CAPES / Neste trabalho foram demonstrados transdutores a fibra ótica baseados em redes de período longo (LPG) modificadas com nanoestruturas para otimização do desempenho. Nanopartículas de ouro (AuNPs) foram depositadas na região da casca da fibra que contém a rede, por funcionalização da superfície da fibra com 3- aminopropiltrietoxisilano e posterior recobrimento com solução de ácido tetracloroaurico e redução desta por boridreto de sódio. A ressonância plasmônica localizada de superfície (LSPR) que ocorre nas AuNPs foi excitada pelo acoplamento com os modos de transmissão da LPG. Esse dispositivo foi projetado visando o aumento da sensibilidade, particularmente em ambientes hídricos. Comparado ao transdutor não modificado, a sensibilidade foi 17 vezes maior, na LPG com nanopartículas de ouro (LPG-AuNPs) interrogada em intensidade, para o índice de refração de 1,3933. As resoluções atingidas foram tão pequenas quanto 0,0003 RIU (unidades de índice de refração), na faixa de 1,3629 a 1,4399. Para a LPG-AuNPs interrogada em comprimento de onda, obtiveram-se sensibilidades maiores nos índices de refração próximos ao índice da água, assim como resoluções tão pequenas quanto 0,00001 RIU, para índices próximos ao índice da casca da fibra. No entanto, esse dispositivo não se mostrou capaz de detectar pequenas variações na concentração de analitos em soluções aquosas. As nanopartículas de ouro depositadas na LPG foram posteriormente modificadas quimicamente via adesão de cisteamina. A rede que contém as AuNPs foi inserida em uma solução aquosa de cloridrato de cisteamina. Em seguida, a seletividade da LPG foi avaliada com soluções aquosas de glifosato, em concentrações na faixa de 1 μM a 100 μM. Para esses transdutores, a interrogação em intensidade resultou numa variação de 0,6 % nas bandas de transmissão, e a variação em comprimento de onda chegou a 0,34 nm, mostrando a possibilidade de detecção seletiva de traços de analitos em ambientes hídricos. / This work shows optical fiber transducers based on long period gratings (LPG), modified with nanostructures to achieve optimized performance. The cladding of the fiber with the previously recorded grating was coated with gold nanoparticles (AuNPs), by functionalizing its surface with 3-aminopropyltriethoxysilane, further recoated with tetrachloroauric acid solution and sodium borohydride reduction. The localized surface plasmon resonance (LSPR) on the AuNPs was excited by its coupling with LPG transmission modes. Such device was projected aiming to increase its sensitivity, particularly in water environments. A 17-times increased sensitivity was obtained for this LPG modified with gold nanoparticles (LPG-AuNPs) intensity coded, when compared with the non-modified transducer, for refractive indices close to 1.3933. Resulting resolutions were as small as 0.0003 RIU (refractive index units), within the range from 1.3629 to 1.4399. For the LPG-AuNPs wavelength coded, higher sensitivities were obtained for refractive indices close to the water refractive index, as well as a limit resolution of 0.00001 RIU in environments with refractive indices close to the fiber cladding refractive index. However, this device was not able to detect small changes in concentration of analytes in water solution. A further chemical modification of the AuNPs was carried out by functionalization with cysteamine. The LPG-AuNPs was inserted in a cysteamine hydrochloride aqueous solution, and the transducer selectivity was assessed for water solutions of glyphosate in the 1 μM to 100 μM concentration range. For the latter transducer configuration, changes of 0.6 % and 0.34 nm were obtained for intensity coded and wavelength coded operation, respectively, showing the prospect of selective detection of traces of analytes in water environments.

