振動信號的采集與預處理

1、振動信號的采集與預處理1振動信號的采集振動信號采集與一般性模擬信號采集雖有共同之處，但存在的差異更多。在采集振動信號時應注意以下幾點：1 .振動信號采集模式取決于機組當時的工作狀態(tài)，如穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)等；2 .變轉(zhuǎn)速運行設備的振動信號采集在有條件時應采取同步整周期采集；3 .所有工作狀態(tài)下振動信號采集均應符合采樣定理。3.1 信號適調(diào)由于目前采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種數(shù)字化系統(tǒng)，所采用的A/D芯片對信號輸入量程有嚴格限制，為了保證信號轉(zhuǎn)換具有較高的信噪比，信號進入A/D以前，均需進行信號適調(diào)。適調(diào)包括大信號的衰減處理和弱信號的放大處理，或者對一些直流信號進行偏置處理，使其滿足A/D輸入量程要求。3.2

2、 A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換包括采樣、量化和編碼三個組成部分。3.2.1 采樣采樣(抽樣)，是利用采樣脈沖序列p(t)從模擬信號x(t)中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號x(n4t)(n=0,1,2,)的過程。t稱為采樣間隔，其倒數(shù)稱1/t=fs之為采樣頻率。采樣頻率的選擇必須符合采樣定理要求。3.2.2 量化由于計算機對數(shù)據(jù)位數(shù)進行了規(guī)定，采樣信號x(nt)經(jīng)舍入的方法變?yōu)橹挥杏邢迋€有效數(shù)字的數(shù)，這個過程稱為量化。由于抽樣間隔長度是固定的(對當前數(shù)據(jù)來說)，當采樣信號落入某一小間隔內(nèi)，經(jīng)舍入方法而變?yōu)橛邢拗禃r，則產(chǎn)生量化誤差。如8位二進制為28=256,即量化增量為所測信號最大電壓幅值的1/2

3、56。3.2.3 編碼振動信號經(jīng)過采樣和量化后，量化后的數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議進行編碼，成為處理器可以處理的數(shù)據(jù)。采樣定理解決的問題是確定合理的采樣間隔t以及合理的采樣長度T,保障采樣所得的數(shù)字信號能真實地代表原來的連續(xù)信號x(t)。衡量采樣速度高低的指標稱為采樣頻率fs。一般來說，采樣頻率fs越高，采樣點越密，所獲得的數(shù)字信號越逼近原信號。為了兼顧計算機存儲量和計算工作量，一般保證信號不丟1/10失或歪曲原信號信息就可以滿足實際需要了。這個基本要求就是所謂的采樣定理，是由Shannon提出的，也稱為Shannon采樣定理。Shannon采樣定理規(guī)定了帶限信號不丟失信息的最低采樣頻率為：fs2fm

4、或COs豈28m式中fm為原信號中最高頻率成分的頻率。采集的數(shù)據(jù)量大小N為：N=T1t因此，當采樣長度一定時，采樣頻率越高，采集的數(shù)據(jù)量就越大。使用采樣頻率時有幾個問題需要注意。一，正確估計原信號中最高頻率成分的頻率，對于采用電渦流傳感器測振的系統(tǒng)來說，一般確定為最高分析頻率為12.5X,采樣模式為同步整周期采集，若選擇頻譜分辨率為400線，需采集1024點數(shù)據(jù)，若每周期采集32點，采樣長度為32周期。二，同樣的數(shù)據(jù)量可以通過改變每周期采樣點數(shù)提高基頻分辨率，這對于識別次同步振動信號是必要的，但降低了最高分析頻率，如何確定視具體情況而定。條件1采樣頻率控制最高分析頻率采樣頻率（采樣速率）越高，

