[pt] Ondas acústicas, sônicas ou ultrassônicas, podem ser empregadas para a telemetria sem fio como alternativa a sistemas eletromagnéticos, transferindo dados e energia ao longo de um canal formado por uma ou mais camadas de sólidos elásticos ou fluidos acústicos. Um exemplo é a interrogação de sensores passivos através de uma parede metálica. Nesta configuração, pelo menos um transdutor acústico é fixado em um lado da parede (face externa), onde uma fonte de alimentação elétrica é disponível. No lado oposto (face interna), onde os sensores estão instalados, são fixados um ou mais transdutores. Na maioria das aplicações estes transdutores são cerâmicas piezelétricas que geram e recebem sinais ultrassônicos. Ondas acústicas ultrassônicas se propagam ao longo do sólido elástico, transferindo energia e dados entre as duas faces, possibilitando a alimentação e interrogação dos sensores. Este tipo de configuração pode ser empregado em aplicações onde o uso de penetradores elétricos ou ópticos não é recomendado. Entretanto, a resposta das piezocerâmicas pode sofrer influências de variações de temperatura e da própria deformação mecânica da parede metálica na qual são fixados. O presente trabalho procurou quantificar a influência da deformação mecânica e da variação de temperatura na comunicação entre dois transdutores piezocerâmicos ultrassônicos, aderidos à uma placa metálica por meio de adesivo epóxi. No estudo, tomou-se como parâmetro quantitativo o sinal S21, que é o logaritmo da razão entre a potência recebida pela saída do sistema (face interna da parede) pela potência transmitida pela entrada (face externa da parede). O trabalho apresenta comparações entre resultados experimentais e simulados através de um modelo numérico de elementos finitos desenvolvido no COMSOL Multiphysics. Os ensaios experimentais foram realizados com pastilhas piezocerâmicas circulares, do tipo PZT4, com diâmetro e espessura de 25 e 2 mm, respectivamente. Os transdutores foram fixados, de forma concentricamente alinhada e por meio de um adesivo epóxi, nas duas superfícies de uma placa de aço inoxidável AISI 316 L com 6 mm de espessura. O trabalho apresenta tabelas e funções para a amplitude do sinal S21 na frequência onde a transferência de potência é maximizada. Para os casos estudados, observou-se que a frequência ideal muda muito pouco com a temperatura ou a deformação da placa sobre a qual os transdutores são fixados, permanecendo com valores entre 0,988 e 0,995 MHz em todas as condições avaliadas. Em função da deformação da placa metálica, a amplitude do sinal S21 também variou muito pouco, de -3,70 para -3,14 dB, desde a condição indeformada da placa até a máxima deformação aplicada, que foi de 1250 (Micro)m/m. Quanto à variação com a temperatura, na faixa de 30 a 100 Graus C, mais uma vez observou-se apenas um pequeno aumento de 0,8 dB na amplitude do sinal S21. Entretanto, para temperaturas acima de 100 Graus C, o sinal passa a cair rapidamente. Em nenhuma das condições estudadas neste trabalho foi observado prejuízo na transferência de potência entre os transdutores, indicando que este tipo de comunicação pode ser uma alternativa robusta ao uso de penetradores elétricos. / [en] Acoustic, sonic or ultrasonic waves can be used for wireless telemetry as an alternative to electromagnetic systems, transferring data and energy along a channel formed by one or more layers of elastic solids or acoustic fluids. An example of this is the interrogation of passive sensors through a metallic wall. In this configuration, at least one acoustic transducer is attached to one face of the wall (external face) where electrical power supply is available. One or more transducers are also attached to its other side (internal face) where the sensors are installed. In most applications, these transducers are piezoelectric ceramics that generate and receive ultrasonic signals. Ultrasonic acoustic waves propagate along the elastic solid, transferring energy and data between both sides, which enables the power supply and interrogation of the sensors. This type of configuration can be used in applications where the use of an electrical or optical penetrator is not suitable. However, the response of piezoceramics may be affected by temperature variations and mechanical deformations of the metallic wall on which they are attached. The present work sought to quantify the influence of mechanical deformation and temperature changes on the communication between two ultrasonic piezo ceramic transducers, adhered to a metal plate by using an epoxy adhesive. The parameter used to quantify this influence was the S21 signal, which is the logarithm of the ratio between the power received from the output of the system (internal face of the wall) to the power transmitted by the input (external face of the wall). The work presents comparisons between experimental and simulated results obtained by using a finite element model developed through the commercial software COMSOL Multiphysics. In the configuration experimentally tested, two PZT-4 disks with diameter and thickness of, respectively, 25 and 2 mm were concentrically attached to both sides of a 6 mm thick, AISI 316 L stainless steel plate. Amplitudes of the S21 signal measured at the frequency where power transfer is maximized were obtained for different temperature and strain levels. Results for all of the evaluated conditions showed that the impedance matching frequency suffers little influence from temperature variations or strain in the plate on which the transducers are attached, having remained within a range from 0.988 to 0.995 MHz in all tests. As mechanical strains were applied to the metal plate, the amplitude of the S21 signal varied from -3.70 dB to -3.14 dB, from the undeformed condition to the maximum applied deformation (1250 (Micro)m/m). Regarding temperature changes, a small increase of 0.8 dB in the amplitude of the S21 signal was observed when increasing temperature from 30 C Degrees to 100 C Degrees. However, for temperatures above 100 C Degrees, the signal was found to quickly decay. None of the conditions studied in this work brought any impairment to the power transfer between the transducers, indicating that this type of communication can be a robust alternative to electrical penetrators.