CNPq / Uma alternativa para as análises tradicionais do biodiesel e misturas BX, como a cromatografia, a espectroscopia e a ressonância magnética nuclear, é a análise por meio de um transdutor de índice de refração a fibra ótica, como uma LPG. Entretanto, como os índices de refração do biodiesel e do óleo diesel são próximos ou maiores do que o índice de refração da casca da fibra na qual a rede se encontra, há uma grande perda de energia para o meio externo, comprometendo a eficiência do sensor. Com o propósito de diminuir o índice de refração do biodiesel, uma substância miscível e de baixo índice de refração, o ciclohexano, foi escolhida para ser misturada a esse biocombustível, assim como à mistura óleo diesel-biodiesel. Os resultados obtidos mostram que o ciclohexano não é reagente com essas substâncias, atuando apenas como solvente. Além disso, as diluições 1:1 e 1:2 (uma parte de mistura BX para uma parte de ciclohexano; uma parte de mistura BX para duas partes de ciclohexano) têm índices de refração menores do que o da casca da fibra, o que faz com que a banda ressonante seja deslocada para menores comprimentos de onda, possibilitando, assim, a detecção por meio da LPG. Após as curvas de calibração serem representadas em gráficos de variação de comprimento de onda (nm) em função da concentração de biodiesel em óleo diesel, BX (% v/v), para as duas diluições, obteve-se, por meio da derivada desta, a sensibilidade. As características metrológicas foram calculadas, levando à obtenção da incerteza expandida, que é de 3,7 % para a diluição 1:1 e de 5,9 % para a diluição 1:2, para um nível de confiança de 95,45 %. / An alternative for the traditional biodiesel and BX blends analysis (X is the biodiesel volumetric concentration in the blend), such as chromatography, spectroscopy and nuclear magnetic resonance, is by means of an optical fiber refractive index transducer, such as an LPG. However, as the biodiesel and diesel refractive index are close or bigger than the fiber cladding index, there is an important loss of power to the surrounding environment, impairing the sensor performance. In order to decrease the refractive index of biodiesel, a miscible and low refractive index substance, cyclohexane, was chosen to blend to this biofuel and also to the biodiesel-diesel blend. The results show that the cyclohexane does not react with biodiesel, acting only as a solvent. Besides, the 1:1 and 1:2 dilution (one part of BX blend and one part of cyclohexane in volume concentration; one part of BX blend and two parts of cyclohexane in volume concentration) have a refractive index lower than the fiber cladding, what shifts the resonant band of the LPG towards lower wavelengths. After representing the calibration curves in graphics of wavelength shift (nm) as function of biodiesel-diesel blend concentration, BX (% v/v), for both dilution, the concentration sensitivity has been obtained. The metrological characteristics were calculated, leading to the expanded uncertainty, which is 3,7 % for the 1:1 dilution and 5,9 % for the 1:2 dilution, for a 95,45 % confidence level.

CAPES / Neste trabalho foram demonstrados transdutores a fibra ótica baseados em redes de período longo (LPG) modificadas com nanoestruturas para otimização do desempenho. Nanopartículas de ouro (AuNPs) foram depositadas na região da casca da fibra que contém a rede, por funcionalização da superfície da fibra com 3- aminopropiltrietoxisilano e posterior recobrimento com solução de ácido tetracloroaurico e redução desta por boridreto de sódio. A ressonância plasmônica localizada de superfície (LSPR) que ocorre nas AuNPs foi excitada pelo acoplamento com os modos de transmissão da LPG. Esse dispositivo foi projetado visando o aumento da sensibilidade, particularmente em ambientes hídricos. Comparado ao transdutor não modificado, a sensibilidade foi 17 vezes maior, na LPG com nanopartículas de ouro (LPG-AuNPs) interrogada em intensidade, para o índice de refração de 1,3933. As resoluções atingidas foram tão pequenas quanto 0,0003 RIU (unidades de índice de refração), na faixa de 1,3629 a 1,4399. Para a LPG-AuNPs interrogada em comprimento de onda, obtiveram-se sensibilidades maiores nos índices de refração próximos ao índice da água, assim como resoluções tão pequenas quanto 0,00001 RIU, para índices próximos ao índice da casca da fibra. No entanto, esse dispositivo não se mostrou capaz de detectar pequenas variações na concentração de analitos em soluções aquosas. As nanopartículas de ouro depositadas na LPG foram posteriormente modificadas quimicamente via adesão de cisteamina. A rede que contém as AuNPs foi inserida em uma solução aquosa de cloridrato de cisteamina. Em seguida, a seletividade da LPG foi avaliada com soluções aquosas de glifosato, em concentrações na faixa de 1 μM a 100 μM. Para esses transdutores, a interrogação em intensidade resultou numa variação de 0,6 % nas bandas de transmissão, e a variação em comprimento de onda chegou a 0,34 nm, mostrando a possibilidade de detecção seletiva de traços de analitos em ambientes hídricos. / This work shows optical fiber transducers