[pt] Esta Tese tem por objetivo o desenvolvimento de um sistema destinado à medição de campo magnético com alta sensibilidade e resolução, baseado nas características de fase da impedância em sensores que apresentam o efeito GMI, e a otimização das características de desempenho por meio do uso de configurações em malha fechada. A metodologia empregada inicia com a avaliação experimental das características de fase da impedância de amostras de diferente estrutura e composição química, em função do campo magnético externo, a fim de selecionar aquelas com alta sensibilidade, baixa histerese e maior homogeneidade. Na sequência, são realizadas avaliações teórico-computacionais dos transdutores magnéticos em malha aberta e fechada (magnetômetro e gradiômetro). Da mesma forma, as principais características dos circuitos e controladores software dos transdutores desenvolvidos são detalhadas ao longo do texto. Por sua vez, as principais figuras de mérito dos protótipos desenvolvidos são detalhadamente analisadas, tais como: sensibilidade, linearidade, resposta em frequência, densidade espectral de ruído e resolução. As caracterizações e ensaios experimentais realizados evidenciaram o grande potencial dos transdutores GMI em malha fechada para a atenuação da interferência 1/f, aprimoramento da linearidade e ampliação da faixa de operação. O magnetômetro GMI em malha fechada apresentou sensibilidade em torno de 75,8 mV/microteslas, fundo de escala maior que mais ou menos 40 microteslas, banda de passagem de 45 Hz e resolução na banda de passagem de 27,74 nT. Por outro lado, o gradiômetro GMI em malha fechada desenvolvido apresentou sensibilidade em torno de 102 mV/microteslas, fundo de escala maior que mais ou menos 40 microteslas, banda de passagem de 30 Hz e resolução na banda de passagem de 28,41 nT. / [en] This Thesis aims to develop a system for magnetic field measurement with high sensitivity and resolution, based on the impedance phase characteristics of sensors that have the GMI effect and the performance characteristics optimization through closed-loop configurations. The methodology starts with the experimental evaluation of the phase characteristics of the impedance in samples of different chemical composition and structure as a function of the external magnetic field in order to select those with high sensitivity, low hysteresis, and higher homogeneity. Subsequently, theoretical-computational assessments of magnetic transducers in open and closed-loop (magnetometer and gradiometer) are carried out. Likewise, the main characteristics of the circuits and software controllers of the developed transducers are detailed throughout the text. In turn, the main figures of merit of the developed prototypes are analyzed in detail, such as sensitivity, linearity, frequency response, noise spectral density, and resolution. The characterizations and experimental tests carried out showed the great potential of GMI transducers in a closed-loop configuration for attenuation of interference 1/f, improving linearity and expanding the operating range. The closed-loop GMI magnetometer showed a sensitivity of around 75.8 mV/microteslas, a full-scale range greater than plus or minus 40 microteslas, a pass band of 45 Hz and a resolution in the pass band of 27.74 nT. On the other hand, the GMI closed-loop gradiometer developed had a sensitivity of around 102 mV/microteslas, a full scale greater than plus or minus 40 microteslas, a passband of 30 Hz and a resolution in the pass band of 28.41 nT.