[pt] Ondas ultrassônicas podem ser usadas para ensaios não destrutivos. Elas são geradas e adquiridas por transdutores. Transdutores acústicos eletromagnéticos (EMATs) possuem algumas vantagens em relação a transdutores tradicionais piezoelétricos, principalmente a capacidade de gerar ondas ultrassônicas sem necessidade de contato físico com o meio em teste. No entanto, sua principal desvantagem é a menor eficiência, que resulta em uma relação sinal-ruído mais baixa. Técnicas de casamento de impedância podem ser utilizadas para combater isso. A rede de casamento de impedância do tipo circuito L é comumente utilizada para garantir a transferência máxima de potência da eletrônica de excitação para o EMAT. Existem diversas variáveis que podem afetar a impedância de um EMAT além do próprio transdutor, como as propriedades e distância do material, a temperatura e a frequência de excitação. Portanto, para garantir a transferência máxima de potência, o circuito de casamento de impedância precisa ser reconfigurado e ter seus valores ajustados sempre que um dos fatores mencionados acima sofrer alteração. O processo de ajuste manual desta rede é trabalhoso e demorado, portanto, sua automação pode trazer grandes benefícios para o uso de transdutores EMAT. Esta dissertação propõe um circuito simplificado, com um único elemento, para casamento de impedância de EMATs. Os valores teóricos ideais para circuitos mono-elemento foram obtidos. Simulações confirmaram sua viabilidade em aumentar a eficiência do EMAT. Circuitos de casamento manual e automáticos foram projetados e construídas. Configurações experimentais foram elaboradas e postas em prática. Experimentos com dois transdutores EMATs distintos foram conduzidos utilizando várias frequências. O sistema automático foi capaz de determinar a melhor configuração para o circuito mono-elemento de casamento de impedância e forneceu um ganho de até 5,6 dB, similar à solução manual. A configuração automática foi mais de duas vezes mais rápida do que a manual. / [en] Ultrasonic waves can be used for nondestructive testing. They are generated and acquired by transducers. Electromagnetic acoustic transducers (EMATs) have some advantages over traditional piezoelectric transducers. Mainly, the ability to generate ultrasonic waves without requiring physical contact with the medium under test. Nevertheless, they present a main drawback of less efficiency, which leads to a lower signal-to-noise ratio. To overcome this, impedance matching techniques can be used. The L-network impedance matching network is often used in order to ensure maximum power transfer to the EMAT from the excitation electronics. There is a wide range of variables that can affect an EMAT s impedance besides the transducer itself, namely, the properties and distance to the specimen material, the temperature, and the excitation frequency. Therefore, to ensure optimal power transfer, the Lnetwork s configuration needs to be tuned whenever one of the factors that affect impedance changes. The process of manually adjusting the impedance matching network is a laborious and time-consuming task, therefore, its automation can be of great benefit to the use of EMAT transducers. In this work, a simplified one-element automatic matching network is proposed. The theoretical optimal values for the one-element matching networks are derived. Simulations confirmed their effectiveness to increase EMAT efficiency. Manual and automatic networks were designed and built. Experiments were performed with two dierent EMATs at several frequencies. The automatic system was able to determine the best conguration for the one-element matching network and provided up to 5.6 dB gain, similar to the manual solution. The automatic setup was more than two-fold faster than the manual one.

