Microinductive signal conditioning with resonant differential filters: high-sensitivity biodetection applications

Inductive-based devices integrated with Si technology for biodetection applications are characterized, using simple resonant differential filter configurations. This has allowed the corroboration of the viability of the proposed circuits, which are characterized by their very high simplicity, for microinductive signal conditioning in high-sensitivity sensor devices. The simulation of these simple circuits predicts sensitivities of the differential output voltage which can achieve values in the range of 0.1-1 V/nH, depending on the coil parameters. These very high-sensitivity values open the possibility for the experimental detection of extremely small inductance changes in the devices. For real microinductive devices, both series resistance and parasitic capacitive components contribute to the decrease of the differential circuit sensitivity. Nevertheless, measurements performed using micro-coils fabricated with relatively high series resistance and coupling parasitic effects have allowed detection of changes in the range of 2 nH. which are compatible with biodetection applications with estimated detection limits below the picomolarity range.

Thermopile radiometer signal conditioning for surface atmospheric radiation measurements

A highly stable microvolt amplifier for use with atmospheric broadband thermopile radiometers is described. The amplifier has a nominal gain of 500, for bipolar input signals in the range +/- 10 mV from a floating source. The noise level at the input is less than 5 mu V (at 100 k Omega input impedance), permitting instantaneous diffuse solar radiation measurements to 0.5 W m(-2) resolution with 12 bit analog to digital conversion. The temperature stability of gain is better than 5 ppm/degrees C (-4 to 20 degrees C). Averaged over a decade of use, the long term drift of the amplifier gain is less than similar to 0.02%/yr. As well as radiometers measuring solar and terrestrial radiations, the amplifier has also been successfully used with low level signals from thermocouples and ground heat flux plates.

Mock circulatory system for the evaluation of left ventricular assist devices, endoluminal prostheses, and vascular diseases

A new digital computer mock circulatory system has been developed in order to replicate the physiologic and pathophysiologic characteristics of the human cardiovascular system. The computer performs the acquisition of pressure, flow, and temperature in an open loop system. A computer program has been developed in Labview programing environment to evaluate all these physical parameters. The acquisition system was composed of pressure, flow, and temperature sensors and also signal conditioning modules. In this study, some results of flow, cardiac frequencies, pressures, and temperature were evaluated according to physiologic ventricular states. The results were compared with literature data. In further works, performance investigations will be conducted on a ventricular assist device and endoprosthesis. Also, this device should allow for evaluation of several kinds of vascular diseases.

Instrumentation used to measure residential magnetic fields and currents

The equipment used to measure magnetic fields and, electric currents in residences is described. The instrumentation consisted of current transformers, magnetic field probes and locally designed and, built signal conditioning modules. The data acquisition system was capable of unattended recording for extended time periods. The complete system was calibrated to verify its response to known physical inputs. (C) 2003 ISA-The Instrumentation Automation Society.

Estudo e desenvolvimento de um sensor de chuva piezoelétrico para automóveis

A presença de sistemas eletrónicos nos veículos automóveis tem vindo a aumentar de forma considerável nos últimos 30 anos, tornando possível o aumento dos padrões de eficiência, segurança e conforto dos mesmos. Os sistemas de acionamento automático dos limpa-para-brisas, baseados em sensores de chuva óticos, têm registado um crescimento quase exponencial nos últimos 10 a 15 anos; no ano 2000, apenas 5 % dos veículos novos produzidos na Europa estavam equipados com este sistema, hoje é um equipamento amplamente difundido na oferta automóvel existente. O presente trabalho consistiu no estudo de uma solução para deteção de chuva em veículos automóveis com a aplicação de um sensor piezoelétrico, tendo em vista a obtenção de uma solução mais versátil e aplicável em vários pontos do veículo. As reduzidas dimensões, a elevada sensibilidade do sensor e a facilidade de aplicação nas superfícies de ensaio foram fatores que motivaram a escolha deste tipo de equipamento como elemento sensorial. As hipóteses definidas para o procedimento laboratorial basearam-se nas conclusões obtidas em estudos anteriormente desenvolvidos no campo dos sensores de chuva para automóveis e nas capacidades dos materiais piezoelétricos para medição de pluviosidade. Os sensores foram instalados sob as superfícies do veículo que apresentavam, simultaneamente, uma maior exposição à pluviosidade, quando este está em movimento, e um menor risco de sofrer danos. Os resultados obtidos permitiram concluir que a utilização deste tipo de sensores permite detetar elevados níveis de pluviosidade e em superfícies com considerável capacidade de deformação elástica. A sua implementação futura em veículos automóveis exige mais algum trabalho de melhoria dos processos de fixação dos sensores e do condicionamento de sinal utilizados.

