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Thesis (Ph.D.) - University of St Andrews, April 2010.

Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI) dates from 1971. Attempts at commercial exploitation were unsuccessful; at the beginning of this decade it remained essentially a laboratory technique. Problems arose from the practical operation of the instrument and the nature of the output. Correlation fringes are intrinsically noisy and their quality depends on many interrelated factors. It is shown that by simplifying the optical design and improving the quality of the optical components, the fringe contrast is greatly improved and the instrument is made easier to use. Extensions and improvements to the system are discussed: analogue image processing techniques as a low cost means of improving the appearance of the output; time invariant noise subtraction in time averaged fringes gives similar quality results as that of the subtraction mode; ensemble averaging of time variant noise is a new technique for producing holographic quality results. Electronic speckle contouring (ESC) gives a selection of methods for producing programmable contour spacings and orientations for shape measurement. ESPI is compared with other optical measurement techniques and is shown to have fundamental advantages.

In this thesis work, we develop an optoelectronic holographic platform to facilitate otologists' ability to quantitatively study and diagnose disorders of the tympanic membrane (TM) and middle ear of humans in full-field-of-view. The holographic platform consists of a laser delivery system, a handheld interferometer, and corresponding software, which allow nanometer scale 3D measurements of deformations of the TM.

Mechanical ventilation saves lives, but it is an intervention fraught with the potential for serious complications. Prevention of these complications has become the focus of research and critical care in the last twenty years. This thesis presents the first use, or the application under new conditions, of three technologies that could contribute to optimization of mechanical ventilation. Optoelectronic plethysmography was used in Papers I and II for continuous assessment of changes in chest wall volume, configuration, and motion in the perioperative period. A forced oscillation technique (FOT) was used in Paper III to evaluate a novel positive end-expiratory pressure (PEEP) optimization strategy. Finally, in Paper IV, FOT in conjunction with an optical sensor based on a self-mixing laser interferometer (LIR) was used to study the oscillatory mechanics of the respiratory system and to measure the chest wall displacement. In Paper I, propofol anesthesia decreased end-expiratory chest wall volume (VeeCW) during induction, with a more pronounced effect on the abdominal compartment than on the rib cage. The main novel findings were an increased relative contribution of the rib cage to ventilation after induction of anesthesia, and the fact that the rib cage initiates post-apneic ventilation. In Paper II, a combination of recruitment maneuvers, PEEP, and reduced fraction of inspired oxygen, was found to preserve lung volume during and after anesthesia. Furthermore, the decrease in VeeCW during emergence from anesthesia, associated with activation of the expiratory muscles, suggested that active expiration may contribute to decreased functional residual capacity, during emergence from anesthesia. In the lavage model of lung injury studied in Paper III, a PEEP optimization strategy based on maximizing oscillatory reactance measured by FOT resulted in improved lung mechanics, increased oxygenation, and reduced histopathologic evidence of ventilator-induced lung injury. Paper IV showed that it is possible to apply both FOT and LIR simultaneously in various conditions ranging from awake quiet breathing to general anesthesia with controlled mechanical ventilation. In the case of LIR, an impedance map representing different regions of the chest wall showed reproducible changes during the different stages that suggested a high sensitivity of the LIR-based measurements.

