Zrozumienie filtrów dolnoprzepustowych

Urządzenia

Przenośna wyważarka i analizator drgań Balanset-1A

$2,344.68 Pierwotna cena wynosiła: $2,344.68.$2,018.20Aktualna cena: $2,018.20.

Części

Czujnik wibracji

$106.85 Pierwotna cena wynosiła: $106.85.$83.10Aktualna cena: $83.10.

Części

Czujnik optyczny (tachometr laserowy)

$147.21 Pierwotna cena wynosiła: $147.21.$106.85Aktualna cena: $106.85.

Urządzenia

Balanset-4

$8,076.37

Części

Stojak magnetyczny Insize-60-kgf

$54.61

Części

Taśma odblaskowa

$11.87

Urządzenia

Balanser dynamiczny "Balanset-1A" OEM

$2,059.75 Pierwotna cena wynosiła: $2,059.75.$1,780.77Aktualna cena: $1,780.77.

Definicja: Czym jest filtr dolnoprzepustowy?

Filtr dolnoprzepustowy (LPF) to element przetwarzania sygnału selektywny częstotliwościowo, który umożliwia wibracja składniki poniżej określonej częstotliwości odcięcia, które mają zostać przepuszczone, jednocześnie tłumiąc (redukując lub blokując) składniki powyżej częstotliwości odcięcia. W analiza drgań, Filtry dolnoprzepustowe spełniają kluczowe funkcje, takie jak antyaliasing (zapobieganie fałszywym częstotliwościom w systemach cyfrowych), redukcja szumów i izolowanie składowych drgań o niskiej częstotliwości w celu umożliwienia szczegółowej analizy.

Filtry dolnoprzepustowe są prawdopodobnie najczęściej stosowanymi filtrami w urządzeniach do pomiaru drgań, występują w każdym systemie digitalizacji jako filtry antyaliasingowe i są dostępne jako narzędzia analityczne do wygładzania danych, usuwania szumów o wysokiej częstotliwości i skupiania się na zjawiskach o niskiej częstotliwości.

Charakterystyka filtra

Częstotliwość odcięcia (fc)

• Definicja: Częstotliwość, przy której odpowiedź filtra spada do -3 dB (amplituda 70,7%)
• Poniżej fc (pasmo przenoszenia): Częstotliwości przechodzą z minimalnym tłumieniem
• Powyżej fc (pasma stopowego): Częstotliwości stopniowo tłumione
• Pasmo przejściowe: Obszar wokół fc, w którym zwiększa się tłumienie

Kolejność filtrów i roll-off

• 1. Zamówienie: 6 dB/oktawę (20 dB/dekadę) – stopniowe wygaszanie
• 2. Zamówienie: 12 dB/oktawę (40 dB/dekadę) – umiarkowany
• 4. Zakon: 24 dB/oktawę (80 dB/dekadę) – strome
• 8. Zakon: 48 dB/oktawę (160 dB/dekadę) – bardzo strome
• Wyższy rząd: Ostrzejsze przejście, lepsze tłumienie pasma zaporowego

Typy odpowiedzi filtra

• Butterworth: Maksymalnie płaskie pasmo przenoszenia, brak tętnień
• Czebyszew: Ostrzejsze odcięcie, pozwala na tętnienia pasma przenoszenia
• Bessel: Faza liniowa (minimalne zniekształcenie przebiegu)
• Eliptyczny: Najostrzejsze przejście, tętnienie w obu pasmach

Główne zastosowania

1. Antyaliasing (najbardziej krytyczny)

Zapobiega fałszywym częstotliwościom w systemach cyfrowych:

• Zamiar: Częstotliwości blokowe powyżej częstotliwości Nyquista (połowa częstotliwości próbkowania)
• Wymóg: Przed konwersją analogowo-cyfrową
• Typowy próg odcięcia: 0,4-0,8 × (Częstotliwość próbkowania / 2)
• Stromość: Zwykle 8. lub wyższy rząd dla dobrego odrzucania aliasingu
• Krytyczny: Niewystarczające wygładzanie krawędzi powoduje powstawanie fałszywych szczytów widmowych

2. Redukcja hałasu

• Usuń szum elektryczny o wysokiej częstotliwości
• Odfiltruj szum kabla czujnika
• Płynne dane do trendów
• Poprawa stosunku sygnału do szumu dla komponentów o niskiej częstotliwości

3. Ograniczenie zakresu częstotliwości

• Analiza skupienia na interesującym zakresie częstotliwości
• Przykład: analiza 0–100 Hz dla maszyn wolnoobrotowych
• Usuwa nieistotną treść o wysokiej częstotliwości
• Zmniejsza wymagania dotyczące przetwarzania i przechowywania danych

