Sistema de instrumentação de baixo custo compatível com o LabVIEW

A procura de soluções de baixo custo é hoje em dia, uma exigência quando se fala em aquisição de equipamentos para empresas e instituições. Essa procura torna-se ainda mais premente quando as soluções disponíveis comercialmente são demasiado caras e não traduzem por completo os objectivos para as quais se destinam. Com o trabalho desenvolvido nesta tese de Mestrado pretendeu-se criar uma versão low cost de um sistema de medição de deformações em estruturas, para ser utilizado pelo laboratório de Engenharia Civil da Universidade da Madeira. Fazendo uso da filosofia low cost utilizada para o desenvolvimento do sistema de medição, utilizou-se um Arduíno Duemilanove como plataforma de interface com o LabVIEW, em detrimento das dispendiosas placas de aquisição de dados. De forma a tornar o sistema de medição funcionalmente mais completo, e aproveitando-se a interface criada, bem como os deflectómetros digitais pertencentes à instituição, criou-se um sistema de medição personalizado que consegue medir simultaneamente os dados de três extensómetros e os valores medidos por dois deflectómetros. Foram efectuados diversos testes no equipamento desenvolvido, permitindo não só a calibração do mesmo, mas também um estudo das suas capacidades e limitações. Por fim, e de forma a demonstrar a versatilidade da interface criada, procedeu-se a um teste final onde foi possível verificar-se que era possível obter-se uma taxa de amostragem de cerca de 408,3Hz, caso o sistema fosse utilizado para a aquisição de um só valor de tensão analógico.

Aplicações de instrumentação virtual em metrologia e qualidade

Com a evolução constante da tecnologia, também a ciência da medição, ou Metrologia, necessita de processos de medição mais exatos e fiáveis, por vezes automatizados, de modo a ser possível fornecer informações mais corretas sobre uma determinada grandeza física. Entre estas informações destaca-se a incerteza de medição, que permite ao utilizador ter uma estimativa sobre qual o valor final da grandeza física medida, que com processos de medição mais complexos, tornam a sua obtenção mais difícil, sendo necessário, por vezes, a utilização de métodos computacionais. Tendo isto em conta, com esta dissertação pretende-se abordar o problema da automatização de processos de medição, bem como da obtenção de incertezas de medição que reflitam a natureza da grandeza física medida através de métodos computacionais. De modo a automatizar um processo de medição, mais concretamente da calibração de manómetros, utilizou-se o LabView para criar um instrumento virtual que permitisse ao utilizador, de forma simples e intuitiva, realizar o procedimento de calibração. Também se realizou outro instrumento virtual, de modo a permitir a obtenção simultânea de dados provenientes de dois equipamentos diferentes. Relativamente às incertezas de medição, utilizou-se o Método de Monte Carlo, implementado em MATLAB e Excel, de modo a obter o valor destas para a calibração de manómetros, de uma câmara geradora de humidade relativa e de um higrómetro de ponto de orvalho, sendo que os dois últimos possuem um modelo matemático complexo, sendo a análise analítica mais complexa e morosa. Tendo em conta os resultados obtidos, é possível afirmar que a criação de instrumentação virtual permite a adaptação, de uma forma simples, de vários processos de medição, tornando-os mais eficientes para além de reduzirem o erro do operador. Por outro lado, também é possível observar que a utilização de métodos computacionais, neste caso o Método de Monte Carlo, para estudo de incertezas de medição é uma mais valia, comparativamente ao GUM, permitindo umaa análise rápida e fiável de modelos matemáticos complexos.

Aplicações da trigonometria do 3º Ciclo na astronomia

Este relatório foi escrito no âmbito da disciplina de Prática de Ensino Supervisionado, unidade curricular pertencente ao Mestrado em Ensino da Matemática no 3º Ciclo do Ensino Básico e Secundário, durante o ano letivo de 2012/2013. Neste relatório, de forma resumida, descrevo todo o trabalho desenvolvido por mim e pelo grupo de estágio aquando da nossa formação numa escola básica e secundária da Região Autónoma da Madeira. Apresento também um enquadramento teórico que, de forma breve, corrobora as minhas ideias sobre o ensino da Matemática e o conhecimento da Ciência. Acredito que esta disciplina pode ser ensinada e aprendida com recurso a estratégias que englobam outras Ciências. O propósito está em, não só aprender Matemática, mas também desenvolver o raciocínio, pensamento crítico e interesse pelas Ciências de um modo geral nos alunos. Desta forma, neste relatório poder-se-á encontrar três métodos de ensino-aprendizagem (visitas de estudo, atividades investigativas e resolução de problemas) que utilizei nas aulas de Matemática, com o intuito de os alunos aprenderem Trigonometria com a Astronomia. O gosto e interesse pela Matemática e pelas Ciências desvanecem a cada dia que passa em grande parte dos alunos e caso os professores não encontrem estratégias para inverter esta tendência, corremos o sério risco de estar a criar gerações cientificamente iliteradas. Assim, neste relatório procurei verificar como é que a Astronomia poderá contribuir para a aprendizagem da Matemática e como é que, no ensino desta disciplina, a Astronomia poderá contribuir para uma melhor compreensão do mundo por parte dos alunos.

