Alternative measurement methods for impact loads of marine structures

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2019
Department
Major/Subject
Control, Robotics and Autonomous Systems
Mcode
ELEC3025
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
74
Series
Abstract
In this thesis the prospects of different sensor technologies for impact measurements have been researched and tested. Main goal was to implement impact measurement system for an already known structure. Metallic foil strain gauges and fiber Bragg grating sensors have been previously used, but for cost reasons cheaper alternative with similar accuracy is searched for. Researched sensors include vibrating wire strain gauges, LVDTs, accelerometers, SAW sensors, semiconductor strain gauges, photoelectric sensors and ultrasonic sensors. It was concluded that accelerometers exhibit many good qualities especially for impact measurements in difficult conditions. A consistent method for position estimation was to detect the impact peaks from the data and only to integrate over the measured peaks to shorten the integral timespan. Minimizing the integral timespan, also minimizes the drift. To detect maximums of the impacts, clustering in conjunction with peak detection was used. To assess the accuracy of accelerometers' position estimates, some testing with a measurement system was also made. Tests were made with capacitive, thermal and piezoelectric accelerometers with varying test parameters to see how well each type of sensor performs in different scenarios. Both the impulse duration and sensor movement range were altered according to the known system's typical ranges. It was determined that accelerometers are a valid option for estimation of strain caused by impacts. The most accurate estimation was achieved with thermal and capacitive accelerometers. Though, piezoelectric and piezoresistive sensors should be preferred in the case of higher accelerations.

Tässä työssä tutkittiin ja testattiin erilaisten anturien soveltuvuutta iskukuormien mittaamiseen. Työn tavoitteena on implementoida iskukuormien mittaus jo tunnetulle rakenteelle. Entuudestaan oli käytetty metallisia ja optisia venymäliuskoja, mutta kustannus-syistä johtuen etsittiin halvempaa vaihtoehtoa, jonka tarkkuus on samaa suuruusluokkaa. Työssä vertailtiin ja tutkittiin metallilankavenymäliuskoja, LVDT-antureita, kiihtyvyysantureita, SAW-antureita, puolijohdevenymäliuskoja, välosähköisiä antureita ja ultraääniantureita. Tultiin tulokseen, että kiihtyvyysanturit soveltuvat hyvin iskukuormien mittaamiseen. Iskukuorman aiheuttaman etäisyyden muutoksen estimoimiseen käytettiin menetelmää, jossa aluksi iskujen aiheuttamat huiput tunnistettiin datasta, jonka jälkeen vain ensimmäisen aallon yli integroitiin kahdesti paikkaestimaatin muodostamiseksi. Klusterointia käytettiin iskujen erottamiseksi toisistaan. Klusteroinnilla ja huipunhaulla saatiin integrointiväli minimoitua, jotta estimaattien arvot eivät ajelehtisi. Anturien ja estimointimenetelmän tarkkuuden selvittämiseksi rakennettiin testijärjestelmä. Antureita poikkeutettiin erilaisilla impulssien kestoilla ja voimakkuuksilla. Testejä tehtiin kapasitiivisilla, piezosähköisillä ja termokiihtyvyysantureilla. Kokeilla todistettiin, että kiihtyvyysanturit ovat validi vaihtoehto iskukuormien mittaamiseen. Tarkimmat estimaatit saatiin kapasitiivisella ja termokiihtyvyysanturilla. Tosin, piezosähköisten ja piezoresistiivisten kiihtyvyysantureiden käyttöä kannattaa harkita, kun kyseessä on suuret kiihtyvyydet.
Description
Supervisor
Visala, Arto
Thesis advisor
Immonen, Veikko
Kokko, Olli
Keywords
accelerometers, impact measurements, strain gauges, position estimation
Other note
Citation