O projeto de transdutores piezelétricos envolve modelagens matemáticas e verificações experimentais, que são necessárias para validá-los. Através das análises dos transdutores verificam-se as influências das condições de contorno experimentais e as dificuldades para modelá-las. No entanto, na literatura atual este ponto não é discutido de forma abrangente. Além disso, as propriedades elétricas, piezelétricas e mecânicas dos materiais devem ser conhecidas com precisão para que o modelo represente um transdutor físico. Estas propriedades são fornecidas pelos fabricantes em valores aproximados, porém algumas delas, como por exemplo, o amortecimento mecânico, não são fornecidas, o que dificulta a modelagem. Por estes motivos, este trabalho trata do desenvolvimento de técnicas de verificações experimentais de transdutores piezelétricos, visando esclarecer efeitos relacionados às variações nas condições de contorno devido à fixação de pequenos espelhos e a fixação do próprio transdutor num suporte, e propor formas de incorporar esses efeitos nos modelos matemáticos. Além disso, propõe-se uma metodologia para a determinação do coeficiente de amortecimento das cerâmicas piezelétricas. São apresentadas as técnicas ópticas utilizadas na medição dinâmica e estática de deslocamentos de transdutores piezelétricos, os problemas das influências mecânicas, como vibrações ambientes, nas análises ópticas e as respectivas soluções adotadas. As análises numéricas foram conduzidas com o software de elementos finitos ANSYS e os resultados comparados com as verificações experimentais. Os materiais analisados são piezocerâmicas PZT-5A, piezoatuadores flextensionais, projetados pelo método de otimização topológica e um piezoatuador bilaminar. Nos resultados apresentados são mostrados os desvios e os comentários sobre as possíveis causas. / Piezoelectric transducer design is done by using numerical method and experimental analysis, which are needed to validate it. Transducers analysis allow us to verify the influence of experimental boundary conditions and the difficulties to model them. However, in the current literature this point is not discussed in a comprehensive way. In addiction, electrical, piezoelectric and mechanical material properties must be known with accuracy, to represent a real transducer. Approximately values of these properties are provided by manufacturers, however other property values are not provided, such as for example, mechanical damping, which causes difficulties for modelling. Therefore, this work is about the development of experimental techniques to analyze piezoelectric transducers, aiming to understand the effects related to boundary conditions changes due to stick of small mirrors and the way the transducer is held, and suggest of way to incorporate these effects in mathematical model. In addiction, suggests a methodology to determine the piezoceramics damping coefficient. It is described optical techniques used for displacement measurements of piezoelectric transducer in dynamic and static operation, problems related to mechanical influences in optical analysis, such as environment vibration, and respective applied solutions. Numerical analysis are conducted by using finite element software, ANSYS, and the results are compared with experimental verification. The materials analyzed are piezoceramic PZT-5A, flextensional piezoactuators, designed by using topology optimization and a bimorph pizoactuator. In the present results is shown the deviation and comments about possible cause.

O projeto de transdutores piezelétricos envolve modelagens matemáticas e verificações experimentais, que são necessárias para validá-los. Através das análises dos transdutores verificam-se as influências das condições de contorno experimentais e as dificuldades para modelá-las. No entanto, na literatura atual este ponto não é discutido de forma abrangente. Além disso, as propriedades elétricas, piezelétricas e mecânicas dos materiais devem ser conhecidas com precisão para que o modelo represente um transdutor físico. Estas propriedades são fornecidas pelos fabricantes em valores aproximados, porém algumas delas, como por exemplo, o amortecimento mecânico, não são fornecidas, o que dificulta a modelagem. Por estes motivos, este trabalho trata do desenvolvimento de técnicas de verificações experimentais de transdutores piezelétricos, visando esclarecer efeitos relacionados às variações nas condições de contorno devido à fixação de pequenos espelhos e a fixação do próprio transdutor num suporte, e propor formas de incorporar esses efeitos nos modelos matemáticos. Além disso, propõe-se uma metodologia para a determinação do coeficiente de amortecimento das cerâmicas piezelétricas. São apresentadas as técnicas ópticas utilizadas na medição dinâmica e estática de deslocamentos de transdutores piezelétricos, os problemas das influências mecânicas, como vibrações ambientes, nas análises ópticas e as respectivas soluções adotadas. As análises numéricas foram conduzidas com o software de elementos finitos ANSYS e os resultados comparados com as verificações experimentais. Os materiais analisados são piezocerâmicas PZT-5A, piezoatuadores flextensionais, projetados pelo método de otimização topológica e um piezoatuador bilaminar. Nos resultados apresentados são mostrados os desvios e os comentários sobre as possíveis causas. / Piezoelectric transducer design is done by using numerical method and experimental analysis, which are needed to validate it. Transducers analysis allow us to verify the influence of experimental boundary conditions and the difficulties to model them. However, in the current literature this point is not discussed in a comprehensive way. In addiction, electrical, piezoelectric and mechanical material properties must be known with accuracy, to represent a real transducer. Approximately values of these properties are provided by manufacturers, however other property values are not provided, such as for example, mechanical damping, which causes difficulties for modelling. Therefore, this work is about the development of experimental techniques to analyze piezoelectric transducers, aiming to understand the effects related to boundary conditions changes due to stick of small mirrors and the way the transducer is held, and suggest of way to incorporate these effects in mathematical model. In addiction, suggests a methodology to determine the piezoceramics damping coefficient. It is described optical techniques used for displacement measurements of piezoelectric transducer in dynamic and static operation, problems related to mechanical influences in optical analysis, such as environment vibration, and respective applied solutions. Numerical analysis are conducted by using finite element software, ANSYS, and the results are compared with experimental verification. The materials analyzed are piezoceramic PZT-5A, flextensional piezoactuators, designed by using topology optimization and a bimorph pizoactuator. In the present results is shown the deviation and comments about possible cause.

