Low-cost vibration sensors: tendencies and applications in condition monitoring of machines and structures

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Atualmente em qualquer indústria, a manutenção assumiu uma grande importância para todas as empresas, e a manutenção preventiva tornou-se uma maneira muito eficaz de prevenir defeitos ou falhas que possam levar à perda de vidas humanas, perdas de dinheiro ou tempos de inatividade. Por isso, o controlo de condição tem vindo a assumir um papel preponderante nos planos de manutenção preventiva, e nos dias de hoje a forma mais utilizada de controlo de condição é a análise de vibrações (Guimarães, 2011). Tendo isso em mente, é importante perceber qual o impacto das escolhas das empresas em relação à tecnologia dos sensores que são usados. Como tal, o objetivo deste trabalho é a comparação teórica e experimental de sensores de vibrações low-costcom o sensor piezoelétrico, na sua aplicação no controlo de condição de máquinas e estruturas. Este documento é o resultado do trabalho realizado ao longo desta dissertação de mestrado. O trabalho consiste no estudo teórico de conceitos relacionados com vibrações, controlo de condição, análise de vibrações, princípios e características dos sensores mais utilizados em análise de vibrações tal como conceitos relacionados com análise de vibrações que são importantes, como o condicionamento de sinal, aquisição de sinal e processamento de sinal. Nesse documento também é apresentada toda a informação relacionada com os testes experimentais de três tipos diferentes de sensores de vibrações, incluindo o sensor piezoelétrico, a caracterização de cada análise efetuada, bem como os softwaresutilizados para o processamento de dados, que neste caso foram LABVIEW®, PULSE®e Microsoft Excel®. A principal conclusão deste trabalho é que os sensores MEMS são o futuro da análise de vibrações, pois são muito mais baratos e produzem resultados muito semelhantes ao sensor piezoelétrico e à sua versão low-cost, a lâmina piezoelétrica.

Abstract: In today’s industries, maintenance has assumed a great importance to all companies, and preventive maintenance has become a very effective way of preventing faults or failures that could lead to the loss of human lives, loss of money and inactivity times. Because of this, condition monitoring and structural health monitoring have been assuming an important role in preventive maintenance plans, and today the most used form of condition monitoring is vibration analysis (Guimarães, 2011). Having this in mind, it is important to understand what is the impact of the companies’ choices regarding the technology of the sensors that are used. As such, the objective of this work is the theoretical and experimental comparison of low-cost vibration sensors with the piezoelectric sensor, in their application in condition monitoring and structural health monitoring. This document is the result of the work done throughout this master thesis. The work consists in the theoretical study of concepts related to vibrations, condition monitoring, structural health monitoring, vibration analysis, the principles and characteristics of the most used sensors in vibration analysis, and concepts related to vibration analysis that are important, such as signal conditioning, signal acquisition and signal processing. In this document it is also presented all the information related to the experimental analysis of three different kinds of vibration sensors, including the piezoelectric sensor, characterising every analysis made, as well as the software used for data processing, which in this case was LABVIEW®, PULSE®and Microsoft Excel®. The main conclusion of this work is that MEMS based sensors are the future of vibration analysis, as they are much cheaper and produce very similar results to the piezoelectric sensor and its cheaper counterpart, the piezoelectric film.