振动信号的采集与预处理

振动信号的采集与预处理

几乎所有的物理现象都可看作是信号，但这里我们特指动态振动信号。

振动信号采集与一般性模拟信号采集虽有共同之处，但存在的差异更多，因此，在采集振动信号时应注意以下几点：

1. 振动信号采集模式取决于机组当时的工作状态，如稳态、瞬态等；

2. 变转速运行设备的振动信号采集在有条件时应采取同步整周期采集；

3. 所有工作状态下振动信号采集均应符合采样定理。

对信号预处理具有特定要求是振动信号本身的特性所致。信号预处理的功能在一定程度上说是影响后续信号分析的重要因素。预处理方法的选择也要注意以下条件：

1. 在涉及相位计算或显示时尽量不采用抗混滤波；

2. 在计算频谱时采用低通抗混滤波；

3. 在处理瞬态过程中1X矢量、2X矢量的快速处理时采用矢量滤波。

上述第3条是保障瞬态过程符合采样定理的基本条件。在瞬态振动信号采集时，机组转速变化率较高，若依靠采集动态信号（一般需要若干周期）通过后处理获得1X和2X矢量数据，除了效率低下以外，计算机（服务器）资源利用率也不高，且无法做到高分辨分析数据。机组瞬态特征（以波德图、极坐标图和三维频谱图等型式表示）是固有的，当组成这些图谱的数据间隔过大（分辨率过低）时，除许多微小的变化无法表达出来，也会得出误差很大的分析结论，影响故障诊断的准确度。一般来说，三维频谱图要求数据的组数（△rpm分辨率）较少，太多了反而影响对图形的正确识别；但对前面两种分析图谱，则要求较高的分辨率。目前公认的方式是每采集10组静态数据采集1组动态数据，可很好地解决不同图谱对数据分辨率的要求差异。

影响振动信号采集精度的因素包括采集方式、采样频率、量化精度三个因素，采样方式不同，采集信号的精度不同，其中以同步整周期采集为最佳方式；采样频率受制于信号最高频率；量化精度取决于A/D转换的位数，一般采用12位，部分系统采用16位甚至24位。

振动信号的采样过程，严格来说应包含几个方面：

1. 信号适调

由于目前采用的数据采集系统是一种数字化系统，所采用的A/D芯片对信号输入量程有严格限制，为了保证信号转换具有较高的信噪比，信号进入A/D以前，均需进行信号适调。适调包括大信号的衰减处理和弱信号的放大处理，或者对一些直流信号进行偏置处理，使其满足A/D输入量程要求。

2. A/D 转换

A/D 转换包括采样、量化和编码三个组成部分。

采样（抽样），是利用采样脉冲序列p (t )从模拟信号x (t )中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x (n △t )（n =0,1,2,…）的过程。△t 称为采样间隔，其倒数称1/△t ＝f s 之为采样频率。

采样频率的选择必须符合采样定理要求。

由于计算机对数据位数进行了规定，采样信号x (n △t )经舍入的方法变为只有有限个有效数字的数，这个过程称为量化。由于抽样间隔长度是固定的（对当前数据来说），当采样信号落入某一小间隔内，经舍入方法而变为有限值时，则产生量化误差。如8位二进制为28＝256，即量化增量为所测信号最大电压幅值的1/256。

编码是把采样数据转变为计算机能识别的数字格式。 一、采样定理

1. 采样定理 采样定理解决的问题是确定合理的采样间隔△t 以及合理的采样长度T ，保障采样所得的数字信号能真实地代表原来的连续信号x(t)。

衡量采样速度高低的指标称为采样频率f s 。一般来说，采样频率f s 越高，采样点越密，所获得的数字信号越逼近原信号。为了兼顾计算机存储量和计算工作量，一般保证信号不丢失或歪曲原信号信息就可以满足实际需要了。这个基本要求就是所谓的采样定理，是由Shannon 提出的，也称为Shannon 采样定理。

Shannon 采样定理规定了带限信号不丢失信息的最低采样频率为

2s m f f ≥或2s m ωω≥

式中f m 为原信号中最高频率成分的频率。 采集的数据量大小N 为

T

N t

=∆

因此，当采样长度一定时，采样频率越高，采集的数据量就越大。

使用采样频率时有几个问题需要注意。一，正确估计原信号中最高频率成分的频率，对于采用电涡流传感器测振的系统来说，一般确定为最高分析频率为12.5X ，采样模式为同步整周期采集，若选择频谱分辨率为400线，需采集1024点数据，若每周期采集32点，采样长度为32周期。二，同样的数据量可以通过改变每周期采样点数提高基频分辨率，这对于识别次同步振动信号是必要的，但降低了最高分析频率，如何确定视具体情况而定。

2. 采样定理解析 采样定理实际上涉及了3个主要条件，当确定其中2个条件后，第3个条件自动形成。这3个条件是进行正确数据采集的基础，必须理解深刻。

条件1 采样频率控制最高分析频率

采样频率（采样速率）越高，获得的信号频率响应越高，换言之，当需要高频信号时，

就需要提高采样频率，采样频率应符合采样定理基本要求。

这个条件看起来似乎很简单，但对于一个未知信号，其中所含最高频率信号的频率究竟有多高，实际上我们是无法知道的。解决这个问题需要2个步骤，一是指定最高测量频率，二是采用低通滤波器把高于设定最高测量频率的成分全部去掉（这个低通滤波器就是抗混滤波器）。现实的抗混滤波器与理论上的滤波器存在差异，因此信号中仍会存在一定混叠成分，一般在计算频谱后将高频成分去掉，一般频谱线数取时域数据点的1/2.56，或取频域幅值数据点的1/1.28，即128线频谱取100线，256线频谱取200线，512线频谱取400线等等。

图 、采样过程示意图

抗混滤波器的使用主要是针对频谱分析的，对于涉及相位计算的用途反而会引入相位误差。几乎所有的滤波器的相位特性远比幅值特性差。

为说明该条件，我们举例进行说明。

① 要想在频谱中看到500Hz 的成分，其采样频率最少为1000Hz 。 ② 若采样频率为32点／转，频谱中最高线理论上可达到16X 。

条件2 总采样时间控制分辨率

频谱的分辨率（谱线间隔）受控于总采样时间，即

1f T

∆=

其中△f 为频谱分辨率，T 为总采样时间。

① 如果采样总时间为0.5秒，则频谱分辨率为2Hz ；

② 若区分6cpm （0.1Hz ）的频谱成分，则总采样时间至少为10秒； ③ 对于总采样时间为8转的时间信号，频谱分辨率为1/8X 。

条件3 采样点数控制频谱线数

解释这个条件，需要对FFT 计算频谱的过程有一个了解。如果对于一个2048点的时间波形数据，我们可以获得2048点频域数据——1024线频谱（每条谱线有两个值，直接值和正交值，或者说幅值和相位两个值）。

对旋转机械来说，频谱仅仅画出了FFT 复数输出的幅值部分，对于相位部分一般不画，因此频谱中的线数最多为时域点数的一半，考虑到混叠的影响，频谱线数一般会低于时域数据点数。

小结

采样定理是实现正确采样的基准，上述3个条件中，可以根据需要设置其中2个条件，第3个条件就会自动固定。

① 如果采样总时间为0.5秒，想获得3200线频谱，则有 Quadrature

Direct

Phase