento magnético obtido. As técnicas apresentadas se mostraram capazes de rastrear o dispositivo com boa precisão e detectar a localização do corpo estranho com resultados semelhantes ou melhores do que os obtidos em trabalhos anteriores, dependendo do parâmetro. Os resultados obtidos são promissores como base para desenvolvimentos futuros. / [en] Ferromagnetic foreign bodies accidentally inserted in patients usually need to be surgically removed. The methods conventionally employed for locating foreign bodies are often ineffective due to the low accuracy in determining the position of the object and pose risks arising from the exposure of medical staff and patients to ionizing radiation during long-term procedures. New methods using SQUID sensors successfully located foreign bodies in an innocuous and noninvasive way, but they have the drawback of presenting high cost and low portability. This work is part of new research that seeks to bring greater portability and low cost in locating foreign bodies in the human body using GMI and GMR sensors. The main objective of this work is to evaluate and apply the use of Deep Learning in the development of a portable and manual device based on a GMR sensor, including position tracking and orientation of this device from images of known patterns obtained by a camera integrated to the device and the solution of the inverse magnetic problem from the obtained magnetic mapping. The techniques presented are capable of tracking the device with good accuracy and detecting the localization of the foreign body with similar or better results than those obtained in previous works, depending on the parameter. The results obtained are promising as a basis for future developments.

[pt] Projéteis de chumbo (não-ferromagnéticos) são corpos estranhos comuns na prática médica. Métodos convencionais de localização utilizam radiações ionizantes, impondo riscos à saúde e procedimentos que duram várias horas e tipicamente terminam malsucedidos. Mapas de campos magnéticos obtidos não-invasivamente e inocuamente com SQUIDs beneficiam a localização de agulhas metálicas ferromagnéticas, reduzindo o tempo de remoção bem-sucedida de 6 horas para 10 minutos. SQUIDs são os magnetômetros mais sensíveis, entretanto requerem temperaturas criogênicas, levando a altos custos e baixa portabilidade que impedem a difusão do uso clínico. O objetivo é desenvolver um dispositivo para localizar corpos estranhos metálicos não-ferromagnéticos visando remoção cirúrgica, respeitando requerimentos de projeto: alta sensibilidade, inocuidade, não-invasividade, baixo custo, segurança, portabilidade, facilidade de uso e operação em temperatura ambiente. Sensores GMR e GMI são considerados alternativas mais adequadas. Modelos teóricos de eletrodinâmica clássica aplicados às correntes parasitas servem como base. Dois sistemas eletrônicos são desenvolvidos em configuração gradiométrica para remover interferência ambiente, usando elementos sensores GMR e GMI disponíveis comercialmente. O desempenho é obtido com resultados de simulações, provando a capacidade de detecção de níveis esperados de densidade de fluxo magnético para certos raios de projéteis e distâncias. O Sistema GMI é mais qualificado, sua mais alta sensibilidade e melhor resolução favorecem maiores faixas de medição, inocuidade, segurança e facilidade de uso. Os resultados demonstram a viabilidade dos elementos sensores GMI nessa aplicação. Os benefícios de baixo custo, maior portabilidade e segurança facilitam a utilização clínica de técnicas de localização para corpos estranhos metálicos não-ferromagnéticos mais inócuas e efetivas. / [en] Lead projectiles (non-ferromagnetic) are common foreign bodies in the medical practice. Conventional means of location use ionizing radiation, pose health risks and lead to procedures that last several hours, typically ending unsuccessfully. Magnetic field maps obtained non-invasively and innocuously with SQUIDs benefit the location of ferromagnetic metallic needles, reducing the time of successful removal from 6 hours to 10 minutes. SQUIDs are currently the most sensitive magnetometers, however require cryogenic temperatures, leading to high cost and low portability which prevent widespread clinical use. The objective is to design a device for locating non-ferromagnetic metallic foreign bodies for surgical removal, respecting project requirements of: high sensitivity, innocuousness, non-invasiveness, low cost, safety, portability, ease of use and room temperature operation. GMR and GMI sensors are considered as more suitable alternatives. Classical electrodynamics theoretical models applied to eddy currents induction serve as framework. Two electronic location systems are developed in gradiometric configuration to remove environmental interference, using commercially available GMR and GMI sensor elements. System performance is obtained from simulation results, demonstrating the capability of detecting the magnetic flux density levels expected under certain projectile radii and distances. The GMI system is more qualified, as its higher sensitivity and improved resolution favors larger measurement ranges, innocuousness, safety and ease of use. The results prove the viability of using GMI sensor elements in this application. The benefits of lower cost, higher portability and safety facilitate the clinical use of more innocuous and effective location techniques for non-ferromagnetic metallic foreign bodies.