Materiais à base de Sr(Ti,Nb)O3 para sensores lambda

Os sensores lambda resistivos possuem as vantagens de simplicidade e menor custo relativamente à utilização generalizada de sensores potenciométricos de oxigénio. Nesse sentido, os titanatos de estrôncio têm sido alvo de diversos estudos. Para a produção de uma relação inequívoca entre a condutividade destes materiais e a pressão parcial de oxigénio é necessária a adição de um dopante dador que suprime a condução eletrónica do tipo-p na região de pressões parciais de oxigénio próximas de ar. Contudo, a adição de um dopante dador produz respostas lentas destes materiais quando densos a variações da pressão parcial de oxigénio. Além da preparação usual dos pós por reação do estado sólido, foram preparadas diversas composições por mecanossíntese. Tal relaciona-se com o fato exaustivamente reportado de as amostras destes materiais, especialmente quando dopados com dadores, apresentarem comportamentos dependentes das condições de processamento. Teve ainda o intuito de avaliar a viabilidade da sua preparação por este método, e consequentemente verificar se este método de preparação, que presumivelmente produzirá pós com composição mais homogénea e mais reativos, permite alterar/manipular a resposta obtida por amostras com eles produzidas. Foram preparados diversos filmes, tipologia muito usada na produção de sensores resistivos, e amostras porosas com diversas composições à base de titanato de estrôncio produzidos com variadas condições de processamento. Foram realizadas diversas caracterizações sobre estes espécimes numa tentativa de melhor compreender as propriedades destes materiais e a dependência destas com parâmetros microestruturais como o tamanho de grão e a porosidade. Foi verificado que os exemplares de titanato de estrôncio não dopado, quer em filmes quer em amostras porosas, apresentam um comportamento elétrico semelhante ao apresentado por amostras densas deste material. Apurou-se ainda, que as suas características apresentam uma variação ténue com a alteração das condições de processamento. Já espécimes de titanato de estrôncio dopados com dador revelam uma forte dependência das suas propriedades com as condições de processamento utilizadas, nomeadamente, a temperatura de sinterização e o tempo de permanência a essa temperatura. Para o fabrico de sensores resistivos de oxigénio poderá ser preferível o recurso a amostras porosas pelo facto de mais facilmente se manipularem as suas características microestruturais e devido à exclusão dos problemas associados à interação entre o substrato de alumina e o filme. As composições não dopadas são as indicadas para esta função se a gama de pressões de oxigénio a avaliar for relativamente pouco extensa sendo aconselhadas as composições dopadas com dador se for pretendida uma medição da pressão parcial de oxigénio em zonas mais extensas correspondentes à queima com deficiência ou excesso de oxigénio. Mesmo em amostras de elevada porosidade poderá ocorrer resposta transiente do material dopado com dador.

Sensores de oxigénio para uso industrial

O presente trabalho incidiu sobre uma família de eletrólitos sólidos cerâmicos à base de óxido de zircónio, incluindo ainda óxido de magnésio como dopante, normalmente designados de Mg-PSZ (zircónia parcialmente estabilizada com magnésia). Dependendo da composição e condições de processamento (perfil de sinterização) estes materiais podem exibir interessantes combinações de propriedades mecânicas, térmicas e elétricas que permitem a sua utilização no fabrico de sensores de oxigénio para metais fundidos. O uso de sensores é hoje essencial numa lógica de controlo de processo e eficiência energética. No sentido de tentar compreender como influenciar estas propriedades, exploraram-se diversos níveis de dopante (de 2,5 até 10 mol%, com acréscimos de 2,5 mol% de MgO), diversas velocidades de arrefecimento (2, 3 e 5 °C.min-1) a partir de uma condição igual de patamar de sinterização (1700 °C, 3 horas), e ainda alguns ciclos de sinterização mais complexos, com patamares intermédios inseridos no processo de arrefecimento, com o objetivo de tentar alterar os processos de nucleação e crescimento de fases. Na realidade, as transformações de fases a que este tipo de materiais se encontra sujeito (cúbica  tetragonal  monoclínica, para temperaturas decrescentes), possuem diferentes velocidades características (uma é difusiva a outra displaciva), permitindo este tipo de condicionamento. Os materiais obtidos foram alvo de caracterização estrutural e microestrutural, complementada por um conjunto de outras técnicas de caracterização física como a espectroscopia de impedância, dilatometria e dureza. Os resultados obtidos confirmam a complexidade das relações entre processamento e comportamento mas permitiram identificar condições de potencial interesse prático para as aplicações em vista.