5、獲得的信號頻率響應越高，換言之，當需要高頻信號時，就需要提高采樣頻率，采樣頻率應符合采樣定理基本要求。這個條件看起來似乎很簡單，但對于一個未知信號，其中所含最高頻率信號的頻率究竟有多高，實際上我們是無法知道的。解決這個問題需要2個步驟，一是指定最高測量頻率，二是采用低通濾波器把高于設定最高測量頻率的成分全部去掉（這個低通濾波器就是抗混濾波器）?，F(xiàn)實的抗混濾波器與理論上的濾波器存在差異，因此信號中仍會存在一定混疊成分，一般在計算頻譜后將高頻成分去掉，一般頻譜線數(shù)取時域數(shù)據(jù)點的1/2.56,或取頻域幅值數(shù)據(jù)點的1/1.28,即128線頻譜取100線，256線頻譜取200線，512線頻譜取400線等

6、等。圖、采樣過程示意圖抗混濾波器的使用主要是針對頻譜分析的，對于涉及相位計算的用途反而會引入相位誤差。幾乎所有的濾波器的相位特性遠比幅值特性差。為說明該條件，我們舉例進行說明。要想在頻譜中看到500Hz的成分，其采樣頻率最少為1000Hz。若采樣頻率為32點/轉(zhuǎn)，頻譜中最高線理論上可達到16X。條件2總采樣時間控制分辨率頻譜的分辨率（譜線間隔）受控于總采樣時間，即f=1T其中f為頻譜分辨率，T為總采樣時間。如果采樣總時間為0.5秒，則頻譜分辨率為2Hz;若區(qū)分6cpm（0.1Hz）的頻譜成分，則總采樣時間至少為10秒；對于總采樣時間為8轉(zhuǎn)的時間信號，頻譜分辨率為1/8X。條件3采樣點數(shù)控制頻譜

7、線數(shù)解釋這個條件，需要對FFT計算頻譜的過程有一個了解。如果對于一個2048點的時間波形數(shù)據(jù)，我們可以獲得2048點頻域數(shù)據(jù)一一1024線頻譜（每條譜線有兩個值，直接值和正交值，或者說幅值和相位兩個值）。對旋轉(zhuǎn)機械來說，頻譜僅僅畫出了FFT復數(shù)輸出的幅值部分，對于相位部分一般不畫，因此頻譜中的線數(shù)最多為時域點數(shù)的一半，考慮到混疊的影響，頻譜線數(shù)一般會低于時域數(shù)據(jù)點數(shù)。3/10Quadra小結(jié)采樣定理是實現(xiàn)正確采樣的基準，上述3個條件中，可以根據(jù)需要設置其中2個條件,第3個條件就會自動固定。如果采樣總時間為0.5秒，想獲得3200線頻譜，則有條件2.：f=1=1c=2HzT0.5sec條件332

8、00線頻譜實際需要4096點頻譜數(shù)據(jù)（考慮到混疊問題），8192點時域數(shù)據(jù)fs=8192/0.5=16384(Hz)fMax-16384/2-8192Hzf3200=3200lines2Hz/line=6400Hz若在頻譜上能區(qū)分0.2Hz間隔的頻率成分，頻譜確定為800線，則有條件2T=>f=%2=5（秒）條件3800線頻譜實際需要1024點頻域數(shù)據(jù)，2048點時域數(shù)據(jù)fs=2048+5=409.6（Hz）fMax=409.6/2=204.8(Hz)f800=800lines0.2Hz/line=160Hz若在頻譜上能區(qū)分0.1Hz間隔的頻率成分，且能在頻譜上最大看到180Hz,則有條

9、件1fs至2|_fMax至2M180>360（Hz）條件2T=%=%.廣10（秒）因此，按不低于360點/秒的采樣速率采集10秒鐘，可采集時域數(shù)據(jù)最少3600點。為方便FFT計算，數(shù)據(jù)點數(shù)應為2的整數(shù)次哥，與3600最接近的數(shù)值是4096,由此可獲彳導2048點頻域數(shù)據(jù)，即可獲得1600線頻譜。1600線、頻率間隔為0.1Hz的頻譜最高分析頻率為160Hz,顯然不能滿足需要。4/104096下一個2的整數(shù)次哥的數(shù)值是8192,由此可獲得3200線的頻譜，其最高分析頻率達到了320Hz,可以滿足要求，可以通過提高采樣速率來實現(xiàn)這一要求。分析頻率Hz采樣頻率Hz采樣點數(shù)51210242048