A sobreposição de frequências ultrassônicas a uma ferramenta em operações de perfuração, utilizando transdutores piezelétricos, resulta em melhorias na usinagem de metais, garantindo melhor acabamento (ausência de rebarba), redução do tamanho do cavaco e menor desgaste ferramental. A utilização desse tipo de técnica na perfuração de rochas reduz a carga axial e aumenta a velocidade do processo, possibilitando maior profundidade de perfuração, podendo vir a ser muito útil em pesquisas aplicadas à perfuração de reservas petrolíferas e exploração mineral. Este trabalho teve como objetivo simular e aplicar um transdutor piezelétrico ultrassônico de potência para perfuração de rochas e metais. Para as simulações numéricas duas técnicas foram utilizadas: o método dos elementos finitos (MEF) e o método das matrizes em cadeia (MMC). O MEF permitiu análises harmônicas e modais de forma rápida e precisa enquanto o MMC resultou em expressão analítica, possibilitando melhor compreensão dos parâmetros físicos e geométricos envolvidos na performance do transdutor. Ambos os métodos nortearam o projeto do protótipo a ser usado em ensaios de perfuração. Para a construção do protótipo, foi projetado um mandril para a fixação da broca, que foi adaptado a um transdutor de potência de 20 kHz. Ensaios de perfuração de rochas e de discos de alumínio foram realizados com o protótipo. A aplicação do protótipo à perfuração de rochas carbonáticas demonstrou redução no tempo de furação, quando comparada ao método convencional (sem aplicação de ultrassom). Na furação de discos de alumínio, a redução de rebarbas, quebra do cavaco durante a operação e melhor acabamento da peça, são conclusões evidentes das melhorias proporcionadas pela sobreposição de frequências ultrassônicas à broca. / Superposition of high frequency vibration in the tool, driven by a piezoelectric actuator, in a drilling machining process of metals results in some improvements such as finishing quality (without burr), reduction of tool wear and chip dimensions. Similar techniques applied in rock perforation reduce the axial load in the tool, which enhances the process velocity, resulting in deeper perforation. This might be useful in oil and mineral exploration, opening the feasibility of researches in this field. The aim of this work is to simulate and implement an ultrasonic piezoelectric transducer to perforate rocks and metals. Concerning numerical simulation, two techniques were performed: finite element method (FEM) and chain matrix method (CMM). FEM simulations provide fast and effective modal and harmonic analysis. CMM provide mathematical expressions, analytically exposing geometrical and physical parameters involved in the transducer performance. Both methods were the guide and basement for the prototype project, able to perform perforation experiments. For the construction of the prototype, a drill chuck were designed and adapted for a 20 kHz power ultrasonic transducer. Aluminum drilling and rock perforation experiments were carried out with this prototype. A lower perforation time was achieved in carbonate rocks when the ultrasound-aided method was used as opposed to the conventional method. Results in aluminum disks presented burr reduction, better part finishing and breakage of chips during operation. Those results evidently appoint some improvements due to the power ultrasonic superposition in the drilling process.

No final da década de 90, foi observado que filmes de espumas poliméricas carregadas eletricamente poderiam apresentar elevados coeficientes piezoelétricos quando eletricamente carregados. Isso devido a macro dipolos elétricos, formados por cargas elétrica opostas aprisionadas nas superfícies internas das cavidades do material. Esses filmes porosos, receberam os nomes de piezoeletretos ou ferroeletretos. Inicialmente produzidos por microextrusão aerada a partir de polipropileno, esses piezoeletretos estimularam as pesquisas devido aos elevados coeficientes piezoelétricos apresentados. No entanto, à baixa estabilidade térmica desse material, limitou sua aplicação em temperaturas mais elevadas. Isso direcionou as pesquisas para técnicas de produção de espumas com outros materiais. Recentemente, uma nova abordagem com dois filme de Teflon FEP moldados e colados por fusão, mostrou-se viável na produção de estruturas com cavidades fechadas. Por meio desse processo termo-moldado, não só estruturas termicamente mais estáveis foram produzidas mas também com elevados coeficientes piezoelétricos. Porém a principal vantagens desse processo foi a possibilidade de produzir estruturas com cavidades bem definidas, o que permite um carregamento mais uniforme e controle na freqüência de ressonância. Contudo, todos os processos de produção de piezoeletretos apresentados, possuem algumas limitações, como, por exemplo, o controle efetivo das cavidades e limites quanto ao número de camadas, o que tem se observado aumenta a resposta elétrica. Neste trabalho, é apresentada uma nova técnica para a produção de piezoeletretos, baseada em um sistema de laminação. Este possibilita elaborar estruturas com total controle das cavidades, através da fusão de dois poliméricos juntamente com um molde pré-fabricado. Os coeficientes piezoelétricos obtidos com essas estruturas foram similares aos encontrados nas espumas e termicamente mais estáveis quando produzidas com fluoropolímeros. Ainda neste trabalho foram analisadas a influência da altura e largura das cavidades no coeficiente piezoelétrico, o comportamento de estruturas formadas com diferentes polímeros, e também a versatilidade de estruturas com múltiplas camadas. / At the end of 90´s, it was observed that electrically charged foams made from polymers films could exhibit very high piezoelectric coefficients, due to macro-dipoles formed by trapped charges in the inner surfaces of the internal voids of the film. This films with small cavities after has been electrically charged received the names of piezoelectrets or ferroelectrects. They were initially prepared from polypropylene grains extruded into films in a physical blow process. However, the low thermal stability of the piezoelectric coefficient presentec by this voided films, motivated researches to explore different materials which were thermically more stables. Recently a new approach, were two Teflon FEP films were molded and fused to produce cavities with bubbles shapes was presented. These thermo-fused structures reveal also to present very high piezoelectric coefficients, after received properly charging. One of the major advantages of this molded structures piezoelectrets is the possibility to create piezoelectrets with well defined voids, which is supposed to provide a more homogeneous charging and a broadband frequency control. Nevertheless, the methods to produce homogenic structures developed so far are still facing problems to control the cavities and to create multi-layer structures. In this work a new process to produce piezoelectrets is presented. The method based on the lamination of two polymer films with a pre-fabricated template provides full control of the air cavities. After the template is removed, a well defined open channel structures is formed. Later when electrodes are deposited on both sides of the fused films the structure is electrically chargec and a piezoelectret with piezoelectric coefficients similar to the foams is formed. With this new controlled process to prepare piezoeletrets several parameters of the cavities were investigated, including the comparison of ferroelectretcs made from different materials and multi-layers samples.

