Razumijevanje aliasiranja u analizi vibracija

Definicija: Što je aliasing?

Aliasing je kritična pogreška u obradi signala koja se može pojaviti tijekom digitalne analize podataka o vibracijama. Do toga dolazi kada se signal uzorkuje brzinom koja je preniska da bi se točno uhvatile njegove komponente najviše frekvencije. Kao rezultat toga, te visoke frekvencije "smanjuju" ili "improviziraju" niže frekvencije u rezultirajućem FFT spektru, stvarajući lažne frekvencijske vrhove koji mogu dovesti do ozbiljne pogrešne dijagnoze stanja stroja.

Nyquistov teorem i stopa uzorkovanja

Da bismo razumjeli aliasing, prvo moramo razumjeti Nyquistov teorem (također poznat kao Nyquist-Shannonov teorem uzorkovanja). Ovaj temeljni princip digitalne obrade signala glasi:

Za točno predstavljanje analognog signala u digitalnom obliku, frekvencija uzorkovanja (Fs) mora biti barem dva puta veća od najviše frekvencijske komponente (Fmax) prisutne u signalu.

Ova minimalna frekvencija uzorkovanja (2 * Fmax) naziva se Nyquistova stopaU analizi vibracija, najviša frekvencija od interesa koja se može točno izmjeriti stoga je polovica brzine uzorkovanja (Fmax = Fs / 2). Taj Fmax se često naziva Nyquistovom frekvencijom.

Kako dolazi do aliasiranja?

Zamislite visokofrekventni vibracijski signal koji mjeri digitalni analizator. Analizator uzima diskretne uzorke (snimke) signala fiksnom brzinom (frekvencija uzorkovanja).

• Ako je frekvencija uzorkovanja dovoljno visoka (znatno iznad Nyquistove frekvencije), analizator bilježi dovoljan broj točaka za točnu rekonstrukciju valnog oblika.
• Međutim, ako je brzina uzorkovanja preniska, analizator "propušta" što se događa između uzoraka. Nekoliko točaka koje uhvati mogu se povezati kako bi se formirao potpuno drugačiji sinusni val niže frekvencije. Ova nova, lažno niska frekvencija je "alias".

Na primjer, ako signal sadrži komponentu od 900 Hz, ali je Fmax analizatora postavljen na 500 Hz (što znači brzinu uzorkovanja od 1000 Hz), komponenta od 900 Hz ne može se ispravno izmjeriti. Bit će „aliasirana“ i pojavljivati se kao vrh na nižoj frekvenciji (posebno na Fs – 900 Hz = 1000 – 900 = 100 Hz), što se potencijalno može zamijeniti za vibraciju brzine rada 1X.

Sprječavanje aliasinga: Filter protiv aliasinga

Nemoguće je unaprijed znati sav visokofrekventni sadržaj (npr. od ultrazvučne buke, udara ili radiofrekvencijskih smetnji) koji može biti prisutan u signalu. Stoga, oslanjanje na jednostavno postavljanje dovoljno visoke brzine uzorkovanja nije praktično rješenje.

Rješenje koje se koristi u svim modernim digitalnim analizatorima vibracija je filtar protiv aliasingaOvo je strmi niskopropusni filtar koji se postavlja u signalni put *prije* analogno-digitalnog pretvarača (ADC). Evo kako radi:

1. Korisnik postavlja željenu maksimalnu frekvenciju (Fmax) za svoju analizu.
2. Na temelju ovog Fmax-a, analizator automatski postavlja graničnu frekvenciju anti-aliasing filtra malo iznad Fmax-a.
3. Analogni signal iz senzora prolazi kroz ovaj filter, koji uklanja ili snažno prigušuje sve frekvencije iznad granične vrijednosti.
4. Samo filtrirani, "čisti" signal se zatim šalje ADC-u na uzorkovanje.

Uklanjanjem visokih frekvencija koje odabrana frekvencija uzorkovanja ne može podnijeti, anti-aliasing filtar fizički onemogućuje pojavu aliasiranja. To je jedna od najvažnijih komponenti digitalnog analizatora signala, osiguravajući da rezultirajući FFT spektar bude istinit i točan prikaz vibracija stroja unutar odabranog frekvencijskog raspona.

← Natrag na glavni indeks