Desenvolvimento de sensores químicos para aniões

O objectivo deste trabalho foi o desenvolvimento de sensores químicos para aniões em solução aquosa. Os sensores basearam-se em cristais piezoelétricos de quartzo revestidos com macrociclos pirrólicos. Sensores com porfirinas, hexafirinas, ftalocianinas e uma rede metalo-orgânica como filmes de reconhecimento foram avaliados no que respeita à reversibilidade, sensibilidade, seletividade e tempo de vida. A sensibilidade aos aniões presentes nas águas minerais destinadas ao consumo humano dos sensores com macrociclos pirrólicos dependia dos grupos substituintes na periferia do macrociclo. A presença de grupos substituintes NH potenciou a sensibilidade, sendo o valor mais elevado obtido com o grupo NH-tosilo. Técnicas espectroscópicas permitiram mostrar que a principal interação entre o anião e o composto se fazia por meio de pontes de hidrogénio entre o anião e o grupo NH. A sensibilidade destes compostos dependia ainda da quantidade do composto depositado sobre o cristal. Nenhum dos sensores era específico, mas apresentavam variações na seletividade com o composto pirrólico sobre o cristal. O sensor com uma membrana polimérica que incorporou uma rede metalo-orgânica construída com moléculas de uma ftalocianina de magnésio com grupos NH-tosilo ligados por iões cobre apresentou coeficientes de seletividade muito diferentes de todos os restantes sensores. Uma língua eletrónica construída com três dos novos sensores foi capaz de determinar simultaneamente as concentrações dos iões HCO3-, Cl- e SO42- em amostras de água mineral engarrafada, não tendo os valores obtidos sido estatisticamente diferentes (α=0,05) daqueles que foram obtidos por cromatografia iónica ou volumetria.

Medição do transporte sólido por arrastamento através de sensores acústicos

A quantificação do material sólido transportado (transporte sólido) ao longo de um curso de água é extremamente importante nas mais variadas áreas da engenharia fluvial. O transporte sólido em rios de montanha dá-se maioritariamente por arrastamento no fundo, através de deslizamento, rolamento e saltação dos sedimentos. Ao longo dos tempos foram desenvolvidas várias fórmulas para estimar o transporte sólido por arrastamento, contudo, devido à complexidade dos processos de transporte de sedimentos, bem como a variabilidade espacial e temporal, a previsão de taxas de transporte não foi conseguida exclusivamente através de investigação teórica. Para obter um melhor conhecimento sobre os processos de transporte sólido por arrastamento em rios de montanha, torna-se necessário monitorizá-los com maior precisão possível. Com os avanços na electrónica, novos métodos tecnológicos foram desenvolvidos para resolver a problemática da quantificação do transporte sólido, em detrimento dos atuais métodos tradicionais, que se baseiam na recolha de amostras em campo, para posterior correlação. O objetivo principal da presente dissertação foi o desenvolvimento de um equipamento capaz de estimar/monitorizar continuamente o transporte sólido por arrastamento em rios de montanha, que utilizasse tecnologia de baixo custo. Este equipamento dispõe de um sensor piezolelétrico que realizará medições à vibração causada pelo embate dos sedimentos sobre uma chapa metálica. A energia do sinal resultante dos impactos reverterá em peso. A metodologia usada para a obtenção das medições foi a realização de ensaios laboratoriais, tendo sido dado especial destaque à influência da variação do caudal, bem como da forma dos sedimentos, na intensidade do sinal adquirido.

