Razumevanje aliasiranja pri analizi vibracij

Definicija: Kaj je aliasing?

Aliasiranje je kritična napaka pri obdelavi signala, ki se lahko pojavi med digitalno analizo podatkov o vibracijah. Do nje pride, ko se signal vzorči s frekvenco, ki je prenizka, da bi natančno zajela njegove komponente z najvišjo frekvenco. Posledično te visoke frekvence v nastalem FFT spektru "prepognejo" ali "ponovno prikažejo" nižje frekvence, kar ustvari lažne frekvenčne vrhove, ki lahko privedejo do resne napačne diagnoze stanja stroja.

Nyquistov izrek in stopnja vzorčenja

Da bi razumeli aliasing, moramo najprej razumeti Nyquistov izrek (znano tudi kot Nyquist-Shannonov izrek o vzorčenju). To temeljno načelo digitalne obdelave signalov pravi:

Za natančno predstavitev analognega signala v digitalni obliki mora biti frekvenca vzorčenja (Fs) vsaj dvakrat večja od najvišje frekvenčne komponente (Fmax), prisotne v signalu.

Ta minimalna frekvenca vzorčenja (2 * Fmax) se imenuje Nyquistova stopnjaPri analizi vibracij je torej najvišja frekvenca, ki nas zanima in jo je mogoče natančno izmeriti, polovica frekvence vzorčenja (Fmax = Fs / 2). Ta Fmax se pogosto imenuje Nyquistova frekvenca.

Kako pride do aliasiranja?

Predstavljajte si visokofrekvenčni vibracijski signal, ki ga meri digitalni analizator. Analizator zajema diskretne vzorce (posnetke) signala s fiksno frekvenco (frekvenca vzorčenja).

• Če je frekvenca vzorčenja dovolj visoka (precej nad Nyquistovo frekvenco), analizator zajame zadostno število točk za natančno rekonstrukcijo valovne oblike.
• Če pa je frekvenca vzorčenja prenizka, analizator »zgreši« dogajanje med vzorci. Nekaj točk, ki jih zajame, je mogoče povezati in tvoriti povsem drugačen sinusni val nižje frekvence. Ta nova, lažno nizka frekvenca je »vzdevek«.

Na primer, če signal vsebuje komponento s frekvenco 900 Hz, vendar je Fmax analizatorja nastavljen na 500 Hz (kar pomeni frekvenco vzorčenja 1000 Hz), komponente s frekvenco 900 Hz ni mogoče pravilno izmeriti. Pri nižji frekvenci (natančneje pri Fs – 900 Hz = 1000 – 900 = 100 Hz) bo »aliased« in se bo pojavila kot vrh, kar jo lahko zamenjamo za vibracijo s hitrostjo delovanja 1X.

Preprečevanje aliasiranja: filter proti aliasiranju

Nemogoče je vnaprej poznati vse visokofrekvenčne vsebine (npr. zaradi ultrazvočnega šuma, udarcev ali radiofrekvenčnih motenj), ki so lahko prisotne v signalu. Zato zanašanje na preprosto nastavitev dovolj visoke frekvence vzorčenja ni praktična rešitev.

Rešitev, ki se uporablja v vseh sodobnih digitalnih analizatorjih vibracij, je filter proti glajenju robovTo je strm nizkoprepustni filter, ki je nameščen v signalni poti *pred* analogno-digitalnim pretvornikom (ADC). Takole deluje:

1. Uporabnik nastavi želeno najvišjo frekvenco (Fmax) za svojo analizo.
2. Na podlagi tega Fmax analizator samodejno nastavi mejno frekvenco filtra za preprečevanje glajenja zvoka nekoliko nad Fmax.
3. Analogni signal iz senzorja prehaja skozi ta filter, ki odstrani ali močno zmanjša vse frekvence nad mejno vrednostjo.
4. Nato se v ADC za vzorčenje pošlje samo filtriran, "čist" signal.

Z odstranitvijo visokih frekvenc, ki jih izbrana frekvenca vzorčenja ne more obdelati, filter proti glajenju zvoka fizično onemogoči nastanek glajenja zvoka. Je ena najpomembnejših komponent digitalnega analizatorja signalov, ki zagotavlja, da je nastali spekter FFT resnična in natančna predstavitev vibracij stroja znotraj izbranega frekvenčnega območja.

← Nazaj na glavno kazalo