004,振动信号的采集与预处理

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
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。 Image
Image
Image
Image
Image
Image
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。
分析频 率 Hz 10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000 50000 100000 采样频 率 Hz 25.6 51.2 128 256 512 1280 2560 5120 12800 25600 51200 128000 256000 采样点数 512 T/s 20 10 4 2 1 0.4 0.2 0.1 0.04 0.02 0.01 0.004 0.002 △f/Hz 0.05 0.1 0.25 0.5 1 2.5 5 10 25 50 100 250 500 T/s 40 20 8 4 2 0.8 0.4 0.2 0.08 0.04 0.02 0.008 0.004 1024 △f/Hz 0.025 0.05 0.125 0.25 0.5 1.25 2.5 5 12.5 25 50 125 250 T/s 80 40 16 8 4 1.6 0.8 0.4 0.16 0.08 0.04 0.016 0.008 2048 △f/Hz 0.0125 0.025 0.0625 0.125 0.25 0.625 1.25 2.5 6.25 12.5 25 62.5 125
Quadrature Direct Phase
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2 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 ∴（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2（秒） 条件3800线频谱实际需要1024点频域数据，2048点时域数据 ∴（Hz） （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1（Hz） 条件2（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。
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＝fs之为采样频率。采样频率的选择必 须符合采样定理要求。
Baidu Nhomakorabea
1.2.2 量化
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 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
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
采样方式（自由采集与整周期采集、同步自由采集与同步整 周期采集） 数据采集的效率 数据采集中相位信号的作用
2 振动信号的预处理
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。
④在同步整周期采样时，若采集32点／转，共采集8转，则可获得 256点时域数据和100线频谱，有 T=8转
△f＝1/T＝1/8转＝1/8X fMax＝32点／转÷2＝16X f100＝100线×0.125转／线＝12.5X 用通用的方式表达为 设｛xn｝（n＝0，1,2,…N-1）为一采样序列若每周期等角度采集m 点，共采集L周，则有 mL＝N 设该旋转机械的转动频率为f，则采样间隔为 变换后的频率分辨率 或 显然，工频分量正好处于第L条线上。相应地，kf＝k△fL，即第k阶 分量也处于整数△f上，这样就保证了特征频率成分在频谱上的准确定 位。采用同步整周期采样可获得的最高分析频率为 【问题01】 在不重采样的前提下，能否提高频谱的分辨率？ 【问题02】 对于旨在分析齿轮故障和滚动轴承故障的振动数据采集应注意什么 事项？ 理解了采样定理的实质，我们就会对某些仪器／系统中列出的技术 指标有了正确的认识，频谱分辨率并不是衡量采样质量的唯一指标，即 400线频谱与400线的频谱之间有可能存在差异；在分析齿轮故障时就不 会出现没有啮合频率成分这样的尴尬；在分析开／停车过程时出现分辨 率过低问题…… 频谱的功率泄漏问题 数字信号分析需要选择取合理的采样长度，虽然在采样过程中充分 考虑了采样定理和分析要求，但毕竟是一个用区间为（－T～T）的有限 长度信号来近似t→∞信号的过程，|t|＞T的x(t)值为零，因此所得到的频 谱和实际频谱存在一定差异，这种现象称之为泄漏现象。 影响数据采集过程的几个关键环节 A/D转换位数（转换精度）
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。 Quadrature Direct Phase
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。 4096下一个2的整数次幂的数值是8192，由此可获得3200线的频谱， 其最高分析频率达到了320Hz，可以满足要求，可以通过提高采样速率 来实现这一要求。
＜1000rpm
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。
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fs。一般来说，采样频率fs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： 或 式中fm为原信号中最高频率成分的频率。 采集的数据量大小N为： 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。 1， 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。 2， 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。
一般来说，用于幅值计量、相位计算、轨迹显示等用途时，最好不 使用抗混滤波器。
2.2 数字矢量滤波
数字矢量滤波器是一种用特殊数字技术实现的跟踪带通滤波器，可 实现1X、2X或设定分频矢量值的功能。数字矢量滤波器在低速和高速 下的带宽设置不同，低速时带宽设置窄一些，在高速时带宽适当增大。 通带越窄，需要的响应时间越长，因此债的通带只适用于低速段。如本 特利公司的DVF3型数字矢量滤波器设置的带宽及响应时间为： 表、DVF3滤波参数设置表 转速范围 ＞1000rpm 带宽范围 120±10cpm 响应时间 0.65秒
2.1 低通抗混滤波
抗混滤波器是一种低通滤波器，如广泛采用的8阶椭圆滤波器。在线 系统采样单元中采用的抗混滤波器，应具备截至频率可跟踪性，即随着 机器转速的变化，低通滤波器的截至频率也随之变化。 抗混滤波器的使用目的是避免频谱分析时高频分量折叠到低频段，
但每一种低通滤波器的相频响应曲线并不像幅频曲线那样平坦。如某型 号4阶低通滤波器，在其截至频率处相位偏移达－180°，在3kHz处偏移 也有－45°，这个相位偏移足以影响幅值的正确计量。 图、某低通滤波器的响应特性曲线