based on long period gratings (LPG), modified with nanostructures to achieve optimized performance. The cladding of the fiber with the previously recorded grating was coated with gold nanoparticles (AuNPs), by functionalizing its surface with 3-aminopropyltriethoxysilane, further recoated with tetrachloroauric acid solution and sodium borohydride reduction. The localized surface plasmon resonance (LSPR) on the AuNPs was excited by its coupling with LPG transmission modes. Such device was projected aiming to increase its sensitivity, particularly in water environments. A 17-times increased sensitivity was obtained for this LPG modified with gold nanoparticles (LPG-AuNPs) intensity coded, when compared with the non-modified transducer, for refractive indices close to 1.3933. Resulting resolutions were as small as 0.0003 RIU (refractive index units), within the range from 1.3629 to 1.4399. For the LPG-AuNPs wavelength coded, higher sensitivities were obtained for refractive indices close to the water refractive index, as well as a limit resolution of 0.00001 RIU in environments with refractive indices close to the fiber cladding refractive index. However, this device was not able to detect small changes in concentration of analytes in water solution. A further chemical modification of the AuNPs was carried out by functionalization with cysteamine. The LPG-AuNPs was inserted in a cysteamine hydrochloride aqueous solution, and the transducer selectivity was assessed for water solutions of glyphosate in the 1 μM to 100 μM concentration range. For the latter transducer configuration, changes of 0.6 % and 0.34 nm were obtained for intensity coded and wavelength coded operation, respectively, showing the prospect of selective detection of traces of analytes in water environments.

A vibroacustografia (VA) é uma técnica de imagem de alta resolução lateral (<0,7 mm), livre de speckles, não invasiva e que utiliza radiação não-ionizante, baseada no fenômeno de combinação não-linear de ondas de ultrassom (MHz) que gera uma região focal estreita de baixa frequência (kHz). Neste trabalho, propõe-se uma avaliação tridimensional baseada em imagens de VA da área descoberta de implantes, após o procedimento cirúrgico de artroplastia total de quadril (ATQ). A ATQ é uma técnica terapêutica de substituição de articulações do quadril por implantes, em pacientes com osteoartrose avançada. Atualmente, o acompanhamento pós-operatório é auxiliado pela análise de radiografia plana por raios-X. Contudo, esta técnica apresenta limitações na avaliação da estabilidade dos implantes, tais como: avaliação imprecisa da área, uma vez que, a radiografia plana trata o problema tridimensional como bidimensional; impossibilidade de visualização de algumas regiões do implante, devido ao sobreposicionamento das regiões numa imagem planar; restrição do uso de radiação ionizante na região da pelve em pacientes jovens. Devido à alta atenuação da onda de ultrassom incidindo sobre objetos densos, a VA pode ser ajustada para adquirir imagens relativas, principalmente, à superfície destes. Uma correção da topologia baseada na geometria do implante é apresentada, a fim de se avaliar com precisão a área superficial na representação tridimensional da imagem de VA. A correção da topologia baseada em aquisições em modo-B também é apresentada, sendo útil na avaliação da forma de ossos ou nos casos em que a forma do objeto estudado é desconhecida. Além disso, é apresentado um estudo numérico da utilização de transdutores matriciais reconfiguráveis (RCA, do inglês reconfigurable array) para a formação de feixe em VA. Um estudo paramétrico da seleção de abertura, número de canais, número de elementos, distância focal e parâmetros de varredura eletrônica do feixe é apresentado para demonstrar a viabilidade e avaliar o desempenho da imagem de VA utilizando o RCA. A função de espalhamento de ponto do sistema foi calculada com base em métodos de espectro angular usando a aproximação de Fresnel para fontes retangulares. Foram discutidas as vantagens de transdutores bidimensionais e RCA, e aspectos relacionados à importância clínica da implementação do RCA na VA, tais como resolução espacial, taxa de aquisição da imagem e implementação do RCA em máquinas comerciais. Conclui-se que: a aquisição de imagens por VA foi menos sensível ao ângulo de incidência das ondas de ultrassom do que por modo-B e apresentou alta resolução e alto contraste entre o osso e o implante, o que permitiu uma avaliação precisa da área exposta do implante; os transdutores RCA podem aprimorar a aquisição de imagens por VA, devido à sua resolução espacial similar à de transdutores confocais e à possibilidade de deflexão eletrônica do feixe (em inglês steering) nos planos de elevação e azimutal. / Vibro-acoustography (VA) is a high lateral resolution (<0.7 mm), speckle-free, non- ionizing and non-invasive image based on the nonlinear combination phenomenon of ultrasound waves (MHz) that generates a narrow focus region of low frequency (kHz). In this work, we propose a VA-based tridimensional evaluation of the exposed area of implants, after total