PCI analógica

Os transdutores, amplificadores e filtro foram montados em uma PCI (Placa de Circuito Impresso) denominada PCI Analógica, ela contempla componentes no formato SMD (Device Mount Surface), na Figura 27 pode se visualizar a PCI Analógica.

Capítulo 3. Metodologia 44

Figura 27 – PCI Analógica.

3.3.5

PCI digital

Para realizar o processamento dos sinais captados pela PCI Analógica foi utilizado a placa de desenvolvimento da Freescale FRDM-K22F que contempla o microcontrolador MK22FN512VLH12 que utiliza um processador ARM Cortex M4 com funções de DSP (Digital Signal Processor), essa placa foi denominada PCI Digital. Na Figura 28 pode se visualizar a PCI Digital.

Figura 28 – PCI Digital.

O sinal ultrassônico proveniente da PCI analógica será amostrado pelo conversor A/D (analógico/digital) do microcontrolador com frequência de amostragem de 160 kHz, assim o período de amostragem é 6, 25 𝜇s, em cada sinal teremos 16000 amostras tota- lizando um tempo de 100 ms. Após o sinal analógico ser convertido ele será processado pelo microcontrolador por meio de um software desenvolvido para esse fim, em seguida

Capítulo 3. Metodologia 45

será coletado os dados de processamento da PCI digital por meio de uma comunicação serial com um computador.

3.4

Testes preliminares

3.4.1

Simulação

Os circuitos de amplificador e filtro foram modelados usando o simulador Orcad Pspice. Na Figura 29 temos a relação de ganho e frequência dos quatros estágios do amplificador, sendo que as cores correspondentes a cada estágio são: verde 1o

¯ estágio;

vermelho 2o

¯ estágio; roxo 3o¯ estágio; amarelo 4o¯ estágio. No primeiro estágio temos um

ganho de 27, 95 dB, o ganho vai se somando a medida que os amplificadores são conectados em série, assim podendo chegar em até 111, 8 dB no quarto estágio.

Figura 29 – Ganho em relação a frequência dos amplificadores.

Na Figura 30 temos a relação de ganho e frequência do filtro Passa Alta de quarta ordem de ganho unitário. Podemos perceber que a frequência de corte está em 30 kHz e seu ganho é 0 dB.

Capítulo 3. Metodologia 46

Figura 30 – Relação de ganho e frequência do filtro.

Na Figura 31 temos a relação de ganho e frequência de todos os circuitos conecta- dos em cascata, ou seja, desde a entrada no primeiro estágio de amplificação passando por todos os estágios até a saída do filtro. Podemos observar um ganho de aproximadamente 111, 8 dB e um corte em frequência em 30 kHz.

Figura 31 – Relação de ganho e frequência dos circuitos em cascata.

3.4.2

Teste funcionais

Após a montagem da PCI Analógica com os circuitos, foram realizados os tes- tes funcionais dos mesmos, primeiramente foram testados os circuitos de amplificação separados, todos os estágios estavam funcionando corretamente, mas com um ganho de 19.5 dB e não de 27.95 dB como projetado, isso ocorreu pelo motivo de aproximação de valores de componentes e também pela falta de alimentação negativa dos amplificadores operacionais.

Quando os estágios de amplificação foram conectados ocorreu um problema inde- sejável: os circuitos de amplificação que eram conectados começaram a oscilar e gerar ruído

Capítulo 3. Metodologia 47

na leitura do sinal. Amplificadores conectados em série tem tendências a se desestabilizar e começar a oscilar.

Para resolver esse problema os ganhos dos amplificadores foram alterados para 15 dB, para diminuir o ganho dos amplificadores o resistor 𝑅𝑓 da Figura 23 foi alterado para o valor de 56 kΩ, assim os ruídos gerados pelos amplificadores tiveram uma grande atenuação.

O circuito do filtro Passa Alta não apresentou problemas nos testes funcionais e funcionou como projetado.

Na Figura 32 se encontram os ganhos relativos dos estágios de amplificação em função da frequência após a alteração do ganho. Esses dados foram obtidos por teste em bancada com os circuitos. Na figura 33 temos o gráfico do filtro em função da frequência.

Capítulo 3. Metodologia 48

Figura 33 – Ganho em função da frequência do filtro.

3.5

Ensaios

Na figura 34 encontra-se a metodologia aplicada para geração de DPs e captação das ondas ultrassônicas.

Figura 34 – Metodologia aplicada.

Com o intuito de se obter vários tipos de DPs, os eletrodos (1) e (2) da Figura 34 serão ensaiados com várias formas geométricas, essas formas estão descritas no subcapítulo (3.2). A tensão aplicada nos eletrodos será variável, assim se adaptando as diferentes distancias (𝑑) entre os eletrodos e (𝑑𝑠) entre o ponto de ocorrência de DPs e o hardware de aquisição de sinais.

Os ensaios inicias tem o caráter de certificar a eficiência do arranjo de ensaio na geração de DPs, neste momento não será captado o sinal ultrassônico. Será aplicada tensão

Capítulo 3. Metodologia 49

nos eletrodos que estarão distanciados de 20 mm entre suas extremidades, será visualizado o início do fenômeno de DPs e o nível de tensão que elas ocorrem. Os resultados deste ensaio encontram-se no subcapítulo (4.1).

Em seguida serão ensaiados os transdutores piezelétrico e MEMS. Para o trans- dutor piezelétrico a PCI analógica será configurada com ganho de 60 dB, será utilizado o filtro passa alta com frequência de corte em 35 kHz, a configuração dos eletrodos será ponta-chapa com tensão aplicada de 9, 5 kV com distancia 𝑑 (Figura 34) de 15 mm entre suas extremidades e a distância 𝑑𝑠 (Figura 34) entre o ponto onde ocorrem as DPs e o transdutor de 25 cm. Para o transdutor MEMS as configuração são as mesma citadas acima apenas será modificado a distância 𝑑𝑠 para 2 m, pois a sensibilidade do transdutor MENS é maior. Neste ensaio será captado o sinal ultrassônico com os dois modelos de transdutores, e analisado suas características, como amplitude, periodicidade e espectro em frequência. Os resultados deste ensaio encontram-se no subcapítulo (4.2).

Por fim será ensaiado as três configuração de eletrodos ponta-ponta, ponta-chapa e chapa-chapa, e analisado os sinais ultrassônicos de cada combinação de eletrodos, em se- guida esses sinais serão processados pelo microcontrolador da PCI digital com objetivo de identificar um sinal característico de DPs. Este ensaio será realizado apenas com o trans- dutor MEMS, sua sensibilidade é maior e facilitará a leitura dos sinais, a PCI analógica será configurada com ganho de 60 dB e será utilizado o filtro passa alta com frequência de corte em 35 kHz. Os eletrodos estarão com distancia 𝑑 (Figura 34) de 15 mm entre suas extremidades, e a distância 𝑑𝑠 (Figura 34) entre o ponto onde ocorrem as DPs e o transdutor de 1 m. A tensão aplicada nos eletrodos será ajustada para forneça descargas com valores em torno de 4 nC. Os resultados deste ensaio encontram-se no subcapítulo (4.3).