De maneira geral, a necessidade de melhorar o desempenho e diminuir o tamanho de sistemas mecatrônicos tem levado a indústria moderna a desenvolver mecanismos de posicionamento com características excelentes de aceleração e precisão. O uso de posicionadores em equipamentos de precisão, em particular no posicionamento da ferramenta/peça na usinagem de ultraprecisão, deve-se à necessidade de se obter rígido controle do perfil a ser fabricado. Neste sentido, foi desenvolvido no Laboratório de Engenharia de Precisão da EESC-USP um microposicionador angular rotativo capaz de monitorar a posição da ferramenta em relação à peça durante o processo de usinagem e fazer as devidas compensações de erros, além da possibilidade de obtenção de geometrias diferenciadas. Neste trabalho encontram-se estudos referentes à aplicação do método dos elementos finitos com o intuito de verificar a funcionalidade do sistema mecânico proposto, avaliando suas características estáticas e dinâmicas. Além disso, propõe-se validar o uso de redes neurais artificiais como ferramenta capaz de auxiliar no desenvolvimento de um algoritmo de identificação de imagens, baseado no conhecimento, que emprega como elemento multi-sensor, imagens interferométricas, representando posições. Dentre as principais características a serem alcançadas pelo algoritmo idealizado está a habilidade de identificar a posição de uma superfície justaposta ao sistema microposicionador angular e, assim, permitir maior rapidez de processamento das informações, possibilitando seu emprego em sistemas de controle em tempo real. A aplicação desta técnica foi avaliada por meio de simulação e apresenta resultados significativos para incentivar pesquisas envolvendo imagens interferométricas. / In broad terms, to achieve high performance and miniturization of mechatronic systems it is necessary to develop positioning mechanisms with high response and precision. The use of positioning devices compatible with precision equipment, particularly in the positioning of a tool relative to a workpiece in ultraprecision machining, results from the need for absolute control of the dimensions of cut. A microtilt stage was developed in the Precision Engineering Laboratory of EESC-USP which is capable of monitoring the position of a diamond tool relative to a workpiece, in-process, permiting error compensation and the generation of complex forms. Finite Element Method is applied to perform a functional analysis (static and dynamic) of the mechanical parts. The use of artifitial neural networks as a tool to help the development of an algortithm for the identification of images is proposed. This algorithm is based on knowledge and employs interferograms as a multi-sensor element representing positions. One desired characteristic of the proposed algorithm is its ability to perform the identification of the position of a surface on the tilt stage and to permit fast processing of the information. This turns the device appropriate to be used in real time applications. This technique was assessed by simulation and presented significant results, encouraging further researches envolving interferometric pattern recognition.