hip arthroplasty (THA). THA is a therapeutic surgery procedure in which the hip joints are replaced by metal prostheses in patients with advanced osteoarthritis. Currently, the postoperative assessment of THA is performed by analyzing planar X-ray radiographies. However, this technique presents limitations in the implant stability evaluation such as: inaccurate evaluation of the area, since the planar radiography reduces the tridimensional problem into a two-dimensional one; problems in the visualization of some regions of the implants due to the superimposition of the regions; limitations of using ionizing radiation in the pelvis region of young patients. Due to the high attenuation of the ultrasound wave into objects of high density, the VA image can be set to mainly acquire the surface information. Topological correction based on the geometry of the implant is presented in order to accurately evaluate the surface area in tridimensional representation of the VA image. The topological correction based on B-mode slices is also presented and is useful in the evaluation of bone shape or in cases which the shape of the object is unknown. Furthermore, it is presented a numerical study of the use of reconfigurable arrays (RCA) for VA beam formation. A parametric study of the aperture selection, number of channels, number of elements, focal distance and steering parameters is presented in order to show the feasibility and evaluate the performance of VA imaging based on RCA. The point-spread function of the system is calculated based on angular spectrum methods using the Fresnel approximation for rectangular sources. Advantages of two-dimensional and RCA arrays and aspects related to clinical importance of the RCA implementation in VA such as spatial resolution, image frame-rate, and commercial machine implementation are discussed. It is concluded that: the VA image is less sensitive to the wave incident angle than B-mode; the VA image presents high-resolution and high-contrast between bone and implant, which allowed an accurate evaluation of the uncovered area; RCA transducers improve the VA acquisition by producing spatial resolution similar to confocal transducers, and due to the possibility of steering in elevation and azimuthal planes.

Orientadores: José Roberto de França Arruda, Philippe Herzog / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T06:12:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pasqual_AlexanderMattioli_D.pdf: 10340586 bytes, checksum: 74b86a8897be1f1c00e3c13b018e73bb (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: O controle angular da radiação sonora pode ser obtido utilizando um arranjo compacto de alto-falantes independentemente programáveis operando na mesma faixa de frequência. Geralmente, os alto-falantes são dispostos sobre uma estrutura de formato esférico seguindo a geometria de um sólido de Platão a fim de se obter uma configuração altamente simétrica. Recentemente, protótipos de arranjos esféricos compactos de alto-falantes vêm sendo desenvolvidos e aplicados a medições em acústica de salas, performances de música eletroacústica e síntese de padrões de diretividade de fontes acústicas tais como instrumentos musicais. Contudo, muitos aspectos referentes a seu controle, projeto e comportamento eletromecânico, bem como à sua habilidade em proporcionar uma experiência sonora mais realista que sistemas de áudio convencionais, permanecem não esclarecidos. Este trabalho contempla a análise e síntese de campos sonoros através de um arranjo esférico compacto de alto-falantes e pretende contribuir para o esclarecimento de alguns aspectos supracitados. Propõe-se uma estratégia de controle baseada nos modos de radiação acústica do arranjo esférico, a qual apresenta várias vantagens sobre a estratégia usual fundada nos harmônicos esféricos. Uma análise teórica e experimental do comportamento eletromecânico de arranjos compactos de alto-falantes também é apresentada, na qual o acoplamento acústico entre os alto-falantes no interior da estrutura esférica é considerado. Além disso, os sinais ótimos dos alto-falantes correspondentes a um dado padrão de diretividade são calculados utilizando duas funções custo distintas, revelando que o realismo do padrão sintetizado pode ser significativamente ampliado desprezando-se a fase da diretividade alvo. Finalmente, os modelos teóricos propostos são validados por medições de impedância elétrica, velocidade dos diafragmas dos alto-falantes e padrões de diretividade / Abstract: Angular control of the sound radiation can be achieved by using a compact array of independently programmable loudspeakers operating at the same frequency range. The drivers are usually distributed over a sphere-like frame according to a Platonic solid geometry to obtain a highly symmetrical configuration. Prototypes of compact spherical loudspeaker arrays have been recently developed and applied in room acoustics measurements, electroacoustic music performance and synthesis of directivity patterns of acoustical sources such as musical instruments. However, many aspects concerning their control, design, electromechanical