Plataforma de simulación de aberraciones ópticas vía implementación de las características de un SLM y reconstrucción de fase usando algoritmos basados en los sensores de Hartmann-Shack

Dada la importancia que hoy día presenta dentro del ámbito de la óptica, la implementación y conocimiento de dispositivos capaces tanto de generar aberraciones ópticas bien caracterizadas como de censarlas, se presenta a lo largo de este trabajo el desarrollo de una interfaz gráfica en MATLAB, que permita simular el funcionamiento tanto de un sensor de frente de onda de Hartamnn-Shack (HS), así como la simulación de dispositivos capaces de modificar frentes de onda como los SLM, adicionando algoritmos de propagación y cálculo de centroides -- Para ello, se implementarán en primer lugar máscaras de fase que generen frentes de onda aberrados a partir de la modulación en fase de moduladores espaciales de luz o SLM, tanto a través de funciones lente de primer orden en representación de las aberraciones constantes, como de fase cuadrática en representación de las aberraciones de bajo orden y adicionalmente como combinaciones lineales de polinomios de Zernike -- Todo lo anterior se simulará teniendo en cuenta las características técnicas de los SLM, como lo son el número de pixeles en x y en y, el tamaño de estos y la curva de calibración de los moduladores espaciales, tanto para una relación lineal como para una relación no lineal -- Posteriormente se simularán las dos propagaciones sufridas por los haces de luz desde el SLM hasta el CCD (dispositivo de carga acoplada), pasando a través de la matriz de multilentes del HS (MLA), a partir de la implementación de algoritmos de propagación de un solo paso, que nos permitirán observar sobre el plano del CDD el mapa de spots necesario para el censado de las superficies -- Continuaremos con la construcción de algoritmos para determinar los centroides de dicho mapa y sus respectivas coordenadas, seguiremos con la implementación de algoritmos de reconstrucción modal empleados por sensores de frente de onda de Hartmann-Shack, y finalmente compararemos el grado de error existente entre las superficies generadas y las superficies censadas a través del cálculo de su error cuadrático medio

Desenvolvimento e caracterização de sensores óticos de qualidade de líquidos

A necessidade de controlar de forma rápida, eficaz e precisa a qualidade de líquidos, principalmente a água, um bem essencial para os seres humanos, conduziu ao desenvolvimento de dispositivos capazes de relacionar a medição de parâmetros físicos com a qualidade da água. Estes dispositivos devem ser capazes de monitorizar os inúmeros parâmetros necessários para aferir a qualidade do líquido, como a turvação, índice de refração, concentração de sedimentos e propriedades cromáticas. Desta forma devem-se recorrer a sensores multiparâmetros. A tecnologia baseada em POF (fibra ótica polimérica) tem sido apontada com elevado potencial no desenvolvimento de sensores óticos nas mais variadas aplicações dado o seu baixo custo, imunidade a interferências eletromagnéticas e flexibilidade. Neste trabalho é proposto um sensor POF multiparâmetro capaz de reunir num único dispositivo a capacidade de medição de altos e baixos valores de turvação, assim como ter a capacidade de medir vários parâmetros em simultâneo e em tempo real. Os resultados permitem avaliar o aumento da capacidade de gama dinâmica de turvação e concentração de sedimentos face aos sensores multiparâmetros já comercializados, uma vez que houve uma boa resposta por parte do sensor para altos e para baixos valores. Um método utilizado para descorrelacionar os diferentes parâmetros foi aplicado com sucesso. A WATGRID LDA. pretende, partindo deste tipo de sensores, disponibilizar aos seus clientes soluções (plataformas) inteligentes e integradas para avaliação e gestão da qualidade dos líquidos para consumo (e.g. água e vinho). Estas soluções irão permitir que os clientes da WATGRID LDA. aumentem a sua eficiência, a qualidade do seu produto e tenham um maior controlo do processo ao mesmo tempo que reduzem custos.

