Forståelse af aliasing i vibrationsanalyse

Definition: Hvad er aliasing?

Aliasing er en kritisk signalbehandlingsfejl, der kan opstå under digital analyse af vibrationsdata. Det sker, når et signal samples med en hastighed, der er for lav til præcist at indfange dets højeste frekvenskomponenter. Som et resultat "folder" eller "efterligner" disse høje frekvenser lavere frekvenser i det resulterende FFT-spektrum, hvilket skaber falske frekvenstoppe, der kan føre til en alvorlig fejldiagnose af maskinens tilstand.

Nyquist-sætningen og samplingshastigheden

For at forstå aliasing, skal man først forstå Nyquist-sætningen (også kendt som Nyquist-Shannon sampling-teoremet). Dette grundlæggende princip for digital signalbehandling lyder:

For nøjagtigt at repræsentere et analogt signal i digital form, skal samplingsfrekvensen (Fs) være mindst dobbelt så høj som den højeste frekvenskomponent (Fmax), der er til stede i signalet.

Denne minimale samplingsfrekvens (2 * Fmax) kaldes Nyquist-satsI vibrationsanalyse er den højeste frekvens af interesse, der kan måles nøjagtigt, derfor halvdelen af samplingshastigheden (Fmax = Fs / 2). Denne Fmax omtales ofte som Nyquist-frekvensen.

Hvordan opstår aliasing?

Forestil dig et højfrekvent vibrationssignal, der måles af en digital analysator. Analysatoren tager diskrete prøver (snapshots) af signalet med en fast hastighed (samplingfrekvensen).

• Hvis samplingsfrekvensen er høj nok (et godt stykke over Nyquist-frekvensen), indfanger analysatoren et tilstrækkeligt antal punkter til nøjagtigt at rekonstruere bølgeformen.
• Men hvis samplingsfrekvensen er for lav, "overser" analysatoren, hvad der sker mellem samplingerne. De få punkter, den opfanger, kan forbindes til at danne en helt anden sinusbølge med lavere frekvens. Denne nye, falske lave frekvens er "aliaset".

Hvis et signal f.eks. indeholder en 900 Hz-komponent, men analysatorens Fmax er indstillet til 500 Hz (hvilket betyder en samplingsfrekvens på 1000 Hz), kan 900 Hz-komponenten ikke måles korrekt. Den vil blive "aliaseret" og fremstå som en top ved en lavere frekvens (specifikt ved Fs – 900 Hz = 1000 – 900 = 100 Hz), hvilket potentielt kan forveksles med en 1X driftshastighedsvibration.

Forebyggelse af aliasing: Anti-aliasing-filteret

Det er umuligt at kende alt højfrekvent indhold (f.eks. fra ultralydsstøj, stød eller radiofrekvensinterferens), der kan være til stede i et signal. Derfor er det ikke en praktisk løsning blot at indstille samplingsfrekvensen højt nok.

Løsningen, der anvendes i alle moderne digitale vibrationsanalysatorer, er anti-aliasing-filterDette er et stejlt lavpasfilter, der er placeret i signalvejen *før* analog-til-digital-konverteren (ADC). Sådan fungerer det:

1. Brugeren indstiller den ønskede maksimale frekvens (Fmax) for sin analyse.
2. Baseret på denne Fmax indstiller analysatoren automatisk anti-aliasing-filterets afskæringsfrekvens lidt over Fmax.
3. Det analoge signal fra sensoren passerer gennem dette filter, som fjerner eller kraftigt dæmper alle frekvenser over afskæringspunktet.
4. Kun det filtrerede, "rene" signal sendes derefter til ADC'en til sampling.

Ved at fjerne de høje frekvenser, som den valgte samplinghastighed ikke kan håndtere, gør anti-aliasing-filteret det fysisk umuligt for aliasing at forekomme. Det er en af de mest kritiske komponenter i en digital signalanalysator, der sikrer, at det resulterende FFT-spektrum er en sand og præcis repræsentation af maskinens vibration inden for det valgte frekvensområde.

← Tilbage til hovedindekset