Kapasitiivisen MEMS-kiihtyvyysanturin käyttö ja standardisointi kunnonvalvonnan värähtelymittauksissa
Tuomi, Arto (2020-12-16)
A. Tuomi
16.12.2020
© 2020 Arto Tuomi. Tämä Kohde on tekijänoikeuden ja/tai lähioikeuksien suojaama. Voit käyttää Kohdetta käyttöösi sovellettavan tekijänoikeutta ja lähioikeuksia koskevan lainsäädännön sallimilla tavoilla. Muunlaista käyttöä varten tarvitset oikeudenhaltijoiden luvan.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202012173355
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202012173355
Tiivistelmä
Mikroelektromekaanisten järjestelmien (micro-electro-mechanical systems, MEMS) valmistustekniikan kehitys ja teollisen esineiden internetin (industrial internet of things, IIoT) yleistyminen ovat lisänneet kiinnostusta langattomia kapasitiivisia MEMS-kiihtyvyysantureita kohtaan kunnonvalvonnan värähtelymittauksissa. Diplomityön tavoitteena oli selvittää kapasitiivisten MEMS-kiihtyvyysantureiden erot tavanomaisesti teollisuudessa käytössä oleviin pietsosähköisiin kiihtyvyysantureihin verrattuna. Näiden anturityyppien rakennetta, tiedonsiirtoa, virrankulutusta ja toimintaa vertailtiin keskenään.
Anturityyppien etuja ja puutteita tarkasteltiin kunnonvalvonnan värähtelymittauksien kannalta. Työn tarkoituksena oli selvittää, kuinka hyvin kapasitiivisten MEMS-kiihtyvyysantureiden suorituskyky vastaa kunnonvalvonnan värähtelymittauksia käsittelevien PSK-standardien asettamia vaatimuksia. Viimeiseksi selvitettiin ne aihealueet, joihin MEMS-anturiteknologian käyttöönotto kunnonvalvonnan värähtelymittauksissa luo tarpeita uusien standardien luomiselle tai nykyisten standardien muuttamiselle.
Työ suoritettiin tutkimalla kirjallisuutta sekä suorittamalla testimittauksia molemmille anturityypeille. Testimittaukset sisälsivät värähtely- ja kohinatasomittauksia. Värähtelymittaukset suoritettiin täristimen avulla laajalla taajuusalueella sekä eri amplitudeilla. Työn pääpaino oli kirjallisuuskatsauksessa, koska testimittauksia ei pystytty toteuttamaan halutussa laajuudessa.
Tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että monet värähtelymittauksiin suunnitellut kapasitiiviset MEMS-kiihtyvyysanturit täyttävät suorituskyvyltään osan värähtelymittauksia käsittelevien PSK-standardien asettamista vaatimuksista. Monet näistä antureista eivät sovellu PSK-standardien mukaisien absoluuttisten värähtelymittausten suorittamiseen kovin suurella taajuusalueella, mutta matalataajuuksisten värähtelyjen mittaamiseen niitä voi yleensä käyttää. Monelta osin kapasitiiviset MEMS-kiihtyvyysanturit kuitenkin vastaavat PSK-standardeissa kiihtyvyysantureille ja mittalaitteille asetettuihin vaatimuksiin.
Testimittauksien tulokset korostivat mittalaitteiden kalibroinnin ja testaamisen tärkeyttä. Perusteellisella kalibroinnilla ja testaamisella pyritään varmistamaan, että mittalaitteilla voidaan suorittaa luotettavia mittauksia. Kalibroinnin ja testaamisen tärkeys korostuu entisestään uuden teknologian kohdalla. The advancements in manufacturing technologies of micro-electro-mechanical systems (MEMS), and the trending of industrial internet of things (IIoT), have grown interest in the usage of wireless capacitive MEMS accelerometers in vibration-based condition monitoring. The objective of this thesis was to determine the differences between capacitive MEMS accelerometers and piezoelectric accelerometers, latter of which are commonly used in industry. To determine the differences between the sensors, the properties of the MEMS accelerometers and the piezoelectric accelerometers were compared.
The advantages and drawbacks of the MEMS accelerometers and the piezoelectric accelerometers in vibration-based condition monitoring were examined. The goal of the thesis was to examine to what extent the capacitive MEMS accelerometers meet the requirements of vibration measurements in condition monitoring that are set in PSK standards. Finally, the need to create new standards or to modify existing standards in vibration-based condition monitoring, because of MEMS technology, were examined.
