ミリ波レーダーを使用した非接触型状態基準保全/振動センサー

はじめに

本稿では、ミリ波レーダー技術を採用した新しい振動センシングのアイデアを紹介します。これにより、RF信号による非接触式の振動センシングが可能になります。

マシン・メンテナンスの現状と将来

効果的なマシン・メンテナンスまたはアセット・メンテナンスは、最近では重要な省力化作業となっており、現在、マシン・メンテナンスでは次の2つの方法が用いられています。

TbM：時間基準のメンテナンス

TbM（Time-based-Maintenance）は、今日主流のメンテナンス法で、事前に定めたワークフローに容易に組み込めます。経験のあるスタッフが定期的にあるいは随時、劣化状態を確認するための検査を行います。検査結果で継続使用ができるほど状態が良い場合でも、ユニットがあらかじめ設定された期間を経過した場合には、メンテナンスをより確実なものにするために、ユニット全体またはユニット内の部品を交換する場合があります。

CbM：状態基準のメンテナンス

CbM（Condition-base-Maintenance）は、最近用いられるようになった新しい方法で、いくつかのセンサーを使用した状態監視システムにより、機械の健全性を常に監視し、獲得されたセンシング・データを基に、機械の状態が事前に定めた劣化レベルに達した場合にのみ、その部品が交換され、より実際的で効率的なメンテナンスとなります。

振動モニタリング

CbMアプリケーションの場合、モニタ対象の状態として最も一般的なのは振動センシングです。基本的に、振動の周波数プロファイルは、次に示す例のような劣化の特徴を示します。

バランスの低下または軸ずれの場合1kHz未満の振動
ベアリングまたは歯車のひび割れの場合1kHz～数10kHzの振動

後者の周波数の高い振動はより早期の劣化フェーズで現れ、これがCbMアプリケーションでの重要な特徴です。図1では横軸にマシンの動作経過時間、縦軸に劣化状態とそこで出現する状態の例を示したP-Fカーブで、モーター内のベアリング故障などで出現する高周波振動が最初の予兆として出現しています。

振動センシング法

振動センシングにおいて、加速度センサーが、今日一般的に使用されるセンサーですが、その測定条件・環境により次のような、いくつかの課題があります。

振動数が高くなると（10kHz超）、機械の共振が顕著になります。
センサーユニットにおける、バッテリや配線ケーブルも共振に影響する場合があります。
振動数の高いセンサーの場合、高額（数1000米ドル）になります。
機械自身が125°Cを超えるような高温ではセンサーを取り付けることはできません。

そこで、ミリ波レーダーを使用する新しい振動センシング法を提供できるようになりました。このソリューションには、いくつかの新しい特長が備わっています。

いかなる機械的な共振にも影響されない非接触式の測定
広帯域（最大40kHz）の振動測定
非接触のため高温の機械も測定可能

測定原理

機械の振動から生じる微小な変位を検出するために、FMCWレーダーを採用しました。図3で示すように、レーダーセンサーから見て、モーターは振動によりごくわずか前後に移動（微小変位）しています。

FMCWレーダーにおける、送信Tx信号と受信Rx信号は、レーダーMMIC内でミキシングされて、送受信信号の周波数差によるビート周波数を求めます。ビート周波数の位相を調べると、機械振動による微小変位のために、その位相が変化します。これはドップラー効果によるものです。

位相データを継続して取得し、そのデータにFFT処理を施すと、振動周波数スペクトルが得られます。ここで、振動センシングのサンプルレートは、連続するFMCW送信信号のランプ（チャープ）間隔に等しくなります。高周波振動まで測定するために、ミリ波MMICは、10µsあたり数GHzで掃引するような高速ランプ・ジェネレータ回路が必要です。この性能は振動センシングには極めて重要です。