Há vários métodos descritos na literatura sobre a forma como os piezoeletretos ou ferroeletretos podem ser fabricados, sendo que cada uma dessas técnicas apresenta suas vantagens e desvantagens. Por exemplo, espumas de polipropileno (PP) são fáceis de serem processadas em grande escala aliada a um baixo custo de produção, entretanto, seu efeito piezoelétrico é dependente da temperatura, assim como não há um controle dos vazios internos durante sua fabricação, ocasionando uma heterogeneidade da geometria desses vazios. Por outro lado, em outros métodos as dimensões das cavidades podem ser controlada e polímeros termicamente mais estáveis podem ser utilizados, no entanto, a um maior custo de produção. Em relação aos métodos que visam a produção dos piezoeletretos, neste trabalho é apresentada uma nova técnica baseada em termo selagem e template de água para criar piezoeletretos com canais tubulares abertos. Este tipo de estrutura vazada foi inicialmente produzida pela laminação de filmes de etileno propileno fluorado (FEP) com o template de politetrafluoretileno (PTFE) entre eles, sendo o template descartado após a laminação, gerando resíduos. Com a substituição do template de PTFE pela água na etapa de produção dos novos piezoeletretos, foi possível eliminar o descarte de resíduos sólidos ao mesmo tempo em que um tratamento químico foi efetuado na superfície do filme. Pelo método desenvolvido, a estabilidade térmica do piezoeletreto foi melhorada sem a necessidade de um tratamento prévio ou posterior dos filmes, diminuindo assim o custo de produção. Outro método inovador para produção dos piezoeletretos também foi exposto neste trabalho. Essa inovação consiste na fabricação de piezoeletretos com cavidades controladas por meio da impressão de filmes de ABS. Para a impressão dos filmes uma impressora 3D de baixo custo foi utilizada. / There are several methods described in the literature on how piezoelectrets or ferroelectrets can be manufactured, each of these techniques present their advantages and disadvantages. For example, foamed polypropylene (PP) are easy to be processed on a large scale combined with a low cost of production, however, its piezoelectric effect is temperature dependent, and there is no control of internal voids during its manufacture, causing a heterogeneity of the geometry of these empty. Furthermore, in other methods the cavities dimensions can be controlled and more thermally stable polymers can be used, however, with a higher production cost. Regarding the methods for producing piezoelectrets, in this work we present a new technique based on hot sealing and water template for creating multi-layered piezoelectrets with open-tubular channels. This type of voided structure have been initially produced by laminating fluoroethylene-propylene (FEP) films with a polytetrafluorethylene (PTFE) template in between although the template was discarded after lamination, creating residual waste. With the replacement of the PTFE template by water in the production step of the new piezoelectrets, it was possible to eliminate the disposal of solid waste at the same time a chemical treatment was performed on the film surface. By the developed method, the piezoelectrets thermal stability was improved without the need for a prior or subsequent treatment of the films, reducing the production cost. Another innovative method for production of piezoelectrets was also exposed in this work. This innovation consists in manufacturing piezoelectrets with cavities controlled by printing ABS films. In order to print the films, a 3D printer was used.

