Hiểu về hiện tượng răng cưa trong phân tích rung động

Định nghĩa: Bí danh là gì?

Bí danh là một lỗi xử lý tín hiệu quan trọng có thể xảy ra trong quá trình phân tích kỹ thuật số dữ liệu rung động. Lỗi này xảy ra khi tín hiệu được lấy mẫu ở tốc độ quá thấp để nắm bắt chính xác các thành phần tần số cao nhất của nó. Kết quả là, các tần số cao này "gấp lại" hoặc "giả mạo" các tần số thấp hơn trong phổ FFT thu được, tạo ra các đỉnh tần số giả, có thể dẫn đến chẩn đoán sai nghiêm trọng về tình trạng của máy.

Định lý Nyquist và Tốc độ lấy mẫu

Để hiểu về răng cưa, trước tiên người ta phải hiểu Định lý Nyquist (còn được gọi là định lý lấy mẫu Nyquist-Shannon). Nguyên lý cơ bản này của xử lý tín hiệu số được phát biểu như sau:

Để biểu diễn chính xác tín hiệu tương tự ở dạng kỹ thuật số, tần số lấy mẫu (Fs) phải gấp ít nhất hai lần thành phần tần số cao nhất (Fmax) có trong tín hiệu.

Tỷ lệ lấy mẫu tối thiểu này (2 * Fmax) được gọi là Tỷ lệ NyquistTrong phân tích rung động, tần số quan tâm cao nhất có thể đo chính xác bằng một nửa tốc độ lấy mẫu (Fmax = Fs / 2). Fmax này thường được gọi là tần số Nyquist.

Hiện tượng răng cưa xảy ra như thế nào?

Hãy tưởng tượng một tín hiệu rung động tần số cao được đo bằng một máy phân tích kỹ thuật số. Máy phân tích lấy các mẫu rời rạc (ảnh chụp nhanh) của tín hiệu ở một tốc độ cố định (tần số lấy mẫu).

• Nếu tốc độ lấy mẫu đủ cao (cao hơn nhiều so với tốc độ Nyquist), máy phân tích sẽ thu được đủ số điểm để tái tạo chính xác dạng sóng.
• Tuy nhiên, nếu tốc độ lấy mẫu quá thấp, máy phân tích sẽ "bỏ lỡ" những gì xảy ra giữa các mẫu. Một vài điểm mà nó thu được có thể được kết nối để tạo thành một sóng sin hoàn toàn khác, có tần số thấp hơn. Tần số thấp giả mới này chính là "bí danh".

Ví dụ, nếu tín hiệu chứa thành phần 900 Hz nhưng Fmax của máy phân tích được đặt thành 500 Hz (tức là tốc độ lấy mẫu là 1000 Hz), thành phần 900 Hz sẽ không thể được đo chính xác. Nó sẽ bị "biến dạng" và xuất hiện dưới dạng đỉnh ở tần số thấp hơn (cụ thể là tại Fs – 900 Hz = 1000 – 900 = 100 Hz), có khả năng bị nhầm lẫn với rung động tốc độ chạy 1X.

Ngăn chặn hiện tượng răng cưa: Bộ lọc khử răng cưa

Không thể biết trước tất cả nội dung tần số cao (ví dụ: từ nhiễu siêu âm, va chạm hoặc nhiễu tần số vô tuyến) có thể có trong tín hiệu. Do đó, việc chỉ dựa vào việc thiết lập tốc độ lấy mẫu đủ cao không phải là một giải pháp thực tế.

Giải pháp được sử dụng trong tất cả các máy phân tích rung động kỹ thuật số hiện đại là bộ lọc chống răng cưaĐây là một bộ lọc thông thấp dốc được đặt trên đường dẫn tín hiệu *trước* bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC). Nguyên lý hoạt động của nó như sau:

1. Người dùng đặt tần số tối đa mong muốn (Fmax) cho phân tích của mình.
2. Dựa trên Fmax này, bộ phân tích sẽ tự động đặt tần số cắt của bộ lọc khử răng cưa cao hơn một chút so với Fmax.
3. Tín hiệu tương tự từ cảm biến đi qua bộ lọc này, bộ lọc này sẽ loại bỏ hoặc làm suy yếu mạnh mẽ tất cả các tần số trên điểm cắt.
4. Chỉ có tín hiệu “sạch” đã được lọc mới được gửi đến ADC để lấy mẫu.

Bằng cách loại bỏ các tần số cao mà tốc độ lấy mẫu đã chọn không thể xử lý, bộ lọc khử răng cưa giúp hiện tượng răng cưa không thể xảy ra về mặt vật lý. Đây là một trong những thành phần quan trọng nhất của máy phân tích tín hiệu số, đảm bảo phổ FFT thu được là biểu diễn chân thực và chính xác độ rung của máy trong dải tần số đã chọn.

← Quay lại Mục lục chính