4. Przygotowanie do integracji

• Przed zintegrowaniem przyspieszenia z prędkością
• Usuń bardzo wysokie częstotliwości (szum, który mógłby zostać wzmocniony)
• Typowa granica częstotliwości: 1000-5000 Hz w zależności od zastosowania
• Zapobiega wzmacnianiu szumów podczas integracji

Wybór częstotliwości odcięcia

Aplikacje antyaliasingowe

• Reguła: fc = 0,4 × Częstotliwość próbkowania (konserwatywna) do 0,8 × Częstotliwość próbkowania (agresywna)
• Przykład: Częstotliwość próbkowania 10 kHz → fc = 4000 Hz
• Kryterium: Tłumienie pasma zaporowego > 60 dB przy częstotliwości Nyquista

Zastosowania analityczne

• Ustaw fc tuż nad najwyższą częstotliwością zainteresowania
• Do analizy niskiej częstotliwości (0-200 Hz): fc = 200-300 Hz
• Tylko w przypadku braku równowagi (1×): fc = 5-10× prędkość biegu
• Pozostaw margines na pasmo przejściowe filtra

Redukcja hałasu

• Zidentyfikuj zakres częstotliwości hałasu ze spektrum
• Ustaw fc tak, aby przepuszczał częstotliwości sygnału, odrzucał częstotliwości szumu
• Równowaga między usuwaniem szumów a zachowaniem sygnału

Wpływ na pomiary

Domena amplitudy

• Pasmo przenoszenia: Minimalna zmiana amplitudy (< 0,5 dB (typowo)
• Pasmo zaporowe: Silne tłumienie (40-80 dB lub więcej)
• Poziom ogólny: Redukuje ogólne drgania, jeśli występują wysokie częstotliwości

Domena czasu

• Wygładzona forma fali (usunięto wahania o wysokiej częstotliwości)
• Ostre krawędzie lub kolce zaokrąglone
• Odpowiedź przejściowa (dzwonienie filtra) może wpływać na kształt przebiegu
• Zniekształcenie fazy może mieć wpływ na interpretację przebiegu

Domena częstotliwości

• Widmo pokazuje zmniejszone amplitudy powyżej punktu odcięcia
• Zmniejszenie lub wyeliminowanie szczytów o wysokiej częstotliwości
• Poziom szumów obniżony, jeśli hałas miał wysoką częstotliwość

Typowe problemy i rozwiązania

Niewystarczające wygładzanie krawędzi

• Objaw: Fałszywe piki niskiej częstotliwości w widmo
• Przyczyna: Wysokie częstotliwości składają się poniżej częstotliwości Nyquista
• Rozwiązanie: Użyj bardziej stromego filtra, zwiększ częstotliwość próbkowania, sprawdź działanie filtra

Zbyt niskie odcięcie

• Objaw: Ważne sygnały o wysokiej częstotliwości zostały osłabione
• Przykład: Częstotliwości łożysk zmniejszone przez zbyt agresywny filtr dolnoprzepustowy
• Rozwiązanie: Zwiększ częstotliwość odcięcia, użyj łagodniejszego nachylenia filtra

Filtruj artefakty

• Dzwonienie: Oscylacje w dziedzinie czasu od ostrego odcięcia filtra
• Zniekształcenie fazowe: Zmiany kształtu fali spowodowane przesunięciami fazowymi
• Rozwiązanie: Użyj filtru Bessela w przypadku zastosowań wymagających krytycznych przebiegów falowych

Filtry uzupełniające

Przebieg dolny kontra przebieg górny

• Niskie przejście: Przepuszcza niskie częstotliwości, blokuje wysokie
• Przejście górne: Przepuszcza wysokie częstotliwości, blokuje niskie
• Uzupełniający: Używane razem do filtrowania pasmowo-przepustowego

Filtr pasmowo-przepustowy

• Kombinacja: HPF + LPF
• Przepuszcza tylko częstotliwości w określonym paśmie
• Odrzuca zarówno poniżej, jak i powyżej pasma
• Niezbędne dla analiza koperty

Filtry dolnoprzepustowe to podstawowe elementy systemów pomiaru drgań, pełniące kluczowe funkcje, od ochrony antyaliasingowej, przez redukcję szumów, po wybór zakresu częstotliwości. Zrozumienie działania filtrów dolnoprzepustowych, prawidłowego doboru częstotliwości granicznej oraz ich wpływu na mierzone sygnały ma kluczowe znaczenie dla dokładnej analizy drgań i uniknięcia artefaktów pomiarowych w cyfrowych systemach akwizycji danych.

---

← Powrót do indeksu głównego