behavior and ability to provide a more realistic sound experience than conventional audio systems remain unclear. This work concerns the analysis and synthesis of sound fields by a compact spherical loudspeaker array and aims to contribute to clarifying some aspects mentioned above. A control strategy based on the acoustic radiation modes of the spherical array is proposed, which presents several advantages over the usual strategy based on the spherical harmonics. A theoretical and experimental analysis of the electromechanical behavior of compact loudspeaker arrays is also presented, in which the acoustic coupling between drivers inside the array frame is taken into account. In addition, optimumdriver signals corresponding to a given target directivity pattern are derived using two different cost functions, indicating that the realism of the synthesized pattern may be significantly increased by neglecting the phase of the target directivity pattern. Finally, the proposed theoretical models are validated through measurements of electrical impedance, loudspeaker diaphragm velocity and directivity patterns / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Fabiano Fruett / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-06T06:47:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Garcia_Vitor_M.pdf: 2431852 bytes, checksum: 99df32075176f9b0322278b0ce286ba5 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Apresentamos neste trabalho um sensor de pressão de baixo consumo de potência. totalmente compatível com o processo de fabricação CMOS. constituído por um amplificador operacional sensível ao estresse mecânico fabricado sobre uma membrana. O desenho do layout do amplificador é feito de forma a maximizar o efeito do estresse sobre os transistores do par de entrada e minimizar sobre o restante do circuito. O projeto da membrana. bem como a localização dos elementos sensores sobre a mesma. Foram determinados através de simulação por elementos finitos. O sensor foi fabricado utilizando o processo CMOS 0.35 IJ.m AMS disponibilizado pelo Projeto Multi-Usuário (PMU) Fapesp. A membrana do sensor foi obtida através de um processo de desbaste mecânico da pastilha de silício onde o circuito foi fabricado. Analisamos também a dependência da tensão de limiar e da mobilidade de um transistor PMOS com relação ao estresse mecânico. O sensor fabricado apresentou um consumo de potência da ordem de 3 IJ. W e uma sensibilidade de 8.9 mV/psi / Abstract: A nove I Iow power totally CMOS compatible mechanical-stress sensitive differential amplifier. which can be used as a pressure sensor. is presented. This amplifier is based on a special designed layout where the stress sensitivity of the input differential pair. is maximized and the stress effects on the second stage are minimized. Finite element simulation was used to design the membrane and to locate the element sensor on it. The sensor was fabricated in a CMOS 0.35 IJ.m AMS process supported by the Fapesp Multi -User Project. In order to make a pressure sensor without a backside bulk micro-machining process. the thickness of the die was reduced by a mechanical polishing process. This work also analised the limiar-voltage and the mobility dependence with regard to mechanical stress. The sensor power consumption amounts to 3 IJ. W and the sensitivity amounts to 8.9 m V/psi / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Vera Lúcia da Silveira Nantes Button / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-21T00:54:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gasparini_ReynaldoTronco_M.pdf: 4522453 bytes, checksum: a5e3883976604a06aa2fd8dcffb6cd3b (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O estudo do campo acústico gerado por um transdutor ultrassônico é fundamental para sua construção e caracterização, pois permite prever qual será seu comportamento antes mesmo de ser construído e indica se ele realmente é viável para aplicação para a qual foi projetado, e se são necessárias modificações para que se comporte como o esperado. O presente estudo teve como objetivo o desenvolvimento de um software, em ambiente MATLAB®, para a simulação computacional de campos acústicos gerados por transdutores ultrassônicos de diferentes configurações, utilizando dois modelos que descrevem o campo, o de Zemanek e o de Stepanishen. Os campos de transdutores com focalização, apodização e meios com atenuação também poderão ser simulados. Para a simulação do modelo de Zemanek é utilizado o método matemático de discretização e para o de Stepanishen é empregada uma solução analítica para a resposta impulsiva de cada geometria de transdutor. As simulações foram validadas com resultados obtidos anteriormente por alunos do DEB/FEEC/UNICAMP e os programas desenvolvidos foram agregados em um pacote computacional. Estes programas têm seus códigos abertos para que futuramente sejam implementadas outras funções e configurações de transdutor. O software pode auxiliar no projeto de transdutores e também no estudo da modelagem do campo acústico pelos diferentes modelos que o descrevem / Abstract: The study