진동 분석에서 앨리어싱 이해

정의: 앨리어싱이란 무엇인가?

앨리어싱 진동 데이터의 디지털 분석 중 발생할 수 있는 심각한 신호 처리 오류입니다. 신호가 너무 낮은 속도로 샘플링되어 최고 주파수 성분을 정확하게 포착하지 못할 때 발생합니다. 결과적으로 이러한 고주파는 FFT 스펙트럼에서 저주파를 "축소"하거나 "가장"하여 잘못된 주파수 피크를 생성하여 기계 상태에 대한 심각한 오진으로 이어질 수 있습니다.

나이퀴스트 정리와 샘플링 속도

앨리어싱을 이해하려면 먼저 다음을 이해해야 합니다. 나이퀴스트 정리 (나이퀴스트-섀넌 샘플링 정리라고도 함). 디지털 신호 처리의 이 기본 원리는 다음과 같습니다.

아날로그 신호를 디지털 형태로 정확하게 표현하려면 샘플링 주파수(Fs)가 신호에 존재하는 가장 높은 주파수 성분(Fmax)의 최소 2배 이상이어야 합니다.

이 최소 샘플링 속도(2 * Fmax)를 다음과 같이 부릅니다. 나이퀴스트 비율진동 분석에서 정확하게 측정할 수 있는 가장 높은 관심 주파수는 샘플링 속도의 절반(Fmax = Fs/2)입니다. 이 Fmax는 종종 나이퀴스트 주파수라고 합니다.

앨리어싱은 어떻게 발생합니까?

디지털 분석기로 고주파 진동 신호를 측정하는 상황을 상상해 보세요. 분석기는 고정된 속도(샘플링 주파수)로 신호의 이산 샘플(스냅샷)을 수집합니다.

• 샘플링 속도가 충분히 높으면(나이퀴스트 속도보다 훨씬 높음) 분석기는 파형을 정확하게 재구성하기에 충분한 수의 포인트를 캡처합니다.
• 하지만 샘플링 속도가 너무 낮으면 분석기는 샘플 사이에 발생하는 현상을 "놓칩니다". 분석기가 포착하는 몇 개의 지점을 연결하여 완전히 다른 저주파 사인파를 형성할 수 있습니다. 이 새로운 거짓 저주파가 "별칭"입니다.

예를 들어, 신호에 900Hz 성분이 포함되어 있지만 분석기의 Fmax가 500Hz(즉, 샘플링 속도가 1000Hz)로 설정되어 있는 경우, 900Hz 성분은 정확하게 측정될 수 없습니다. 900Hz 성분은 "앨리어싱"되어 더 낮은 주파수(특히 Fs - 900Hz = 1000 - 900 = 100Hz)에서 피크로 나타나 1배의 작동 속도 진동으로 오인될 가능성이 있습니다.

앨리어싱 방지: 앤티앨리어싱 필터

신호에 존재할 수 있는 모든 고주파 성분(예: 초음파 노이즈, 충격, 무선 주파수 간섭)을 미리 파악하는 것은 불가능합니다. 따라서 단순히 샘플링 속도를 충분히 높게 설정하는 것만으로는 현실적인 해결책이 될 수 없습니다.

모든 최신 디지털 진동 분석기에 사용되는 솔루션은 다음과 같습니다. 앤티앨리어싱 필터. 이는 아날로그-디지털 변환기(ADC) *앞*의 신호 경로에 배치되는 가파른 저역 통과 필터입니다. 작동 원리는 다음과 같습니다.

1. 사용자는 분석을 위해 원하는 최대 주파수(Fmax)를 설정합니다.
2. 이 Fmax를 기준으로 분석기는 자동으로 앤티앨리어싱 필터의 차단 주파수를 Fmax보다 약간 높게 설정합니다.
3. 센서의 아날로그 신호는 이 필터를 통과하는데, 이 필터는 차단 지점 위의 모든 주파수를 제거하거나 강하게 감쇠시킵니다.
4. 필터링된 "깨끗한" 신호만 샘플링을 위해 ADC로 전송됩니다.

앤티앨리어싱 필터는 선택한 샘플링 속도로 처리할 수 없는 고주파를 제거함으로써 앨리어싱 발생을 물리적으로 불가능하게 만듭니다. 앤티앨리어싱 필터는 디지털 신호 분석기의 가장 중요한 구성 요소 중 하나로, 결과 FFT 스펙트럼이 선택한 주파수 범위 내에서 기계의 진동을 정확하고 사실적으로 표현하도록 보장합니다.

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