數(shù)字帶通濾波器的振動傳感器靈敏度校驗系統(tǒng)設計及應用

趙云朋

（河鋼股份有限公司承德分公司 河北省釩鈦工程技術(shù)研究中心，河北承德067002）

0 引 言

冶金行業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)由于工藝流程復雜，設備具有種類和結(jié)構(gòu)復雜等特點，點、巡檢是日常設備維護的主要工作方式。振動指標可以直接反映設備的健康狀態(tài)，因此在監(jiān)測中應用廣泛。實際應用過程中需要針對不同的設備選用不同性能參數(shù)的傳感器。因此，在使用過程中會存在因為靈敏度設置錯誤導致振動信息顯示出現(xiàn)偏差，影響維護人員的判斷，在檢測前通過手持式靈敏度校準儀對傳感器的進行校驗。由于冶金設備惡劣的工作環(huán)境，環(huán)境振動會干擾校驗效果。此外，通常在臨時停機階段對傳感器進行檢查，采用便攜式的振動校準裝置對傳感器的靈敏度進行巡檢，避免設備維修完成復位測點過程出現(xiàn)順序錯誤；此外，對于常駐測點，設備檢修完成后需要回復此前拆卸的測點，這一過程容易造成測點的順序錯誤，導致測點接入監(jiān)測系統(tǒng)時因不對應的配置參數(shù)信息而引起設備故障的誤報警或漏報警等情況，影響設備運行的安全和可靠性。在現(xiàn)場進行傳感器檢查過程中，傳感器不僅會感應校準源的振動，還會因外部環(huán)境存在振動干擾，影響傳感器的檢測結(jié)果判斷。針對這一問題，在振動信號采集環(huán)節(jié)，設計數(shù)字帶通濾波器，將濾波器的中心頻率設置為校準源的振動頻率（即159.2 Hz），-3 dB 帶寬為±10 Hz。由此濾除中心頻率以外的干擾成分，提高現(xiàn)場環(huán)境中傳感器的校驗準確性。

1 數(shù)字濾波器設計及仿真分析

IIR 型數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)具有封閉性特點，并且設計過程的工作量小。在工程應用中可以實現(xiàn)高效濾波，降低信號處理過程中對處理器的要求，有利于提高信號的實時性。通常IIR 濾波器設計的過程如下：首先根據(jù)濾波器參數(shù)要求設計對應的模擬濾波器，如巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器等，然后通過脈沖響應不變法、雙線性映射等方法將模擬濾波器變換為數(shù)字濾波器，從而確定濾波器的參數(shù)。

1.1 數(shù)字帶通濾波器設計

對于一個線性時不變的因果模擬系統(tǒng)，其輸入輸出的關(guān)系為

從系統(tǒng)特性的角度而言，帶通濾波器的設計實際上是獲得所需的頻響特性的系統(tǒng)函數(shù)，同理對于數(shù)字濾波器同樣適用。時域內(nèi)計算系統(tǒng)函數(shù)較為復雜，對式（2）進行z變換，記X(z)、Y(z)、H(z)分別為輸入、輸出及系統(tǒng)函數(shù)的z變換。然后計算輸入與輸出的比，再對比值進行拉式逆變換即可得到系統(tǒng)函數(shù)。通過沖激響應法設計帶通濾波器，IIR濾波器系統(tǒng)函數(shù)的一般形式為

圖1 濾波器特性

1.2 數(shù)字帶通濾波器仿真

根據(jù)IIR濾波器的差分方程，仿真切比雪夫I型濾波器的特性曲線以及濾波效果，設計濾波器的階數(shù)為4，中心頻率為

159.2 Hz，-3 dB帶寬為±10 Hz。濾波器的特性曲線及零極點分布如圖1所示，其中為了說明本文選用的濾波器的優(yōu)點，對比了巴特沃斯7階濾波器的特性曲線?？梢钥闯?，切比雪夫I型濾波器在-3 dB處的通帶頻率優(yōu)于巴特沃斯濾波器。

仿真混有3種頻率分量的信號，仿真信號的采樣率為1000 Hz，其表達式為

仿真結(jié)果如圖2 所示，對該仿真信號進行濾波，結(jié)果如圖3 所示，濾波后信號中僅含有159.2 Hz 頻率分量，滿足預期的設計要求。實際應用過程，剛啟動采集和濾波處理時，輸出的濾波信號中存在端點效應，從圖中可以看出信號中包含約0.15 s 時長的非等幅信號，隨著響應信號進行穩(wěn)態(tài)階段，信號即保持等幅輸出。

