The focus of this thesis was the development of failure prognosis methods (prognostics) in rotating machinery with use of multiple sensors digital signal processing and machine learning techniques. The motivation stems from the void in literature concerning prognostics in meshing gearboxes. Moreover, there are several but inconclusive works regarding bearing prognosis. Few research groups have studied multi-hour fatigue gear experiments and this was one of the contributions of this thesis. Moreover, the study expanded beyond the sheer application of vibration monitoring with the addition of an Oil Debris Monitoring probe (ODM) as well as Acoustic emission (AE). The method of AE monitoring is, once again, proposed as a robust technique for failure prognosis being better correlated with gear pitting level compared to the classic vibration monitoring technique. Moreover, judging from ODM recordings the gear pitting comprises of two phases i) a linear phase, with an almost constant pitting rate and ii) a very short non linear phase where the pitting rate increases exponentially, an explicit indication of a critical failure. Multi-hour gear experiments that are close to real scale applications are very demanding in time as well as in invested capital. To bypass this shortfall a gear failure like simulation is proposed. The simulation framework is based on real life experiments and is applied to assess a number of data-driven Remaining Useful Life (RUL) estimation techniques namely i) Proportional Hazards Μodel (PHM), ii) ε- Support Vector Regression ε-SVR and iii) Exponential extrapolation based on bootstrap sampling. In the current thesis a feature extraction scheme for prognosis is proposed and assessed based on time domain, frequency domain statistical features and Wavelet Packet (WP) energy derived from AE and vibration recordings. ICA is proposed as a preferable fusion technique for gear failure prognostics. Application of ICA for feature fusion provided a clear improvement regarding the earlier presented bootstrap extrapolation technique. Bearings are also taken into account since they are closely connected to gearboxes. In the current thesis a wavelet denoising method is proposed for bearing vibration recordings aiming to the improvement of the diagnostic and prognostic potential of vibration. Finally the importance of data fusion is highlighted in the case of bearings. It is observed that a feature extraction scheme can generalize the application of prognostics, even in cases where RMS may yield no important degradation trend. / Η παρούσα εργασία εστιάζεται στην ανάπτυξη μεθοδολογιών πρόβλεψης τελικής αστοχίας σε περιστρεφόμενα συστήματα με χρήση πολλαπλών αισθητήρων και μεθόδων μηχανικής μάθησης και επεξεργασίας σήματος. Το κίνητρο προήλθε από το κενό που υπάρχει στη βιβλιογραφία όσον αφορά την προγνωστική σε κιβώτια ταχυτήτων. Η προγνωστική σε έδρανα έχει μεν μελετηθεί αλλά σε μικρό βαθμό και η παρούσα εργασία έρχεται να συμβάλλει και σε αυτό τον τομέα. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας εκπονήθηκε ένας αριθμός πειραμάτων κόπωσης κιβωτίων ταχυτήτων. Η μελέτη επεκτάθηκε πέραν της παρακολούθησης κατάστασης με τη μέθοδο των κραδασμών και συγκεκριμένα μελετήθηκαν καταγραφές σωματιδίων σιδήρου στο λιπαντικό (ODM) καθώς και Ακουστική Εκπομπής (AE). Η μέθοδος ΑΕ ευρέθη πιο στενά συσχετισμένη με τη σταδιακή υποβάθμιση της ακεραιότητας του κιβωτίου ταχυτήτων σε σχέση με τις καταγραφές κραδασμών. Επίσης με βάση τις καταγραφές του αισθητήρα σωματιδίων σιδήρου διακρίθηκαν δύο στάδια  υποβάθμισης i) μια γραμμική περιοχή με σχεδόν σταθερό ρυθμό απελευθέρωσης υλικού από την επιφάνεια των δοντιών και ii) μια σύντομη αλλά έντονα μη γραμμική αύξηση στο ρυθμό αυτό πολύ κοντά στο τέλος της λειτουργίας του κιβωτίου. Tα πολύωρα πειράματα κόπωσης σε γρανάζια είναι πολύ απαιτητικά. Για να παρακαμφθεί αυτή η δυσκολία αναπτύχθηκε ένα φαινομενολογικό μοντέλο για αναπαραγωγή χρονοσειρών που ομοιάζουν σε καταγραφές γραναζιών σε κόπωση. Το μοντέλο αυτό στηρίχθηκε σε πραγματικά πειράματα κόπωσης. Έτσι έγινε δυνατό να εξεταστούν και να συγκριθούν ένας αριθμός μεθοδολογιών εκτίμησης εναπομένουσας ζωής και συγκεκριμένα i) Proportional Hazards Model (PHM), ii) ε- Support Vector Regression ε-SVR και iii) Exponential extrapolation βασισμένο σε μια διαδικασία bootstrap sampling. Στην παρούσα μελέτη προτείνεται ένα σύνολο παραμέτρων προερχόμενο από το πεδίο της συχνότητας, του χρόνου και κυματοπακέτων. Αυτό, συνδυαζόμενο με μια διαδικασία σύμπτυξης δεδομένων (ανάλυση σε πρωταρχικές και ανεξάρτητες συνιστώσες) αξιοποιείται για πρόγνωση σε γρανάζια σε κόπωση. Η τεχνική ανεξάρτητων συνιστωσών προτείνεται σαν προτιμότερη από τη σκοπιά της προγνωστικής καθώς βελτιώνει την εκτίμηση της εναπομένουσας ζωής. Η εργασία επεκτάθηκε και σε έδρανα κύλισης. Προτάθηκε μια διαδικασία wavelet denoising η οποία ενισχύει τόσο τη διαγνωστική όσο και την προγνωστική δυνατότητα του αισθητήρα κραδασμών. Τέλος, η σημασία της εξαγωγής παραμέτρων υπογραμμίζεται και στην περίπτωση της προγνωστικής σε έδρανα. Συνδυάζοντας πολλαπλές παραμέτρους και αισθητήρες κραδασμών μαζί με ένα μοντέλο ε-SVR παρέχεται ένα ολοκληρωμένο μοντέλο πιθανοτικής εκτίμησης εναπομένουσας ζωής σε έδρανα κύλισης ακόμα και σε περιπτώσεις που η τιμή RMS των κραδασμών δεν παρέχει πληροφορία.