Síntese de sensores, funcionalização de nanopartículas e fibras óticas para reconhecimento de aniões

O trabalho descrito nesta dissertação envolve a síntese e caracterização de novos macrociclos tetrapirrólicos e afins com potencial aplicação como quimiossensores de aniões, tanto em solução como quando suportados em diferentes materiais. As porfirinas e ftalocianinas ocupam um lugar de destaque nesta dissertação, pelo que no primeiro capítulo, é feita uma revisão bibliográfica acerca das suas metodologias de síntese bem como das suas principais características e aplicações, nomeadamente como quimiossensores de aniões. No segundo capítulo é discutida a síntese e caracterização dos compostos porfirínicos e ftalocianinicos com grupos amina ou poliamina, posteriormente utilizados como hospedeiros de aniões. Descrevem-se, pormenorizadamente, os métodos de síntese, purificação e caracterização estrutural dos diversos compostos sintetizados. No terceiro capítulo realizaram-se os estudos de complexação com aniões em solução e determinaram-se as respetivas constantes de afinidade. Os compostos sintetizados apresentam capacidade de interagir com diferentes aniões. As porfirinas testadas apresentam elevadas constantes de afinidade para o anião di-hidrogenofosfato, mesmo em soluções aquosas quando testadas com cristais piezoelétricos. No caso das ftalocianinas verificou-se que estas interagem com vários aniões e apresentam propriedades cromogénicas, podendo mesmo distinguir aniões cianeto em soluções contendo água. No quarto capítulo estudou-se a imobilização dos quimiossensores, que demonstraram maior eficácia nos estudos de reconhecimento em solução, em diferentes materiais. Primeiro foi estudada a imobilização dos quimiossensores em nanopartículas de sílica (com e sem núcleo magnético) e testada a sua capacidade como sensor de aniões em solução. Numa segunda parte foi estudada a imobilização em fibras óticas. Estas, além das suas excecionais propriedades físico-químicas, têm a vantagem de poderem ser integradas em diferentes estruturas e/ou equipamentos de análise. Na ultima parte desta dissertação encontra-se a descrição da síntese e caracterização de novos conjugados porfirina-C60-OligoDNA com potencial aplicação em transferência eletrónica. Foram sintetizados e caracterizados novos compostos porfirina-OligoDNA e C60-OligoDNA. Esta parte do trabalho foi realizada no “Institute of Advanced Energy” na Universidade de Quioto, Japão.

Quantificação de açúcares com uma língua eletrónica: calibração multivariada com seleção de sensores

Este trabalho incide na análise dos açúcares majoritários nos alimentos (glucose, frutose e sacarose) com uma língua eletrónica potenciométrica através de calibração multivariada com seleção de sensores. A análise destes compostos permite contribuir para a avaliação do impacto dos açúcares na saúde e seu efeito fisiológico, além de permitir relacionar atributos sensoriais e atuar no controlo de qualidade e autenticidade dos alimentos. Embora existam diversas metodologias analíticas usadas rotineiramente na identificação e quantificação dos açúcares nos alimentos, em geral, estes métodos apresentam diversas desvantagens, tais como lentidão das análises, consumo elevado de reagentes químicos e necessidade de pré-tratamentos destrutivos das amostras. Por isso se decidiu aplicar uma língua eletrónica potenciométrica, construída com sensores poliméricos selecionados considerando as sensibilidades aos açucares obtidas em trabalhos anteriores, na análise dos açúcares nos alimentos, visando estabelecer uma metodologia analítica e procedimentos matemáticos para quantificação destes compostos. Para este propósito foram realizadas análises em soluções padrão de misturas ternárias dos açúcares em diferentes níveis de concentração e em soluções de dissoluções de amostras de mel, que foram previamente analisadas em HPLC para se determinar as concentrações de referência dos açúcares. Foi então feita uma análise exploratória dos dados visando-se remover sensores ou observações discordantes através da realização de uma análise de componentes principais. Em seguida, foram construídos modelos de regressão linear múltipla com seleção de variáveis usando o algoritmo stepwise e foi verificado que embora fosse possível estabelecer uma boa relação entre as respostas dos sensores e as concentrações dos açúcares, os modelos não apresentavam desempenho de previsão satisfatório em dados de grupo de teste. Dessa forma, visando contornar este problema, novas abordagens foram testadas através da construção e otimização dos parâmetros de um algoritmo genético para seleção de variáveis que pudesse ser aplicado às diversas ferramentas de regressão, entre elas a regressão pelo método dos mínimos quadrados parciais. Foram obtidos bons resultados de previsão para os modelos obtidos com o método dos mínimos quadrados parciais aliado ao algoritmo genético, tanto para as soluções padrão quanto para as soluções de mel, com R²ajustado acima de 0,99 e RMSE inferior a 0,5 obtidos da relação linear entre os valores previstos e experimentais usando dados dos grupos de teste. O sistema de multi-sensores construído se mostrou uma ferramenta adequada para a análise dos iii açúcares, quando presentes em concentrações maioritárias, e alternativa a métodos instrumentais de referência, como o HPLC, por reduzir o tempo da análise e o valor monetário da análise, bem como, ter um preparo mínimo das amostras e eliminar produtos finais poluentes.