2 測量系統(tǒng)的設計與開發(fā)

測量系統(tǒng)由手持式振動靈敏度校準儀、高精度數(shù)采模塊、工業(yè)平板電腦等3 部分組成，如圖4 所示。整套系統(tǒng)的設計和選型均考慮了冶金設備的惡劣運行環(huán)境。其中，采集模塊的工作溫寬為-40～70 ℃，工業(yè)平板電腦具有IP67 的防護等級和-20～60 ℃工作溫寬，同時支持衛(wèi)星授時。上述設備的參數(shù)基本可以滿足廠內(nèi)各種工況環(huán)境的要求。

圖2 仿真信號及頻譜

圖3 濾波信號及頻譜

圖4 傳感器校驗系統(tǒng)測量鏈

測量系統(tǒng)由LabVIEW 平臺開發(fā)完成，如圖5 所示，將待檢測的傳感器安裝在校準儀的振動臺上，輸出信號通過BNC 接頭連接至數(shù)采模塊的輸入通道上，經(jīng)過數(shù)采模塊的A/D 轉(zhuǎn)化后，接入振動校準分析程序，該程序安裝在工業(yè)級平板電腦中，由此組成完成的測量鏈。程序開發(fā)首先對采集模塊進行識別，再根據(jù)通道配置信息將采集到的數(shù)字信號進行量綱轉(zhuǎn)換；然后，將第2 節(jié)中的數(shù)字濾波器嵌入測量系統(tǒng)中，測量過程首先對測量信號進行濾波，濾除振動傳感器輸出信號中的干擾成分；最后，對濾波后的信號進行實時頻譜分析，評估傳感器的靈敏度。由此可以在現(xiàn)場環(huán)境中存在振動的情況下，最大限度降低外界的干擾，提高傳感器的靈敏度校準的準確性。此外，軟件提供數(shù)據(jù)讀取與保存功能、可視化區(qū)操作等輔助功能，提升系統(tǒng)的易用性和功能的完備性。

圖5 軟件界面

3 工程應用

表1 主要硬件組成

靈敏度校驗系統(tǒng)的主要硬件參數(shù)和傳感器的參數(shù)如表1 所示。對廠內(nèi)不同設備的4 種規(guī)格的IEPE (ICP 或CCLD) 振動傳感器進行靈敏度校驗，實際應用如圖6 所示，其中，傳感器1 為煉鐵高爐6 MW 引風機的軸承測點；傳感器2 為熱軋板材初軋機主傳動齒輪箱輸入軸測點；傳感器3 為TRT 余熱發(fā)電給水泵輸出振動測點；傳感器4 為熱軋棒材定尺飛剪主傳動輸入軸測點。上述各工況，為冶金設備的典型生產(chǎn)環(huán)境，外部振動特征會受到附近生產(chǎn)設備的影響，如傳感器1 的檢測環(huán)境存在臺架的振動影響；傳感器2 和4 的檢測環(huán)境存在沖擊振動分量。

檢測前需要設定傳感器的理論靈敏度，設置采樣率為8192 Hz，設置完成即可啟動數(shù)采模塊。各傳感器的監(jiān)測結(jié)果如圖7 所示，經(jīng)過實際檢查發(fā)現(xiàn)傳感器2 在159.2 Hz 頻率處的輸出信號約為0.2g 與校準源的振幅不一致，初步判定該傳感器的靈敏度存在設置問題，經(jīng)核查在更換傳感器過程中，型號對應導致靈敏度輸入錯誤。使用該裝置對傳感器進行檢查，避免了因測量過程造成重要設備故障的誤報或漏報。

4 結(jié) 語

通過前置數(shù)字帶通濾波器對振動傳感器進行靈敏度的現(xiàn)場校驗，可以避免將外部環(huán)境的振動引入到測量系統(tǒng)中，提高振動傳感器靈敏度的校驗精度。

圖6 振動傳感器校準裝置

圖7 采集4 種傳感器的校驗信號

設計了切比雪夫I 型IIR 數(shù)字帶通濾波器，開發(fā)出具有前置濾波器的便攜式振動傳感器靈敏度校驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用過程，操作簡單易用、運行穩(wěn)定，硬件性能滿足冶金設備高污染、高振動環(huán)境的需要。