Orientador: Jozué Vieira Filho / Banca: Vicente Lopes Junior / Banca: Carlos Antonio. Barros Alves / Banca: Carlos de Marqui Junior / Banca: Washington Luiz de Melo / Resumo: A técnica da impedância eletromecânica (E/M) tem sido amplamente pesquisada para o desenvolvimento de sistemas de SHM (Structural Health Monitoring - monitoramento de integridade estrutural) em diversas aplicações. Embora existam muitos trabalhos que indiquem a eficiência e a viabilidade dessa técnica, alguns problemas práticos em aplicações reais ainda precisam ser investigados. A medição da impedância elétrica, etapa básica da técnica, geralmente é realizada por instrumentos comerciais volumosos, pesados e de alto custo, características proibitivas para muitas aplicações. A seleção da faixa de frequência em que a impedância deve ser medida para assegurar boa sensibilidade ao dano é feita por métodos de tentativa e erro ou por metodologias que utilizam dados medidos em uma quantidade considerável de testes. Além disso, o dimensionamento dos transdutores é feito sem um embasamento teórico, independentemente das características da estrutura monitorada. Neste trabalho é proposto um sistema de medição de impedância elétrica rápido, versátil e de baixo custo que substitui com eficiência os instrumentos comerciais. A partir de um circuito eletromecânico equivalente, o efeito de carregamento do transdutor devido à estrutura monitorada foi analisado. A análise do efeito de carregamento permite dimensionar corretamente o transdutor de acordo com a estrutura monitorada e assegurar um bom desempenho do sistema. O circuito eletromecânico também foi utilizado para determinar, teoricamente, as faixas de frequência em que o transdutor tem boa sensibilidade e auxiliar na seleção da faixa de frequência adequada para a detecção de danos estruturais. Todas as metodologias propostas foram verificadas através de experimentos em estruturas de alumínio e houve uma boa concordância entre os resultados teóricos e experimentais / Abstract: The electromechanical (E/M) impedance technique has been widely studied for the development of Structural Health Monitoring (SHM) systems in various applications. Although there are many studies indicating the effectiveness and feasibility of this technique, some practical issues in real applications yet should be investigated. The electrical impedance measurement, basic stage of the technique, is usually performed by bulky, heavy and expensive instruments; these features are prohibitive for many applications. The selection of the frequency range in which the electrical impedance must be measured to ensure good sensitivity for damage detection is performed by trial and error methods or by methodologies that use measured data in a considerable amount of tests. Furthermore, the design of the transducer is done without theoretical basis, regardless the characteristics of the host structure. In this work, a fast, versatile and low-cost electrical impedance measurement system was developed; the proposed system successfully replaces the conventional instruments. From an equivalent electromechanical circuit, the transducer loading effect due to the host structure was analyzed. The analysis of the loading effect allows the correct design of the transducer according to the host structure for ensure a good performance of the system. The electromechanical circuit was also used to theoretically determine the frequency ranges in which the transducer has good sensitivity and assist in the selection of the suitable frequency range for structural damage detection. All proposed methodologies were validated by experimental tests on aluminum structures and there was a good match between the theoretical and practical results / Doutor

No final da década de 90, foi observado que filmes de espumas poliméricas carregadas eletricamente poderiam apresentar elevados coeficientes piezoelétricos quando eletricamente carregados. Isso devido a macro dipolos elétricos, formados por cargas elétrica opostas aprisionadas nas superfícies internas das cavidades do material. Esses filmes porosos, receberam os nomes de piezoeletretos ou ferroeletretos. Inicialmente produzidos por microextrusão aerada a partir de polipropileno, esses piezoeletretos estimularam as pesquisas devido aos elevados coeficientes piezoelétricos apresentados. No entanto, à baixa estabilidade térmica desse material, limitou sua aplicação em temperaturas mais elevadas. Isso direcionou as pesquisas para técnicas de produção de espumas com outros materiais. Recentemente, uma nova abordagem com dois filme de Teflon FEP moldados e colados por fusão, mostrou-se viável na produção de estruturas com cavidades fechadas. Por meio desse processo termo-moldado, não só estruturas termicamente mais estáveis foram produzidas mas também com elevados coeficientes piezoelétricos. Porém a principal vantagens desse processo foi a possibilidade de produzir estruturas com cavidades bem definidas, o que permite um carregamento mais uniforme e controle na freqüência de ressonância. Contudo, todos os processos de produção de piezoeletretos apresentados, possuem algumas limitações, como, por exemplo, o controle efetivo das cavidades e limites quanto ao número de camadas, o que tem se observado aumenta a resposta elétrica. Neste trabalho, é apresentada uma nova técnica para a produção de piezoeletretos, baseada em um sistema de laminação. Este possibilita elaborar estruturas com total controle das cavidades, através da fusão de dois poliméricos juntamente com um molde pré-fabricado. Os coeficientes piezoelétricos obtidos com essas estruturas foram similares aos encontrados nas espumas e termicamente mais estáveis quando produzidas com fluoropolímeros. Ainda neste trabalho foram analisadas a influência da altura e largura das cavidades