Värähtelyantureihin perustuvan paikannusjärjestelmän kehittäminen ja testaus

Abstract

Pietsosähköisten värähtelyantureiden käyttöä rakenteisiin kohdistuvien iskujen paikannuksessa on tutkittu suhteellisen vähän, vaikka toimivalle ratkaisulle olisi laajoja kaupallisiakin käyttötarkoituksia. Toimivaa järjestelmää voitaisiin käyttää esimerkiksi rakenteeseen osuvan iskun osumapaikan tarkastuksessa paikantamalla iskupiste antureiden avulla, jolloin varsinaisen tarkastuksen suorittaja löytää osumakohdan ja mahdolliset vauriot nopeammin.

Tässä opinnäytetyössä keskitytään nelikulmaiseen teräslevyyn osuvan iskun sijainnin määrittämiseen levyyn kiinnitettävien pietsosähköisten antureiden avulla, mittaamalla antureille saapuvan värähtelyn etureunan aikaeroja antureiden välillä. Antureina käytetään keraamisia pietsolevyjä ja signaalin vahvistus tapahtuu operaatiovahvistimeen perustuvalla vahvistuspiirillä. Signaalin lopullinen prosessointi tapahtuu FPGA-piirillä ja ulos tuotettava informaatio on aikaerotus mikrosekuntiluokassa.

Työ sisälsi värähtelyn mittausta erilaisten pietsoantureiden avulla, vahvistinpiirin suunnittelun ja toteutuksen, VHDL-koodin toteutuksen FPGA-piirille, sekä koko järjestelmän testausta tarkoituksenmukaisessa testiympäristössä. Työn lopullinen tarkoitus oli tuottaa konseptitodistus, eli näyttö siitä, onko idea toteuttamiskelpoinen.

Opinnäytetyön toimeksiantajana toimi RandomTec Oy ja työ on osa laajempaa kaupallista konseptia.

Use of piezoelectric sensors in positioning of strikes on structures has been studied relatively scarcely, although a working solution would have tremendous commercial uses. A working system could for example be used to ease inspecting a location of a hit on a structure by locating the position using said sensors. Afterwards the person or device conducting the actual inspection can find the point of impact and possible damages faster.

This thesis will focus on locating a hit on a quadrangle steel plate with piezoelectric sensors attached to said plate, by measuring time difference of the front edge of the vibration of the plate reaching the sensors. The sensors are ceramic piezoelectric sensors, and the signal is amplified by an amplifier based on an operational amplifier. Signal processing is performed by a FPGA-circuit and the extracted information is time difference in microseconds.

The project included measuring vibration using various kinds of piezoelectric sensors, designing, and implementing the amplifier circuit, writing VHDL-code for the FPGA-circuit and the testing of the final system in an appropriate testing environment. The end product was a proof of concept showing if the idea is a feasible one.

The commissioner of this thesis was RandomTec Ltd, and the project is a part of a larger commercial concept.