Razumevanje nizkoprepustnih filtrov

Naprave

Prenosni balanser in analizator vibracij Balanset-1A

$2,358.31

Deli

Senzor vibracij

$107.47

Deli

Optični senzor (laserski tahometer)

$148.07

Naprave

Balanset-4

$8,123.32

Deli

Magnetno stojalo velikosti 60 kgf

$54.93

Deli

Reflektivni trak

$11.94

Naprave

Dinamični balanser "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definicija: Kaj je nizkoprepustni filter?

Nizkoprepustni filter (LPF) je frekvenčno selektiven element za obdelavo signalov, ki omogoča vibracije komponente pod določeno mejno frekvenco, ki jih je treba prepustiti, medtem ko slabi (zmanjšuje ali blokira) komponente nad mejno frekvenco. V analiza vibracij, Nizkopasovni filtri opravljajo ključne funkcije, vključno z zmanjševanjem šuma (preprečevanjem lažnih frekvenc v digitalnih sistemih), zmanjševanjem šuma in izolacijo nizkofrekvenčnih vibracijskih komponent za osredotočeno analizo.

Nizkopasovni filtri so morda najpogosteje uporabljeni filtri v vibracijski instrumentaciji, prisotni so v vsakem digitalizacijskem sistemu kot filtri za glajenje in so na voljo kot orodja za analizo za glajenje podatkov, odstranjevanje visokofrekvenčnega šuma in osredotočanje na nizkofrekvenčne pojave.

Značilnosti filtra

Mejna frekvenca (fc)

• Definicija: Frekvenca, pri kateri odziv filtra pade na -3 dB (amplituda 70,7%)
• Pod fc (pasovni pas): Frekvence prehajajo z minimalnim slabljenjem
• Nad fc (zaporni pas): Frekvence se postopoma zmanjšujejo
• Prehodni pas: Območje okoli fc, kjer se slabljenje poveča

Vrstni red filtrov in izpis

• 1. naročilo: 6 dB/oktavo (20 dB/dec.) – postopno zmanjševanje tona
• 2. vrstni red: 12 dB/oktavo (40 dB/dekado) – zmerno
• 4. red: 24 dB/oktavo (80 dB/dekado) – strmo
• 8. red: 48 dB/oktavo (160 dB/dekado) – zelo strmo
• Višji red: Ostrejši prehod, boljše zavračanje zapornega pasu

Vrste odgovorov filtrov

• Butterworth: Maksimalno raven pasovni pas, brez valovanja
• Čebišev: Ostrejša meja, omogoča valovanje prepustnega pasu
• Bessel: Linearna faza (minimalno popačenje valovne oblike)
• Eliptični trenažer: Najostrejši prehod, valovanje v obeh pasovih

Primarne aplikacije

1. Zglajevanje robov (najbolj kritično)

Preprečuje lažne frekvence v digitalnih sistemih:

• Namen: Blok frekvence nad Nyquistovo frekvenco (polovična vzorčna frekvenca)
• Zahteva: Pred analogno-digitalno pretvorbo
• Tipična meja: 0,4–0,8 × (frekvenca vzorčenja / 2)
• Strmina: Običajno 8. reda ali višje za dobro zavračanje aliasinga
• Kritično: Neustrezno anti-aliasing ustvarja lažne spektralne vrhove

2. Zmanjšanje šuma

• Odstranite visokofrekvenčni električni šum
• Filtriranje šuma kabla senzorja
• Gladki podatki za trende
• Izboljšajte razmerje signal/šum za nizkofrekvenčne komponente

3. Omejitev frekvenčnega območja

• Analiza fokusa na frekvenčnem območju, ki ga zanima
• Primer: Analiza 0–100 Hz za stroje z nizko hitrostjo
• Odstrani nepomembno visokofrekvenčno vsebino
• Zmanjša zahteve glede obdelave in shranjevanja podatkov

