振動(dòng)信號采集過程中存在的誤差及解決方法

丁力

摘要：通常，通過數(shù)據(jù)采集器采樣獲得的振動(dòng)信號具有多個(gè)聲音，除了頻率50Hz和倍頻程之外，它們還包含不規(guī)則的隨機(jī)破壞性信號。帶寬頻率干擾和高頻使得產(chǎn)生的振動(dòng)曲線有許多毛刺。為了改善振動(dòng)曲線的振動(dòng)，平滑是最有效的方法之一。數(shù)字濾波器在離散系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的用途。它可以處理波形和頻率信號輸入，廣泛用于振動(dòng)信號的預(yù)處理。其信號預(yù)處理方法包括兩部分，即消除項(xiàng)多項(xiàng)式趨勢和平滑。前者消除項(xiàng)多項(xiàng)式流，信號偏離基線可以過濾以獲得更高精度的信號；后者是在信號中發(fā)出聲音，從而增強(qiáng)振動(dòng)曲線的振動(dòng)。

1.幾乎所有的物理現(xiàn)象都可看作是信號，但這里我們特指動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號。

振動(dòng)信號采集與-般性模擬信號采集雖有共同之處，但存在的差異更多，因此，在采集振動(dòng)信號時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）.振動(dòng)信號采集模式取決于機(jī)組當(dāng)時(shí)的工作狀態(tài)，如穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)等；

（2）.變轉(zhuǎn)速運(yùn)行設(shè)備的振動(dòng)信號采集在有條件時(shí)應(yīng)采取同步整周期采集；3.所有工作狀態(tài)下振動(dòng)信號采集均應(yīng)符合采樣定理。

2.對信號預(yù)處理具有特定要求是振動(dòng)信號本身的特性所致。信號預(yù)處理的功能在-定程度上說是影響后續(xù)信號分析的重要因素。預(yù)處理方法的選擇也要注意以下條件：

（1）.在涉及相位計(jì)算或顯示時(shí)盡量不采用抗混濾波；

（2）.在計(jì)算頻譜時(shí)采用低通抗混濾波；

（3）.在處理瞬態(tài)過程中1X矢量、2X矢量的快速處理時(shí)采用矢量濾波。

上述第3條是保證瞬態(tài)過程符合采樣定理的基本條件。當(dāng)獲取瞬態(tài)振動(dòng)信號時(shí)，單位速度的變化率高，并且當(dāng)獲取動(dòng)態(tài)信號（通常是幾個(gè)周期）時(shí)，可以通過后處理獲得1X和2X矢量數(shù)據(jù)。無法獲得高分辨率分析數(shù)據(jù)。由波德圖，極坐標(biāo)圖和三維頻譜圖表示的單位的瞬態(tài)特征是唯一的，如果這些圖的數(shù)據(jù)間距太大（分辨率太小），則無法表示小的變化。再次，您將得到大錯(cuò)誤的分析結(jié)論。它會(huì)影響故障診斷的準(zhǔn)確性。通常，三維譜圖需要少量數(shù)據(jù)集（Δrpm分辨率），這會(huì)過多地影響圖形的正確識別；但是，前兩個(gè)分析圖需要更高的分辨率。目前可接受的方法是為每組10個(gè)靜態(tài)數(shù)據(jù)采集收集一組動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，這可以成功解決不同地圖的數(shù)據(jù)分辨率要求的差異它可以。

影響振動(dòng)信號采集精度的因素包括采集方式、采樣頻率、量化精度三個(gè)因素，采樣方式不同，采集信號的精度不同，其中以同步整周期采集為最佳方式；采樣頻率受制于信號最高頻率；量化精度取決于AD轉(zhuǎn)換的位數(shù)一般采用12位，部分系統(tǒng)采用16位甚至24位。

動(dòng)信號的采樣過程，嚴(yán)格來說應(yīng)包含幾個(gè)方面：

一、信號適調(diào)

由于目前采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種數(shù)字化系統(tǒng)，所采用的AD芯片對信號輸入量程有嚴(yán)格限制，為了保證信號轉(zhuǎn)換具有較高的信噪比，信號進(jìn)入AD以前，均需進(jìn)行信號適調(diào)。適調(diào)包括大信號的衰減處理和弱信號的放大處理，或者對一些直流信號進(jìn)行偏置處理，使其滿足A/D輸入量程要求。

