Розуміння аліасингу в аналізі вібрацій

Визначення: Що таке алиасинг?

Псевдонім – це критична помилка обробки сигналу, яка може виникнути під час цифрового аналізу даних вібрації. Це трапляється, коли сигнал дискретизується з частотою, яка є занадто низькою для точного захоплення його найвищих частотних компонентів. В результаті ці високі частоти «згинаються» або «імітують» нижчі частоти в результуючому спектрі FFT, створюючи хибні частотні піки, які можуть призвести до серйозної неправильної діагностики стану машини.

Теорема Найквіста та частота дискретизації

Щоб зрозуміти псевдонімність, потрібно спочатку зрозуміти Теорема Найквіста (також відома як теорема Найквіста-Шеннона про дискретизацію). Цей фундаментальний принцип цифрової обробки сигналів стверджує:

Для точного представлення аналогового сигналу в цифровій формі частота дискретизації (Fs) повинна бути щонайменше вдвічі більшою за найвищу частотну складову (Fmax), присутню в сигналі.

Ця мінімальна частота дискретизації (2 * Fmax) називається Коефіцієнт Найквіста. У вібраційному аналізі найвища частота, що нас цікавить, яку можна точно виміряти, дорівнює половині частоти дискретизації (Fmax = Fs / 2). Цю Fmax часто називають частотою Найквіста.

Як відбувається алиасинг?

Уявіть собі високочастотний вібраційний сигнал, який вимірюється цифровим аналізатором. Аналізатор знімає дискретні вибірки (моментальні знімки) сигналу з фіксованою частотою (частотою дискретизації).

• Якщо частота дискретизації достатньо висока (значно вища за частоту Найквіста), аналізатор фіксує достатню кількість точок для точної реконструкції форми сигналу.
• Однак, якщо частота дискретизації занадто низька, аналізатор «пропускає» те, що відбувається між вибірками. Кілька точок, які він фіксує, можна з’єднати, утворюючи зовсім іншу синусоїду нижчої частоти. Ця нова, хибно низька частота є «псевдонімом».

Наприклад, якщо сигнал містить компоненту 900 Гц, але Fmax аналізатора встановлено на 500 Гц (тобто частоту дискретизації 1000 Гц), компоненту 900 Гц неможливо виміряти правильно. Вона буде «псевдонімом» і відображатиметься як пік на нижчій частоті (зокрема, на Fs – 900 Гц = 1000 – 900 = 100 Гц), що може бути помилково прийнято за вібрацію швидкості руху 1X.

Запобігання згладжуванню: фільтр згладжування

Неможливо заздалегідь знати весь високочастотний склад (наприклад, від ультразвукового шуму, ударів або радіочастотних перешкод), який може бути присутнім у сигналі. Тому покладатися на просте встановлення достатньо високої частоти дискретизації не є практичним рішенням.

Рішення, яке використовується в усіх сучасних цифрових аналізаторах вібрації, це фільтр згладжуванняЦе крутий фільтр низьких частот, який розміщується в сигнальному тракті *перед* аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Ось як він працює:

1. Користувач встановлює бажану максимальну частоту (Fmax) для свого аналізу.
2. На основі цього Fmax аналізатор автоматично встановлює частоту зрізу фільтра згладжування трохи вище Fmax.
3. Аналоговий сигнал від датчика проходить через цей фільтр, який видаляє або сильно послаблює всі частоти вище точки зрізу.
4. Тільки відфільтрований, «чистий» сигнал потім надсилається на АЦП для вибірки.

Видаляючи високі частоти, які не може обробити обрана частота дискретизації, фільтр згладжування фізично унеможливлює його виникнення. Це один з найважливіших компонентів цифрового аналізатора сигналів, який гарантує, що результуючий спектр FFT є правдивим і точним відображенням вібрації машини в межах вибраного діапазону частот.

← Назад до головного індексу