Aplicação de dispositivos analógicos reconfiguráveis

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Sistema de teste de transístores bipolares de junção e de efeito de campo

O estudo das curvas características de um transístor permite conhecer um conjunto de parâmetros essenciais à sua utilização tanto no domínio da amplificação de sinais como em circuitos de comutação. Deste estudo é possível obter dados em condições que muitas vezes não constam na documentação fornecida pelos fabricantes. O trabalho que aqui se apresenta consiste no desenvolvimento de um sistema que permite de forma simples, eficiente e económica obter as curvas características de um transístor (bipolar de junção, efeito de campo de junção e efeito de campo de metal-óxido semicondutor), podendo ainda ser utilizado como instrumento pedagógico na introdução ao estudo dos dispositivos semicondutores ou no projecto de amplificadores transistorizados. O sistema é constituído por uma unidade de condicionamento de sinal, uma unidade de processamento de dados (hardware) e por um programa informático que permite o processamento gráfico dos dados obtidos, isto é, traçar as curvas características do transístor. O seu princípio de funcionamento consiste na utilização de um conversor Digital-Analógico (DAC) como fonte de tensão variável, alimentando a base (TBJ) ou a porta (JFET e MOSFET) do dispositivo a testar. Um segundo conversor fornece a variação da tensão VCE ou VDS necessária à obtenção de cada uma das curvas. O controlo do processo é garantido por uma unidade de processamento local, baseada num microcontrolador da família 8051, responsável pela leitura dos valores em corrente e em tensão recorrendo a conversores Analógico-Digital (ADC). Depois de processados, os dados são transmitidos através de uma ligação USB para um computador no qual um programa procede à representação gráfica, das curvas características de saída e à determinação de outros parâmetros característicos do dispositivo semicondutor em teste. A utilização de componentes convencionais e a simplicidade construtiva do projecto tornam este sistema económico, de fácil utilização e flexível, pois permite com pequenas alterações

Sistema para monitorização cardiovascular

Esta dissertação propõe o desenvolvimento de um sistema capaz de adquirir e monitorizar num computador o sinal do electrocardiograma (ECG) e de detectar o pico R do complexo QRS do referido sinal. Numa primeira fase foi efectuado um estudo do sistema cardiovascular, de forma a compreender a actividade eléctrica do coração e dos diversos sinais que constituem o ECG. Foi efectuado um estudo sobre o sinal ECG, tendo sido estudadas as suas características, bem como técnicas e componentes básicos de aquisição e condicionamento do sinal, sendo também analisados diversos sistemas que efectuam a aquisição de ECG. Numa segunda fase foram estudadas as Field Programmable Analog Array (FPAA), analisando o estado da arte desta tecnologia, bem como os dispositivos disponíveis comercialmente. Após esta análise foram seleccionados os dispositivos FPAA, bem como o restante hardware e software necessários para a realização desta Tese. Foi desenvolvido um sistema de condicionamento de sinal ECG, e de detecção de pico R do complexo QRS, apenas com componentes analógicos discretos tendo sido analisados os resultados obtidos antes de se avançar para a fase seguinte. Após a realização do sistema com componentes discretos, foi implementado um sistema em que grande parte do condicionamento do sinal ECG é efectuado por duas placas de desenvolvimento FPAA, de forma a diminuir a quantidade de componentes e a obter um sinal com melhor resolução. Os resultados obtidos foram analisados e comparados com o sistema desenvolvido. Para monitorizar o sinal ECG e o pico R num computador, foi desenvolvido um sistema em que os sinais são convertidos pelo conversor A/D de um microcontrolador, e enviados por comunicação série para um computador, sendo os valores obtidos visualizados numa aplicação em ambiente MATLAB.