no coeficiente piezoelétrico, o comportamento de estruturas formadas com diferentes polímeros, e também a versatilidade de estruturas com múltiplas camadas. / At the end of 90´s, it was observed that electrically charged foams made from polymers films could exhibit very high piezoelectric coefficients, due to macro-dipoles formed by trapped charges in the inner surfaces of the internal voids of the film. This films with small cavities after has been electrically charged received the names of piezoelectrets or ferroelectrects. They were initially prepared from polypropylene grains extruded into films in a physical blow process. However, the low thermal stability of the piezoelectric coefficient presentec by this voided films, motivated researches to explore different materials which were thermically more stables. Recently a new approach, were two Teflon FEP films were molded and fused to produce cavities with bubbles shapes was presented. These thermo-fused structures reveal also to present very high piezoelectric coefficients, after received properly charging. One of the major advantages of this molded structures piezoelectrets is the possibility to create piezoelectrets with well defined voids, which is supposed to provide a more homogeneous charging and a broadband frequency control. Nevertheless, the methods to produce homogenic structures developed so far are still facing problems to control the cavities and to create multi-layer structures. In this work a new process to produce piezoelectrets is presented. The method based on the lamination of two polymer films with a pre-fabricated template provides full control of the air cavities. After the template is removed, a well defined open channel structures is formed. Later when electrodes are deposited on both sides of the fused films the structure is electrically chargec and a piezoelectret with piezoelectric coefficients similar to the foams is formed. With this new controlled process to prepare piezoeletrets several parameters of the cavities were investigated, including the comparison of ferroelectretcs made from different materials and multi-layers samples.

O excesso de gordura corporal esta associado a diversas doenças de ordem metabólica, psicológica e estrutural. É indicado que a adolescência é o período crítico para o desenvolvimento de hábitos associados ao acúmulo de gordura como a inatividade física, má alimentação e sedentarismo. Desta forma, esta é uma fase crítica para o monitoramento da população visando a redução de casos de obesidade e doenças associadas. A técnica padrão-ouro para avaliação da gordura corporal é a absorciometria de raios-X de dupla-energia. Porém seu caráter laboratorial impede o uso amplo. Desta forma, técnicas mais simples, como a medição de dobras cutâneas devem ser modeladas a partir de técnicas mais exatas para este monitoramento. Os modelos existentes foram desenvolvidos com populações estrangeiras que não se assemelham aos habitantes da Região Metropolitana de Curitiba o que pode levar a erros de avaliação e diagnóstico. Desta forma o objetivo deste estudo é produzir um modelo de análise da gordura corporal apropriado a crianças e adolescentes da Região Metropolitana de Curitiba. Foram selecionadas duas amostras, uma composta por 567 adolescentes hígidos com idade entre 10 e 18 anos; e outra composta por 63 crianças com paralisia cerebral entre 3 e 10 anos. Os dois grupos possuíam indivíduos de ambos os sexos. Foram coletados dados de massa, estatura, idade e espessura de dobras cutâneas, além da avaliação de composição corporal por densitometria radiológica. O percentual de gordura obtido por diferentes equações de dobras cutâneas e demais medidas antropométricas entre os adolescentes foi comparado com o obtido por densitometria indicando associações abaixo do indicado (CCC<0,900). Foi encontrada também uma tendência de subestimação pelas dobras cutâneas, o que resultava em elevados valores de especificidade e baixos de sensibilidade (sendo especificidade á quantidade relativa de verdadeiros negativos entre quem não possui a condição clínica, e a sensibilidade a relação de verdadeiros positivos entre quem possui a condição considerada). Isto indica uma grande quantidade de falsos negativos o que leva muitos adolescentes com excesso de gordura a serem classificados como eutróficos. O modelo classificatório desenvolvido para adolescentes obteve um ajuste de R2 Negelkerke=0,829, sensibilidade de 99,0% e especificidade de 82,7% apresentando indicadores diagnósticos acima do obtido por equações de dobras cutâneas e IMC. Para as crianças com paralisia cerebral foi desenvolvido um modelo estimativo da massa de gordura com ajuste de R2 =0,950 com erro padrão de estimativa de 1,039. As equações utilizadas para converter as dobras cutâneas em medições da gordura corporal demonstraram-se inadequadas para aplicação em adolescentes da região metropolitana de Curitiba. A aplicação de técnicas de regressão logística e linear apresentou resultados positivos, mesmo a partir da modelagem na amostra de crianças com paralisia cerebral. / The overfat is associated with many methabolic, psycological and structural diseases. The adolescence is indicated as the critical period for the development of habits associated with fat accumulation like physical inactivity, poor diet and sedentarism. Thus, this is a important moment to monitorig the population aiming the reduction of obesity and associated disease. The golden standard to evaluate the body fatness is the dual-energy x-ray absorptiometry. However, its laboratorial aspect prevents a wide use. This way, simpler techniques as the skinfold measurement should be model from more exact techniques for this monitoring. The existing models were developed with foreign populations that don't resemble the Curitiba