신호 필터링 이해
신호 필터링 는 다음 분야에서 사용되는 핵심적인 신호 처리 기법입니다. 진동 분석 신호에서 원치 않는 주파수 성분을 제거하거나, 관심 있는 특정 주파수만을 분리하기 위해 사용됩니다. 필터는 본질적으로 특정 주파수는 통과시키면서 다른 주파수는 차단하거나 감쇠시키는 전자 회로 또는 소프트웨어 알고리즘입니다. 이는 이 분야의 숨은 주역 중 하나로, 모든 디지털 시스템 내부에서 필터링 작업이 지속적으로 수행됩니다. 진동 분석기 분석되는 데이터가 정확하고 정확하며 현재 진단 작업에 적합한지 확인합니다.
1. 정의: 신호 필터링이란 무엇입니까?
모든 원시 진동 측정값은 원하는 신호와 원치 않는 신호—센서 노이즈, 구조적 공진, 전기적 잡음, 그리고 현재 작업과 무관한 주파수 대역의 에너지—가 혼합된 것입니다. 필터는 다음으로 정의됩니다. 절단 주파수 (감쇠가 시작되는 지점) 및 그 roll-off (그 지점을 넘어서는 주파수 대역에서 얼마나 급격하게 감쇠되는지). 필터링의 핵심은 신호의 진단적 정보를 통과시키면서 이를 가릴 수 있는 모든 요소를 억제하는 데 있다. 잘만 하면 그 존재를 전혀 눈치채지 못하지만, 잘못하면 오히려 찾고자 하는 결함 자체를 가려버릴 수도 있다.
2. 진동 분석에서 일반적인 필터 유형
신호 처리에는 네 가지 기본 필터 유형이 있으며, 각각은 분석기의 신호 경로에서 특정한 역할을 담당합니다:
- 저역 통과 필터: 저주파는 통과시키지만 고주파는 차단합니다. 신호가 감쇠되기 시작하는 주파수를 컷오프 주파수라고 합니다.
- 고역 통과 필터: 저역 통과 필터의 반대 개념으로, 고주파는 통과시키고 저주파는 차단합니다.
- 대역 통과 필터: 특정 대역 또는 주파수 범위는 통과시키고, 그보다 낮은 주파수와 높은 주파수는 모두 차단합니다. 이는 사실상 고역 통과 필터와 저역 통과 필터가 함께 작동하는 것과 같습니다.
- Band-Stop (or Notch) Filter: 대역통과 필터의 반대 개념으로, 좁은 주파수 대역을 차단하고 그 외의 모든 주파수는 통과시킵니다. 노치 필터는 주파수 간섭과 같은 특정 원치 않는 주파수를 제거하는 데 주로 사용됩니다.
3. 필터링의 주요 응용 분야
필터는 진동 분석기 내에서 여러 가지 중요한 용도로 사용됩니다.
a) 앤티앨리어싱 필터
이는 필터링의 가장 중요한 응용 분야라고 할 수 있습니다. 앤티앨리어싱 필터는 아날로그 신호에 적용되는 가파른 저역 통과 필터입니다 전에 이 기능은 디지털 처리됩니다. 이 기능의 목적은 사용자가 측정을 위해 선택한 최대 주파수(Fmax) 이상의 모든 주파수 성분을 제거하는 것입니다.
이것은 예방하는 데 필수적입니다. 앨리어싱, 고주파가 “접혀 내려가” 저주파로 위장되어 완전히 잘못된 결과를 초래하는 심각한 디지털 신호 처리 오류 스펙트럼 본래 양호한 데이터에서 발생하는 문제입니다. 데이터가 일단 샘플링되면 에일리어싱 현상을 되돌릴 수 없기 때문에(가짜 피크는 실제 피크와 구별할 수 없음), 에일리어싱 방지 필터는 변환기 앞단인 아날로그 영역에서 작동해야 합니다. 이는 모든 디지털 진동 데이터의 무결성을 보장하는 유일한 요소입니다.