Controlo automático de um interferómetro para monitorização e caracterização de sensores interferométricos

A indústria de sensores de fibra óptica está a tornar-se cada vez mais importante e emprega diferentes técnicas que permitem monitorizar uma grande variedade de parâmetros. Uma das técnicas que apresenta grandes potencialidades, devido ao seu elevado desempenho, é a técnica interferométrica, que fornece, simultaneamente, uma grande sensibilidade e uma larga gama dinâmica. Além destas vantagens, juntam-se as vantagens comuns associadas a todos os sensores de fibra óptica, tais como passividade eléctrica, fiabilidade e possibilidade de multiplexagem, que também se aplicam aos sensores interferométricos. Outra técnica muito utilizada no ramo dos sensores de fibra óptica, em configurações interferométricas com intuito de interrogação, é a técnica de interferometria de luz branca. Esta técnica permite precisão de medição, insensibilidade a flutuações da potência óptica ao longo do sistema de interrogação, assim como uma resolução elevada. Com o intuito de tornar os sistemas de instrumentação / interrogação mais compactos e flexíveis foi desenvolvida uma plataforma de instrumentação virtual, que consiste em aplicações de software que implementam as funções dos instrumentos físicos em ambiente computacional. Esta área permite obter sistemas de instrumentação / interrogação menos complexos, de maior portabilidade e com um custo mais reduzido. Esta dissertação tem como objectivo o desenvolvimento de um sistema de interrogação de sensores de fibra óptica interferométricos controlado automaticamente através de instrumentação virtual, sendo necessário numa fase inicial um estudo aprofundado dos sensores de fibra óptica, das diferentes técnicas de interrogação e da área de instrumentação virtual. O capítulo 1 é o capítulo de introdução, onde são apresentados de forma genérica os diferentes conceitos inerentes ao trabalho, nomeadamente sensores de fibra óptica e os conceitos de interrogação de sensores interferométricos e conceitos de instrumentação virtual. Os sensores interferométricos são abordados com mais detalhe no capítulo 2. Neste capítulo são abordados os conceitos teóricos de interferometria, assim como os diferentes esquemas interferométricos geralmente utilizados em sensores de fibra óptica.No capítulo 3 são apresentados os diferentes esquemas de detecção de sinal utilizados para interrogar sensores interferométricos de fibra óptica. É apresentada a técnica de interferometria de luz branca e os esquemas de detecção de sinal homódina e heteródina. O conceito de instrumentação, com ênfase nos sistemas de instrumentação virtual é apresentado no capítulo 4. É abordado o tema de sistemas de instrumentação tradicionais e de instrumentação virtual, dando ênfase às vantagens destes últimos. É também apresentado o ambiente de programação LabVIEW e o amplificador lock-in virtual, utilizado no desenvolvimento do projecto. No capítulo 5 é apresentado o desenvolvimento do sistema de interrogação de sensores interferométricos proposto inicialmente. Todo o desenvolvimento, desde implementação do interferómetro receptor, passando pelo sistema de controlo baseado em instrumentação virtual, até à caracterização do sistema está documentado neste capítulo. A monitorização e caracterização de sensores interferométricos com o sistema apresentado no capítulo 5 estão documentadas no capítulo 6. No capítulo 7 são apresentadas as conclusões relativas ao trabalho desenvolvido, assim como as perspectivas futuras de evolução do sistema implementado.