[pt] Os procedimentos de calibração de transdutores piezoelétricos, abordados pela base normativa de ensaios de munições leves, carecem de detalhes cruciais para assegurar a confiabilidade metrológica nas medições de pressão transiente dessas munições leves. Diante deste fato, cabe aos laboratórios, como requisito para a acreditação segundo a norma ISO/IEC 17025:2017, comprovarem a eficácia dos métodos empregados, sobretudo nas calibrações, o que motivou a realização do estudo. A abordagem metodológica baseou-se em pesquisas bibliográficas, documentais, experimentais e de laboratório, visando a coleta de dados conforme as etapas de avaliação dos métodos de calibração. Inicialmente realizou-se a avaliação de certificados de calibração de transdutores piezoelétricos, estudando, sobretudo, as características da regressão linear adotada pela base normativa nos procedimentos de calibração. Nesta etapa, a pesquisa propôs a adoção da incerteza do ajuste como parâmetro principal de avaliação de transdutores piezoelétricos, mostrando sua viabilidade em relação ao erro de linearidade. Em seguida, foi realizada a caracterização e modelagem da cadeia de medição de pressão transiente, composta por transdutor piezoelétrico e amplificador de carga. A modelagem permitiu a simulação de diferentes metodologias de calibração, resultando na previsão de erros, e proporcionando a avaliação da influência do amplificador de carga nas medições de pressão transiente. Por último, foram comparadas duas metodologias distintas de calibração, destacando a importância de sistemas automatizados de calibração para maior confiabilidade metrológica. / [en] The calibration procedures of piezoelectric transducers, addressed by the normative basis of small arms ammunition testing, lack crucial details to ensure metrological reliability in the transient pressure measurements of these small arms munitions. In view of this fact, it is up to the laboratories, as a requirement for accreditation according to ISO/IEC 17025:2017 standard, to prove the effectiveness of the methods used, especially in calibrations, which motivated the study. The methodological approach was based on bibliographic, documentary, experimental and laboratory research, aiming at data collection according to the stages of evaluation of calibration methods. Initially, the evaluation of calibration certificates of piezoelectric transducers was carried out, studying, above all, the characteristics of the linear regression adopted by the normative basis in the calibration procedures. At this stage, the research proposed the adoption of fit uncertainty as the main parameter for the evaluation of piezoelectric transducers, showing their feasibility in relation to linearity error. Then, the characterization and modeling of the transient pressure measurement chain, composed of a piezoelectric transducer and a charge amplifier, was performed. The modeling allowed the simulation of different calibration methodologies, resulting in the prediction of errors, and providing the evaluation of the influence of the charge amplifier on transient pressure measurements. Finally, two different calibration methodologies were compared, highlighting the importance of automated calibration systems for greater metrological reliability.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:07:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Marlon.pdf: 1426156 bytes, checksum: 17813879cecb040cf30a2594c81b2185 (MD5) Previous issue date: 2009-11-16 / The monitoring and well care during the pregnancy is related to health born products. Considering that in canine reproduction the mate day is not a confident mark for fecundation because the sperm can be available during the estrus and the bitch can ovulate for seven to ten days and this can substimate the parturition day and the fetal growth. The knowledge of canine physiology and embryology during pregnancy and the pos partum associated of the correct application of diagnostic techniques help veterinarian to request for the best way to diagnose and chase the pregnancy. Physics examination, laboratory survey and imaging diagnostic are the principal tools for diagnose and prognoses of pregnancy. The image diagnostic is the most excellent technique to evaluate canine pregnancy. Radiographs and ultrasounds are accessible and can provide vital informations of the mother health and fetal development. This study s aim is to evaluate the morphological development of the bitch and fetus during pregnancy using high frequency transducer (12 MHz) and also compare the ability of the frequencies 7.5 MHz, 10 MHz and 12 MHz in measurements of fetal and extra fetal structures. To achieve this objectives it was scanned 25 bitch, two French bulldogs, one English bulldog, one American cocker spaniel, one lhasa-apso, two German sptiz, one Maltese, one pug, one schnauzer, two sheltland shepherd, ten shi-tzu and two Yorkshire terriers, weighting between three and 19 kilograms and age among two to six years from a commercial kennel, the animals were scanned by a unique examinator every seven days, the date day was used for mark the beginning of reproduction time, and the most near day of the date was the Zero week of scanning. The animals was follows by serial scanning and the events of the mother and the puppies were registered. The purpose of this study