Warsztaty edukacyjne
Laserowy wibrometr optyczny DIY
W trakcie warsztatów uczniowie ZSCKR Bożków budują własny laserowy wibrometr optyczny z poziomicy laserowej, starego smartfona i ogniwa słonecznego. To edukacja na żywo: przyrząd profilaktycznie bada mikrodrgania willi „Dom Kawalerów” — obiektu pozostającego w zarządzie szkoły i będącego własnością Skarbu Państwa, z zaplanowanym remontem — a uczniowie uczą się odczytywać i interpretować sygnał. Całość wspiera zdalny, nieinwazyjny nadzór nad stanem technicznym i jest prowadzona w modelu open source.
Schemat interaktywny
Jak działa wibrometr — krok po kroku
Przesuń suwak, by „poruszyć” fasadą willi „Dom Kawalerów” i zobaczyć, jak mikrodrgania muru przesuwają odbitą plamkę lasera. Kliknij dowolny blok, by poznać jego rolę. Przełącz pasmo, by zrozumieć, dlaczego to 4–8 Hz jest dla nas kluczowe.
Kliknij element schematu
Każdy blok to jeden etap łańcucha pomiarowego — od wiązki lasera po alarm antywłamaniowy. Użyj suwaka, by zobaczyć, jak drgania fasady przesuwają plamkę i zmieniają odczyty pasm.
Idea przyrządu
Laserowy wibrometr optyczny wykorzystuje metody znane z diagnostyki technicznej i materiałoznawstwa: obserwuje odbitą od badanej powierzchni wiązkę lasera i rejestruje drobne zmiany jej położenia. Profesjonalny sprzęt kosztuje dziesiątki tysięcy złotych. My proponujemy wersję DIY — dostępną dla szkoły i społeczności: smartfon jest kamerą i procesorem, laser z poziomicy świeci na fasadę willi „Dom Kawalerów”, a ogniwo słoneczne podtrzymuje pomiar przez całą dobę. Aplikacja open source analizuje obraz klatka po klatce, liczy przemieszczenie plamki i przekazuje strumień drgań do wykresu oraz audio, a automatyczna analiza AI zamienia dane w zrozumiałe wnioski: wykryte anomalie, sygnatury zdarzeń, sugerowaną reakcję. Willa pozostaje w zarządzie szkoły i jest własnością Skarbu Państwa; stacja wspiera więc stały, zdalny i nieinwazyjny nadzór nad stanem technicznym dobrego gospodarza.
Badanie budynku to jedno z wielu zastosowań tego przyrządu. Wibrometr DIY wpisuje się przede wszystkim w Mechanizację Rolnictwa — diagnostykę drgań ciągników, agregatów, wentylatorów, pomp i silosów, gdzie analiza sygnału może wskazywać zużycie łożysk, wałów, sprzęgieł czy nierównowagę wirników. Ten sam łańcuch pomiarowy — laser, kamera smartfona, OpenCV i FFT — sprawdza się w materialoznawstwie, ocenie stanu obiektu i profilaktycznej obsłudze parku maszynowego gospodarstwa. Dzięki temu uczniowie widzą na żywo, jak wiedza z lekcji zamienia się w dane, decyzje i odpowiedzialne działanie.
Od „pchełek” do wiązki lasera — czujniki drgań są wszędzie
Bezprzewodowe słuchawki douszne — potocznie „pchełki” — zna dziś każdy. Mniej znany jest fakt, że każda z nich mieści miniaturowy mikrofon MEMS: czujnik, który zamienia drgania powietrza na sygnał elektryczny, próbkowany tysiące razy na sekundę. Postaw taki mikrofon na obudowie pracującego silnika — i masz bezprzewodowy czujnik drgań. Zapis „buczenia” maszyny to już surowy materiał diagnostyczny: w tym dźwięku zapisane jest wszystko, co maszyna „czuje”.