Sistema de interrogação de sensores bioquímicos

Este documento reporta as fases de concepção, desenvolvimento e teste de uma unidade autónoma de interrogação de sensores bioquímicos, de custo reduzido e de fácil utilização, baseado na espectroscopia no domínio das frequências. Com este protótipo, é possível efectuar medições de concentrações bioquímicas de diferentes compostos, de acordo com a cabeça sensora utilizada. Devido ao número e à complexidade dos equipamentos de bancada necessários num esquema tradicional, este tipo de medições pode implicar um custo bastante elevado. Daí a importância deste projecto no desenvolvimento de uma alternativa que seja economicamente viável, utilizando novas técnicas de medição. Inicialmente este projecto começou por uma pesquisa significativa dos componentes electrónicos necessários para o desenvolvimento do sistema, seguindo-se uma escolha detalhada do material, de acordo com as características desejadas para o sistema. Um dos factores mais relevantes deste trabalho foi a introdução da instrumentação virtual, utilizada para controlar por intermédio de uma placa de aquisição de dados (DAQ), as componentes electrónicas do sistema e na implementação de um “lock-in” virtual, sendo este responsável pela recuperação dos sinais “enterrados” no ruído de fundo. O sistema desenvolvido é composto pelos seguintes módulos: O módulo de alimentação, que fornece as tensões e correntes para o funcionamento do sistema, o módulo de geração e modulação utilizado para gerar o sinal modulador e fornecer corrente ao LED, o módulo de detecção e amplificação, que recebe e eleva o nível do sinal emitido pela amostra, e por fim, o módulo de controlo e processamento, que recolhe esse sinal através da DAQ e processa-o por intermédio do “lock-in” virtual. Para avaliar o desempenho do sistema de interrogação foi estudada a resposta de um complexo de rutênio luminescente a diferentes temperaturas. São apresentados resultados em que o sistema desenvolvido é comparado com um sistema padrão e caracterizado face aos parâmetros do “lock-in” virtual, demonstrando-se as suas possibilidades e limitações.

Configuração interferómetrica diferencial para medição de deformação e temperatura

Este documento descreve a implementação de um sistema interferométrico diferencial para a interrogação de redes de Bragg com o objectivo da medição diferencial de deformação e temperatura. Foram implementados dois sistemas de interrogação, um utiliza uma configuração implementada através de instrumentação física, e outro, uma configuração implementada através de instrumentação virtual, desenvolvida com recurso ao ambiente LabVIEW®. O esquema diferencial permite diminuir os efeitos de sensibilidade cruzada indissociáveis a estes sistemas. Foram realizados testes de deformação e temperatura de forma a validar o funcionamento do sistema virtual. Em ambos os casos, os resultados foram próximos dos obtidos com o sistema convencional, verificando-se que a instrumentação virtual é uma forma de aproveitar as vantagens que este esquema de interrogação apresenta: grande sensibilidade e elevada gama dinâmica, e permite reduzir uma de suas desvantagens, o elevado custo. Verificou-se ainda a viabilidade da aplicação da configuração estudada num sistema de análise térmica diferencial para identificação de compostos em amostras desconhecidas. O sistema foi demonstrado utilizando uma mistura de acetona e metanol. Do trabalho realizado nesta dissertação foi possível efectuar algumas publicações que foram submetidas em Revistas e Conferências Científicas. A primeira ao Symposium On Enabling Optical Networks and Sensors SEON - 2010, Anexo A. A segunda à 21st International Conference on Optical Sensors - OFS 2011, Anexo B. E uma terceira submetida à revista Journal of Lightwave Technology, Anexo C.

Aplicação de retroanálise na escavação de um túnel na Ilha da Madeira

Pretende-se determinar os parâmetros geomecânicos de um maciço atravessado por um túnel construído na ilha da Madeira, através de retroanálise. Para tal, recorre-se a um modelo numérico tridimensional para simular o avanço da escavação e a dados obtidos a partir da instrumentação da obra, nomeadamente, através da medição de convergências e deslocamentos superficiais. A análise numérica é aplicada a um problema de identificação de parâmetros geomecânicos, em três secções localizadas muito próximas do emboquilhamento do Faial, do túnel do Faial/Cortado. Este problema rege-se por um comportamento elástico perfeitamente plástico e um critério de rotura de Mohr-Coulomb. Para a resolução do problema recorreu-se à utilização do software de diferenças finitas, FLAC3D, tendo-se usufruído da sua base de programação para modelar o processo complexo de escavação e suporte do túnel. A modelação tridimensional no FLAC3D é conseguida através da sua linguagem de programação interna, FISH, criando funções capazes de simular o processo da escavação parcial, instalação dos elementos de suporte, e monitorizar e extrair as variáveis pretendidas. Numa primeira fase realizou-se uma análise paramétrica relativamente ao comportamento do maciço fazendo variar alguns parâmetros geomecânicos deste. Numa segunda fase do estudo, procedeu-se à otimização de um conjunto de parâmetros elásticos e resistentes, intrínsecos ao material envolvente do túnel, através de retroanálise. A otimização dos parâmetros foi realizada por meio da utilização de expressões de cálculo de medida de dispersão estatística entre os dados obtidos a partir da instrumentação em obra e os resultados correspondentes obtidos a partir da análise numérica. Os valores obtidos para os diferentes parâmetros do maciço rochoso foram comparados com os respetivos valores recolhidos na bibliografia para maciços da ilha da Madeira, bem como com os valores previstos pela caracterização geomecânica efetuada durante a fase de construção do túnel objeto de estudo.