二、AD轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換包括采樣、量化和編碼三個(gè)組成部分。

采樣（抽樣），是利用采樣脈沖序列p（t）從模擬信號x（n△t）中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號x（n△t）？（n=0，1，2...的過程?！鱰稱為采樣間隔，其倒數(shù)稱1/Ot=fs之為采樣頻率。

采樣頻率的選擇必須符合采樣定理要求。

由于計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)位數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，采樣信號x（n△t）經(jīng)舍入的方法變?yōu)橹挥杏邢迋€(gè)有效數(shù)字的數(shù)，這個(gè)過程稱為量化。由于抽樣間隔K度是固定的（對當(dāng)前數(shù)據(jù)來說），當(dāng)采樣信號落入某一小間隔內(nèi)，經(jīng)舍入方法而變?yōu)橛邢拗禃r(shí)，則產(chǎn)生量化誤差。如8位二進(jìn)制為28=256，即量化增量為所測信號最大電壓幅值的1/256。

編碼是把采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能識別的數(shù)字格式。

三、采樣定理

采樣定理解決的問題是確定合理的采樣間隔△t以及合理的采樣長度T，保障采樣所得的數(shù)字信號能真實(shí)地代表原來的連續(xù)信號x（t）。衡量采樣速度高低的指標(biāo)稱為采樣頻率f%。一般來說，采樣頻率f越高，采樣點(diǎn)越密，所獲得的數(shù)字信號越逼近原信號。為了兼顧計(jì)算機(jī)存儲量和計(jì)算工作量，一般保證信號不丟失或歪曲原信號信息就可以滿足實(shí)際需要了。這個(gè)基本要求就是所謂的采樣定理，是由Shannon提出的，也稱為Shannon采樣定理。

Shannon采樣定理規(guī)定了帶限信號不丟失信息的最低采樣頻率為f≥2fm或@.≥2om式中fm為原信號中最高頻率成分的頻率。

V采集的數(shù)據(jù)量大小N為N=T/At

因此，當(dāng)采樣長度一定時(shí)，采樣頻率越高，采集的數(shù)據(jù)量就越大。

使用采樣頻率時(shí)有幾個(gè)問題需要注意。一，正確估計(jì)原信號中最高頻率成分的頻率，對于采用電渦流傳感器測振的系統(tǒng)來說，一般確定為最高分析頻率為12.5X，采樣模式為同步整周期采集，若選擇頻譜分辨率為400線，需采集1024點(diǎn)數(shù)據(jù)，若每周期采集32點(diǎn)，采樣長度為32周期。二，同樣的數(shù)據(jù)量可以通過改變每周期采樣點(diǎn)數(shù)提高基頻分辨率，這對于識別次同步振動(dòng)信號是必要的，但降低了最高分析頻率，如何確定視具體情況而定。

四、采樣定理解析

采樣定理實(shí)際上涉及了3個(gè)主要條件，當(dāng)確定其中2個(gè)條件后，第3個(gè)條件自動(dòng)形成。這3個(gè)條件是進(jìn)行正確數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，必須理解深刻。

五、算法在工程實(shí)例中的應(yīng)用

上述振動(dòng)加速度信號數(shù)據(jù)的處理方法在我所液壓實(shí)驗(yàn)臺振動(dòng)測試中取得了成功，在液壓實(shí)驗(yàn)臺的振動(dòng)軸上布置了傳感器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測得的振動(dòng)加速度信號經(jīng)過去直流、積分并去趨勢項(xiàng)后所得波形和原波形的對比圖如圖5、圖6所示，其中圖5為經(jīng)過一次積分后的速度信號，從圖5中可以看出積分所得的信號與實(shí)際信號吻合度比較好，圖6為經(jīng)過二次積分后的位移信號，由于經(jīng)過了2次積分誤差的積累，導(dǎo)致了誤差擴(kuò)大。

結(jié)束語

綜上所述，所用的加速度信號處理方法存在一定的誤差，數(shù)據(jù)處理的重點(diǎn)是在積分之前對干擾信號進(jìn)行去直流、消噪、濾波和去除趨勢項(xiàng)的處理。最后使得參數(shù)達(dá)到最佳的信號效果，通過實(shí)驗(yàn)證明是比較實(shí)用的處理方法。

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