Língua eletrónica: uma ferramenta prática na análise sensorial de azeitonas de mesa

As azeitonas de mesa são consumidas e apreciadas em todo o mundo e, embora a sua classificação comercial não seja legalmente exigida, o Conselho Oleícola Internacional sugere que seja regulamentada com base na avaliação sensorial por um painel de provadores. A implementação de tal requer o cumprimento de diretrizes estabelecidas pelo Conselho Oleícola Internacional, resultando numa tarefa complexa, demorada e cujas avaliações não estão isentas de subjetividade. Neste trabalho, pela primeira vez, uma língua eletrónica foi utilizada com o intuito de classificar azeitonas de mesa em categorias comerciais, estipuladas com base na presença e na mediana das intensidades do defeito organolético predominante percebido pelo painel de provadores. Modelos de discriminação lineares foram estabelecidos com base em subconjuntos de sinais potenciométricos de sensores da língua eletrónica, selecionados recorrendo ao algoritmo de arrefecimento simulado. Os desempenhos qualitativo de previsão dos modelos de classificação estabelecidos foram avaliados recorrendo à técnica de validação cruzada leave-one-out e à técnica de validação cruzada K-folds com repetição, que permite minimizar o risco de sobreajustamento, permitindo obter resultados mais realistas. O potencial desta abordagem qualitativa, baseada nos perfis eletroquímicos gerados pela língua eletrónica, foi satisfatoriamente demonstrado: (i) na classificação correta (sensibilidades ≥ 93%) de soluções padrão (ácido n-butírico, 2-mercaptoetanol e ácido ciclohexanocarboxílico) de acordo com o defeito sensorial que mimetizam (butírico, pútrido ou sapateira); (ii) na classificação correta (sensibilidades ≥ 93%) de amostras de referência de azeitonas e salmouras (presença de um defeito único intenso) de acordo com o tipo de defeito percebido (avinhado-avinagrado, butírico, mofo, pútrido ou sapateira), e selecionadas pelo painel de provadores; e, (iii) na classificação correta (sensibilidade ≥ 86%) de amostras de azeitonas de mesa com grande heterogeneidade, contendo um ou mais defeitos organoléticos percebidos pelo painel de provadores nas azeitona e/ou salmouras, de acordo com a sua categoria comercial (azeitona extra sem defeito, extra, 1ª escolha, 2ª escolha e azeitonas que não podem ser comercializadas como azeitonas de mesa). Por fim, a capacidade língua eletrónica em quantificar as medianas das intensidades dos atributos negativos detetados pelo painel nas azeitonas de mesa foi demonstrada recorrendo a modelos de regressão linear múltipla-algoritmo de arrefecimento simulado, com base em subconjuntos selecionados de sinais gerados pela língua eletrónica durante a análise potenciométrica das azeitonas e salmouras. O xii desempenho de previsão dos modelos quantitativos foi validado recorrendo às mesmas duas técnicas de validação cruzada. Os modelos estabelcidos para cada um dos 5 defeitos sensoriais presentes nas amostras de azeitona de mesa, permitiram quantificar satisfatoriamente as medianas das intensidades dos defeitos (R² ≥ 0,97). Assim, a qualidade satisfatória dos resultados qualitativos e quantitativos alcançados permite antever, pela primeira vez, uma possível aplicação prática das línguas eletrónicas como uma ferramenta de análise sensorial de defeitos em azeitonas de mesa, podendo ser usada como uma técnica rápida, económica e útil na avaliação organolética de atributos negativos, complementar à tradicional análise sensorial por um painel de provadores.