was to chase the pregnancy using high frequency transducer of 12MHz to determinate the period of appearance of fetal and extra fetal structures, which provides data s for parturition time and fetal maturity. The high frequency shows to be efficient for early diagnose of pregnancy, since was possible to identified the ovary and uterus with 2,7±2,1 days, gestational sac in 9,7±2,2 days of gestation, the embryos and heart beating were noticed with 16,7±2,2 days, the members arrows and bipolar shape appears in 23,7±2,2 days of pregnancy, fetal movement and de identification of the stomach were possible with 30,7±2,2 days, the bladder, skeleton, lungs and liver were visualized with 37,7±2,2 days, the kidney appears with 44,7±2,2 and pos partum uterus was identified with 65,7± 2,3days .Additionally contributing for seeking the fetal and extra fetal structures that provides security for estimation of parturiation date. Also was to propose a protocol of scanning to follow the preganancy period and pursue gestational diagnoses, fetal development and disorder during pregnancy comparing the ability of transducer of 7.5 MHz, 10 MHz and 12 MHz in the measurements and acoustic resolution. The gestation time was better avaluated in the second, fourth and seventh week, which shows the best protocol for track the pregnancy in the canine, additionally the high frequency demonstrate to improve the resolution and accuracy of measurements of fetal and extra fetal paramanters, but it not shows to be different from low frequency. / O acompanhamento da gestação e os cuidados pré-natais estão intimamente relacionados com o nascimento de filhotes sadios. Na espécie canina a data em que ocorre a fecundação é muito imprecisa, tendo em vista que as fêmeas podem ovular durante sete a dez dias e o espermatozóide pode permanecer viável e armazenado por todo o estro, com isso a cópula não representa o melhor indicador do dia da fecundação. O conhecimento detalhado dos eventos que ocorrem durante a fecundação, desenvolvimento e maturação fetal, bem como aqueles que permitem que o clínico veterinário possa indicar o meio de diagnóstico mais adequado, seguro e preciso sobre a evolução da gestação. O exame clínico, os exames laboratoriais e de imagem constituem-se em métodos auxiliares fundamentais para o diagnóstico e prognóstico da prenhez. Os meios de diagnóstico por imagem são excelências para avaliação da gestação na espécie canina, principalmente os exames radiográficos e ultrassonográficos, pois são acessíveis e fornecem informações importantes sobre a fêmea e sobre o desenvolvimento fetal. Com o objetivo de acompanhar, por meio de ultrassonografia, a gestação em cadelas de pequeno porte, utilizando transdutor de 12MHz este estudo teve como propósito determinar o período de surgimento das estruturas fetais e extra-fetais visando fornecer dados que contribuam para a estimativa da idade gestacional. O experimento foi realizado em um canil comercial, em 25 cadelas; dois bullldogs franceses, um bulldog inglês, um cocker spaniel americano, um lhasa apso, dois lulus da pomerânia, um maltês, um pug, um poodle, um schnauzer, dois pastores de sheltland, dez shi-tzu e dois yorkshire terrier, com peso corporal variando entre três e 19 quilogramas, e idade entre dois a seis anos. Todas as fêmeas eram pluríparas e a fecundação foi alcançada por meio de monta natural ou inseminação artificial A cada sete dias um único examinador procedeu os ultrassonogramas, sendo considerada como semana zero a semana do cruzamento natural ou inseminação até a décima semana . Os exames foram realizados nas freqüências 7,5 MHz, 10 MHz e 12 MHz para avaliar acurácia das medidas e a resolução acústica das imagens. A utilização da freqüência de 12 MHz permitiu a visibilização dos ovários e do útero pré- gestacional com 2,7±2,1 dias, vesículas gestacionais aos 9,7±2,2 dias, embrião e batimento cardíaco aos 16,7±2,2 dias, forma bipolar e o aparecimento da placenta e dos brotos dos membros aos 23,7±2,2 dias, movimento fetal e a visibilização do estomago dos fetos foi possível aos 30,7±2,2 dias, a bexiga urinaria, o esqueleto, os pulmões e o fígado foram visibilizados aos 37,7±2,2 dias, o rim aos 44,8±2,2 dias e o útero pós gestacional aos 65,7±2,3 dias, contribuindo para o diagnóstico precoce da prenhez, adicionalmente demonstrou ser eficaz na identificação das estruturas fetais e extra-fetais permitindo a estimativa do dia do parto. Durante as dez semanas de exames foram diagnosticadas duas piometras (entre a segunda e a sétima semanas), três cadelas não foram fecundadas (entre a segunda e quarta semanas) e duas cadelas onde constatou-se absorção de fetos (entre a terceira e quarta semanas) os resultados obtidos neste estudo permitem concluir que: o diagnóstico gestacional não deve ser feito em apenas um momento, sendo necessário uma seqüência de exames de acompanhamento gestacional; a segunda, quarta e sétima semanas são os melhores momentos para o pré-natal na espécie canina pois permitem avaliar os eventos de desenvolvimento e maturação fetal durante a gestação. O aumento da freqüência, quando comparada a frequências menores, imprime precocidade no diagnóstico e melhora a resolução da imagem, mas não o suficiente para promover diferenças no estabelecimento do diagnóstico da gestaçao e na acúracia das medidas de parâmetros extra-fetais e fetais.

