Plataforma reconfigurável para aquisição de dados de impedância elétrica por meio das técnicas de tomografia, de espectroscopia e de tomometria aplicada a microsensores

Abstract

Este documento de tese apresenta o projeto, desenvolvimento e validação de uma plataforma reconfigurável para aquisição automática de medições de impedância elétrica, aplicável às técnicas de espectroscopia, tomografia e tomometria por impedância elétrica. A pesquisa foi conduzida em duas etapas principais e complementares. A primeira envolveu o desenvolvimento de um sistema preliminar de medição voltado à Tomografia por Impedância Elétrica (TIE), construído com circuitos discretos, multiplexadores analógicos e controle sequencial, que permitiu avaliar a viabilidade do método, a estabilidade dos sinais e as limitações associadas à latência e sincronização das medições. Os resultados obtidos nessa fase forneceram subsídios técnicos e metrológicos para a definição da arquitetura final da plataforma reconfigurável. A segunda etapa consistiu na concepção de uma arquitetura modular composta por um conjunto de implementações de hardware gerenciadas por um microcontrolador AVR e por um sistema de medição baseado no frontend de conversão de impedância AD5933. A este núcleo integram-se três módulos funcionais: a SpectroBoard, voltada à análise espectroscópica; a Multi4067Board, baseada em multiplexadores analógicos para medições comutadas; e a TomoBoard, que introduz uma topologia inovadora de eletrodos, capaz de realizar chaveamento reversível e medições combinadas. O desenvolvimento da plataforma envolveu o projeto eletrônico dos circuitos, a implementação de firmwares dedicados e a definição de protocolos experimentais específicos para cada técnica de aquisição. Foram conduzidos experimentos com modelos elétricos de células, soluções salinas, sensores multieletrodos e objetos de interesse com forma e composição previamente conhecidas. Os resultados obtidos demonstraram coerência entre medições teóricas e experimentais, confirmando o desempenho da plataforma nas três configurações propostas.

Abstract: This doctoral thesis presents the design, development, and validation of a reconfigurable platform for the automated acquisition of electrical impedance measurements, applicable to the techniques of Electrical Impedance Spectroscopy (EIS), Electrical Impedance Tomography (EIT), and Electrical Impedance Tomometry (EITm). The research was conducted in two main and complementary stages. The first stage involved the development of a preliminary measurement system dedicated to EIT, built with discrete circuits, analog multiplexers, and sequential control. This setup enabled the evaluation of method feasibility, signal stability, and the limitations associated with measurement latency and synchronization. The results obtained in this phase provided the technical and metrological basis for defining the final architecture of the reconfigurable platform. The second stage comprised the design of a modular architecture composed of hardware implementations managed by an AVR microcontroller and a measurement system based on the AD5933 impedance conversion frontend. This core integrates three functional modules: the SpectroBoard, focused on spectroscopic analysis; the Multi4067Board, employing analog multiplexers for switched measurements; and the TomoBoard, which introduces an innovative electrode topology capable of reversible switching and combined measurements. The development process involved the electronic design of circuits, the implementation of dedicated firmware, and the definition of specific experimental protocols for each acquisition technique. Experiments were conducted using electrical cell models, saline solutions, multi-electrode sensors, and reference objects with known geometry and composition. The results demonstrated strong agreement between theoretical and experimental data, validating the performance of the proposed platform across the three configurations.