Desde o ano 2000, o Grupo de Alta Tensão e Materiais (GATM) tem contribuído com suas pesquisas no desenvolvimento de processos para produção de novos transdutores piezoelétricos de materiais poliméricos, baseados na tecnologia dos piezoeletretos. Essa intensa investigação se justifica pelas excelentes propriedades piezoelétricas desses dispositivos, com atividade na ordem de centenas e até milhares de pC/N, ultrapassando o desempenho de algumas tradicionais cerâmicas. Destacam-se também nestes sensores, sua estrutura flexível e robusta, sua resposta na faixa de frequências ultrassônicas e seu baixo custo. Características estas que os tornam muito competitivos com os transdutores convencionais, cerâmicos e poliméricos, a exemplo do PZT e PVDF, respectivamente. Neste contexto, desenvolveu-se em 2009 no GATM um novo arranjo polimérico de múltiplos canais, em que filmes de teflon FEP foram termicamente moldados e depois expostos a um intenso campo elétrico (na ordem de kV), criando sensores com elevado coeficiente piezoelétrico. Esse novo dispositivo, batizado de Piezoeletreto de Canais Tubulares (PCT) foi construído por meio de um processo de fabricação organizado e controlado, diferentemente dos piezoeletretos vistos até então. No presente trabalho construiu-se um protótipo de hidrofone com elemento ativo dado por um filme de PCT, para aplicações de até 100 kHz e com uma eletrônica de pré-amplificação em 24 dB. O primeiro teste com o protótipo restringiu-se à obtenção da sua sensibilidade. Realizaram-se ainda testes de caracterização quanto ao padrão de diretividade e a relação sinal-ruído. A calibração foi feita em três diferentes modalidades de geração do sinal: AM, CW e Burst, todas de maneira comparativa com o auxílio de um hidrofone comercial. A sensibilidade média encontrada nas medidas foi de 0,142 mV/Pa (-196,93 dB re 1 V/&#956Pa) e, na ressonância (40 kHz) de 1,698 mV/Pa (-175,4 dB re 1 V/&#956Pa). A segunda fase de testes destinou-se a geração de imagens para diagnóstico clínico, baseada na técnica de Vibroacustografia (VA). Verificou- se a viabilidade do uso da VA com o mapeamento de dois objetos distintos, uma pequena esfera metálica de 1 mm de diâmetro e uma estrutura óssea. / Since 2000, the High-Voltage and Materials Group (GATM) has focused its research on developing new processes for manufacture piezoelectric transducers, from polymeric materials based on the piezoelectret technology. This intense research is justified by the excellent electromechanical properties of these devices, with piezoelectric coefficient in the order of hundreds up to thousands of pC/N, exceeding the performance of the most traditional ceramics. Other highlights of these sensors are the flexible and robust structure, its wide range response in ultrasonic frequencies and low cost. These characteristics make them very competitive with those conventional ceramic and polymeric transducers, such as the PZT and PVDF, respectively. In this context, in 2009 a new polymeric multiple film arrangement was laminated to create an open channel structure that after been exposed to an intense electric field (on the order of kV), produces a piezoelectric sensor with high piezoelectricity. This new device was built by an organized and controlled process, unlike the piezoelectrets seen so far. The main features inherent to tubular channels piezoelectret are the constructive uniformity, control of the resonance frequency and greater thermal stability, when compared to other piezoelectric polymers. Based on these tubular piezoelectrets, in the current study, a prototype of a 24dB preamplifier ultrasonic hydrophone was built. The first test with the prototype restricted to obtaining its sensitivity. Further tests were performed to characterize the pattern of directivity and signal-to-noise ratio. The calibration tests were conducted on three different approaches to signal generation AM, CW and Burst; all in a comparative manner with the aid of a calibration standard hydrophone. The results showed a transducer with average sensitivity of 0.142 mV/Pa (-196.93 dB re 1 V/&#956Pa), and the resonance region at 40 kHz with a sensitivity of 1,698 mV/Pa (-175.4 dB re 1 V/&#956Pa) and a unidirectional sensitive region. The feasibility of producing images by VA has been verified by mapping two distinct objects, a small metal sphere of 1 mm diameter and a bone structure.