of the acoustic field generated by an ultrasonic transducer is fundamental to its construction and characterization, because it allows to predict how it will behave before being built and whether it is really feasible or not for the application to which it was designed, and to suggest modifications to behave as expected. The present study describes the development of a software implemented in MATLAB®, for computational simulation of acoustic fields generated by ultrasonic transducers, of different configurations, using two models that describe the field, Zemanek and Stepanishen. Transducers with focusing, apodization and attenuation environment may also be simulated. For Zemanek's model simulation is used the mathematical method of discretization and for Stepanishen's model, an analytical solution for the impulse response of each transducer geometry is employed. The simulations were validated with results obtained previously by students from DEB/FEEC/UNICAMP and the developed programs were aggregated into a computer package. These programs have their code available so that, in a near future, other functions and transducer configurations can be implemented. The software can support the transducer design and also the study of the acoustic field modeling by different models that describe it / Mestrado / Engenharia Biomedica / Mestre em Engenharia Elétrica

A utilização de sensores e de atuadores cresceu vertiginosamente nos últimos anos. As aplicações centralizadas em sensoriamento e controle avançaram com a instrumentação industrial, passando pela incorporação desses elementos em redes distribuídas até culminar, na atualidade, em redes integradas que possuem inúmeras funções e aplicações, dentre elas: controle, monitoramento, rastreamento e segurança. Entretanto o crescimento do número de sensores e atuadores conectados através de barramentos e redes não ocorreu de forma única, proliferando uma diversidade de formas de padronização na comunicação entre esses e seus respectivos monitores ou controladores. Dessa pluralidade de protocolos emergiu a necessidade de criação de um padrão que permitisse interoperabilidade entre transdutores e redes de controle, bem como a introdução do conceito de sensores e atuadores inteligentes. Nesse contexto foi proposto o protocolo IEEE1451 (Standards for Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators). Nessa perspectiva o trabalho em questão apresenta os resultados do desenvolvimento e a utilização desse padrão em duas aplicações de engenharia biomédica. Primeiramente em um sistema embarcado capaz de realizar aquisição e processamento de biopotenciais, em específico, de eletrocardiogramas e a posterior transmissão dos dados coletados através de uma interface sem fio Wifi (IEEE802.11b/g) utilizando os protocolos IEEE1451.0 e IEEE1451.5. E em um eletrogoniômetro, para fins fisioterápicos, que realiza medidas de amplitude de movimento das articulações e transfere os dados serialmente através de uma interface USB (Universal Serial Bus) utilizando como padrões o IEEE1451.0 e o IEEE1451.2. Ambos os sistemas permitem além do monitoramento local, o acesso das informações coletadas pela Internet através de uma instrumentação remota implementada por um Web Service. Dessa maneira foi construída uma rede de sensores padronizada que permitiu demonstrar os benefícios e as potencialidades do protocolo IEEE1451. / The use of sensors and actuators grew vertiginously in recent years. The centralized applications in sensing and controlling advanced with industrial instrumentation, going through the incorporation of these elements into industrial computer network protocols until currently culminating in integrated networks with innumerable functions and applications, amongst them: controlling, monitoring, tracking and security. However, the growth of the number of sensors and actuators connected through bus and computers networks did not occur in a single way, and a diversity of communication standards proliferated. From these protocols, plurality required the creation of a standard to allow interoperability between transducers and networks, as well as the introduction of the smart sensors and actuators concept. In this context the IEEE1451 protocol (Standards for Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators) was proposed. In this perspective, this work presents two applications of biomedical engineering using the IEEE1451 standard. The first application is an embedded system for biopotencial acquisition and processing, specifically, electrocardiogram signals and data transmission through a wireless interface Wifi (IEEE802.11b/g) using IEEE1451.0 and IEEE1451.5 protocols. The other application is an electrogoniometer, for physiotherapy, that measures the joint movements amplitude and transfers the data through an USB (Universal Serial Bus) connection using the IEEE1451.0 and the IEEE1451.2 protocols as standards. Both systems allow local monitoring and the access to information through a remote instrumentation implemented by Web Services. Hence, this project demonstrates the IEEE1451 benefits and the potentialities.

