采集振動信號時應(yīng)注意哪幾點？

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

振動信號采集與一般性模擬信號采集雖有共同之處，但存在的差異更多，因此，在采集振動信號時應(yīng)注意以下幾點：

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

2、變轉(zhuǎn)速運行設(shè)備的振動信號采集在有條件時應(yīng)采取同步整周期采集；

3、所有工作狀態(tài)下振動信號采集均應(yīng)符合采樣定理。對信號預(yù)處理具有特定要求是振動信號本身的特性所致。信號預(yù)處理的功能在一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、在涉及相位計算或顯示時盡量不采用抗混濾波；

2、在計算頻譜時采用低通抗混濾波；

3、在處理瞬態(tài)過程中1X矢量、2X矢量的快速處理時采用矢量濾波。

上述第3條是保障瞬態(tài)過程符合采樣定理的基本條件。在瞬態(tài)振動信號采集時，機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率較高，若依靠采集動態(tài)信號（一般需要若干周期）通過后處理獲得1X和2X矢量數(shù)據(jù)，除了效率低下以外，計算機(jī)（服務(wù)器）資源利用率也不高，且無法做到高分辨分析數(shù)據(jù)。機(jī)組瞬態(tài)特征（以波德圖、極坐標(biāo)圖和三維頻譜圖等型式表示）是固有的，當(dāng)組成這些圖譜的數(shù)據(jù)間隔過大（分辨率過低）時，除許多微小的變化無法表達(dá)出來，也會得出誤差很大的分析結(jié)論，影響故障診斷的準(zhǔn)確度。一般來說，三維頻譜圖要求數(shù)據(jù)的組數(shù)（△rpm分辨率）較少，太多了反而影響對圖形的正確識別；但對前面兩種分析圖譜，則要求較高的分辨率。

目前公認(rèn)的方式是每采集10組靜態(tài)數(shù)據(jù)采集1組動態(tài)數(shù)據(jù)，可很好地解決不同圖譜對數(shù)據(jù)分辨率的要求差異。影響振動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A/D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。振動信號的采樣過程，嚴(yán)格來說應(yīng)包含幾個方面：

1、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A/D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A/D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。2、A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換包括采樣、量化和編碼三個組成部分。采樣（抽樣），是利用采樣脈沖序列p(t)從模擬信號x(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/△t＝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€有效數(shù)字的數(shù)，這個過程稱為量化。由于抽樣間隔長度是固定的（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，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)橛嬎銠C(jī)能識別的數(shù)字格式。一、采樣定理1、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fs。一般來說，采樣頻率fs越高，采樣點越密，所獲得的數(shù)字信號越逼近原信號。為了兼顧計算機(jī)存儲量和計算工作量，一般保證信號不丟失或歪曲原信號信息就可以滿足實際需要了。這個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

使用采樣頻率時有幾個問題需要注意。

一，正確估計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點數(shù)據(jù)，若每周期采集32點，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數(shù)提高基頻分辨率，這對于識別次同步振動信號是必要的，但降低了最高分析頻率，如何確定視具體情況而定。

2、采樣定理解析

采樣定理實際上涉及了3個主要條件，當(dāng)確定其中2個條件后，第3個條件自動形成。這3個條件是進(jìn)行正確數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，必須理解深刻。條件1 采樣頻率控制最高分析頻率采樣頻率（采樣速率）越高，獲得的信號頻率響應(yīng)越高，換言之，當(dāng)需要高頻信號時，就需要提高采樣頻率，采樣頻率應(yīng)符合采樣定理基本要求。這個條件看起來似乎很簡單，但對于一個未知信號，其中所含最高頻率信號的頻率究竟有多高，實際上我們是無法知道的。解決這個問題需要2個步驟，一是指定最高測量頻率，二是采用低通濾波器把高于設(shè)定最高測量頻率的成分全部去掉（這個低通濾波器就是抗混濾波器）?，F(xiàn)實的抗混濾波器與理論上的濾波器存在差異，因此信號中仍會存在一定混疊成分，一般在計算頻譜后將高頻成分去掉，一般頻譜線數(shù)取時域數(shù)據(jù)點的1/2.56，或取頻域幅值數(shù)據(jù)點的1/1.28，即128線頻譜取100線，256線頻譜取200線，512線頻譜取400線等等。

圖 、采樣過程示意圖抗混濾波器的使用主要是針對頻譜分析的，對于涉及相位計算的用途反而會引入相位誤差。幾乎所有的濾波器的相位特性遠(yuǎn)比幅值特性差。為說明該條件，我們舉例進(jìn)行說明。① 要想在頻譜中看到500Hz的成分，其采樣頻率最少為1000Hz。② 若采樣頻率為32點／轉(zhuǎn)，頻譜中最高線理論上可達(dá)到16X。

條件2 總采樣時間控制分辨率頻譜的分辨率（譜線間隔）受控于總采樣時間，即

條件3 采樣點數(shù)控制頻譜線數(shù)解釋這個條件，需要對FFT計算頻譜的過程有一個了解。如果對于一個2048點的時間波形數(shù)據(jù)，我們可以獲得2048點頻域數(shù)據(jù)——1024線頻譜（每條譜線有兩個值，直接值和正交值，或者說幅值和相位兩個值）。對旋轉(zhuǎn)機(jī)械來說，頻譜僅僅畫出了FFT復(fù)數(shù)輸出的幅值部分，對于相位部分一般不畫，因此頻譜中的線數(shù)最多為時域點數(shù)的一半，考慮到混疊的影響，頻譜線數(shù)一般會低于時域數(shù)據(jù)點數(shù)。

