Badania możliwości zastosowania materiałów inteligentnych przy opracowaniu adaptera do pomiaru parametrów drgań mechanicznych z uwzględnieniem czynników związanych z procesem pracy

Kierownik projektu: dr inż. Piotr Kowalski

Streszczenie projektu:

Głównym celem projektu były badania piezoelektrycznych materiałów inteligentnych obejmujące określenie i wyznaczenie ich parametrów elektrofizycznych w warunkach działania drgań mechanicznych oraz innych czynników związanych z procesem pracy (takich jak: siły wywierane przez pracowników na narzędzia, temperatura otoczenia). Zakres prac projektu obejmował także:

–   opracowanie na podstawie przeprowadzonych badań materiałów inteligentnych modelu adaptera służącego do pomiaru parametrów drgań mechanicznych działających na organizm człowieka przez kończyny górne

–   opracowanie metodyki pomiarowej z wykorzystaniem opracowanego modelu adaptera, w formie procedury badawczej.       

Wybrane elementy piezoelektryczne – piezolaminaty PVDF przetestowano na przygotowanych stanowiskach badawczych. Przeprowadzono badania zmiany czułości piezolaminatu w zależności od jego grubości i wymiarów oraz czasu reakcji na zmianę temperatury bezpośredniego otoczenia. Wyznaczano napięcie wyjściowe i charakterystyki częstotliwościowe układu przedwzmacniacza
z piezolaminatem przy obciążeniu siłami nacisku z zakresu 10-150 N, wywieranymi przez operatorów. Przeprowadzono także badania odpowiedzi częstotliwościowych przyłączy wybranych materiałów piezoelektrycznych.

   Przy założeniu, że dłoń operatora narzędzia lub urządzenia będzie obejmowała jego rękojeść/uchwyt opracowano i przetestowano sześć wersji modelu adaptera do pomiaru drgań mechanicznych. Na podstawie wyników badań charakterystyk częstotliwościowych dla różnych wartości sił obciążających oraz wyników pomiarów funkcji przejścia został wybrany jeden z nich jako prototyp adaptera. Stwierdzono, że poziom zarejestrowanych zakłóceń spowodowanych zjawiskami kontaktowymi na styku rękojeść pomiarowa – adapter umożliwia przeprowadzenie poprawnych pomiarów drgań miejscowych przy ich użyciu.

Do współpracy z adapterem zaprojektowano dwukanałowy przedwzmacniacz oparty na różnicowym wzmacniaczu instrumentalnym, wyposażony w bufory wejściowe. Kompensację sygnałów zakłócających uzyskano przy niezależnym dobrze wzmocnienia w torze pomiarowym i torze kompensującym.  Wyniki obliczeń symulacyjnych i pomiarów na stanowisku badawczym potwierdziły prawidłowość projektu i wykonanego na jego podstawie modułowego przedwzmacniacza pomiarowego. Dzięki zastosowanej metodzie kompensacji zakłóceń, opracowany model przedwzmacniacza umożliwiał przenoszenie niezakłóconych sygnałów pomiarowych z całego pasma częstotliwości wykorzystywanego podczas pomiarów drgań mechanicznych za pomocą modelu adaptera wykonanego z przetworników PVDF.

Zjawisko „wzmacniania” sygnału wyjściowego układu adapter – przedwzmacniacz pod wpływem sił nacisku na rękojeść testową z adapterem pomiarowym zostało potwierdzone w badaniach z udziałem dwóch operatorów. Zarejestrowane wzmocnienia przybierały wartości od 1,03 przy sile nacisku 30 N do 2,79 przy sile nacisku 100 N.

Projekt II.B.06. Uśrednione wzmocnienia sygnałów uzyskanych dla sześciu testowanych układów adapter – przedwzmacniacz w funkcji siły nacisku

Wynikiem realizacji projektu jest także metoda pomiaru i oceny drgań mechanicznych przy użyciu opracowanego adaptera  z piezolaminatu, która jest oparta na wyznaczeniu całkowitej dawki drgań i obliczeniu wskaźnika drgań działających przez kończyny górne V_HA.

Opracowana końcowa wersja modelu adaptera wraz z przedwzmacniaczem spełnia przyjęte założenia konstrukcyjne. Zastosowanie opracowanego układu przy pomiarach w warunkach rzeczywistych jest możliwe we współpracy z  dedykowanym miernikiem (wskaźnikiem) realizującym algorytm oparty na pomiarze dawki drgań, z uwzględnieniem jej zmiany w zależności od sił wywieranych przez operatora na narzędzie ręczne. Jako rozszerzenie zakresu prac realizowanego projektu, dodatkowo została opracowana i wykonana wstępna wersja konstrukcji takiego miernika.

Wykorzystanie opracowanego modelu adaptera przy pomiarach drgań na stanowiskach pracy pozwoli na uwzględnienie sił wywieranych przez operatora na narzędzie, co przy pomocy klasycznego wibrometru z przetwornikiem drgań nie było możliwe. Prawidłowa identyfikacja narażenia wg zaproponowanej metody oceny przyczyni się do podejmowania przez pracodawców odpowiednich działań ograniczających narażenie.

Wyniki prowadzonych prac zostały przedstawione w 2 publikacjach naukowych oraz w 2 referatach na konferencjach krajowych i międzynarodowych.

Wybrane charakterystyki częstotliwościowe dla testowej wersji adaptera z przedwzmacniaczem Autor: Piotr Kowalski, CIOP-PIB 2013 r.

Jednostka: Pracownia Drgań Mechanicznych

Okres realizacji: 01.01.2011 – 31.12.2013