10、T/sf/HzT/sf/HzT/sf/Hz1025.6200.05400.025800.01252051.2100.1200.05400.0255012840.2580.125160.062510025620.540.2580.1252005121120.540.2550012800.42.50.81.251.60.625100025600.250.42.50.81.25200051200.1100.250.42.55000128000.04250.0812.50.166.2510000256000.02500.04250.0812.520000512000.011000.02500.0425

11、500001280000.0042500.0081250.01662.51000002560000.0025000.0042500.008125在同步整周期采樣時，若采集32點/轉(zhuǎn)，共采集8轉(zhuǎn)，則可獲得256點時域數(shù)據(jù)和100線頻譜，有T=8轉(zhuǎn)f=1/T=1/8轉(zhuǎn)=1/8XfMax=32點/轉(zhuǎn)+2=16Xf100=100線X0.125轉(zhuǎn)/線=12.5X用通用的方式表達為5/10設Xn（n=0,1,2,N-1）為一采樣序列若每周期等角度采集m點，共采集L周，則mL=N設該旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)動頻率為f,則采樣間隔為-：t=fm變換后的頻率分辨率r1fmfLf=N.tNL或f=fL顯然，工頻分量正好處于第

12、L條線上。相應地，kf=kAfL,即第k階分量也處于整數(shù)f上，這樣就保證了特征頻率成分在頻譜上的準確定位。采用同步整周期采樣可獲得的最高分析頻率為,NrNfmffm=f=2.562.56L2.56【問題01在不重采樣的前提下，能否提高頻譜的分辨率？【問題02對于旨在分析齒輪故障和滾動軸承故障的振動數(shù)據(jù)采集應注意什么事項？理解了采樣定理的實質(zhì)，我們就會對某些儀器/系統(tǒng)中列出的技術(shù)指標有了正確的認識，頻譜分辨率并不是衡量采樣質(zhì)量的唯一指標，即400線頻譜與400線的頻譜之間有可能存在差異；在分析齒輪故障時就不會出現(xiàn)沒有嚙合頻率成分這樣的尷尬；在分析開/停車過程時出現(xiàn)分辨率過低問題頻譜的功率泄漏問題

13、數(shù)字信號分析需要選擇取合理的采樣長度，雖然在采樣過程中充分考慮了采樣定理和分析要求，但畢竟是一個用區(qū)間為（TT）的有限長度信號來近似t-8信號的過程，|t|>T的x值為零，因此所得到的頻譜和實際頻譜存在一定差異，這種現(xiàn)象稱之為泄漏現(xiàn)象。影響數(shù)據(jù)采集過程的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)（轉(zhuǎn)換精度）采樣方式（自由采集與整周期采集、同步自由采集與同步整周期采集）數(shù)據(jù)采集的效率6/10數(shù)據(jù)采集中相位信號的作用2振動信號的預處理對信號預處理具有特定要求是振動信號本身的特性所致。信號預處理的功能在一定程度上說是影響后續(xù)信號分析的重要因素。預處理方法的選擇也要注意以下條件：1 .在涉及相位計算或顯示時盡量

14、不采用抗混濾波；2 .在計算頻譜時采用低通抗混濾波；3 .在處理瞬態(tài)過程中1X矢量、2X矢量的快速處理時采用矢量濾波。上述第3條是保障瞬態(tài)過程符合采樣定理的基本條件。在瞬態(tài)振動信號采集時，機組轉(zhuǎn)速變化率較高，若依靠采集動態(tài)信號（一般需要若干周期）通過后處理獲得1X和2X矢量數(shù)據(jù)，除了效率低下以外，計算機（服務器）資源利用率也不高，且無法做到高分辨分析數(shù)據(jù)。機組瞬態(tài)特征（以波德圖、極坐標圖和三維頻譜圖等型式表示）是固有的，當組成這些圖譜的數(shù)據(jù)間隔過大（分辨率過低）時，除許多微小的變化無法表達出來，也會得出誤差很大的分析結(jié)論，影響故障診斷的準確度。一般來說，三維頻譜圖要求數(shù)據(jù)的組數(shù)（rpm分辨率）

