振动信号的采集与预处理

振动信号的采集与预处理

1振动信号的采集

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。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。

1.1 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。

1.2 A/D转换

A/D转换包括采样、量化和编码三个组成部分。

1.2.1采样

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。

1.2.2量化

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。

1.2.3编码

振动信号经过采样和量化后，量化后的数据按照一定的协议进行编码，成为处理器可以处理的数据。

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。

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

1

∆=

f 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 条件21

1

20.5sec

f Hz T

∆===

条件33200线频谱实际需要4096点频谱数据（考虑到混叠问题），8192点时域数据 ∴8192/0.516384s f ==（Hz ）

16384/28192Max f Hz ==

320032002/6400f lines Hz line Hz =⨯=

②若在频谱上能区分0.2Hz 间隔的频率成分，频谱确定为800线，则有 条件21

1

50.2

T f

===∆（秒）

条件3800线频谱实际需要1024点频域数据，2048点时域数据 ∴20485409.6s f =÷=（Hz ）

409.6/2204.8Max f ==（Hz ） 8008000.2/160f lines Hz line Hz =⨯=

③若在频谱上能区分0.1Hz 间隔的频率成分，且能在频谱上最大看到180Hz ，则有 条件122180360s Max f f ≥≥⨯≥（Hz ） 条件21

1

100.1

T f

===∆（秒）

因此，按不低于360点／秒的采样速率采集10秒钟，可采集时域数据最少3600点。 为方便FFT 计算，数据点数应为2的整数次幂，与3600最接近的数值是4096，由此可获得2048点频域数据，即可获得1600线频谱。1600线、频率间隔为0.1Hz 的频谱最高分析频率为160Hz ，显然不能满足需要。