Diseño y evaluación de una red de sensores para analizar entornos acuáticos

En la acuicultura, la producción de camarón depende de parámetros ambientales, y químicos en el agua. Usualmente, la medición y compilación de datos acerca de estos parámetros se realiza manualmente. En este trabajo se propone y evalúa una red de sensores cuyos nodos se interconectan inalámbricamente para recolectar datos automáticamente. El diseño de la red explota la topología de malla, misma que permite incrementar la fiabilidad en la transmisión de datos. Adicionalmente, los módulos de hardware utilizados se configuran para reducir el consumo de energía. Se realizaron pruebas en entornos reales (tanques y piscinas) con varios nodos colocados en plataformas flotantes para capturar, transmitir y acumular datos relativos a temperatura del agua. Los resultados obtenidos son alentadores y demuestran las posibilidades que existen para explotar componentes electrónicos de bajo costo en aplicaciones de acuicultura inteligente.

Red de sensores inalámbricos para el monitoreo de la presión del aire en las llantas y el flujo de líquido de frenos

32 p.

Análisis comparativo de métodos de calibrado para sensores RGB-D y su influencia en el registro de múltiples vistas

Los sensores de propósito general RGB-D son dispositivos capaces de proporcionar información de color y de profundidad de la escena. Debido al amplio rango de aplicación que tienen estos sensores, despiertan gran interés en múltiples áreas, provocando que en algunos casos funcionen al límite de sensibilidad. Los métodos de calibración resultan más importantes, si cabe, para este tipo de sensores para mejorar la precisión de los datos adquiridos. Por esta razón, resulta de enorme transcendencia analizar y estudiar el calibrado de estos sensores RGBD de propósito general. En este trabajo se ha realizado un estudio de las diferentes tecnologías empleadas para determinar la profundidad, siendo la luz estructurada y el tiempo de vuelo las más comunes. Además, se ha analizado y estudiado aquellos parámetros del sensor que influyen en la obtención de los datos con precisión adecuada dependiendo del problema a tratar. El calibrado determina, como primer elemento del proceso de visión, los parámetros característicos que definen un sistema de visión artificial, en este caso, aquellos que permiten mejorar la exactitud y precisión de los datos aportados. En este trabajo se han analizado tres algoritmos de calibración, tanto de propósito general como de propósito específico, para llevar a cabo el proceso de calibrado de tres sensores ampliamente utilizados: Microsoft Kinect, PrimeSense Carmine 1.09 y Microsoft Kinect v2. Los dos primeros utilizan la tecnología de luz estructurada para determinar la profundidad, mientras que el tercero utiliza tiempo de vuelo. La experimentación realizada permite determinar de manera cuantitativa la exactitud y la precisión de los sensores y su mejora durante el proceso de calibrado, aportando los mejores resultados para cada caso. Finalmente, y con el objetivo de mostrar el proceso de calibrado en un sistema de registro global, diferentes pruebas han sido realizadas con el método de registro µ-MAR. Se ha utilizado inspección visual para determinar el comportamiento de los datos de captura corregidos según los resultados de los diferentes algoritmos de calibrado. Este hecho permite observar la importancia de disponer de datos exactos para ciertas aplicaciones como el registro 3D de una escena.