什么是低通滤波器？抗混叠和滤波 • 便携式平衡仪、振动分析仪"Balanset"，用于对破碎机、风机、粉碎机、联合收割机螺旋输送机、轴、离心机、涡轮机以及许多其他转子进行动态平衡 什么是低通滤波器？抗混叠和滤波 • 便携式平衡仪、振动分析仪"Balanset"，用于对破碎机、风机、粉碎机、联合收割机螺旋输送机、轴、离心机、涡轮机以及许多其他转子进行动态平衡

什么是低通滤波器？抗锯齿和平滑

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了解低通滤波器

定义：什么是低通滤波器？

低通滤波器 低通滤波器（LPF）是一种频率选择性信号处理元件，它允许 振动 允许低于指定截止频率的分量通过，同时衰减（降低或阻挡）高于截止频率的分量。 振动分析, 低通滤波器具有抗混叠（防止数字系统中出现错误频率）、降噪和隔离低频振动分量以进行重点分析等关键功能。.

低通滤波器可能是振动仪器中最常用的滤波器，每个数字化系统都以抗混叠滤波器的形式存在，并可用作分析工具，用于平滑数据、去除高频噪声和关注低频现象。.

滤波器特性

截止频率 (fc)

  • 定义： 滤波器响应降至 -3 dB (70.7% 幅度) 时的频率
  • 以下 fc（通带）： 频率以最小的衰减通过
  • 高于 fc（阻带）： 频率逐渐衰减
  • 过渡带： 中心频率附近衰减增加的区域

过滤顺序和滚装

  • 第一阶段： 6 dB/倍频程（20 dB/十倍频程）——逐渐衰减
  • 第二阶： 12 分贝/倍频程（40 分贝/十倍频程）——中等
  • 第四阶： 24 分贝/倍频程（80 分贝/十倍频程）——陡峭
  • 第八阶： 48 分贝/倍频程（160 分贝/十倍频程）——非常陡峭
  • 更高阶： 更锐利的过渡，更好的阻带抑制

筛选响应类型

  • 巴特沃斯： 最大程度平坦的通带，无纹波
  • 切比雪夫： 更陡峭的截止频率，允许通带纹波
  • 贝塞尔： 线性相位（波形失真最小）
  • 椭圆： 最剧烈的转变，两个频段均出现涟漪

主要应用

1. 抗锯齿（最关键）

防止数字系统中出现虚假频率：

  • 目的： 高于奈奎斯特频率（半采样率）的块频率
  • 要求： 在模数转换之前
  • 典型截止值： 0.4-0.8 × (采样率 / 2)
  • 陡峭程度： 通常需要 8 阶或更高阶的滤波器才能获得良好的抗混叠效果
  • 批判的： 抗锯齿不足会产生虚假的光谱峰。

2. 降噪

  • 消除高频电噪声
  • 滤除传感器电缆噪声
  • 平滑数据以呈现趋势
  • 提高低频元件的信噪比

3. 频率范围限制

  • 重点分析感兴趣的频率范围。
  • 例如：低速机械的 0-100 Hz 分析
  • 去除无关的高频内容
  • 减少数据处理和存储需求

4. 整合准备

  • 在将加速度积分到速度之前
  • 去除极高频成分（会被放大的噪声）
  • 典型截止频率：1000-5000 Hz，具体取决于应用
  • 防止积分过程中噪声放大

选择截止频率

抗锯齿应用程序

  • 规则： fc = 0.4 × 采样率（保守）至 0.8 × 采样率（激进）
  • 例子： 10 kHz 采样率 → fc = 4000 Hz
  • 标准： 奈奎斯特频率处的阻带衰减 > 60 dB

分析应用

  • 将 fc 设置为略高于最高感兴趣频率的位置。
  • 低频分析（0-200 Hz）：fc = 200-300 Hz
  • 仅针对不平衡情况 (1×)：fc = 5-10× 跑步速度
  • 为滤波器过渡带留出余量

降低噪音

  • 从频谱中识别噪声频率范围
  • 设置 fc 为允许信号频率通过，抑制噪声频率
  • 在噪声去除和信号保留之间取得平衡

对测量结果的影响

幅度域

  • 通带： 最小振幅变化（通常小于 0.5 dB）
  • 阻带： 强衰减（40-80 dB 或更高）
  • 总体水平： 如果存在高频振动，则可降低整体振动。

时间域

  • 波形平滑处理（去除高频变化）
  • 尖锐的边缘或尖刺变圆
  • 瞬态响应（滤波器振铃）会影响波形形状
  • 相位畸变会影响波形解读

频域

  • 频谱显示截止频率以上振幅降低
  • 高频峰值减弱或消失
  • 如果噪声频率较高，则噪声基底会降低。

常见问题和解决方案

抗锯齿效果不佳

  • 症状： 虚假的低频峰值 光谱
  • 原因： 高频频率回落到奈奎斯特频率以下
  • 解决方案 使用更陡峭的滤波器，提高采样率，验证滤波器功能。

截止频率过低

  • 症状： 有效的高频信号被衰减
  • 例子： 过强的低通滤波器会降低轴承频率。
  • 解决方案 提高截止频率，使用更平缓的滤波器斜率

滤镜伪影

  • 铃声： 时域中由陡峭滤波器截止频率引起的振荡
  • 相位失真： 相位偏移引起的波形变化
  • 解决方案 在关键波形应用中使用贝塞尔滤波器

互补滤波器

低通滤波与高通滤波

  • 低通： 通过低频信号，阻挡高频信号
  • 高通滤波器： 通过高频信号，阻挡低频信号
  • 补充： 共同用于带通滤波

带通滤波器

  • 组合：高通滤波器 + 低通滤波器
  • 仅允许指定频段内的频率通过
  • 拒绝低于和高于该频段的报价
  • 必不可少 包络分析

低通滤波器是振动测量系统中的基本组件，发挥着从抗混叠保护到降噪和频率范围选择等重要功能。了解低通滤波器的工作原理、正确的截止频率选择及其对测量信号的影响，对于精确的振动分析和避免数字数据采集系统中的测量误差至关重要。.

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