Înțelegerea filtrelor trece-jos

Dispozitive

Ebalansator portabil și analizor de vibrații Balanset-1A.

$2,353.83

Piese

Senzor de vibrații.

$107.26

Piese

Senzor optic (tahometru laser).

$147.78

Dispozitive

Balanset-4.

$8,107.90

Piese

Stand magnetic Insize-60-kgf.

$54.82

Piese

Ceasetă reflectorizantă.

$11.92

Dispozitive

Ebalansator dinamic "Balanset-1A" OEM.

$2,067.80

Definiție: Ce este un filtru trece-jos?

Filtru trece-jos (LPF) este un element de procesare a semnalului selectiv în frecvență care permite vibrații componentelor sub o anumită frecvență de tăiere să treacă, în timp ce atenuează (reduc sau blochează) componentele peste frecvența de tăiere. În analiza vibrațiilor, Filtrele trece-jos îndeplinesc funcții critice, inclusiv anti-aliasing (prevenirea frecvențelor false în sistemele digitale), reducerea zgomotului și izolarea componentelor de vibrații de joasă frecvență pentru o analiză concentrată.

Filtrele trece-jos sunt probabil cele mai frecvent utilizate filtre în instrumentația de vibrații, prezente în fiecare sistem de digitizare ca filtre anti-aliasing și disponibile ca instrumente de analiză pentru netezirea datelor, eliminarea zgomotului de înaltă frecvență și concentrarea asupra fenomenelor de joasă frecvență.

Caracteristicile filtrului

Frecvență de tăiere (fc)

• Definiţie: Frecvența la care răspunsul filtrului scade la -3 dB (amplitudine 70.7%)
• Sub fc (bandă de trecere): Frecvențele trec cu atenuare minimă
• Deasupra fc (bandă de oprire): Frecvențe atenuate progresiv
• Bandă de tranziție: Regiunea din jurul fc unde atenuarea crește

Ordinea de filtrare și derularea

• Prima comandă: 6 dB/octavă (20 dB/decadă) – scădere treptată a intensității
• A doua comandă: 12 dB/octavă (40 dB/decadă) – moderat
• Ordinul 4: 24 dB/octavă (80 dB/decadă) – abrupt
• Ordinul 8: 48 dB/octavă (160 dB/decadă) – foarte abrupt
• Ordin superior: Tranziție mai clară, respingere mai bună a benzii de stopband

Tipuri de răspunsuri de filtrare

• Butterworth: Bandă de trecere maximă, fără ondulații
• Cebîșev: Tăiere mai clară, permite ondularea benzii de trecere
• Bessel: Fază liniară (distorsiune minimă a formei de undă)
• Eliptic: Tranziție cea mai abruptă, ondulații în ambele benzi

Aplicații principale

1. Anti-aliasing (Cel mai critic)

Previne frecvențele false în sistemele digitale:

• Scop: Frecvențe de bloc peste frecvența Nyquist (jumătate din rata de eșantionare)
• Cerinţă: Înainte de conversia analog-digitală
• Prag tipic: 0,4-0,8 × (Rată de eșantionare / 2)
• Abrupt: De obicei, ordinul 8 sau mai mare pentru o respingere bună a aliasingului
• Critic: Anti-aliasing-ul inadecvat creează vârfuri spectrale false

2. Reducerea zgomotului

• Eliminați zgomotul electric de înaltă frecvență
• Filtrați zgomotul cablului senzorului
• Date fluide pentru tendințe
• Îmbunătățiți raportul semnal-zgomot pentru componentele de joasă frecvență

3. Limitarea intervalului de frecvență

• Analiza focalizării pe intervalul de frecvență de interes
• Exemplu: Analiză 0-100 Hz pentru utilaje cu viteză redusă
• Elimină conținutul irelevant de înaltă frecvență
• Reduce cerințele de procesare și stocare a datelor