15、較少，太多了反而影響對圖形的正確識別；但對前面兩種分析圖譜，則要求較高的分辨率。目前公認的方式是每采集10組靜態(tài)數(shù)據(jù)采集1組動態(tài)數(shù)據(jù)，可很好地解決不同圖譜對數(shù)據(jù)分辨率的要求差異。影響振動信號采集精度的因素包括采集方式、采樣頻率、量化精度三個因素，采樣方式不同，采集信號的精度不同，其中以同步整周期采集為最佳方式；采樣頻率受制于信號最高頻率；量化精度取決于A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)，一般采用12位，部分系統(tǒng)采用16位甚至24位。3.1 低通抗混濾波抗混濾波器是一種低通濾波器，如廣泛采用的8階橢圓濾波器。在線系統(tǒng)采樣單元中采用的抗混濾波器，應具備截至頻率可跟蹤性，即隨著機器轉(zhuǎn)速的變化，低通濾波器的截至頻率也隨

16、之變化?？够鞛V波器的使用目的是避免頻譜分析時高頻分量折疊到低頻段，但每一種低通濾波器的相頻響應曲線并不像幅頻曲線那樣平坦。如某型號4階低通濾波器，在其截至頻率處相位偏移達180°,在3kHz處偏移也有45°,這個相位偏移足以影響幅值的正確計量。7/10-rascals-Is一窈一“M知00和-2-3TIQSFfwusncuIL,也闔Pha«圖、某低通濾波器的響應特性曲線一般來說，用于幅值計量、相位計算、軌跡顯示等用途時，最好不使用抗混濾波器。3.2 數(shù)字矢量濾波數(shù)字矢量濾波器是一種用特殊數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)的跟蹤帶通濾波器，可實現(xiàn)IX、2X或設定分頻矢量值的功能。數(shù)字矢量

17、濾波器在低速和高速下的帶寬設置不同，低速時帶寬設置窄一些，在高速時帶寬適當增大。通帶越窄，需要的響應時間越長，因此債的通帶只適用于低速段。如本特利公司的DVF3型數(shù)字矢量濾波器設置的帶寬及響應時間為：圖、帶通濾波器表、DVF3濾波參數(shù)設置表轉(zhuǎn)速范圍帶寬范圍響應時間>1000rpm120±10cpm0.65秒<1000rpm12±1cpm7.30秒2.3積分當采用殼體振動測量傳感器時，用戶可能需要使用某種特定的振動單位作為監(jiān)測參量,以方便與相關(guān)規(guī)范對應。當采用加速度傳感器測量時，積分電路就是必要的預處理手段。8/10積分器積分器位移速度加速度圖、振動信號積分流程圖

18、需要說明的是，對于殼體振動信號，我們可以通過積分將加速度信號轉(zhuǎn)換為速度信號，或進一步積分轉(zhuǎn)換為位移，但僅對殼體振動信號有效，不能把殼體振動位移與轉(zhuǎn)子相對振動位移相比較，因為它們之間不存在規(guī)律性的關(guān)系。另外需要注意的是，加速度積分成的速度與速度傳感器直接測量的速度是存在區(qū)別的。圖、絕對位移W相對位移2.4加窗數(shù)字信號分析需要選取合理的采樣長度，這個長度就是數(shù)據(jù)采樣對原始信號的截斷，若截斷長度為（一TT）,則對于|t|>T的x值均為零，因此得到的頻譜與實際頻譜存在一定差異，表現(xiàn)為頻譜上出現(xiàn)旁瓣，主瓣的幅值與輸入的時間信號幅值產(chǎn)生了差異（降低）。為了降低時間波形因截斷引起的頻域振蕩現(xiàn)象，在信號分析時多采用加窗的方式進行修正，窗函