Low-cost vibration sensors: tendencies and applications in condition monitoring of machines and structures

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Compensação da energia reactiva com minimização de perturbações sobre a rede eléctrica

Trabalho Final de Mestrado para a obtenção de grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica Industrial

Controlo inteligente de um Sistema de Levitação Magnética

A levitação magnética tem sido um tema bastante investigado sobretudo devido à sua utilização em sistemas ferroviários de transportes. É o método ideal quando existe a necessidade em aplicações de restringir do contacto físico, ou a conveniência, em termos energéticos, de eliminar o atrito. O princípio de funcionamento é simples, um eletroíman cria uma força sobre um objeto ferromagnético que contraria a gravidade. Contudo um sistema de levitação por atração é instável e não linear, o que significa a necessidade de implementar um controlador para satisfazer as características de estabilidade desejadas. Ao longo deste projeto serão descritos os procedimentos teóricos e práticos que foram tomados na criação de um sistema de levitação eletromagnética. Desde a conceção física do sistema, como escolha do sensor, condicionamento de sinal ou construção do eletroíman, até aos procedimentos matemáticos que permitiram a modelação do sistema e criação de controladores. Os controladores clássicos, como o PID ou em avanço de fase, foram projetados através da técnica do Lugar Geométrico de Raízes. No projeto do controlador difuso, pelo contrário não se fez uso da modelação do sistema ou de qualquer relação matemática entre as variáveis. A utilização desta técnica de controlo destacou-se pela usa simplicidade e rapidez de implementação, fornecendo um bom desempenho ao sistema. Na parte final do relatório os resultados obtidos pelos diferentes métodos de controlo são analisados e apresentadas as respetivas conclusões. Estes resultados revelam que para este sistema, relativamente aos outros métodos, o controlador difuso apresenta o melhor desempenho tanto ao nível da resposta transitória, como em regime permanente.

A reusable smart interface for gas sensor resistance measurement

The advances of the semiconductor industry enable microelectromechanical systems sensors, signal conditioning logic and network access to be integrated into a smart sensor node. In this framework, a mixed-mode interface circuit for monolithically integrated gas sensor arrays was developed with high-level design techniques. This interface system includes analog electronics for inspection of up to four sensor arrays and digital logic for smart control and data communication. Although different design methodologies were used in the conception of the complete circuit, high-level synthesis tools and methodologies were crucial in speeding up the whole design cycle, enhancing reusability for future applications and producing a flexible and robust component.

Computerized invasive measurement of time-dependent intraocular pressure

Several methods have been described to measure intraocular pressure (IOP) in clinical and research situations. However, the measurement of time varying IOP with high accuracy, mainly in situations that alter corneal properties, has not been reported until now. The present report describes a computerized system capable of recording the transitory variability of IOP, which is sufficiently sensitive to reliably measure ocular pulse peak-to-peak values. We also describe its characteristics and discuss its applicability to research and clinical studies. The device consists of a pressure transducer, a signal conditioning unit and an analog-to-digital converter coupled to a video acquisition board. A modified Cairns trabeculectomy was performed in 9 Oryctolagus cuniculus rabbits to obtain changes in IOP decay parameters and to evaluate the utility and sensitivity of the recording system. The device was effective for the study of kinetic parameters of IOP, such as decay pattern and ocular pulse waves due to cardiac and respiratory cycle rhythm. In addition, there was a significant increase of IOP versus time curve derivative when pre- and post-trabeculectomy recordings were compared. The present procedure excludes corneal thickness and error related to individual operator ability. Clinical complications due to saline infusion and pressure overload were not observed during biomicroscopic evaluation. Among the disadvantages of the procedure are the requirement of anesthesia and the use in acute recordings rather than chronic protocols. Finally, the method described may provide a reliable alternative for the study of ocular pressure dynamic alterations in man and may facilitate the investigation of the pathogenesis of glaucoma.

Balloon-borne disposable radiometer for cloud detection

A low cost, disposable instrument for measuring solar radiation during meteorological balloon flights through cloud layers is described. Using a photodiode detector and low thermal drift signal conditioning circuitry, the device showed less than 1% drift for temperatures varied from +20 °C to −35 °C. The angular response to radiation, which declined less rapidly than the cosine of the angle between the incident radiation and normal incidence, is used for cloud detection exploiting the motion of the platform. Oriented upwards, the natural motion imposed by the balloon allows cloud and clear air to be distinguished by the absence of radiation variability within cloud, where the diffuse radiation present is isotropic. The optical method employed by the solar radiation instrument has also been demonstrated to provide higher resolution measurements of cloud boundaries than relative humidity measurements alone.

A high dynamic range method for the direct readout of a dynamic phase change in homodyne interferometers

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)