4. Priprava na integracijo

• Preden integriramo pospešek v hitrost
• Odstranite zelo visoke frekvence (hrup, ki bi se lahko ojačal)
• Tipična mejna frekvenca: 1000–5000 Hz, odvisno od uporabe
• Preprečuje ojačanje šuma pri integraciji

Izbira mejne frekvence

Aplikacije za preprečevanje aliasinga

• Pravilo: fc = 0,4 × frekvenca vzorčenja (konzervativno) do 0,8 × frekvenca vzorčenja (agresivno)
• Primer: Frekvenca vzorčenja 10 kHz → fc = 4000 Hz
• Merilo: Slabljenje v zapornem pasu > 60 dB pri Nyquistovi frekvenci

Analitične aplikacije

• Nastavite fc tik nad najvišjo frekvenco, ki vas zanima
• Za nizkofrekvenčno analizo (0–200 Hz): fc = 200–300 Hz
• Samo za neuravnoteženost (1×): fc = 5–10× hitrost teka
• Pustite rob za prehodni pas filtra

Zmanjšanje hrupa

• Določite frekvenčno območje šuma iz spektra
• Nastavi fc za prepuščanje signalnih frekvenc in zavračanje šumnih frekvenc
• Ravnovesje med odstranjevanjem šuma in ohranjanjem signala

Vplivi na meritve

Amplitudna domena

• Prepustni pas: Minimalna sprememba amplitude (< 0,5 dB običajno)
• Zaporni pas: Močno slabljenje (40–80 dB ali več)
• Splošna raven: Zmanjša splošne vibracije, če so prisotne visoke frekvence

Časovna domena

• Zglajena valovna oblika (odstranjene visokofrekvenčne spremembe)
• Ostri robovi ali zaobljeni trni
• Prehodni odziv (zvonjenje filtra) lahko vpliva na obliko valovne oblike
• Fazno popačenje lahko vpliva na interpretacijo valovne oblike

Frekvenčna domena

• Spekter kaže zmanjšane amplitude nad mejo
• Visokofrekostni vrhovi zmanjšani ali odpravljeni
• Znižanje praga hrupa pri visokofrekvenčnem hrupu

Pogoste težave in rešitve

Neustrezno glajenje robov

• Simptom: Lažni nizkofrekvenčni vrhovi v spekter
• Vzrok: Visoke frekvence se zložijo nazaj pod Nyquist
• Rešitev: Uporabite strmejši filter, povečajte frekvenco vzorčenja, preverite delovanje filtra

Prenizka meja

• Simptom: Veljavni visokofrekvenčni signali so oslabljeni
• Primer: Zmanjšane frekvence ležajev zaradi preveč agresivnega LPF-ja
• Rešitev: Povečajte mejno frekvenco, uporabite nežnejši naklon filtra

Filtriraj artefakte

• Zvonjenje: Nihanja v časovni domeni zaradi ostre prekinitve filtra
• Fazno popačenje: Spremembe oblike valovne oblike zaradi faznih premikov
• Rešitev: Za kritične valovne oblike uporabite Besselov filter

Komplementarni filtri

Nizkopasovni v primerjavi z visokopasovnim

• Nizkoprepustni: Prepušča nizke frekvence, blokira visoke
• Visokoprepustna: Prepušča visoke frekvence, blokira nizke
• Dopolnjujoče: Uporabljata se skupaj za pasovno prepustno filtriranje

Pasovno prepustni filter

• Kombinacija: HPF + LPF
• Prepušča samo frekvence v določenem pasu
• Zavrne tako pod kot nad pasom
• Bistveno za analiza ovojnice

Nizkopasovni filtri so temeljne komponente v sistemih za merjenje vibracij, ki opravljajo bistvene funkcije, od zaščite pred aliasingom do zmanjševanja šuma in izbire frekvenčnega območja. Razumevanje delovanja nizkopasovnega filtra, pravilne izbire mejne frekvence in vplivov na izmerjene signale je ključnega pomena za natančno analizo vibracij in preprečevanje artefaktov meritev v sistemih za digitalno zajemanje podatkov.

---

← Nazaj na glavno kazalo