Orientador: Michael John Brennan / Abstract: The advances in microelectromechanical systems to power supply devices for monitoring the structural integrity, mainly for applications in remote areas or with difficult access, have made energy harvesting from ambient vibration a highly researched topic. Although several electromechanical mechanisms have been proposed for applications in a variety of fields, harvesting energy from railway track vibrations is relatively new, and only a small amount of research is ongoing in this topic. This thesis aims to determine the factors that govern the sleeper vertical vibration induced by a passing train, develop a methodology to emulate this vibration in a laboratory-based system and to derive a model of a load resistance attached to a linear electromagnetic transducer to determine the optimum energy harvested. The study shows the importance of knowing the vibration behaviour of the sleeper in order to tune the energy harvester to the correct excitation frequency. A comparison between piezoelectric and electromagnetic transducers is performed using a two-port network model to determine which transducer performs better for low frequency vibration. To emulate sleeper vibration due to a passing train using an electrodynamic shaker, a compensator filter is designed to remove the system dynamics. An analytical investigation into the energy dissipated by a load resistance attached to an electromagnetic transducer when subject to a time-limited base excitation, which may include the transie... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: Avanços em sistemas micro eletromecânico para fornecer energia à dispositivos para monitoramento de integridade estrutural, principalmente para aplicações em áreas remotas ou de difícil acesso, fez de extração de energia a partir de vibrações contidas no ambiente um tópico de pesquisa em destaque. Apesar de que diversos mecanismos eletromecânicos já foram propostos em uma variedade de aplicações, extração de energia à partir de vibrações em linhas férreas é, relativamente, novo e somente algumas pesquisas estão sendo realizadas sobre esse tópico. Esta Tese busca determinar os fatores que governam a vibração vertical do dormente induzida devido a passagem de um trem, desenvolver uma metodologia para emular esta vibração em um sistema em laboratório e derivar um modelo para um transdutor linear eletromagnético com uma carga resistiva acoplada. O estudo mostrou a importância de conhecer o comportamento vibracional do dormente de modo a sintonizar o extrator de energia com a frequência correta de excitação. Uma comparação entre transdutores piezoelétrico e eletromagnético é realizado utilizando um modelo quadripolo para determinar qual transdutor tem um melhor desempenho para vibrações em baixa frequência. Para emular a vibração do dormente devido a passagem de um trem em um agitador eletrodinâmico, um filtro compensador é projetado para remover a dinâmica do sistema. Uma investigação analítica da energia dissipada pela carga resistiva acoplada à um transdutor eletromagnético qua... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

[pt] A velocidade da onda de pulso (VOP) tem sido identificada como o padrão-ouro para avaliação da rigidez arterial e, recentemente, vem sendo reconhecida como um importante indicador no diagnóstico e tratamento de doenças cardiovasculares. Atualmente, já existem dispositivos comerciais capazes de efetuar a medição da VOP, entretanto, ainda exigem um investimento financeiro significativo e alguns requerem um treinamento especializado para seu correto uso. Os, transdutores de pressão atuais são majoritariamente baseados em sensores piezoresistivos, piezoelétricos e capacitivos. Entretanto, pesquisas recentes demostraram que transdutores de pressão que utilizam sensores magnéticos baseados na magnetoimpedância gigante (GMI) apresentam elevada sensibilidade. Tendo em vista que a VOP é um importante indicador do risco de distúrbios cardiovasculares, e considerando os potenciais beneficios dos sensores GMI em relação às demais alternativas, esta tese de doutorado buscou utilizar-se destes elementos sensores a fim de desenvolver um sistema de medição portátil, não-invasivo, de baixo custo, acessível e simples de usar, capaz de efetuar a medição da VOP. Neste intuito, foram desenvolvidos transdutores de alta sensibilidade, baseados nas características de fase da impedância de sensores de Magnetoimpedância Gigante, destinados à medição da velocidade da onda de pulso arterial. A fim de se otimizar as características de desempenho dos transdutores, foram realizadas avaliações teórico-computacionais dos transdutores na configuração em malha aberta e fechada, bem como ensaios experimentais dos protótipos projetados. As caracterizações e ensaios experimentais realizados com o transdutor de pressão em malha aberta resultaram em uma sensibilidade de 59,6 mV/kPa, e resolução de 192,8 Pa para uma média de 30 amostras, na banda de passagem de 1000 Hz. Por outro lado, a configuração em malha fechada apresentou uma sensibilidade de 54,2 mV/kPa, e resolução de 206,0 Pa para uma média de 30 amostras, na banda de passagem de 32 Hz. Tendo em vista os