了解动态范围
定义：什么是动态范围？
动态范围 是测量系统能够精确处理的最大信号与最小信号之比，通常以分贝 (dB) 表示。 振动 测量系统中，动态范围定义了从噪声基底（最小可检测信号）到饱和点（削波或失真前的最大信号）的范围。宽动态范围使得使用同一仪器配置即可测量极小的振动（早期轴承缺陷）和极大的振动（严重不平衡）。.
动态范围至关重要，因为实际机械振动包含振幅范围极广的成分——从微g级的轴承缺陷冲击到多g级的不平衡力。足够的动态范围可确保所有诊断信息都能被捕获，而不会被噪声淹没或导致测量系统饱和。.
数学表达式
公式
- 动态范围 (dB) = 20 × log₁₀(最大信号 / 最小信号)
- 例如：最大电压 10V，最小电压 1mV → 动态范围 = 20 × log(10/0.001) = 80 dB
- 分贝刻度可以紧凑地容纳巨大的比率
线性比率
- 动态范围也可以用简单的比率来表示。
- 80 分贝 = 10,000:1 比率
- 100 分贝 = 100,000:1 比率
- 120 分贝 = 1,000,000:1 比率
影响动态范围的因素
上限：饱和度
- 传感器饱和度： 传感器输出削波前的最大振动
- A/D转换器饱和度： 数字化仪削波前的最大电压（典型值为±5V、±10V）
- 放大器饱和度： 信号调理阶段可以剪辑
- 影响： 信号峰值过高，波形失真，频谱显示虚假谐波
下限：噪声基底
- 传感器噪声： 传感器电子器件中固有的电噪声
- 电缆噪声： 电缆中的电磁干扰
- 乐器噪音： 分析仪中的电子噪声
- 量化噪声： 来自模数转换器分辨率
- 影响： 低于噪声基底的信号与噪声无法区分。
典型动态范围
传感器
- IEPE加速度计： 典型值 80-100 分贝
- 充电模式加速度计： 100-120 分贝
- 速度传感器： 60-80 分贝
- 接近探头： 60-80 分贝
分析器和数据采集
- 16 位 A/D： 理论值约 96 分贝，实际值 80-90 分贝
- 24 位 A/D： 理论值约 144 分贝，实际值 110-120 分贝
- 现代分析仪： 90-110 dB 典型系统动态范围
在振动分析中的重要性
同时出现的小信号和大信号
- 频谱可能存在较大的 1× 峰值（不平衡）和较小的轴承故障峰值。
- 比率可以达到 1000:1 或更高（60 分贝）
- 足够的动态范围确保了可见光和可见光的平衡。
- 范围不足：小峰值被噪声淹没或大峰值饱和
包络分析
- 需要检测在存在高能低频振动的情况下发生的低能轴承冲击。
- 宽动态范围对于早期轴承缺陷检测至关重要。
- 带通滤波有所帮助，但动态范围仍然很重要。
频谱分析
- 想同时看到主峰和小的诊断峰
- 对数振幅标度有助于可视化大范围
- 动态范围决定了光谱中可见的范围。
优化动态范围
增益设置
- 调整输入增益以使用完整的模数转换器范围
- 增益过低：分辨率差（噪声限制）
- 增益过高：削波（饱和极限）
- 最佳：信号峰值位于满量程的 70-80% 处
传感器选择
- 选择 敏感度 与预期振动相符
- 对低振动具有高灵敏度
- 对高振动灵敏度低
- 如果振动范围非常大，则需要做出妥协。
过滤
- 高通滤波器会滤除主要的低频成分。
- 允许对剩余信号使用更高的增益
- 有效提高高频分析的动态范围
- 包络分析中使用的策略
实际问题
饱和度（削波）
- 症状： 波形平顶，频谱中存在虚假谐波
- 原因： 信号超出系统范围
- 解决方案 降低增益，使用低灵敏度传感器，滤除大尺寸元件
- 预防： 检查仪器上的削波指示器。
噪声限制
- 症状： 无法检测到微小的振动变化，噪音较大。 光谱
- 原因： 信号强度过于接近噪声基底
- 解决方案 提高增益，使用更高灵敏度的传感器，改善电缆/接地。
显示和缩放
线性比例
- 有效显示范围有限（约 40-50 分贝）
- 如果存在大峰，则小峰不可见。
- 适用于动态范围有限的情况
对数刻度（dB）
- 可以在单个图表上显示完整的动态范围
- 大小山峰均可见。
- 适用于需要宽动态范围的分析的标准
- 对详细诊断至关重要
动态范围是一项基本指标，它定义了测量系统处理宽幅值信号的能力。了解动态范围，通过适当的增益设置和传感器选择对其进行优化，并认识到其局限性，有助于在全面、可靠的振动测量中捕获所有诊断信息——从细微的早期故障特征到主要的机械振动。.
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