Metropolitan Region habitants. This could lead to evaluation and diagnostic errors. Thus, the aim of this study is to product a model of body fatness analysis appropriate to children and adolescents from the Curitiba Metropolitan Region. Two sample were selected, the first one composed by 567 healthy adolescents aged between 10 and 18 years; the other one composed by 63 children with cerebral palsy between 3 and 10 years. The groups have both genders. The data of weight, height, age and skinfold thickness were collected, beyond the body composition evaluation by radiologic densitometry. The fatness percentage obtained by different skinfold and other anthopometric mesures equations among the adolescents was compared with the obtained by densitometry presenting associations below indicated (CCC<0,900). A tendency of underestimation by the skinfold equations was found, that resulted in higher specificity values and low sensitivity (being specificity the relative quantity of true negatives among those who do not have de clinical condition, and the sensitivity the relations of true positives amons those who have the considered condition). This indicates a major quantitaty of false negatives, that leads many overfat adolescents to be classify as eutrophic. The developed classificatory model for adolescents obtained an adjustment of R2 Negelkerke=0,829, sensitivity of 99,0% and specificity of 82,7% presenting diagnostic's indicators above that obtained by skinfold equations and BMI. For the children with cerebral palsy was developed a fat mass estimation model with adjustment of R2 =0,950 and standard error of estimative of 1,039. The equations used to convert the skinfold in body fatness measures were found to be inadequate for aplication in adolescents from Curitiba Metropolitan Region. The aplication of logistic and linear regression techniques have presented positive results, even from modeling in the children with cerebral palsy sample.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / This thesis presents the design methodology, the construction of a prototype and the experimental validation of an active vibration damper witch is controlled by a piezoelectric actuator. The proposed device has two flexible metallic bellows connected to a rigid reservoir filled with a viscous fluid. When one of the bellows is connected to a vibrating structure a periodic flow passes through a variable internal orifice and the damping effect is produced. The size of the orifice is adjusted by a piezoelectric control system that positions the conical core into a conical cavity. The damper device finite element computational model was developed considering that the valve body is rigid and that the fluid - structure iteration occurs between the fluid and the flexible bellows. This model is discretized using a lagrangean-eulrian formulation. The actuator has a closed flexible metallic structure that amplifies the displacement produced by an internally mounted stack of piezoelectric ceramic layers, and it is also modeled by the finite element method. The damper prototype was built and experimental tests using impulsive and harmonic excitations were conducted to determine its dynamic behavior and also to validate the developed computational models. The simulation and experimental results are compared by curves that relate the damping coefficient with the size of the orifice. Reduced dynamical models are proposed to represent the behavior of the damper device with fixed and variable orifice sizes. A local classic PID controller for the piezoelectric actuator was design to assure that the valve core assume the correct position, providing the commanded damping coefficient. The damper device was applied to a vibration system that represents the model of a quarter-car vehicle. One on-off controller and another fuzzy controller were design to control the vibrations of the vehicle equipped with the proposed active damper. Experimental tests shown that the damping coefficient values, commanded by the global controller, were achieved in time intervals lesser than 10 milliseconds. These results demonstrate the very good performance of the proposed damper device. / Esta tese apresenta o desenvolvimento de uma metodologia de projeto, a construção de um protótipo e a validação experimental de um amortecedor ativo de vibrações controlado por um atuador piezelétrico. O dispositivo proposto contém um circuito hidráulico constituído por dois foles metálicos flexíveis conectados a um reservatório rígido cheio com um fluido viscoso. Quando um dos foles é conectado a uma estrutura vibratória um fluxo de fluido é forçado através de um orifício variável, produzindo o efeito de amortecimento. O tamanho do orifício é ajustado por um sistema piezelétrico de controle que posiciona um obturador cônico numa cavidade cônica. O amortecedor é modelado pela técnica dos elementos finitos considerando que o corpo da válvula rígido e que existe interação entre o fluido interno e a estrutura flexível dos foles. Este modelo é discretizado utilizando uma formulação Lagrangeana Euleriana. O atuador, composto por uma estrutura metálica flexível que amplifica o deslocamento produzido por uma pilha de cerâmicas piezelétricas, também é modelado pela técnica dos elementos finitos. Foi construído um protótipo do amortecedor e realizados ensaios experimentais com excitações impulsivas e harmônicas, para determinar o comportamento dinâmico e para validar os modelos computacionais desenvolvidos. A relação entre o tamanho do orifício e a correspondente força de amortecimento produzida é obtida tanto a partir de simulações feitas com o modelo computacional, como através de ensaios com o protótipo, para valores do tamanho do orifício fixos e variáveis. Propõe-se o uso de modelos dinâmicos reduzidos para representar a dinâmica do amortecedor. Para garantir que o atuador piezelétrico posicione corretamente o obturador da válvula, foi incorporado ao amortecedor um controlador local clássico tipo PID. O amortecedor ativo foi aplicado a um sistema vibratório que representa o modelo de um quarto de um automóvel. Desenvolveu-se projeto de um controlador liga - desliga e de um controlador fuzzy para controlar a vibração do veículo equipado com o amortecedor ativo. Testes experimentais mostraram que as alterações no valor do coeficiente de amortecimento da suspensão, comandadas pelo controlador global, foram realizadas em tempos inferiores a 10 milisegundos, indicando excelente desempenho do amortecedor proposto. / Doutor em Engenharia Mecânica