b) 적분과 미분
진동은 가속도, 속도 또는 변위로 측정됩니다. 한편, 가속도계 가장 일반적인 센서인 가속도계의 경우, 분석가는 종종 속도 측면에서 데이터를 확인하고 싶어 하는데, 이를 위해서는 대개 가속도 신호를 적분해야 합니다. 적분 과정은 극저주파 노이즈를 극심하게 증폭시키는데, 이는 0Hz를 향해 가파르게 상승하는 익숙한 ‘스키 슬로프’ 형태를 띱니다. 고역통과 필터는 적분 전에 이러한 노이즈를 제거하여 깨끗하고 활용 가능한 속도 또는 변위 스펙트럼을 생성합니다. 이와 반대되는 연산인 미분 연산은 정반대의 경향을 보이며, 대신 고주파 노이즈를 증폭시킵니다.
c) 봉투파 분석 (복조)
엔벨로프 분석, 탐지를 위한 주요 기법 베어링 결함, 필터링에 크게 의존합니다. 이 프로세스에는 다음이 포함됩니다.
- 를 사용하여 대역 통과 필터 방위각 충격 신호와 이 신호가 유발하는 구조적 공진이 존재하는 고주파 대역을 분리하기 위해.
- 이 필터링된 신호를 복조하여 충격의 반복률(“엔벨로프”)을 추출합니다.
- 이 엔벨로프 신호의 주파수 스펙트럼을 분석하여 결함 주파수를 파악한다.
이 경우 대역통과 필터는 주행 속도에서의 불균형과 같은 고에너지 저주파 신호를 제거하는 데 매우 중요합니다. 이러한 신호가 없다면, 미미하고 에너지가 낮은 베어링 결함 신호가 위험한 수준에 도달하기도 훨씬 전에 완전히 묻혀버릴 것이기 때문입니다.
d) 진단 필터링
분석가는 진단에 도움을 주기 위해 데이터를 수집한 후 디지털 필터를 적용할 수도 있습니다. 예를 들어, 대역통과 필터를 사용하면 특정 주파수 주변의 진동을 분리할 수 있습니다. 기어 맞물림 주파수 ~을 더 자세히 살펴보기 위해 측파대 기어 결함의 징후를 드러내는 신호들입니다. 속도 조절 기계에서는 속도 추적 필터가 이와 유사한 역할을 수행하며, 작동 속도가 변할 때 미리 설정된 배수에 맞춰 속도를 고정합니다.
4. 필드 밸런싱에서의 필터링
필터링은 단순히 진단에 도움을 주는 것뿐만 아니라, ~의 기초가 됩니다. 필드 밸런싱. 로터의 균형을 맞추려면, 해당 장비는 정확히 1배의 작동 속도에서 발생하는 진동만 추출하고 그 외의 모든 것은 걸러내야 합니다. 다음과 같은 휴대용 2채널 분석기 발란셋-1A 동기식 추적 필터를 사용하며, 이는 해당 장치의 회전당 1회 펄스를 기준 신호로 삼습니다. 유속계, 1× 진폭을 측정하고 단계 광대역 노이즈가 심한 상황에서도 깨끗하게 처리됩니다. 이러한 필터링이 없다면, 보정 가중치를 계산하는 데 필요한 작고 반복 가능한 1× 벡터가 주변 노이즈 속에 묻혀 버릴 것입니다.
5. 주의할 점과 모범 사례
- 증거를 걸러내다: 저역 통과 필터의 설정이 너무 공격적일 경우, 초기 베어링 결함 징후를 담고 있는 고주파 성분이 제거될 수 있습니다. 탐지하려는 결함에 맞춰 Fmax를 선택하십시오.
- 위상 왜곡: 필터는 컷오프 주파수 근처에서 신호의 위상을 변화시킵니다. 위상이 중요한 경우 — 밸런싱, 궤도 그래프 — 안정적인 선형 위상 응답을 가진 필터가 필수적이다.
- 밴드를 잊고: 엔벨로프 분석에서, 방향 정보를 담고 있는 공진을 포함하지 않는 대역통과 중심 주파수를 선택하면 평탄하고 무용지물인 엔벨로프 스펙트럼이 얻어진다.
