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Título: Aplicações de sensores a fibra óptica integrados em materiais compósitos
Título(s) alternativo(s): Applications of fiber optical sensors integrated in composite materials
Autor(es): Galvão, José Rodolfo
Orientador(es): Martelli, Cicero
Palavras-chave: Detectores ópticos
Redes de Bragg
Materiais compostos
Biomecânica
Prótese - Desenvolvimento
Software - Desenvolvimento
Métodos de simulação
Engenharia elétrica
Optical detectors
Bragg gratings
Composite materials
Biomechanics
Prosthesis - Development
Computer software - Development
Simulation method
Electric engineering
Data do documento: 27-Abr-2019
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: GALVÃO, José Rodolfo. Aplicações de sensores a fibra óptica integrados em materiais compósitos. 2019. 156 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019.
Resumo: O presente trabalho mostra o estudo de materiais compósitos utilizando sensores a fibra óptica baseados em redes de Bragg (FBG) e a aplicação dessa tecnologia para a área da biomecânica humana e de animais. Na biomecânica humana, dois modelos de próteses para amputados de membros inferiores foram desenvolvidos, sendo uma prótese transtibial e uma prótese do pé. Ambas as próteses são confeccionadas em material compósito com sensores FBGs integrados. Ensaios de compressão axial foram realizados para caracterizar as próteses. A média da sensibilidade dos sensores é de 10 pm/N. A partir dos resultados dos ensaios mecânicos, a prótese transtibial foi simulada no software Ansys student 19.2. Os valores obtidos de deformação (µStrain) foram da mesma ordem de grandeza dos resultados obtidos experimentalmente. A simulação contribuiu para customizar um novo modelo de prótese transtibial. A caracterização das próteses durante o ciclo de marcha foi realizada a partir das leituras dos sensores FBGs enquanto um voluntário executava o movimento de caminhada. Esses ensaios foram realizados com uma adaptação mecânica e com a ajuda de três voluntários não amputados. No ensaio foram utilizadas três velocidades distintas de uma esteira ergométrica. Os resultados obtidos foram processados e apresentados de forma interativa por meio de um mapa de cores e diagramas vetoriais. A instrumentação óptica utilizada nesse trabalho contribui para o desenvolvimento de uma nova ferramenta para avaliação do projeto de próteses, reabilitação de pacientes amputados e para a avaliação do desempenho de atletas durante treinamento ou competição. Na área da biomecânica animal, foram desenvolvidas ferraduras confeccionadas em material compósito e instrumentadas com sensores FBGs para monitorar a andadura de equinos. Ensaios com equinos foram realizados em três tipos de andadura: passo, trote e galope. A instrumentação óptica para equinos contribui para identificar os padrões de andadura e evitar patologias relacionadas ao casco do animal. As tecnologias desenvolvidas neste trabalho demonstram o potencial de aplicações envolvendo sensores a fibra óptica integrados em materiais compósitos.
Abstract: The present work shows the study of composite materials using fiber optic sensors based on Bragg grating (FBG) and the application of this technology to the area of human and animal biomechanics. In human biomechanics, two models of prostheses for lower limb amputees were developed, being a transtibial prosthesis and a prosthesis of the foot. Both prostheses are made of composite material with integrated FBGs sensors. Axial compression tests were performed to characterize the prostheses. The mean sensitivity of the sensors is 10 pm/N. From the results of the mechanical tests, the transtibial prosthesis was simulated in Ansys student software 19.2. The obtained values of deformation (μStrain) were of the same order of magnitude of the results obtained experimentally. The simulation helped to customize a new transtibial prosthesis model. The characterization of the prostheses during the gait cycle was performed from the FBGs sensor readings while a volunteer performed the walking movement. These trials were performed with a mechanical adaptation and with the help of three non-amputated volunteers. In the test three different speeds of an ergometric treadmill were used. The obtained results were processed and presented in an interactive way through a color map and vector diagrams. The optical instrumentation used in this work contributes to the development of a new tool for evaluation of the prosthesis design, rehabilitation of amputees and for the evaluation of the performance of athletes during training or competition. In area of animal biomechanics, horseshoes made from composite material and instrumented with FBGs sensors were developed to monitor horse gait. Equine trials were performed in three types of gait: step, trot and gallop. Optical instrumentation for equines contributes to identify patterns of walking and to avoid pathologies related to the animal's hoof. The technologies developed in this work demonstrate the potential of applications involving fiber optic sensors integrated in composite materials.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4255
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