Pochopenie aliasovania vo vibračnej analýze

Definícia: Čo je aliasovanie?

Aliasing je kritická chyba spracovania signálu, ktorá sa môže vyskytnúť počas digitálnej analýzy vibračných údajov. Stáva sa to, keď je signál vzorkovaný s frekvenciou, ktorá je príliš nízka na to, aby presne zachytila jeho zložky s najvyššou frekvenciou. V dôsledku toho tieto vysoké frekvencie „znižujú“ alebo „napodobňujú“ nižšie frekvencie vo výslednom spektre FFT, čím vytvárajú falošné frekvenčné špičky, ktoré môžu viesť k vážnej nesprávnej diagnóze stavu stroja.

Nyquistova veta a vzorkovacia frekvencia

Aby sme pochopili aliasing, musíme najprv pochopiť Nyquistova veta (tiež známe ako Nyquistova-Shannonova veta o vzorkovaní). Tento základný princíp digitálneho spracovania signálu hovorí:

Pre presnú reprezentáciu analógového signálu v digitálnej forme musí byť vzorkovacia frekvencia (Fs) aspoň dvojnásobkom najvyššej frekvenčnej zložky (Fmax) prítomnej v signále.

Táto minimálna vzorkovacia frekvencia (2 * Fmax) sa nazýva Nyquistova sadzbaPri analýze vibrácií je preto najvyššia sledovaná frekvencia, ktorú možno presne zmerať, polovica vzorkovacej frekvencie (Fmax = Fs / 2). Táto Fmax sa často označuje ako Nyquistova frekvencia.

Ako dochádza k aliasingu?

Predstavte si vysokofrekvenčný vibračný signál meraný digitálnym analyzátorom. Analyzátor odoberá diskrétne vzorky (snímky) signálu s pevnou frekvenciou (vzorkovacia frekvencia).

• Ak je vzorkovacia frekvencia dostatočne vysoká (výrazne nad Nyquistovou frekvenciou), analyzátor zachytí dostatočný počet bodov na presnú rekonštrukciu priebehu.
• Ak je však vzorkovacia frekvencia príliš nízka, analyzátor „prehliadne“ to, čo sa deje medzi vzorkami. Niekoľko bodov, ktoré zachytí, sa dá spojiť a vytvoriť úplne inú sínusovú vlnu s nižšou frekvenciou. Táto nová, falošne nízka frekvencia je „alias“.

Napríklad, ak signál obsahuje zložku s frekvenciou 900 Hz, ale Fmax analyzátora je nastavený na 500 Hz (čo znamená vzorkovaciu frekvenciu 1 000 Hz), zložku s frekvenciou 900 Hz nemožno správne zmerať. Bude „aliasingovaná“ a zobrazí sa ako vrchol pri nižšej frekvencii (konkrétne pri Fs – 900 Hz = 1 000 – 900 = 100 Hz), čo môže byť zamenené za vibráciu spôsobenú 1-násobnou rýchlosťou behu.

Zabránenie aliasingu: Filter proti aliasingu

Nie je možné vopred poznať všetok vysokofrekvenčný obsah (napr. z ultrazvukového šumu, nárazov alebo rádiofrekvenčného rušenia), ktorý môže byť prítomný v signále. Preto spoliehanie sa na jednoduché nastavenie dostatočne vysokej vzorkovacej frekvencie nie je praktickým riešením.

Riešenie používané vo všetkých moderných digitálnych analyzátoroch vibrácií je filter proti vyhladzovaniuIde o strmý dolnopriepustný filter, ktorý sa umiestňuje do signálovej cesty *pred* analógovo-digitálnym prevodníkom (ADC). Funguje to takto:

1. Používateľ si nastaví požadovanú maximálnu frekvenciu (Fmax) pre svoju analýzu.
2. Na základe tejto hodnoty Fmax analyzátor automaticky nastaví medznú frekvenciu anti-aliasingového filtra mierne nad hodnotu Fmax.
3. Analógový signál zo senzora prechádza cez tento filter, ktorý odstraňuje alebo silne tlmí všetky frekvencie nad medzným bodom.
4. Do ADC sa potom odošle na vzorkovanie iba filtrovaný, „čistý“ signál.

Odstránením vysokých frekvencií, ktoré zvolená vzorkovacia frekvencia nedokáže spracovať, anti-aliasingový filter fyzicky znemožňuje vznik aliasingu. Je to jedna z najdôležitejších súčastí digitálneho analyzátora signálu, ktorá zabezpečuje, že výsledné FFT spektrum je pravdivým a presným znázornením vibrácií stroja v rámci zvoleného frekvenčného rozsahu.

← Späť na hlavný index