4. Pregătirea integrării

• Înainte de integrarea accelerației cu viteza
• Eliminați frecvențele foarte înalte (zgomotul care ar fi amplificat)
• Limită de frecvență tipică: 1000-5000 Hz, în funcție de aplicație
• Previne amplificarea zgomotului în integrare

Selectarea frecvenței de tăiere

Aplicații anti-aliasing

• Regulă: fc = 0,4 × Rata de eșantionare (conservator) până la 0,8 × Rata de eșantionare (agresiv)
• Exemplu: Rată de eșantionare de 10 kHz → fc = 4000 Hz
• Criteriu: Atenuare bandă de oprire > 60 dB la frecvența Nyquist

Aplicații analitice

• Setați fc puțin peste cea mai mare frecvență de interes
• Pentru analiza de joasă frecvență (0-200 Hz): fc = 200-300 Hz
• Numai pentru dezechilibru (1×): fc = 5-10× viteza de rulare
• Lăsați margine pentru banda de tranziție a filtrului

Reducerea zgomotului

• Identificați intervalul de frecvență al zgomotului din spectru
• Setați fc pentru a transmite frecvențele semnalului, a respinge frecvențele de zgomot
• Echilibrul dintre eliminarea zgomotului și conservarea semnalului

Efecte asupra măsurătorilor

Domeniul Amplitudinii

• Bandă de trecere: Schimbare minimă a amplitudinii (< 0,5 dB (tipic)
• Bandă de oprire: Atenuare puternică (40-80 dB sau mai mult)
• Nivel general: Reduce vibrațiile generale dacă sunt prezente frecvențe înalte

Domeniul Timpului

• Formă de undă netezită (variațiile de înaltă frecvență au fost eliminate)
• Margini ascuțite sau vârfuri rotunjite
• Răspunsul tranzitoriu (sonerie filtru) poate afecta forma formei de undă
• Distorsiunea de fază poate afecta interpretarea formei de undă

Domeniul de frecvență

• Spectrul prezintă amplitudini reduse peste pragul de delimitare
• Vârfurile de înaltă frecvență diminuate sau eliminate
• Nivel de zgomot redus dacă zgomotul era de înaltă frecvență

Probleme comune și soluții

Anti-aliasing inadecvat

• Simptom: Vârfuri false de joasă frecvență în spectru
• Cauza: Frecvențele înalte se repliază sub nivelul lui Nyquist
• Soluție: Folosește un filtru mai abrupt, mărește rata de eșantionare, verifică funcționarea filtrului

Limită de prag prea mică

• Simptom: Semnale valide de înaltă frecvență atenuate
• Exemplu: Frecvențele rulmenților reduse de LPF prea agresiv
• Soluție: Măriți frecvența de tăiere, utilizați o pantă a filtrului mai ușoară

Filtrare artefacte

• Sună: Oscilații în domeniul timpului de la o întrerupere bruscă a filtrului
• Distorsiune de fază: Modificări ale formei de undă din cauza schimbărilor de fază
• Soluție: Utilizați filtrul Bessel pentru aplicații critice cu forme de undă

Filtre complementare

Trece-jos vs. Trece-sus

• Low-Pass: Trece la frecvențele joase, blochează frecvențele înalte
• Trecere înaltă: Transmite frecvențele înalte, blochează frecvențele joase
• Complementar: Utilizate împreună pentru filtrare trece-bandă

Filtru trece-bandă

• Combinație: HPF + LPF
• Transmite doar frecvențele din banda specificată
• Respinge atât benzile sub, cât și cele peste
• Esențial pentru analiza anvelopei

Filtrele trece-jos sunt componente fundamentale în sistemele de măsurare a vibrațiilor, îndeplinind funcții esențiale, de la protecția anti-aliasing la reducerea zgomotului și selectarea intervalului de frecvență. Înțelegerea funcționării filtrului trece-jos, a selecției corecte a frecvenței de tăiere și a efectelor asupra semnalelor măsurate este crucială pentru o analiză precisă a vibrațiilor și pentru evitarea artefactelor de măsurare în sistemele de achiziție digitală de date.

---

← Înapoi la indexul principal