Há vários métodos descritos na literatura sobre a forma como os piezoeletretos ou ferroeletretos podem ser fabricados, sendo que cada uma dessas técnicas apresenta suas vantagens e desvantagens. Por exemplo, espumas de polipropileno (PP) são fáceis de serem processadas em grande escala aliada a um baixo custo de produção, entretanto, seu efeito piezoelétrico é dependente da temperatura, assim como não há um controle dos vazios internos durante sua fabricação, ocasionando uma heterogeneidade da geometria desses vazios. Por outro lado, em outros métodos as dimensões das cavidades podem ser controlada e polímeros termicamente mais estáveis podem ser utilizados, no entanto, a um maior custo de produção. Em relação aos métodos que visam a produção dos piezoeletretos, neste trabalho é apresentada uma nova técnica baseada em termo selagem e template de água para criar piezoeletretos com canais tubulares abertos. Este tipo de estrutura vazada foi inicialmente produzida pela laminação de filmes de etileno propileno fluorado (FEP) com o template de politetrafluoretileno (PTFE) entre eles, sendo o template descartado após a laminação, gerando resíduos. Com a substituição do template de PTFE pela água na etapa de produção dos novos piezoeletretos, foi possível eliminar o descarte de resíduos sólidos ao mesmo tempo em que um tratamento químico foi efetuado na superfície do filme. Pelo método desenvolvido, a estabilidade térmica do piezoeletreto foi melhorada sem a necessidade de um tratamento prévio ou posterior dos filmes, diminuindo assim o custo de produção. Outro método inovador para produção dos piezoeletretos também foi exposto neste trabalho. Essa inovação consiste na fabricação de piezoeletretos com cavidades controladas por meio da impressão de filmes de ABS. Para a impressão dos filmes uma impressora 3D de baixo custo foi utilizada. / There are several methods described in the literature on how piezoelectrets or ferroelectrets can be manufactured, each of these techniques present their advantages and disadvantages. For example, foamed polypropylene (PP) are easy to be processed on a large scale combined with a low cost of production, however, its piezoelectric effect is temperature dependent, and there is no control of internal voids during its manufacture, causing a heterogeneity of the geometry of these empty. Furthermore, in other methods the cavities dimensions can be controlled and more thermally stable polymers can be used, however, with a higher production cost. Regarding the methods for producing piezoelectrets, in this work we present a new technique based on hot sealing and water template for creating multi-layered piezoelectrets with open-tubular channels. This type of voided structure have been initially produced by laminating fluoroethylene-propylene (FEP) films with a polytetrafluorethylene (PTFE) template in between although the template was discarded after lamination, creating residual waste. With the replacement of the PTFE template by water in the production step of the new piezoelectrets, it was possible to eliminate the disposal of solid waste at the same time a chemical treatment was performed on the film surface. By the developed method, the piezoelectrets thermal stability was improved without the need for a prior or subsequent treatment of the films, reducing the production cost. Another innovative method for production of piezoelectrets was also exposed in this work. This innovation consists in manufacturing piezoelectrets with cavities controlled by printing ABS films. In order to print the films, a 3D printer was used.

Desde o ano 2000, o Grupo de Alta Tensão e Materiais (GATM) tem contribuído com suas pesquisas no desenvolvimento de processos para produção de novos transdutores piezoelétricos de materiais poliméricos, baseados na tecnologia dos piezoeletretos. Essa intensa investigação se justifica pelas excelentes propriedades piezoelétricas desses dispositivos, com atividade na ordem de centenas e até milhares de pC/N, ultrapassando o desempenho de algumas tradicionais cerâmicas. Destacam-se também nestes sensores, sua estrutura flexível e robusta, sua resposta na faixa de frequências ultrassônicas e seu baixo custo. Características estas que os tornam muito competitivos com os transdutores convencionais, cerâmicos e poliméricos, a exemplo do PZT e PVDF, respectivamente. Neste contexto, desenvolveu-se em 2009 no GATM um novo arranjo polimérico de múltiplos canais, em que filmes de teflon FEP foram termicamente moldados e depois expostos a um intenso campo elétrico (na ordem de kV), criando sensores com elevado coeficiente piezoelétrico. Esse novo dispositivo, batizado de Piezoeletreto de Canais Tubulares (PCT) foi construído por meio de um processo de fabricação organizado e controlado, diferentemente dos piezoeletretos vistos até então. No presente trabalho construiu-se um protótipo de hidrofone com elemento ativo dado por um filme de PCT, para aplicações de até 100 kHz e com uma eletrônica de pré-amplificação em 24 dB. O primeiro teste com o protótipo restringiu-se à obtenção da sua sensibilidade. Realizaram-se ainda testes de caracterização quanto ao padrão de diretividade e a relação sinal-ruído. A calibração foi feita em três diferentes modalidades de geração do sinal: AM, CW e Burst, todas de maneira comparativa com o auxílio de um hidrofone comercial. A sensibilidade média encontrada nas medidas foi de 0,142 mV/Pa (-196,93 dB re 1 V/&#956Pa) e, na ressonância (40 kHz) de 1,698 mV/Pa (-175,4 dB re 1 V/&#956Pa). A segunda fase de testes destinou-se a geração de imagens para diagnóstico clínico, baseada na técnica de Vibroacustografia (VA). Verificou- se a viabilidade do uso da VA com o mapeamento de dois objetos distintos, uma pequena esfera metálica de 1 mm de diâmetro e uma estrutura óssea. / Since 2000, the High-Voltage and Materials Group (GATM) has focused its research on developing new processes for manufacture piezoelectric transducers, from polymeric materials based on the piezoelectret technology. This intense research is justified by the excellent electromechanical properties of these devices, with piezoelectric coefficient in the order of hundreds up to thousands of pC/N, exceeding the performance of the most traditional ceramics. Other highlights of these sensors are the flexible and robust structure, its wide range response in ultrasonic frequencies and low cost. These characteristics make them very competitive with those conventional ceramic and polymeric transducers, such as the PZT and PVDF, respectively. In this context, in 2009 a new polymeric multiple film arrangement was laminated to create an open channel structure that after been exposed to an intense electric field (on the order of kV), produces a piezoelectric sensor with high piezoelectricity. This new device was built by an organized and controlled process, unlike the piezoelectrets seen so far. The main features inherent to tubular channels piezoelectret are the constructive uniformity, control of the resonance frequency and greater thermal stability, when compared to other piezoelectric polymers. Based on these tubular piezoelectrets, in the current study, a prototype of a 24dB preamplifier ultrasonic hydrophone was built. The first test with the prototype restricted to obtaining its sensitivity. Further tests were performed to characterize the pattern of directivity and signal-to-noise ratio. The calibration tests were conducted on three different approaches to signal generation AM, CW and Burst; all in a comparative manner with the aid of a calibration standard hydrophone. The results showed a transducer with average sensitivity of 0.142 mV/Pa (-196.93 dB re 1 V/&#956Pa), and the resonance region at 40 kHz with a sensitivity of 1,698 mV/Pa (-175.4 dB re 1 V/&#956Pa) and a unidirectional sensitive region. The feasibility of producing images by VA has been verified by mapping two distinct objects, a small metal sphere of 1 mm diameter and a bone structure.

Os equipamentos elétricos instalados em linhas de transmissão e distribuição de energia são normalmente submetidos a condições anormais e intensos campos elétricos, que, eventualmente, levam, entre outros fenômenos, as descargas parciais (DPs). Estas descargas têm sido apontadas como uma das principais causas de falhas de equipamentos e envelhecimento precoce. Portanto, detectar DPs se tornou uma questão importante na busca de uma energia elétrica eficiente e confiável. No que se refere a detecção de DPs existem vários sensores que podem ser aplicados, a exemplos: óptico, magnético ou acústico, e cada um deles apresentando vantagens particulares e limitações. Uma das desvantagens de tais sensores é o custo elevado, o que restringe o monitoramento de DPs no âmbito da distribuição de energia mais especificamente em transformadores de potência. Embora, se o foco do monitoramento é apenas detectar a ocorrência de DPs, uma nova classe de sensores acústicos implementados com piezoeletretos pode ser uma alternativa econômica viável. Deste modo, nesta dissertação, foi investigado o comportamento acústico de tais transdutores expostos a diferentes condições de DPs, onde o sensor piezoelétrico foi utilizado na detecção de DPs produzidas por uma configuração de eletrodos ponta - ponta separados por diferentes gaps de ar (único ou múltiplo) e excitado por altas tensões alternadas. As amplitudes dos sinais registrados foram correlacionadas com a distância do gap e com a amplitude da tensão aplicada. A partir dos resultados obtidos foi possível observar que a intensidade do som das DPs, capturado com o transdutor piezoelétrico, está relacionada com o tamanho do gap e da amplitude da tensão, como relatado na literatura. / Electrical equipment installed in power transmission and distribution lines are usually subjected to abnormal conditions and intense electric fields, which eventually lead, among others phenomena, to partial discharges (PDs). These discharges have been pointed as one of the main causes of equipment failures and premature aging. Therefore, detect PDs became an important issue in the prospect of efficient and reliable electric energy. Concerning PD detection there are several sensors that can be employed e.g. optical, magnetic or acoustic, and each of them presenting particular advantages and limitations. One of the drawback of such sensors is their elevated cost, which restricts the PD monitoring within the distribution of energy more specifically in power transformers. Although, if the intention of monitoring is only to detect the PD occurrence a new class of acoustic sensors implemented with piezoelectrets may be a feasible economic alternative. Therefore, in this work was investigated the acoustic behavior of such transducers exposed to different PD conditions, for instance, the piezoelectret sensor was employed on the detection of PD produced by a single or multiple point-to-point electrode setup with different air gaps excited by high AC voltages. The recorded signals amplitudes were correlated with the gap distance and voltage amplitude applied. Based on the results obtained it was observed that the intensity of the DPs sound, captured with the piezoelectric transducer, is related to the size of the gap and voltage amplitude, as reported in the literature.

