Langattomien antureiden käyttö värähtelyanalyysissa

Abstract

Värähtelyanalyysissa tutkitaan kappaleen tai rakenteen värähtelytaajuuksia ja amplitudeja. Analyysin perusteella voidaan määrittää tutkittavan kohteen kunto, pidentää merkittävästi sen käyttöikää ja parantaa työn laatua. Värähtelyanalyysin suorittaminen perinteisillä menetelmillä on varsin työläs ja kallis prosessi, sekä vaatii erikoistuneen asiantuntijan, jonka vuoksi niille on pyritty löytämään vaihtoehtoisia ratkaisuja. Langattomat anturit mahdollistavat prosessin helpottamisen ja kustannusten alentamisen, mutta niiden soveltuvuus värähtelyanalyysiin on epävarmaa. Tässä tutkielmassa on tavoitteena tutkia niiden soveltuvuutta värähtelyanalyysiin tuomalla esiin langattomien antureiden vahvuuksia ja heikkouksia.

Teoriaosuudessa perehdytään tarkemmin langattomiin kiihtyvyysantureihin ja niiden sisältämään MEMS-teknologiaan, sekä tarkastellaan sen kehittymistä ja vertaillaan erilaisia kyseiseen teknologiaan pohjautuvien antureiden ominaisuuksia taulukoinnin avulla. Lisäksi tutkitaan kuinka teoriatasolla langattomat anturit käyttäytyvät mittalaitteena ja tuodaan esiin eräs tärkeimmistä matemaattisista menetelmistä signaalin prosessointiin liittyen. Tutkimusvaiheessa suoritetaan case-tutkimus kahdelle eri värähtelyalttiille kappaleelle käyttäen teoriaosuudessa mainittua anturia ja muita menetelmiä analyysin suorittamiseen. Tulokset taulukoidaan ja niiden pohjalta esitetään johtopäätöksiä, sekä arvioidaan mittalaitteiden soveltuvuutta.

Tutkimuksesta ilmeni, että langattoman anturin alhaisen näytteenottotaajuuden vuoksi sen soveltuvuus värähtelyanalyysiin on hyvin rajallinen verrattuna vaihtoehtoisiin menetelmiin. Tämän lisäksi sensorin kiinnityksellä tutkittavan kohteen pintaan on oleellinen vaikutus analyysin tuloksiin. Kuitenkin tietyissä tapauksissa, esimerkiksi laadunvalvonnassa langatonta anturia voidaan pitää varteenotettavana vaihtoehtona, huomioiden sen rajoitteet.

Vibration analysis examines the vibration frequencies and amplitudes of a body or a structure. Based on the analysis, it is possible to determine the condition of the object under study, significantly extend its service life and improve the quality of the work. Performing vibration analysis using traditional methods is quite a laborious and expensive process, that requires a specialized professional which is why efforts have been made to find alternative solutions to them. Wireless sensors make the process easier and reduce costs, but their suitability for vibration analysis is uncertain. The aim of this dissertation is to investigate their applicability to vibration analysis by highlighting the strengths and weaknesses of wireless sensors.

The theory section introduces the wireless accelerometer(s) and the MEMS technology they contain in more detail, examines its development, and compares the various properties of sensors based on that technology using tabulation. In addition, at the theoretical level, how wireless sensors behave as a measuring device is studied and one of the most important mathematical methods related to signal processing is presented. A case study is then performed on two vibration prone objects using a wireless accelerometer. Several other methods are used to compare. The results are tabulated, and conclusions are presented as well as the suitability of the measuring devices are assessed.

The study showed that due to the low sampling frequency of the wireless sensor, its suitability for vibration analysis is very limited compared to alternative methods. In addition, the method the sensor is attached to the surface of the object under study also significantly affects the result of the analysis. However, in certain cases, such as in quality control a wireless sensor can be considered a viable option, given its limitations.