Разбиране на алиасинга при вибрационен анализ
Алиасинг е грешка при обработката на сигнала, която може да повреди цифровия анализ на данните за вибрациите. Това се случва, когато сигналът се дискретизира с твърде ниска честота, за да се уловят най-високочестотните му компоненти, така че тези високи честоти се “сгъват” и се представят за по-ниски честоти в получения резултат. FFT спектър. Резултатът е фалшиви пикове, които никога не са съществували в реалната машина — пикове, които могат да доведат до сериозна погрешна диагноза. Разбирането на алиасирането и защитата, която го предотвратява, е от основно значение, за да се доверявате на всеки цифров вибрационен спектър.
1. Определение: Какво е алиасиране?
Когато анализаторът дигитализира вибрационен сигнал, той не записва непрекъсната крива; той записва поредица от дискретни проби - снимки, направени през определен интервал от време. Ако тези снимки са разположени на твърде голямо разстояние една от друга в сравнение с това колко бързо се променя сигналът, анализаторът буквално не може да различи бърза от бавна вълна. Няколкото точки, които той улавя от високочестотен компонент, могат да бъдат обединени в напълно правдоподобна синусоидална вълна с ниска честота. Тази призрачна ниска честота е алиас, а след като се появи в спектър тя е неразличима от истинска вибрация с тази честота.
2. Теорема на Нюквист и честота на дискретизация
За да разберете алиасирането, първо трябва да разберете Теорема на Нюквист (теорема на Найкуист-Шанън за дискретизацията). Този основополагащ принцип на цифровата обработка на сигнали гласи:
За точното представяне на аналогов сигнал в цифрова форма честотата на дискретизация (Fs) трябва да бъде поне два пъти по-голяма от най-високочестотния компонент (Fмакс), присъстващи в сигнала.
Тази минимална честота на дискретизация (2 × Fмакс) се нарича честота на Найкуист. Обратно, най-високата честота, която дадена честота на дискретизация може да измери вярно, е половината от нея: Fмакс = Fs / 2. Този таван е Честота на Нюквист. Всяка реална честота над честотата на Нюквист не може да бъде представена честно и вместо това ще бъде отразена обратно под нея. На практика избраната стойност Fмакс също така задава разделителната способност на анализа заедно с броя на FFT линиите - връзка, която можете да изследвате с помощта на Калкулатор за FFT резолюция при планиране на измерването.
3. Как възниква алиасирането?
Представете си, че високочестотна вибрация се измерва от цифров анализатор, който взема дискретни проби с фиксирана скорост:
- Ако честотата на дискретизация е достатъчно висока - значително над честотата на Nyquist - анализаторът улавя достатъчно точки на цикъл, за да възстанови формата на вълната точно.
- Ако честотата на дискретизация е твърде ниска, анализаторът пропуска това, което се случва между отделните проби. Малкото точки, които улавя, се свързват в напълно различна синусоида с по-ниска честота. Тази фалшива ниска честота е алиасът.
Конкретен пример: да предположим, че сигналът съдържа реален компонент с честота 900 Hz, но Fмакс е зададена на 500 Hz, което съответства на честота на дискретизация 1000 Hz. Съдържанието от 900 Hz е над честотата на Найкуист от 500 Hz и не може да бъде измерено правилно. То се алиасира и се появява отново при Fs - 900 = 1000 - 900 = 100 Hz. Анализаторът, който сканира спектъра, може лесно да сбърка този пик от 100 Hz с 1× скорост на движение вибрации, или за реален дефект, и преследва несъществуваща повреда. Още по-лошо е, че високочестотните виновници - удари от лагери, енергия от зъбни колела, електрически шум - често са сигналите, на които анализаторът най-много иска да се довери.
4. Предотвратяване на алиасирането: антиалайзинг филтърът
Невъзможно е да се знае предварително цялото високочестотно съдържание, което може да носи даден сигнал - могат да се намесят ултразвуков шум, резки удари, радиочестотни смущения и електрически пикапи. Затова просто да се надявате, че честотата на дискретизация е достатъчно висока, не е сигурна стратегия.
Решението, използвано във всеки съвременен цифров анализатор на вибрации, е анти-алиасинг филтър: стръмен нискочестотен филтър поставен в пътя на сигнала преди аналогово-цифровия преобразувател (ADC). Той работи по следния начин:
- Потребителят задава желаната максимална честота, Fмакс, за анализа.
- Въз основа на това Fмакс, анализаторът автоматично задава честотата на прекъсване на антиалайзинг филтъра точно над Fмакс.
- Аналогът сензор Сигналът преминава през филтъра, който премахва или силно отслабва всичко над границата на сигнала.
- Само филтрираният, чист сигнал достига до АЦП за вземане на проби.
Тъй като филтърът премахва високите честоти, избраната честота на дискретизация не може да се справи с тях. преди се извършва дискретизацията, той прави алиасирането физически невъзможно. Реалният филтър не може да отрязва безкрайно рязко, затова честотата на срез се задава малко под честотата на Найкуист, за да остане защитна зона в преходната област. Антиалайзинг филтърът е един от най-критичните елементи на всеки анализатор, като гарантира, че получената FFT е вярна и достоверна картина на вибрациите на машината в избрания диапазон. Имайте предвид, че това филтриране трябва да е аналогово и да предхожда цифровизацията — прилагането на цифрово филтриране след АЦП не може да премахне алиас, защото дотогава фалшивата честота вече е записана в данните.
5. Практически последици за анализатора
За инженерите на терен урокът е да спазват настройките на честотата на инструмента. Избор на Fмакс твърде нисък, за да се поддържа добър резолюция на пиковете от нисък порядък може да скрие важна високочестотна информация; филтърът против изравняване ще ви предпази от фалшиви пикове, но не може да ви покаже енергията, която сте филтрирали. Надеждните уреди се справят с това автоматично - преносим анализатор, като напр. Balanset-1A прилага хардуерно антиалайзинг преди своя АЦП, така че спектрите, които представя за диагностика, и амплитудата и фазата 1×, които използва за балансиране, са без алианизирани артефакти в целия си работен диапазон. Практически изводи: задайте Fмакс достатъчно висока, за да покрие най-високата честота на неизправност, която ви интересува, вярвайте, че правилно проектираният анализатор няма да се сменя, и се отнасяйте с подозрение към всеки необясним нискочестотен пик, докато не изключите други причини.