Os equipamentos elétricos instalados em linhas de transmissão e distribuição de energia são normalmente submetidos a condições anormais e intensos campos elétricos, que, eventualmente, levam, entre outros fenômenos, as descargas parciais (DPs). Estas descargas têm sido apontadas como uma das principais causas de falhas de equipamentos e envelhecimento precoce. Portanto, detectar DPs se tornou uma questão importante na busca de uma energia elétrica eficiente e confiável. No que se refere a detecção de DPs existem vários sensores que podem ser aplicados, a exemplos: óptico, magnético ou acústico, e cada um deles apresentando vantagens particulares e limitações. Uma das desvantagens de tais sensores é o custo elevado, o que restringe o monitoramento de DPs no âmbito da distribuição de energia mais especificamente em transformadores de potência. Embora, se o foco do monitoramento é apenas detectar a ocorrência de DPs, uma nova classe de sensores acústicos implementados com piezoeletretos pode ser uma alternativa econômica viável. Deste modo, nesta dissertação, foi investigado o comportamento acústico de tais transdutores expostos a diferentes condições de DPs, onde o sensor piezoelétrico foi utilizado na detecção de DPs produzidas por uma configuração de eletrodos ponta - ponta separados por diferentes gaps de ar (único ou múltiplo) e excitado por altas tensões alternadas. As amplitudes dos sinais registrados foram correlacionadas com a distância do gap e com a amplitude da tensão aplicada. A partir dos resultados obtidos foi possível observar que a intensidade do som das DPs, capturado com o transdutor piezoelétrico, está relacionada com o tamanho do gap e da amplitude da tensão, como relatado na literatura. / Electrical equipment installed in power transmission and distribution lines are usually subjected to abnormal conditions and intense electric fields, which eventually lead, among others phenomena, to partial discharges (PDs). These discharges have been pointed as one of the main causes of equipment failures and premature aging. Therefore, detect PDs became an important issue in the prospect of efficient and reliable electric energy. Concerning PD detection there are several sensors that can be employed e.g. optical, magnetic or acoustic, and each of them presenting particular advantages and limitations. One of the drawback of such sensors is their elevated cost, which restricts the PD monitoring within the distribution of energy more specifically in power transformers. Although, if the intention of monitoring is only to detect the PD occurrence a new class of acoustic sensors implemented with piezoelectrets may be a feasible economic alternative. Therefore, in this work was investigated the acoustic behavior of such transducers exposed to different PD conditions, for instance, the piezoelectret sensor was employed on the detection of PD produced by a single or multiple point-to-point electrode setup with different air gaps excited by high AC voltages. The recorded signals amplitudes were correlated with the gap distance and voltage amplitude applied. Based on the results obtained it was observed that the intensity of the DPs sound, captured with the piezoelectric transducer, is related to the size of the gap and voltage amplitude, as reported in the literature.