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / As cerâmicas piesoelétricas estudadas neste trabalho (Pb1,03Zr0,53Ti0,47O3, Pb1,03Zr0,525Nb0,05Ti0,465Fe0,005O3, Pb1,03Zr0,515Nb0,015Ti0,465Fe0,005O3, Pb1,03Zr0,525Nb0,005Ti0,455Fe0,015O3 e Pb1,03Zr0,515Nb0,015Ti0,455Fe0,015O3) foram sinterizadas a 1200oC e 1250oC por 3,5 h a fim de que suas propriedades piesoelétricas fossem investigadas. Nas composições dos PZT obtidas, a matriz e os dopantes empregaram óxidos como matérias primas. As misturas dos óxidos precursores foram calcinadas a 850oC por 3,5 h para obtenção da fase PZT. Os precursores, os pós e os corpos de prova de PZT foram caracterizados quanto às microestruturas, densidades e propriedades físicas. Após a conformação dos pós e a sinterização, os materiais cerâmicos foram polarizados para caracterização de suas propriedades piesoelétricas através de um impedancímetro na faixa de freqüência de 100 KHz a 200 KHz. Os resultados de dispersão de laser dos precursores revelaram aglomeração do óxido de chumbo e óxido de zircônio. As composições calcinadas apresentaram tamanho de partícula na faixa de 0,44 &#956;m a 0,63 &#956;m. As análises de densidade por método de Arquimedes indicaram uma boa densificação dos corpos de prova sinterizados e pouca influência da temperatura de sinterização com uma escala de valores de 95,73 a 97,65% da densidade teórica. As análises de microscopia eletrônica de varredura revelaram que os sinterizados contendo concentrações diferentes de dopantes exibem uma correlação do tipo e teor de dopante com a natureza da fratura, sendo transgranular, quando dopante ferro for predominante e intergranular, quando o dopante Nb for predominante. Também, o aumento da temperatura de sinterização resultou em fratura transgranular independente do tipo e da concentração de dopante, exceto para baixo teor de dopante da composição equimolar, cujos resultados não foram consistentes com a literatura sobre o material. No que diz respeito às propriedades piesoelétricas, revelou-se que a combinação da variação da composição com a temperatura foi favorável para o aumento dos valores da constante dielétrica da formulação equimolar com maior percentual de dopantes. Já o efeito da temperatura com a composição surtiu um efeito muito negativo para os valores de fator de qualidade mecânica da formulação dopada com mais ferro. Para os valores de constante de freqüência da formulação com maior percentagem de nióbio, o efeito da temperatura com a composição gerou um efeito positivo. / The piezoelectric ceramics studied in this work, Pb1.03Zr0.53Ti0.47O3, Pb1.03Zr0.525Nb0.05Ti0.465Fe0.005O3, Pb1.03Zr0.515Nb0.015Ti0.465Fe0.005O3, Pb1.03Zr0.525Nb0.005Ti0.455Fe0.015O3 and Pb1.03Zr0.515Nb0.015Ti0.455Fe0.015O3, were all of them sintered between 1200oC and 1250oC for 3.5h. After that, their piezoelectric properties were investigated. In the present work, oxides were used as raw material in both, matrices and dopants. The mixture of the precursor oxides were calcinaned at 850oC during 3.5h for obtaining the PZT phase. The precursor oxides, the powders and the PZT samples went through characterization tests in order to have their microstructures, densities and physical properties correctly determined. After the powders had been conformed and performed the sinterization process, the PZT ceramics were polarized and their piezoelectric properties determined by using an impedancemeter working in the frequency from 100 KHz to 200 KHz. The obtained results from laser dispersion had revealed agglomeration of lead and zirconium oxide. The calcined samples presented particle sizes from 0.44 &#956;m to 0.63 &#956;m. The density analyses using the Archimedes method indicated a good densification of the sintered samples and a weak influence of the sintering temperature on the obtained density values, whose values ranged from 95.73 to 97.65 % of the theoretical density value. Analysis performed using the scanning electron microscopy technique (MEV) revealed that the sintered samples had showed a correlation between the type and concentration of the dopant with their fracture mode, which were transgranular when Fe prevails over the Nb as dopant, and intergranular, when is the Nb that prevails over the Fe as dopant. By the other side, from increasing the sintering temperature resulted transgranular fractures, independently of which type and content of dopant had been used, except for the equimolar case with relatively low content of dopant, whose results were not consistent with the literature related to this material. About the piezoelectric properties, the results had showed that the combination of the dopant composition with the sintering temperature had brought better values of dielectric constant for the equimolar formulation with more content of dopant. Relating to the mechanical quality factor, from the combination of the dopant composition with the sintering temperature had decreased the factor when Fe prevails over Nb and increased the frequency factor when is the Nb that prevails over the Fe.

