振動信號的采集與預(yù)處理

1、振動信號的采集與預(yù)處理幾乎所有的物理現(xiàn)象都可看作是信號，但這里我們特指動態(tài)振動信號。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，因此，在采集振動信號時應(yīng)注意以下幾點：1. 振動信號采集模式取決于機組當(dāng)時的工作狀態(tài)，如穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)等；2. 變轉(zhuǎn)速運行設(shè)備的振動信號采集在有條件時應(yīng)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(yīng)符合采樣定理。對信號預(yù)處理具有特定要求是振動信號本身的特性所致。信號預(yù)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(yù)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不采用抗混濾波；2. 在計算頻譜時采用低通抗混濾波；3.

2、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(wù)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(dāng)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）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

3、，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。振動信號的采樣過程，嚴格來說應(yīng)包含幾個方面：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

4、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。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。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(nt)（n=0,1,2,）的過程。t稱為采樣間隔，其倒數(shù)稱1/tfs之為采樣頻率。采樣頻率的選擇必須符合采樣定理要求。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(dāng)前數(shù)據(jù)來說），當(dāng)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

5、256，即量化增量為所測信號最大電壓幅值的1/256。編碼是把采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能識別的數(shù)字格式。一、采樣定理1. 采樣定理 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或

6、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為因此，當(dāng)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。2. 采樣定理解析 采樣定理實際上涉及了3個主要條件，當(dāng)確定其中2個條件后，第3個條

7、件自動形成。這3個條件是進行正確數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，必須理解深刻。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，獲得的信號頻率響應(yīng)越高，換言之，當(dāng)需要高頻信號時，就需要提高采樣頻率，采樣頻率應(yīng)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(shè)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

8、/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.

9、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)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(fù)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)。QuadratureDirectPhase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(shè)置

10、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 條件3 3200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) （Hz） 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2 （秒）條件3 800線頻譜實際需要1024點頻域數(shù)據(jù)，2048點時域數(shù)據(jù) （Hz） （Hz） 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，則有條件1 （Hz）條件2 （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(yīng)為2的整數(shù)次冪，與3

11、600最接近的數(shù)值是4096，由此可獲得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。4096下一個2的整數(shù)次冪的數(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)51210242048T/sf/HzT/sf/HzT/sf/Hz1025.6200.05400.025800.01252051.2100.1200.05400.0255012840.2580.125160.062510025620.540.2580

12、.1252005121120.540.2550012800.42.50.81.251.60.625100025600.250.42.50.81.25200051200.1100.250.42.55000128000.04250.0812.50.166.2510000256000.02500.04250.0812.520000512000.011000.02500.0425500001280000.0042500.0081250.01662.51000002560000.0025000.0042500.008125 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

13、線頻譜，有T=8轉(zhuǎn)f1/T1/8轉(zhuǎn)1/8XfMax32點轉(zhuǎn)÷216Xf100100線×0.125轉(zhuǎn)線12.5X用通用的方式表達為設(shè)xn（n0，1,2,N-1）為一采樣序列若每周期等角度采集m點，共采集L周，則有mLN設(shè)該旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)動頻率為f，則采樣間隔為變換后的頻率分辨率或顯然，工頻分量正好處于第L條線上。相應(yīng)地，kfkfL，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【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(yīng)注意什么事項？理解了

14、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l 頻譜的功率泄漏問題數(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信號的過程， |t|T的x(t)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。l 影響數(shù)據(jù)采集過程的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)l A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)（轉(zhuǎn)換精度）l 采樣方式（自由采集與整

15、周期采集、同步自由采集與同步整周期采集）l 數(shù)據(jù)采集的效率l 數(shù)據(jù)采集中相位信號的作用振動信號的預(yù)處理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(yīng)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(yīng)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。圖 、某低通濾波器的響應(yīng)特性曲線 一般來說，用于幅值計

16、量、相位計算、軌跡顯示等用途時，最好不使用抗混濾波器。 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)1X、2X或設(shè)定分頻矢量值的功能。數(shù)字矢量濾波器在低速和高速下的帶寬設(shè)置不同，低速時帶寬設(shè)置窄一些，在高速時帶寬適當(dāng)增大。通帶越窄，需要的響應(yīng)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(shè)置的帶寬及響應(yīng)時間為：表 、DVF3濾波參數(shù)設(shè)置表轉(zhuǎn)速范圍帶寬范圍響應(yīng)時間1000rpm120±10cpm0.65秒1000rpm12±1cpm7.30秒 fc圖、帶通濾波器3. 積分電路 當(dāng)采用殼體振動測量傳感器時，用戶

17、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)標準對應(yīng)。當(dāng)采用加速度傳感器測量時，積分電路就是必要的預(yù)處理手段。積分器積分器位移速度加速度圖 、振動信號積分流程圖 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 、絕對位移相對位移 4. 泄漏 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（TT），則對于|t|T的x

18、(t)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，窗函數(shù)就是截斷函數(shù)，不同的窗函數(shù)對旁瓣的抑制能力也有區(qū)別。一般來說，窗函數(shù)必須具備以下基本要求：窗譜的主瓣要窄且高，旁瓣要小，正負交替接近相等，以減小泄漏或負譜現(xiàn)象。 常用的窗函數(shù)及其性能指標如表 所示。表 、典型窗函數(shù)的性能特點窗函數(shù)類型3dB帶寬等效噪聲帶寬旁瓣幅度dB旁瓣衰減dB/10oct矩形三角漢寧海明高斯0.89B1.28B1.20B1.30B1.55BB1.33B1.23B1.36B1.64B13273242552060602020 窗函數(shù)是數(shù)據(jù)處理時要考慮的因素，但因與數(shù)