Forståelse av aliasing i vibrasjonsanalyse

Definisjon: Hva er aliasing?

Aliasing er en kritisk signalbehandlingsfeil som kan oppstå under digital analyse av vibrasjonsdata. Det skjer når et signal samples med en hastighet som er for lav til å fange opp de høyeste frekvenskomponentene nøyaktig. Som et resultat "folder" disse høye frekvensene seg ned eller "etterligner" de lavere frekvensene i det resulterende FFT-spekteret, noe som skaper falske frekvenstopper som kan føre til en alvorlig feildiagnose av maskinens tilstand.

Nyquist-teoremet og samplingsfrekvensen

For å forstå aliasing må man først forstå Nyquist-teoremet (også kjent som Nyquist-Shannon samplingsteoremet). Dette grunnleggende prinsippet for digital signalbehandling sier:

For å representere et analogt signal nøyaktig i digital form, må samplingsfrekvensen (Fs) være minst dobbelt så høy som den høyeste frekvenskomponenten (Fmax) som er tilstede i signalet.

Denne minimumssamplingsfrekvensen (2 * Fmax) kalles Nyquist-ratenI vibrasjonsanalyse er den høyeste frekvensen av interesse som kan måles nøyaktig derfor halvparten av samplingsfrekvensen (Fmax = Fs / 2). Denne Fmax blir ofte referert til som Nyquist-frekvensen.

Hvordan oppstår aliasing?

Tenk deg et høyfrekvent vibrasjonssignal som måles av en digital analysator. Analysatoren tar diskrete prøver (øyeblikksbilder) av signalet med en fast hastighet (samplingsfrekvensen).

• Hvis samplingsfrekvensen er høy nok (godt over Nyquist-frekvensen), fanger analysatoren opp et tilstrekkelig antall punkter til å rekonstruere bølgeformen nøyaktig.
• Men hvis samplingsfrekvensen er for lav, «går analysatoren glipp av» det som skjer mellom prøvene. De få punktene den fanger opp kan kobles sammen for å danne en helt annen sinusbølge med lavere frekvens. Denne nye, falske lave frekvensen er «aliaset».

Hvis for eksempel et signal inneholder en 900 Hz-komponent, men analysatorens Fmax er satt til 500 Hz (som betyr en samplingsfrekvens på 1000 Hz), kan ikke 900 Hz-komponenten måles riktig. Den vil bli "aliasert" og vises som en topp ved en lavere frekvens (spesifikt ved Fs – 900 Hz = 1000 – 900 = 100 Hz), og potensielt forveksles med en vibrasjon ved 1X kjørehastighet.

Forhindre aliasing: Antialiasing-filteret

Det er umulig å vite på forhånd alt høyfrekvent innhold (f.eks. fra ultralydstøy, støt eller radiofrekvensforstyrrelser) som kan være tilstede i et signal. Derfor er det ikke en praktisk løsning å bare stole på å sette samplingsfrekvensen høy nok.

Løsningen som brukes i alle moderne digitale vibrasjonsanalysatorer er antialiasing-filterDette er et bratt lavpassfilter som er plassert i signalveien *før* analog-til-digital-omformeren (ADC). Slik fungerer det:

1. Brukeren angir ønsket maksimalfrekvens (Fmax) for analysen sin.
2. Basert på denne Fmax setter analysatoren automatisk antialiasing-filterets grensefrekvens litt over Fmax.
3. Det analoge signalet fra sensoren passerer gjennom dette filteret, som fjerner eller demper alle frekvenser over grensepunktet kraftig.
4. Bare det filtrerte, "rene" signalet sendes deretter til ADC-en for prøvetaking.

Ved å fjerne de høye frekvensene som den valgte samplingsfrekvensen ikke kan håndtere, gjør antialiasing-filteret det fysisk umulig for aliasing å forekomme. Det er en av de viktigste komponentene i en digital signalanalysator, og sikrer at det resulterende FFT-spekteret er en sann og nøyaktig representasjon av maskinens vibrasjon innenfor det valgte frekvensområdet.

← Tilbake til hovedindeksen