Para que um transdutor ultrassônico gere e transmita um pulso curto e receba ecos com elevada sensibilidade, além de uma camada de retaguarda que absorva as ondas emitidas para trás, é necessário que haja um bom casamento de impedância acústica entre a cerâmica piezelétrica e o meio externo (camada de acoplamento). Quando comparado ao acoplamento em líquido, o acoplamento em ar é ainda mais complexo, pois este tipo resulta em perdas elevadas durante a transmissão e a recepção dos sinais acústicos, devido à grande diferença de impedância acústica entre a cerâmica e o ar. Certas aplicações requerem um acoplamento em ar e, para isso, os transdutores ultrassônicos usados devem ter banda larga, além de uma baixa impedância acústica. O aumento da largura de banda de um transdutor piezelétrico pode ser alcançado com o emprego de piezocompósitos, de uma camada de retaguarda, de camadas de acoplamento frontal e melhorias na parte eletrônica. A contribuição deste trabalho visa a estudar e desenvolver piezocompósitos com maior largura de banda para aplicação em transdutores de ultrassom para acoplamento em ar. De modo geral, os piezocompósitos possibilitam um maior fator de acoplamento eletromecânico e uma menor impedância acústica quando comparado às cerâmicas piezelétricas convencionais. Neste trabalho foram realizadas a modelagem, a construção e a caracterização de três tipos de piezocompósitos: piezocompósitos com gradação da densidade, piezocompósitos 2-2, e piezocompósitos 1-3. Naqueles com gradação da densidade,variaram-se os parâmetros profundidade, largura e distribuição dos cortes. O método de elementos finitos foi utilizado para analisar a influência dos parâmetros dos cortes. Os piezocompósitos foram construídos a partir de piezocerâmicas circulares e retangulares. Alguns dos piezocompósitos construídos foram submetidos a experimentos de interferometria a laser, mostrando a variação da distribuição dos deslocamentos máximos na superfície em função da frequência. A partir do espectro de frequência da condutância e dos valores inferiores e superiores da largura de banda foram analisados os deslocamentos máximos nas diversas regiões da superfície dos piezocompósitos. Nos piezocompósitos gradados observou-se que os deslocamentos máximos em determinadas regiões da superfície do piezocompósito dependiam da frequência de excitação. Desse modo, os piezocompósitos gradados apresentaram fator de acoplamento eletromecânico e largura de banda maiores do que os dos piezocompósitos 1-3. Transdutores com emissão em ar construídos a partir de piezocompósito gradado e do tipo 1-3 foram caracterizados e medidos os parâmetros largura de banda e fator de acoplamento eletromecânico. O transdutor construído a partir do piezocompósito gradado apresentou maior largura de banda quando comparado com o transdutor do tipo 1-3. / In order to generate and emit a short pulse and receive the echoes with high sensitivity, an ultrasound transducer requires a backing layer to attenuate the signal going backwards and a matching layer to match the acoustical impedances of the piezoceramic and the medium. When compared to liquid coupling, air coupling is further complicated because the large mismatch in acoustic impedance between the ceramic and air results in high losses during transmission and reception of acoustic signals. Certain applications require air-coupling and, therefore, the ultrasonic transducers used must be broadband and have low acoustic impedance. The increase of the bandwidth of a piezoelectric transducer can be achieved with the use of piezocomposites, a back layer, frontal coupling layers and improvements in the electronic part. The contribution of this work aims to study and develop piezocomposites with higher bandwidth for application in ultrasonic transducers with air coupling. In general, the piezocomposites allow a higher electromechanical coupling factor and a lower acoustic impedance when compared to conventional piezoelectric ceramics. In this work, three types of piezocomposites were made: piezocomposites with density gradation, piezocomposites 2-2, and piezocomposites 1-3. In those with density gradation, depth, width and distribution of the cuts were varied. The finite element method was used to analyze the influence of the cut parameters. The piezocomposites were constructed from circular and rectangular piezoceramics. Some of the constructed piezocomposites were submitted to laser interferometry experiments, which showed the variation of the distribution of the maximum displacements in the surface as a function of the frequency. From the frequency spectrum of the conductance curve and of the lower and upper values of bandwidth, the maximum displacements in the various surface regions of the piezocomposites were analyzed. In the graded piezocomposites it was observed that the maximum displacements in certain regions of the surface of the piezocomposite depend on the frequency of excitation. Thus, the graded piezocomposites presented higher electromechanical coupling factor and bandwidth than the piezocomposites 1- 3. Air-coupled transducers constructed from graded piezocomposite and type 1-3 were characterized and measured the parameters bandwidth and electromechanical coupling factor. The transducer constructed from the graded piezocomposite presented higher bandwidth when compared to the type 1-3 transducer.

