Comprensión de los filtros de paso bajo
Definición: ¿Qué es un filtro de paso bajo?
Filtro de paso bajo (LPF) es un elemento de procesamiento de señales selectivo en frecuencia que permite vibración Se permite el paso de los componentes por debajo de una frecuencia de corte específica, mientras que se atenúan (reducen o bloquean) los componentes por encima de dicha frecuencia. análisis de vibraciones, Los filtros de paso bajo cumplen funciones críticas, como el antialiasing (evitar frecuencias falsas en sistemas digitales), la reducción de ruido y el aislamiento de componentes de vibración de baja frecuencia para un análisis específico.
Los filtros de paso bajo son quizás los filtros más utilizados en la instrumentación de vibraciones, presentes en todos los sistemas de digitalización como filtros anti-aliasing y disponibles como herramientas de análisis para suavizar datos, eliminar ruido de alta frecuencia y centrarse en fenómenos de baja frecuencia.
Características del filtro
Frecuencia de corte (fc)
- Definición: Frecuencia en la que la respuesta del filtro cae a -3 dB (amplitud de 70,7%)
- Debajo de fc (Passband): Las frecuencias pasan con una atenuación mínima.
- Por encima de fc (banda de rechazo): Frecuencias progresivamente atenuadas
- Banda de transición: Región alrededor de fc donde aumenta la atenuación
Orden de filtrado y roll-off
- Primer pedido: 6 dB/octava (20 dB/década) – atenuación gradual
- 2do Orden: 12 dB/octava (40 dB/década) – moderado
- 4.º orden: 24 dB/octava (80 dB/década) – pronunciada
- 8.º orden: 48 dB/octava (160 dB/década) – muy pronunciado
- Orden superior: Transición más nítida, mejor rechazo de la banda de parada
Tipos de respuesta de filtro
- Butterworth: Banda de paso máximamente plana, sin ondulación
- Chebyshev: Corte más preciso, permite ondulación en la banda de paso
- Bessel: Fase lineal (distorsión mínima de la forma de onda)
- Elíptico: Transición más abrupta, ondulación en ambas bandas
Aplicaciones principales
1. Antialiasing (Más importante)
Evita frecuencias falsas en sistemas digitales:
- Objetivo: Bloquear frecuencias por encima de la frecuencia de Nyquist (la mitad de la frecuencia de muestreo)
- Requisito: Antes de la conversión analógica a digital
- Punto de corte típico: 0,4-0,8 × (Frecuencia de muestreo / 2)
- Lo escarpado: Normalmente se requiere un orden de 8 o superior para un buen rechazo de aliasing.
- Crítico: Un antialiasing inadecuado crea picos espectrales falsos.
2. Reducción de ruido
- Eliminar el ruido eléctrico de alta frecuencia
- Filtrar el ruido del cable del sensor
- Datos suavizados para tendencias
- Mejora la relación señal/ruido para componentes de baja frecuencia
3. Limitación del rango de frecuencia
- Centrar el análisis en el rango de frecuencia de interés.
- Ejemplo: Análisis de 0 a 100 Hz para maquinaria de baja velocidad
- Elimina el contenido irrelevante de alta frecuencia
- Reduce los requisitos de procesamiento y almacenamiento de datos
4. Preparación para la integración
- Antes de integrar la aceleración a la velocidad
- Eliminar las frecuencias muy altas (ruido que se amplificaría).
- Frecuencia de corte típica: 1000-5000 Hz según la aplicación
- Evita la amplificación del ruido en la integración.
Selección de la frecuencia de corte
Aplicaciones de antialiasing
- Regla: fc = 0,4 × Frecuencia de muestreo (conservador) a 0,8 × Frecuencia de muestreo (agresivo)
- Ejemplo: Frecuencia de muestreo de 10 kHz → fc = 4000 Hz
- Criterio: Atenuación en la banda de rechazo > 60 dB a la frecuencia de Nyquist
Aplicaciones analíticas
- Ajuste fc justo por encima de la frecuencia de interés más alta.
- Para el análisis de baja frecuencia (0-200 Hz): fc = 200-300 Hz
- Solo para desequilibrio (1×): fc = 5-10× velocidad de carrera
- Deje margen para la banda de transición del filtro.
Reducción del ruido
- Identificar el rango de frecuencia del ruido a partir del espectro
- Configure la frecuencia de corte (fc) para que permita el paso de las frecuencias de señal y rechace las frecuencias de ruido.
- Equilibrio entre la eliminación de ruido y la preservación de la señal
Efectos en las mediciones
Dominio de amplitud
- Banda de paso: Cambio mínimo de amplitud ((< 0,5 dB típicamente)
- Banda de parada: Fuerte atenuación (40-80 dB o más)
- Nivel general: Reduce la vibración general si hay altas frecuencias presentes.
Dominio del tiempo
- Forma de onda suavizada (se eliminaron las variaciones de alta frecuencia)
- bordes afilados o puntas redondeadas
- La respuesta transitoria (oscilación del filtro) puede afectar la forma de onda.
- La distorsión de fase puede afectar la interpretación de la forma de onda.
Dominio de la frecuencia
- El espectro muestra amplitudes reducidas por encima del umbral.
- Los picos de alta frecuencia disminuyeron o se eliminaron
- El nivel de ruido se reduce si el ruido es de alta frecuencia.
Problemas comunes y soluciones
Antialiasing inadecuado
- Síntoma: Falsos picos de baja frecuencia en espectro
- Causa: Las altas frecuencias se pliegan por debajo del límite de Nyquist.
- Solución: Utilice un filtro con mayor pendiente, aumente la frecuencia de muestreo y verifique el funcionamiento del filtro.
El límite es demasiado bajo
- Síntoma: Señales válidas de alta frecuencia atenuadas
- Ejemplo: Frecuencias de rodamiento reducidas por un LPF demasiado agresivo
- Solución: Aumenta la frecuencia de corte y usa una pendiente de filtro más suave.
Filtrar artefactos
- Zumbido: Oscilaciones en el dominio del tiempo debidas a un corte brusco del filtro
- Distorsión de fase: La forma de onda cambia debido a los cambios de fase
- Solución: Utilice el filtro Bessel para aplicaciones de formas de onda críticas.
Filtros complementarios
Filtro de paso bajo frente a filtro de paso alto
- Filtro de paso bajo: Deja pasar las bajas frecuencias, bloquea las altas
- Filtro paso alto: Deja pasar las altas frecuencias, bloquea las bajas.
- Complementario: Se utilizan conjuntamente para el filtrado de paso de banda.
Filtro de paso de banda
- Combinación: HPF + LPF
- Solo deja pasar las frecuencias de la banda especificada.
- Rechaza tanto los valores por debajo como por encima de la banda
- Esencial para análisis de envolvente
Los filtros de paso bajo son componentes fundamentales en los sistemas de medición de vibraciones, ya que cumplen funciones esenciales como la protección contra el aliasing, la reducción de ruido y la selección del rango de frecuencia. Comprender el funcionamiento de los filtros de paso bajo, la selección adecuada de la frecuencia de corte y sus efectos en las señales medidas es crucial para un análisis de vibraciones preciso y para evitar artefactos de medición en los sistemas de adquisición de datos digitales.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 