Τα τελευταία χρόνια, η φασματοσκοπία πλάσματος επαγόμενο από λέιζερ (LIBS) έχει προσελκύσει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον καθώς αποτελεί μία πειραματικά απλή και αποτελεσματική τεχνική, η οποία παρέχει τη δυνατότητα λήψης μετρήσεων για απευθείας ποιοτική και ποσοτική στοιχειακή ανάλυση. Η τεχνική LIBS στηρίζεται στη δημιουργία σπινθήρα/πλάσματος μέσω ισχυρά εστιασμένης δέσμης λέιζερ στην επιφάνεια ή στο εσωτερικό του δείγματος, στην ακόλουθη διέγερση και ατομοποίηση των στοιχείων του στόχου και στην τελική καταγραφή και φασματοσκοπική ανάλυση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας του πλάσματος. Λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων που συγκεντρώνει η τεχνική, το LIBS έχει προταθεί για πληθώρα πρακτικών, τεχνικών και τεχνολογικών εφαρμογών σε ένα ευρύ φάσμα ερευνητικών πεδίων. Από την άλλη μεριά, στον τομέα της καύσης, η ποσότητα καυσίμου σε ένα εύφλεκτο μίγμα είναι αντικείμενο μείζονος σημασίας καθώς επηρεάζει σημαντικά την απόδοση των χημικών διεργασιών και την παραγωγή και εκπομπή ρύπων. Επομένως, δημιουργείται η ανάγκη ανάπτυξης μίας γρήγορης και μη παρεμβατικής διαγνωστικής τεχνικής για τη μέτρηση της περιεκτικότητας του καυσίμου τοπικά στη φλόγα με καλή τόσο χωρική όσο και χρονική ανάλυση. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, η τεχνική LIBS η οποία συγκεντρώνει όλα αυτά τα πλεονεκτήματα χρησιμοποιήθηκε για αυτό το σκοπό. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, χρησιμοποιήθηκαν πηγές λέιζερ διάρκειας παλμών ns και fs, ενώ τα συστήματα καύσης που μελετήθηκαν ήταν φλόγες υδρογονανθράκων-αέρα, στρωτής και τυρβώδους ροής, απλής και συνθετότερης γεωμετρίας. Από τα LIBS φάσματα φλογών διαφορετικής σύστασης, προέκυψε λοιπόν ότι υπάρχει μία ισχυρή εξάρτηση μεταξύ των εντάσεων διαφόρων φασματικών γραμμών με το λόγο ισοδυναμίας. Επομένως, μέσω της συσχέτισης αυτής μπορεί να επιτευχθεί με μεγάλη ακρίβεια τόσο η μέτρηση της περιεκτικότητα σε καύσιμο φλογών άγνωστης σύστασης όπως επίσης και η μέτρηση της κατανομής του καυσίμου τοπικά μέσα σε όλη την έκταση της φλόγας παρέχοντας σημαντικές πληροφορίες για την δομή της. Τέλος, εφαρμόστηκε μία παραπλήσια διαγνωστική τεχνική, κατά την οποία η διηλεκτρική κατάρρευση του μέσου ήταν αποτέλεσμα ενός ηλεκτρικού σπινθήρα: electrical Spark Induced Breakdown Spectroscopy (SIBS) όπου και πραγματοποιήθηκε η συγκριτική μελέτη της ακτινοβολίας του πλάσματος επαγόμενο μέσω οπτικής και ηλεκτρικής διέγερσης. / Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) has attracted a lot of scientific interest during the last two decades as it is generally considered to be an experimentally simple and efficient laser-based technique which can perform real-time, qualitative and quantitative elemental analysis. The basic idea of LIBS is the creation of spark/plasma through tight focusing of a laser beam on the surface or into a sample, the subsequent excitation and atomization of the species of the sample at the location where the spark is formed and the final detection and spectroscopic analysis of the emitted radiation from the decaying plasma. Seeing the numerous advantages holding the technique, LIBS has been proposed for many practical, technical and technological applications in various scientific areas. On the other hand, in the field of combustion, the proportion of fuel in a combustible mixture is of great importance as it strongly affects the efficiency of the chemical processes and the production of soot emissions. Therefore, there is a continuously increasing need for the development of a rapid and non-perturbative diagnostic technique for the determination of the fuel content locally in the flame structure with good spatial and temporal resolution. Ιn the present dissertation, LIBS technique which offers such advantages has been applied for combustion diagnostics purposes. During the experiments, laser systems with pulse duration in the scale of ns and fs have been applied as excitation sources, while the combustible mixtures under investigation were hydrocarbon-air flames, of laminar and turbulent flow with simple and more complicated structures. From the LIBS spectra in flames of different compositions, it was exhibited that there is a strong dependence of the intensities of various spectral lines on the equivalence ratio, which demonstrates that the precise determination of the amount of fuel can be performed. Also based on this correlation, the determination of the equivalence ratio locally everywhere within the flame can be achieved giving useful information about its structure. Finally, a similar diagnostic technique has been employed. The dielectric breakdown is held using a spark generator and the technique is called electrical Spark Induced Breakdown Spectroscopy (SIBS). The emitted light of the two plasmas induced by optical and electrical excitation was collected and a comparative study was performed.