Orientador: Cláudio Kitano / Resumo: A manufatura de micro e nano dispositivos vem se tornado um mercado de grande representação na indústria moderna, onde destacam-se a indústria médica, eletrônica e mecatrônica, que necessitam de dispositivos capazes de movimentar ou manipular elementos de dimensões microscópicas, tais como micro-pipetas em cirurgias, posicionamento de máscaras de chips, de amostras em microscópios de força atômica, entre outros. Neste contexto, os atuadores piezoelétricos flextensionais são dispositivos consagrados quanto ao uso na micro e nano manipulação. A solução analítica destes atuadores normalmente é muito complexa ou até mesmo impossível e, diante disso, há a necessidade de efetuar a caracterização experimental do atuador após sua confecção. A interferometria óptica é uma técnica muito precisa de medição de pequenos deslocamentos. O interferômetro volumétrico é normalmente montado sobre uma mesa óptica (breadboard) por meio de estruturas comerciais para montagem de experimentos ópticos. Diante disso, o atuador é fixado ao breadboard por estruturas como postes, deslocadores cinemáticos de translação, rotação e tilt, etc. Dessa forma, neste trabalho, levantou-se a resposta em frequência de um protótipo de atuador piezoelétrico flextensional multi atuado que foi projetado e confeccionado no Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos da Escola Politécica da USP - EPUSP. Utilizou-se um interferômetro de Michelson em óptica volumétrica, e, posteriormente, um interferômet... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The manufacture of micro and nano devices has become a market of great prominence in the modern industry, where the medical, electronic and mechatronic industries stand out that need devices capable of repositioning or manipulating elements of microscopic dimensions, such as micro-pipettes in surgeries, positioning of chip masks, adjusting of samples in atomic force microscopes, among others. In this context, flextentional piezoelectric actuators are appropriated devices for use in micro and nano manipulation. The analytical solution of these actuators is usually very complex or even impossible, and there is a need to characterize the actuator after its manufacturing. Optical interferometry is a very precise technique for measuring small displacements and consequently, primissing for the caracterization of these piezoelectric atuators. The bulk interferometer is usually mounted on an optical table (breadboard) by means of commercial precision kinematic optical mounts, such as posts, tilt platformors, translations and rotation stages, and others. In this work, the frequency response of a multi-actuated flextensional piezoelectric actuator prototype, designed and manufactured at the Department of Mechatronics and Mechanical Systems of the Polytechnic School of USP - EPUSP, was investigated. Both, a Michelson interferometer and a double Michelson interferometer were applied for the simultaneousmeasurement of the displacement of the actuator in the X and Y directions. The frequen... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

De maneira geral, a necessidade de melhorar o desempenho e diminuir o tamanho de sistemas mecatrônicos tem levado a indústria moderna a desenvolver mecanismos de posicionamento com características excelentes de aceleração e precisão. O uso de posicionadores em equipamentos de precisão, em particular no posicionamento da ferramenta/peça na usinagem de ultraprecisão, deve-se à necessidade de se obter rígido controle do perfil a ser fabricado. Neste sentido, foi desenvolvido no Laboratório de Engenharia de Precisão da EESC-USP um microposicionador angular rotativo capaz de monitorar a posição da ferramenta em relação à peça durante o processo de usinagem e fazer as devidas compensações de erros, além da possibilidade de obtenção de geometrias diferenciadas. Neste trabalho encontram-se estudos referentes à aplicação do método dos elementos finitos com o intuito de verificar a funcionalidade do sistema mecânico proposto, avaliando suas características estáticas e dinâmicas. Além disso, propõe-se validar o uso de redes neurais artificiais como ferramenta capaz de auxiliar no desenvolvimento de um algoritmo de identificação de imagens, baseado no conhecimento, que emprega como elemento multi-sensor, imagens interferométricas, representando posições. Dentre as principais características a serem alcançadas pelo algoritmo idealizado está a habilidade de identificar a posição de uma superfície justaposta ao sistema microposicionador angular e, assim, permitir maior rapidez de processamento das informações, possibilitando seu emprego em sistemas de controle em tempo real. A aplicação desta técnica foi avaliada por meio de simulação e apresenta resultados significativos para incentivar pesquisas envolvendo imagens interferométricas. / In broad terms, to achieve high performance and miniturization of mechatronic systems it is necessary to develop positioning mechanisms with high response and precision. The use of positioning devices compatible with precision equipment, particularly in the positioning of a tool relative to a workpiece in ultraprecision machining, results from the need for absolute control of the dimensions of cut. A microtilt stage was developed in the Precision Engineering Laboratory of EESC-USP which is capable of monitoring the position of a diamond tool relative to a workpiece, in-process, permiting error compensation and the generation of complex forms. Finite Element Method is applied to perform a functional analysis (static and dynamic) of the mechanical parts. The use of artifitial neural networks as a tool to help the development of an algortithm for the identification of images is proposed. This algorithm is based on knowledge and employs interferograms as a multi-sensor element representing positions. One desired characteristic of the proposed algorithm is its ability to perform the identification of the position of a surface on the tilt stage and to permit fast processing of the information. This turns the device appropriate to be used in real time applications. This technique was assessed by simulation and presented significant results, encouraging further researches envolving interferometric pattern recognition.