小結(jié)采樣定理是實現(xiàn)正確采樣的基準(zhǔn)，上述3個條件中，可以根據(jù)需要設(shè)置其中2個條件，第3個條件就會自動固定。① 如果采樣總時間為0.5秒，想獲得3200線頻譜，則有

4096下一個2的整數(shù)次冪的數(shù)值是8192，由此可獲得3200線的頻譜，其最高分析頻率達(dá)到了320Hz，可以滿足要求，可以通過提高采樣速率來實現(xiàn)這一要求。

【問題01】在不重采樣的前提下，能否提高頻譜的分辨率？

【問題02】對于旨在分析齒輪故障和滾動軸承故障的振動數(shù)據(jù)采集應(yīng)注意什么事項？

理解了采樣定理的實質(zhì)，我們就會對某些儀器／系統(tǒng)中列出的技術(shù)指標(biāo)有了正確的認(rèn)識，頻譜分辨率并不是衡量采樣質(zhì)量的唯一指標(biāo)，即400線頻譜與400線的頻譜之間有可能存在差異；在分析齒輪故障時就不會出現(xiàn)沒有嚙合頻率成分這樣的尷尬；在分析開／停車過程時出現(xiàn)分辨率過低問題……頻譜的功率泄漏問題數(shù)字信號分析需要選擇取合理的采樣長度，雖然在采樣過程中充分考慮了采樣定理和分析要求，但畢竟是一個用區(qū)間為（－T～T）的有限長度信號來近似t→∞信號的過程， |t|＞T的x(t)值為零，因此所得到的頻譜和實際頻譜存在一定差異，這種現(xiàn)象稱之為泄漏現(xiàn)象。

影響數(shù)據(jù)采集過程的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)

A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)（轉(zhuǎn)換精度）

采樣方式（自由采集與整周期采集、同步自由采集與同步整周期采集）

數(shù)據(jù)采集的效率

數(shù)據(jù)采集中相位信號的作用

振動信號的預(yù)處理1、低通抗混濾波抗混濾波器是一種低通濾波器，如廣泛采用的8階橢圓濾波器。在線系統(tǒng)采樣單元中采用的抗混濾波器，應(yīng)具備截至頻率可跟蹤性，即隨著機(jī)器轉(zhuǎn)速的變化，低通濾波器的截至頻率也隨之變化。

抗混濾波器的使用目的是避免頻譜分析時高頻分量折疊到低頻段，但每一種低通濾波器的相頻響應(yīng)曲線并不像幅頻曲線那樣平坦。如某型號4階低通濾波器，在其截至頻率處相位偏移達(dá)－180°，在3kHz處偏移也有－45°，這個相位偏移足以影響幅值的正確計量。

2、數(shù)字矢量濾波數(shù)字矢量濾波器是一種用特殊數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)的跟蹤帶通濾波器，可實現(xiàn)1X、2X或設(shè)定分頻矢量值的功能。數(shù)字矢量濾波器在低速和高速下的帶寬設(shè)置不同，低速時帶寬設(shè)置窄一些，在高速時帶寬適當(dāng)增大。通帶越窄，需要的響應(yīng)時間越長，因此債的通帶只適用于低速段。如本特利公司的DVF3型數(shù)字矢量濾波器設(shè)置的帶寬及響應(yīng)時間為：

表 、DVF3濾波參數(shù)設(shè)置表

3、積分電路當(dāng)采用殼體振動測量傳感器時，用戶可能需要使用某種特定的振動單位作為監(jiān)測參量，以方便與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)。當(dāng)采用加速度傳感器測量時，積分電路就是必要的預(yù)處理手段。

為了降低時間波形因截斷引起的頻域振蕩現(xiàn)象，在信號分析時多采用加窗的方式進(jìn)行修正，窗函數(shù)就是截斷函數(shù)，不同的窗函數(shù)對旁瓣的抑制能力也有區(qū)別。一般來說，窗函數(shù)必須具備以下基本要求：窗譜的主瓣要窄且高，旁瓣要小，正負(fù)交替接近相等，以減小泄漏或負(fù)譜現(xiàn)象。

常用的窗函數(shù)及其性能指標(biāo)如表所示。表 、典型窗函數(shù)的性能特點

5、其它問題與信號采集有關(guān)的問題還涉及到系統(tǒng)的輸入阻抗與輸入阻抗的問題。對于框架式儀表提供的緩沖輸出信號，其輸出阻抗多在幾百歐姆左右，如本特利公司的7200系列儀表和3300系列儀表的緩沖輸出阻抗為100歐姆，3500系列儀表的緩沖輸出阻抗為550歐姆。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入阻抗不易過低，理論上講輸入阻抗值越高越好。要保證信號損失率在1%以下，輸入輸出阻抗比應(yīng)控制在100:1以上。信號損失率的定義為：