理解振动分析中的混叠现象

定义：什么是混叠？

混叠 是振动数据数字分析过程中可能出现的严重信号处理错误。当信号的采样率过低，无法准确捕捉其最高频率成分时，就会发生这种情况。结果，这些高频信号会在最终的FFT频谱中“折叠”或“冒充”低频信号，产生虚假的频率峰值，从而导致对机器状况的严重误诊。

奈奎斯特定理和采样率

要理解混叠，首先必须理解 奈奎斯特定理 （也称为奈奎斯特-香农采样定理）。数字信号处理的基本原理如下：

为了以数字形式准确表示模拟信号，采样频率 (Fs) 必须至少是信号中最高频率成分 (Fmax) 的两倍。

这个最小采样率（2 * Fmax）被称为 奈奎斯特速率因此，在振动分析中，能够精确测量的最高频率是采样率的一半（Fmax = Fs / 2）。该Fmax通常被称为奈奎斯特频率。

混叠是如何发生的？

想象一下，一个高频振动信号正在被数字分析仪测量。分析仪以固定的速率（采样频率）对信号进行离散采样（快照）。

• 如果采样率足够高（远高于奈奎斯特率），分析仪就会捕获足够数量的点来准确重建波形。
• 然而，如果采样率过低，分析仪就会“错过”样本之间的变化。它捕获的几个点可能会连接起来形成一个完全不同的低频正弦波。这个新的、虚假的低频就是“混叠”。

例如，如果一个信号包含 900 Hz 的成分，但分析仪的最大频率 (Fmax) 设置为 500 Hz（即采样率为 1000 Hz），则无法正确测量 900 Hz 的成分。它会“混叠”，并在较低频率（具体为 Fs - 900 Hz = 1000 - 900 = 100 Hz）处显示为峰值，可能被误认为是 1 倍速运行振动。

防止混叠：抗混叠滤波器

我们不可能预先知道信号中可能存在的所有高频成分（例如超声波噪声、冲击或射频干扰）。因此，仅仅依靠将采样率设置得足够高并不是一个切实可行的解决方案。

所有现代数字振动分析仪使用的解决方案是 抗混叠滤波器这是一个陡峭的低通滤波器，位于模数转换器 (ADC) 之前的信号路径中。其工作原理如下：

1. 用户设置其分析所需的最大频率（Fmax）。
2. 根据此 Fmax，分析仪自动将抗混叠滤波器的截止频率设置为略高于 Fmax。
3. 来自传感器的模拟信号通过该滤波器，该滤波器消除或强烈衰减截止点以上的所有频率。
4. 只有经过过滤的“干净”信号才会被发送到 ADC 进行采样。

通过滤除所选采样率无法处理的高频信号，抗混叠滤波器从物理上杜绝了混叠现象的发生。它是数字信号分析仪最关键的组件之一，确保生成的FFT频谱能够真实准确地反映所选频率范围内的机器振动。

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