Kategoriat
Yleinen

Kunnonvalvonta ja MEMS

Käynnissäpitoon liittyy usein oleellisesti kunnonvalvonta ja diagnostiikka. Eräs yleisimmistä tässä yhteydessä käytetyistä menetelmistä ovat värähtelymittaukset, jotka toteutetaan nykyään yleensä kiihtyvyysantureilla. Lähes jokainen meistä kantaa mukanaan yhtä tai useampaa kiihtyvyysanturia – esimerkiksi mobiililaitteissa – mutta tuskin koskaan tulee pohtineeksi, sopisiko tämä hyvin arkipäiväsessä käytössä oleva tekniikka myös käynnissäpitosovelluksiin.

Arkisissa sovelluksissa käytetään useimmiten ns. MEMS-kiihtvyvyysantureita (engl. Micro-electro-mechanical systems), kun taas ammattimaisissa värähtelymittauksissa käytössä ovat lähes yksinomaan pietsosähköiset kiihtyvyysanturit. Pietsosähköisten anturien käytölle ammattilaissovelluksissa on syynsä, sillä ne ovat monilta ominaisuuksiltaan erinomaisia antureita. MEMS-tekniikalla valmistetuilla antureilla on kuitenkin niilläkin omat vahvuutensa, esimerkiksi yleensä edullinen hinta, joten tämänkin tyyppisiin antureihin on alalla kohdistunut viime vuosina kasvavaa kiinnostusta.

KÄYPI-hankkeen puitteissa toteutettu teknologiaselvitys pyrkii osaltaan valottamaan sitä, että onko MEMS-kiihtyvyysantureista pietsosähköisten anturien kilpailijaksi. Useimmiten mittaajien huoli asiassa liittyy anturin taajuusvasteeseen ja siten käyttökelpoiseen taajuusalueeseen, sekä joskus myös anturisignaalin kohinaisuuteen. MEMS-kiihtyvyysanturit omaavat tavallisesti pietsosähköisiä antureita paremman vasteen hyvin matalilla taajuuksilla, mutta pietsosähköisten anturien käyttökelpoinen taajuusalue on yleensä selvästi laajempi. Vaikka alalla tehdäänkin myös mittauksia, joissa korkein mitattava taajuus on 1000 Hz, on olemassa myös tutkittua tietoa siitä, ettei näillä mittauksilla ole mahdollista todeta monia vikoja ainakaan ennen kuin vikaantuminen on edennyt hyvin pitkälle. Toisin sanoen käynnissäpitoa ajatellen on harvemmin tarpeellista keskittyä mataliin taajuuksiin, mutta tarve ulottaa mittausten taajuusalue useamman kilohertsin taajuuksiin on yleinen. Tästä johtuen pietsosähköiset kiihtyvyysanturit ovat usein varma valinta. Monet MEMS-anturien valmistajat ilmoittavat kuitenkin myös monien MEMS-tyyppisten anturien olevan käyttökelpoisia useamman kilohertsin taajuuksiin saakka, joskin nämä ominaisuudet usein näyttävät koskevan lähinnä piirille juotettavaa sirua, eikä kokonaista koteloitua anturia.

Testaustyö meneillään.

Yhteistyössä Asensiot Oy:n kanssa KÄYPI-hankkeen toteuttajat suorittivat Oulun yliopistolla testejä, joiden perusteella selvitettiin erään MEMS-anturityypin suorituskykyä. Kokeilimme muutamaa eri testianturiyksilöä, joissa käytettävä MEMS-siru on STMicroelectronics:in valmistama malli IIS3DWB. Tulokset olivat lähellä anturisirun datalehdeltä saadun tiedon mukaisia, kun kyseiset anturisirut oli testiä varten kiinnitetty pelkkää piirilevyä jäykempään ja painavampaan alustaan. Anturin nk. kolmen desibelin alue päättyy datalehden mukaan noin 5-6 kHz kohdalle ja testiemme perusteella tämä piste oli hiukan tätä alempana, mutta tämä poikkeama saattaa johtua muusta mekaanista rakenteesta, kuin itse MEMS-sirusta. Vaikka kokeiluissamme ei selvitettykään anturin vaihevastetta, eikä sirun kolmesta mittaussuunnasta testattu kuin yhtä, testien perusteella voisi kuitenkin arvioida anturisirun olevan hyvin riittävä melko moniin tarpeisiin myös teollisuuden värähtelymittauksia ajatellen. Anturisignaalin kohinaisuuskin oli testatuissa antureissa kohtalaisen vähäistä, vaikkakin pietsosähköisiä antureita suurempaa. Voidaan myös todeta, että useat varsin edullisetkin pietsosähköiset anturit ovat amplitudivasteeltaan tässä testattuja antureita parempia. Kenties tätä mielenkiintoisempi huomio on kuitenkin se, että toisaalta kokeiluistamme saamamme käsityksen mukaan tällainen edullisemman hintaluokan anturikin voi oikein koteloituna olla riittävä moniin käyttötarkoituksiin kunnonvalvonnassa.

Mitä tämä sitten merkitsee värähtelymittaajan näkökulmasta? Lyhyesti tiivistäen sitä, että vaikka MEMS-anturien ominaisuudet ovatkin usein kohtalaisen vaatimattomia pietsosähköisiin vaihtoehtoihin verrattuna, alkaa niidenkin kehityskaari olla siinä pisteessä, että niiden käyttö teollisessa ympäristössä voisi hyvinkin tulla kysymykseen. Signaalin kohinaisuus tai anturin taajuusvastealue eivät ehkä yllä aivan perinteisten anturien tasolle, mutta MEMS-anturien hinta huomioiden niitä ei kannata anturivalintaa pohtiessa sivuuttaa. Kun asiaan lisätään vielä se fakta, että MEMS-anturin tehonkulutus on usein hyvin pieni, voisi tästä tekniikasta olla vaihtoehdoksi tulevaisuudessa, kun teollisen internetin sovellukset yleistyvät. Seuraako tästä sitten samalla se, että pietsosähköiset anturit korvautuvat MEMS-antureilla? Tällaisen kehityskulun toteutumista on vaikea ennakoida, mutta ainakin toteuttamiemme testien perusteella MEMS-tekniikan yleistyminen vaikuttaa mahdolliselta.