The thesis was conducted by a literature review and by carrying out test measurements for the sensors. Two types of test measurements were conducted: vibration measurements and noise floor measurements. The vibration measurements were performed with different frequencies and amplitudes using a vibrator exciter. Due to the small number of the test measurements, the focus of the thesis was on the literature review.
The study results indicate that the performance of capacitive MEMS accelerometers that are designed for vibration monitoring, partly meet the requirements of vibration measurements in condition monitoring that are set in PSK standards. In terms of the requirements set in PSK standards, capacitive MEMS accelerometers are not commonly a viable choice for vibration measurements in a wide frequency range, but they can mostly be used to measure low frequency vibration. Capacitive MEMS accelerometers usually meet the other requirements that are set for accelerometers and measurement instruments in PSK standards.
The test measurement results highlight the importance of calibrating and testing of measurement equipment. Thorough calibrating and testing of measurement equipment is required to ensure, that reliable measurements can be carried out with them. The importance of calibrating and testing of measurement equipment is even more crucial when dealing with new technology.
Anturityyppien etuja ja puutteita tarkasteltiin kunnonvalvonnan värähtelymittauksien kannalta. Työn tarkoituksena oli selvittää, kuinka hyvin kapasitiivisten MEMS-kiihtyvyysantureiden suorituskyky vastaa kunnonvalvonnan värähtelymittauksia käsittelevien PSK-standardien asettamia vaatimuksia. Viimeiseksi selvitettiin ne aihealueet, joihin MEMS-anturiteknologian käyttöönotto kunnonvalvonnan värähtelymittauksissa luo tarpeita uusien standardien luomiselle tai nykyisten standardien muuttamiselle.
Työ suoritettiin tutkimalla kirjallisuutta sekä suorittamalla testimittauksia molemmille anturityypeille. Testimittaukset sisälsivät värähtely- ja kohinatasomittauksia. Värähtelymittaukset suoritettiin täristimen avulla laajalla taajuusalueella sekä eri amplitudeilla. Työn pääpaino oli kirjallisuuskatsauksessa, koska testimittauksia ei pystytty toteuttamaan halutussa laajuudessa.
Tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että monet värähtelymittauksiin suunnitellut kapasitiiviset MEMS-kiihtyvyysanturit täyttävät suorituskyvyltään osan värähtelymittauksia käsittelevien PSK-standardien asettamista vaatimuksista. Monet näistä antureista eivät sovellu PSK-standardien mukaisien absoluuttisten värähtelymittausten suorittamiseen kovin suurella taajuusalueella, mutta matalataajuuksisten värähtelyjen mittaamiseen niitä voi yleensä käyttää. Monelta osin kapasitiiviset MEMS-kiihtyvyysanturit kuitenkin vastaavat PSK-standardeissa kiihtyvyysantureille ja mittalaitteille asetettuihin vaatimuksiin.
Testimittauksien tulokset korostivat mittalaitteiden kalibroinnin ja testaamisen tärkeyttä. Perusteellisella kalibroinnilla ja testaamisella pyritään varmistamaan, että mittalaitteilla voidaan suorittaa luotettavia mittauksia. Kalibroinnin ja testaamisen tärkeys korostuu entisestään uuden teknologian kohdalla.
The advantages and drawbacks of the MEMS accelerometers and the piezoelectric accelerometers in vibration-based condition monitoring were examined. The goal of the thesis was to examine to what extent the capacitive MEMS accelerometers meet the requirements of vibration measurements in condition monitoring that are set in PSK standards. Finally, the need to create new standards or to modify existing standards in vibration-based condition monitoring, because of MEMS technology, were examined.
The thesis was conducted by a literature review and by carrying out test measurements for the sensors. Two types of test measurements were conducted: vibration measurements and noise floor measurements. The vibration measurements were performed with different frequencies and amplitudes using a vibrator exciter. Due to the small number of the test measurements, the focus of the thesis was on the literature review.
The study results indicate that the performance of capacitive MEMS accelerometers that are designed for vibration monitoring, partly meet the requirements of vibration measurements in condition monitoring that are set in PSK standards. In terms of the requirements set in PSK standards, capacitive MEMS accelerometers are not commonly a viable choice for vibration measurements in a wide frequency range, but they can mostly be used to measure low frequency vibration. Capacitive MEMS accelerometers usually meet the other requirements that are set for accelerometers and measurement instruments in PSK standards.
The test measurement results highlight the importance of calibrating and testing of measurement equipment. Thorough calibrating and testing of measurement equipment is required to ensure, that reliable measurements can be carried out with them. The importance of calibrating and testing of measurement equipment is even more crucial when dealing with new technology.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [34176]