Podobne czujniki — dedykowane akcelerometry MEMS albo moduły z mikrofonem i radiem — można rozłożyć na karoserii samochodu, ramie traktora, obudowie silnika czy przy łożysku pompy. System zbiera sygnały z wielu punktów i analizuje je pod kątem anomalii: nowy prążek w widmie, rosnąca amplituda, pojedyncze uderzenia. Ta sama metoda sprawdza się również w obiektach — czujnik drgań pełni tam funkcję nie tylko techniczną, lecz także antywłamaniową: kroki, wiercenie czy nacisk na ościeżnicę mają zupełnie inne sygnatury niż spokojna praca budynku, więc system potrafi odróżnić zwykłą aktywność od wtargnięcia.
Nasz wibrometr laserowy idzie o krok dalej, bo mierzy całkowicie bezdotykowo. Nie przykręcamy niczego do obiektu: wiązka lasera pada na drgającą powierzchnię, a kamera obserwuje, jak odbita plamka przemieszcza się po matrycy. Z ruchu plamki odtwarzamy przebieg drgań z dokładnością rzędu mikrometrów — tę samą metodę stosują przemysłowe wibrometry laserowe kosztujące dziesiątki tysięcy złotych.
Demonstrator
Analiza drgań maszyn — silnik, zawieszenie, łożysko
Wybierz źródło drgań i filtr — zobacz, jak wygląda zapis w dziedzinie czasu i widma. Dla silnika demonstrator sam wylicza obroty z dźwięku — dokładnie tak, jak działa to na nagraniu z mikrofonu.
O sygnałach
Sygnał: syntetyczny, FS ≈ 8 192 Hz. RMS podawane w jednostkach względnych.
Techniki analizy, które poznasz na warsztatach
Sześć narzędzi, którymi czyta się zapis drgań i dźwięku pracy mechanizmów. Ścisłe matematycznie, a jednocześnie intuicyjne — demonstrator powyżej pokazuje cztery z nich w działaniu.
RMS — wartość skuteczna
Miara energii drgań: „jak mocno maszyna drży łącznie”. Rośnie przy luzach i zużyciu. Odporna na szum, dlatego jest pierwszym wskaźnikiem w normach drganiowych (np. ISO 10816). Wykrywa: ogólne pogorszenie stanu, niedokręcenia, luzy.
FFT — widmo częstotliwościowe
Rozkłada zapis na tony składowe. Każdy element maszyny ma „swój” ton: wał wiruje na częstotliwości obrotów, zapłony czterocylindrowego silnika — na dwukrotności częstotliwości obrotów. Wykrywa: nierównowagę wirników, niewspółosiowość, luzy — i pozwala z dźwięku policzyć obroty silnika.
Współczynnik szczytu (crest)
Stosunek największej amplitudy do RMS. Zdrowa maszyna brzęczy równo (crest ≈ 1,4–4); uszkodzenie zaczyna się od pojedynczych uderzeń, więc crest rośnie na długo przed tym, nim wzrośnie RMS. Wykrywa: wczesne uszkodzenia łożysk i zgubienia zapłonu.
Kurtoza
Statystyczna miara „szpilkowatości” zapisu: dla czystego szumu wynosi 3, a rośnie, gdy pojawiają się rzadkie, silne impulsy. Wykrywa: punktowe uszkodzenia powierzchni tocznych i zębów przekładni na bardzo wczesnym etapie.
Analiza obwiedni
Uszkodzona kulka każdorazowo „dzwoni” na częstotliwości własnej łożyska (kilka kHz), a rytm tych dźwie̜ków zdradza częstotliwość defektu. Analiza obwiedni demoduluje to dudnienie i wydobywa słabe uderzenia spod szumu. Wykrywa: defekty bieżni i elementów tocznych — najwcześniej ze wszystkich metod.
