Förstå aliasing i vibrationsanalys

Definition: Vad är aliasing?

Aliasing är ett kritiskt signalbehandlingsfel som kan uppstå under digital analys av vibrationsdata. Det inträffar när en signal samplas med en hastighet som är för låg för att korrekt fånga dess högsta frekvenskomponenter. Som ett resultat "viker" eller "imiterar" dessa höga frekvenser lägre frekvenser i det resulterande FFT-spektrumet, vilket skapar falska frekvenstoppar som kan leda till en allvarlig feldiagnos av maskinens tillstånd.

Nyquist-teoremet och samplingsfrekvensen

För att förstå aliasing måste man först förstå Nyquists sats (även känd som Nyquist-Shannons samplingsteorem). Denna grundläggande princip för digital signalbehandling lyder:

För att korrekt representera en analog signal i digital form måste samplingsfrekvensen (Fs) vara minst dubbelt så hög som den högsta frekvenskomponenten (Fmax) som finns i signalen.

Denna minsta samplingsfrekvens (2 * Fmax) kallas Nyquist-taktenVid vibrationsanalys är den högsta frekvensen av intresse som kan mätas noggrant därför halva samplingsfrekvensen (Fmax = Fs / 2). Denna Fmax kallas ofta Nyquist-frekvensen.

Hur uppstår aliasing?

Föreställ dig en högfrekvent vibrationssignal som mäts av en digital analysator. Analysatorn tar diskreta samplingar (ögonblicksbilder) av signalen med en fast hastighet (samplingsfrekvensen).

• Om samplingsfrekvensen är tillräckligt hög (långt över Nyquist-frekvensen) fångar analysatorn ett tillräckligt antal punkter för att korrekt rekonstruera vågformen.
• Men om samplingsfrekvensen är för låg, "missar" analysatorn vad som händer mellan samplingarna. De få punkter som den fångar upp kan kopplas samman för att bilda en helt annan sinusvåg med lägre frekvens. Denna nya, falska låga frekvens kallas "aliaset".

Om till exempel en signal innehåller en 900 Hz-komponent men analysatorns Fmax är inställd på 500 Hz (vilket betyder en samplingsfrekvens på 1000 Hz), kan 900 Hz-komponenten inte mätas korrekt. Den kommer att "aliasas" och visas som en topp vid en lägre frekvens (specifikt vid Fs – 900 Hz = 1000 – 900 = 100 Hz), vilket potentiellt kan misstas för en 1X vibration vid körhastighet.

Förhindra aliasing: Antialiasing-filtret

Det är omöjligt att i förväg veta allt högfrekvent innehåll (t.ex. från ultraljudsbrus, stötar eller radiofrekvensstörningar) som kan finnas i en signal. Därför är det inte en praktisk lösning att förlita sig på att helt enkelt ställa in samplingsfrekvensen tillräckligt högt.

Lösningen som används i alla moderna digitala vibrationsanalysatorer är antialiasing-filterDetta är ett brant lågpassfilter som placeras i signalvägen *före* analog-till-digital-omvandlaren (ADC). Så här fungerar det:

1. Användaren ställer in önskad maximalfrekvens (Fmax) för sin analys.
2. Baserat på denna Fmax ställer analysatorn automatiskt in antialiasingfiltrets gränsfrekvens något över Fmax.
3. Den analoga signalen från sensorn passerar genom detta filter, vilket tar bort eller kraftigt dämpar alla frekvenser över gränspunkten.
4. Endast den filtrerade, "rena" signalen skickas sedan till ADC:n för sampling.

Genom att ta bort de höga frekvenser som den valda samplingsfrekvensen inte kan hantera, gör antialiasingfiltret det fysiskt omöjligt för aliasing att inträffa. Det är en av de viktigaste komponenterna i en digital signalanalysator, vilket säkerställer att det resulterande FFT-spektrumet är en sann och korrekt representation av maskinens vibrationer inom det valda frekvensområdet.

← Tillbaka till huvudmenyn