O Simulador de Paciente Humano (Human Patient Simulator - HPS) é um recurso científico e tecnológico de Engenharia Biomédica com soluções de hardware e software que simulam a fisiologia humana. O objetivo é avaliar um caso de uso da simulação clínica com a aplicação do HPS no procedimento de mensuração da pressão arterial (PA) com esfigmomanômetro aneróide e estetoscópio. A pesquisa foi aprovada pelo comitê de ética no parecer 1.544.404/2016. A parte prática do trabalho foi realizada no Laboratório de Simulação de UTI do IFRR. A pesquisa envolveu trinta e três voluntários, estudantes do Curso Técnico em Enfermagem, divididos aleatoriamente em dois grupos. A metodologia proposta utilizou uma pesquisa exploratório-descritiva para extrair dados quantitativos, qualitativos e estatísticos para comparar os resultados de mensuração da PA do Grupo Experimental (GE) com o Grupo Controle (GC). A pesquisa foi desenvolvida em duas partes. Na parte I, um questionário pré-teste foi aplicado inicialmente, experimento de mensuração da PA seguindo o procedimento do respectivo grupo; e o questionário pós-teste. Na parte II, os grupos foram invertidos e submetidos às mesmas etapas da parte I. Coletou-se um total de 599 PAs mensuradas pelos voluntários, sendo 528 PAs do GE e 71 PAs do GC. Com estas PAs foi realizado o teste t de Student ou teste de Wilcoxon com 95% do intervalo de confiança, a depender do teste de linearidade, para comprovar as hipóteses (nula ou alternativa) individualmente e para análise em grupo utiliza o ANOVA ou teste de Kruskal-Wallis possibilitando distinguir quais os voluntários que necessitam de mais treinamento e o respectivo nível da PA. No pós-teste, ao utilizar a escala Likert, os voluntários da pesquisa do GE concordaram em 54% que a metodologia utilizando o HPS fortalece um conhecimento para o desenvolvimento de habilidades clínicas, assim como ser capazes de distinguir sinais normais dos anormais que são propícios para a aprendizagem. Comparando estatisticamente ambos os grupos, o GC destaca que: 53% sabem medir a PA, 13% não sabem medir a PA e 35% das amostras estão inválidas, enquanto o GE apresenta 64% dos voluntários sabem medir a PA, 22% não sabem medir a PA e 14% das amostras estão inválidas. Ademais, os voluntários apresentaram eficácia quando utilizam o HPS. / The Human Patient Simulator (Human Patient Simulator - HPS) is a scientific and technological resource of Biomedical Engineering with hardware and software solutions that simulate human physiology. The objective of this study was to evaluate a case of clinical simulation using an HPS to perform blood pressure (BP) measurement using an aneroid sphygmomanometer and a stethoscope. The research was approved by the ethics committee in the legal opinion 1544.404 / 2016.The practical part of this work was carried out in the ICU Simulation Laboratory of the IFRR. The research involved thirty-three volunteers, who were students of the Nursing Technical Course, randomly divided into two groups. The proposed methodology made use of an exploratory-descriptive research to obtain quantitative, qualitative and statistical data to compare the results of the BP measurement of the Experimental Group (EG) with the Control Group (CG). The research was developed in two parts. In part I, a pre-test questionnaire was initially applied, an experiment of BP measurement following the respective group’s procedure; and a post-test questionnaire. In part II, the groups were inverted and submitted to the same phases of part I. A total of 599 PAs were measured by volunteers, being 528 PAs from the GE and 71 PAs from the GC. With the BP readings, either the Student's t or the Wilcoxon test was performed with a 95% confidence interval, depending on the linearity test, to test the hypotheses (null or alternative) individually, and for the group analysis it was used either the ANOVA or Kruskal's test -Wallis making it possible to distinguish which volunteers need more training and their respective AP level. In the post-test, when the Likert scale was used, there was a 54% agreement among the EG research volunteers that the methodology using the HPS strengthens the knowledge for the development of clinical skills, as well as being able to distinguish normal from abnormal signals that are conducive to learning. Statistically comparing both groups,in the CG: 53% know BP measurement, 13% do not know BP measurement and 35% of the samples are invalid, while in the EG: 64% of the volunteers know BP measurement, 22% do not know how to measure BP and 14% of the samples are invalid. In addition, the volunteers show effectiveness when using the HPS.