Rzędy i obroty (order tracking)
Prążki widma przelicza się na wielokrotności obrotów wału: 1× obrót, 2×, 4×… Dzięki temu wiadomo, że „to drganie pochodzi od wału silnika, nie od wentylatora”. Z tego samego mechanizmu powstaje wskaźnik, który z zapisu dźwięku silnika liczy jego obroty na minutę.
Zakres warsztatów
- Fizyka optyczna — interferencja, odbicie spekulatywne, plamka Airy'ego, czujnik CMOS, migawka elektroniczna, rolling shutter.
- Elektronika — schematy elektroniczne, układy zasilania i sterowanie pomiarem.
- Obróbka obrazu — pipeline w OpenCV: detekcja plamki (k-nearest centroid, thresholding HSV), filtrowanie, RMS, FFT, rejestrowanie czasowe.
- Programowanie open source — aplikacja Python + Numba na starym smartfonie z Androidem (Termux), ewentualnie port do Camera2 API + TFLite. Kod ukazany w repozytorium Fundacji.
- Stream — WebSocket z węzła pomiarowego do Cloudflare Pages Function, SSE do klienta, wizualizacja Chart.js + Web Audio API.
- Diagnostyka i alarm — RMS, współczynnik szczytu, kurtoza, analiza obwiedni; klasyfikacja sygnatur zdarzeń (praca maszyny, kroki, wiercenie) jako funkcja antywłamaniowa stacji.
- Etyka i ochrona zabytku — zezwolenia konserwatorskie, nienaruszanie substancji zabytku, wspólne roboty bezinwazyjne.
Zgodność z podstawą programową: technik mechanizacji rolnictwa i agrotroniki
Warsztaty przekładają na praktykę podstawę programową kształcenia w zawodzie technik mechanizacji rolnictwa i agrotroniki (311515). Nie są dodatkiem do programu: dają uczniom pracę z rzeczywistym obiektem, czujnikami, obrazem i danymi na żywo, w szczególności przez:
- ROL.02 — Eksploatacja pojazdów, maszyn, urządzeń i narzędzi stosowanych w rolnictwie: diagnostyka drgań, ocena stanu technicznego, planowanie obsługi oraz interpretacja danych z pomiaru.
- ROL.08 — Eksploatacja systemów mechatronicznych w rolnictwie: czujniki, układy optyczne, automatyka, urządzenia i systemy elektroniczne, nawigacja satelitarna, zbieranie danych oraz analiza sygnału.
- Materiałoznawstwo i diagnostyka techniczna: obserwacja zachowania materiału, porównywanie wyników i formułowanie wniosków na podstawie danych pomiarowych.
- Kompetencje cyfrowe (podstawowe i zawodowe): obróbka danych, programowanie, IoT, automatyzacja i praca z open source.
- Diagnostyka i obsługa techniczna: planowanie pomiaru, monitorowanie parametrów, dokumentowanie wyników i ocena stanu technicznego maszyn oraz urządzeń.
Całość zajmuje ok. 30 godzin lekcyjnych i może być realizowana jako międzyprzedmiotowy moduł.
Repozytorium i materiały
Kod open source jest udostępniany w repozytorium Fundacji (open source). Będzie tam:
- Schematy elektroniczne (KiCad)
- Modele 3D obudowy dla wydruku (STL/3MF, Fusion/PrusaSlicer)
- Kod aplikacji Android (Python/Termux) i web (Astro + Cloudflare Pages Functions)
- Dokumentacja budowy krok po kroku (MD i PDF)
- Materiały edukacyjne — prezentacje, konspekty, quizy
- Licencje: MIT / CERN-OHL-W / CC-BY-SA 4.0 (odpowiednio dla softu, schematów, dokumentacji)
Formy grup
Warsztaty prowadzimy w trzech formach:
Kontrast: tradycja + nowoczesność
Dla społeczności Kotliny Kłodzkiej połączenie nowoczesnych technologii z opieką nad dziedzictwem to nowa szansa. Promujemy region. Inwestujemy w młodzież. Ratujemy świadka historii.