Transdutores baseados em cascas piezocompósitas têm uma vasta aplicação no campo de estruturas inteligentes, principalmente como atuadores, sensores e coletores de energia. Essas estruturas piezocompósitas são geralmente compostas por dois ou mais tipos de materiais, como por exemplo materiais piezelétricos, ortotrópicos elásticos (possuem fibras de reforçamento) e isotrópicos (materiais homogêneos). Vários fatores devem ser considerados no projeto de transdutores baseados em cascas piezocompósitas, como o tamanho, a forma, a localização e a polarização do material piezelétrico, bem como a orientação das fibras do material ortotrópico. O projeto desses transdutores é complexo e trabalhos anteriores envolvendo esses tipos de materiais sugerem utilizar Método de Otimização Topológica (MOT) para aprimorar o desempenho dos transdutores distribuindo o material piezelétrico sobre substratos fixos de materiais isotrópicos e ortotrópicos, ou otimizar a orientação das fibras dos materiais ortotrópicos com material piezelétrico com tamanho, forma e localização previamente estabelecidos. Assim, nesta tese, propõe-se o desenvolvimento de uma metodologia baseada no MOT para projetar transdutores piezocompósitos de casca considerando, simultaneamente, a otimização da distribuição e do sentido de polarização do material piezelétrico, e também a otimização da orientação das fibras de materiais ortotrópicos, que é livre para assumir valores diferentes ao longo da mesma camada compósita. Utilizando essa metodologia, são obtidos resultados numéricos para atuadores e sensores em regime estático e para coletores de energia com circuito elétrico acoplado, em regime dinâmico amortecido. Para os casos dos sensores e dos coletores de energia, também são consideradas as tensões mecânicas na estrutura, as quais devem obedecer os critérios de von Mises (para materiais isotrópicos) e de Tsai-Wu (para materiais ortotrópicos) para que não haja falhas na estrutura, que está sujeita a esforços mecânicos. / Transducers based on laminated piezocomposite shell structures have a wide application in the field of smart structures, especially as actuators, sensors and energy harvesting devices. These piezocomposite structures are generally composed by two or more kinds of materials, such as piezoelectric, isotropic, and elastic orthotropic (fiber reinforcement) materials. Several factors must be considered in the design of piezocomposite transducers, such as size, shape, location and polarization of the piezoelectric material and the fiber orientation of the orthotropic material. The design of these transducers is complex and previous studies involving these types of materials suggest using \"Topology Optimization Method\" (TOM) to enhance the performance of piezoelectric transducers by distributing piezoelectric material over fixed isotropic and orthotropic substrate or to optimize the fiber orientation of orthotropic materials with piezoelectric patches previously established. Thus, this thesis proposes the development of a methodology based on the TOM to design laminated piezocomposite shell transducers by considering simultaneously the optimization of distribution and the polarization direction of the piezoelectric material, and also the optimization of the fiber orientation orthotropic material, which is free to assume different values along the same composite layer. By using this methodology, numerical results are obtained for actuators and sensors under static response, and energy harvesting devices with an electrical circuit coupled, in dynamic damped analysis. In the case of sensors and energy harvesting devices, which are subjected to mechanical loads, the mechanical stresses in the structure are also considered, which must satisfy two stress criteria to prevent failure: von Mises for isotropic materials and Tsai-Wu for orthotropic materials.