valores de sensibilidade e resolução obtidos, propõe-se empregar o sistema de transdução de pressão que incorpora uma câmara incompressível para amplificação mecânica, na medição de ondas de pulso arterial. Neste protótipo, uma pequena membrana semirrígida localizada na superfície da câmara incompressível é posicionada sobre a superfície da pele, próxima à artéria de interesse. Deste modo, pequenas mudanças de pressão na superfície da pele, causadas pela onda de pulso arterial, provocam uma variação do campo magnético sobre o elemento sensor. Por outra parte, devido à alta sensibilidade apresentada pelo transdutor magnetico (magnetômetro GMI) na configuração de malha aberta (0,2 mV/nT) e de malha fechada (0,19 mV/nT), estes foram usados para medir diretamente a forma de onda do pulso arterial, sem utilizar uma câmara incompressível para transdução mecânica. Nesta medição, considerando a adequada resolução espacial para as demandas anatômicas, utiliza-se um pequeno marcador magnético, envolto por uma fita adesiva hipoalergênica e flexível, aderida á região da pele sobre a artéria de interesse, e aproxima-se o sensor magnético GMI da superfície da pele onde o marcador foi colocado. Finalmente, as configurações propostas foram analisadas e comparadas, a fim de se identificar aquela com melhor desempenho, a qual foi utilizada para medição da VOP. Como o estudo envolve o registro da onda de pulso em participantes da pesquisa, o projeto foi submetido à apreciação e aprovado pela Comissão da Câmara de Ética em Pesquisa da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) 045/2020 – Protocolo 83/2020. Espera-se que o dispositivo desenvolvido contribua para o avanço tecnológico do ferramental utilizado no setor da saúde. / [en] Pulse wave velocity (PWV) is considered the gold standard for assessing arterial stiffness and recently, it has been recognized as an important indicator in the diagnosis and treatment of cardiovascular disease. Currently, there are commercial devices capable of measuring PWV, however, significant investments are required and some devices requires specialized training for their correct use. Conventional pressure-sensing devices are mainly based on piezoresistive, piezoelectric and capacitive sensors. Recent investigations, however, show that pressure transducer using magnetic sensors based on the giant Magnetoimpedance (GMI) present high-sensitivity. Considering that, PWV is a significant risk factor for future cardiovascular disease and in view of some of the advantages of GMI sensors in relation to another sensing technologies, this doctoral thesis aims to develop a portable measurement system, non-invasive, low-cost, accessible and simple to use, capable of measuring PWV. For this purpose, we have developed a high-sensitivity transducers based on the impedance phase characteristics of GMI sensors, for measuring the arterial pulse wave velocity. In order to improve the performance characteristics of the transducers, computational and theoretical analysis in open and closed loop configuration were performed. The characterizations and experimental tests performed with the open-loop pressure transducer resulted in a sensitivity of 59.6 mV/kPa, and resolution of 192.8 Pa for an average of 30 samples, in the 1000 Hz passband. On the other hand, the closed-loop configuration presented a sensitivity of 54.2 mV/kPa, and a resolution of 206.0 Pa for an average of 30 samples, in the 32 Hz passband. In view of the considerable sensitivity and resolution obtained, it is proposed to employ a pressure transduction system that incorporates an incompressible chamber for mechanical amplification, in the measurement of arterial pulse waves. In this prototype, a small semi-rigid membrane located on the surface of the incompressible chamber is positioned over the surface of the skin, close to the artery of interest. In this way, small pressure changes on the skin surface, caused by the arterial pulse wave, cause a variation of the magnetic field on the sensing element. On the other hand, due to the high sensitivity presented by the magnetic transducer (GMI magnetometer) in the open-loop (0.2 mV/nT) and closed-loop (0.19 mV/nT) configurations, they were used to measure the shape pulse waveform without using an incompressible chamber for mechanical transduction. In this test, considering the adequate spatial resolution for the anatomical demands, a small magnetic marker is used, the magnetic marker is attached to the skin region over the artery of interest, and the GMI magnetic sensor is approached near the marker placed of the skin surface. Finally, the proposed configurations were analyzed and compared in order to identify the one with the best performance, which was used to measure PWV. As the study involves recording the pulse wave in research participants, the project was submitted for consideration and approved by the Research Ethics Committee of the Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro (PUC-Rio) 045/2020 – Protocol 83/2020. It is expected that the device developed will contribute to the technological advancement of the tools used in the health sector.

[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.