振動信號采集過程中存在的誤差及解決方法

丁力

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

1.幾乎所有的物理現象都可看作是信號，但這里我們特指動態振動信號。

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

（1）.振動信號采集模式取決于機組當時的工作狀態，如穩態、瞬態等；

（2）.變轉速運行設備的振動信號采集在有條件時應采取同步整周期采集；3.所有工作狀態下振動信號采集均應符合采樣定理。

2.對信號預處理具有特定要求是振動信號本身的特性所致。信號預處理的功能在-定程度上說是影響后續信號分析的重要因素。預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條是保證瞬態過程符合采樣定理的基本條件。當獲取瞬態振動信號時，單位速度的變化率高，并且當獲取動態信號（通常是幾個周期）時，可以通過后處理獲得1X和2X矢量數據。無法獲得高分辨率分析數據。由波德圖，極坐標圖和三維頻譜圖表示的單位的瞬態特征是唯一的，如果這些圖的數據間距太大（分辨率太小），則無法表示小的變化。再次，您將得到大錯誤的分析結論。它會影響故障診斷的準確性。通常，三維譜圖需要少量數據集（Δrpm分辨率），這會過多地影響圖形的正確識別；但是，前兩個分析圖需要更高的分辨率。目前可接受的方法是為每組10個靜態數據采集收集一組動態數據，這可以成功解決不同地圖的數據分辨率要求的差異它可以。

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AD轉換的位數一般采用12位，部分系統采用16位甚至24位。

動信號的采樣過程，嚴格來說應包含幾個方面：

一、信號適調

由于目前采用的數據采集系統是一種數字化系統，所采用的AD芯片對信號輸入量程有嚴格限制，為了保證信號轉換具有較高的信噪比，信號進入AD以前，均需進行信號適調。適調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行偏置處理，使其滿足A/D輸入量程要求。

二、AD轉換

A/D轉換包括采樣、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（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。△t稱為采樣間隔，其倒數稱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。

由于計算機對數據位數進行了規定，采樣信號x（n△t）經舍入的方法變為只有有限個有效數字的數，這個過程稱為量化。由于抽樣間隔K度是固定的（對當前數據來說），當采樣信號落入某一小間隔內，經舍入方法而變為有限值時，則產生量化誤差。如8位二進制為28=256，即量化增量為所測信號最大電壓幅值的1/256。

編碼是把采樣數據轉變為計算機能識別的數字格式。

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，保障采樣所得的數字信號能真實地代表原來的連續信號x（t）。衡量采樣速度高低的指標稱為采樣頻率f%。一般來說，采樣頻率f越高，采樣點越密，所獲得的數字信號越逼近原信號。為了兼顧計算機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采集的數據量大小N為N=T/At

因此，當采樣長度一定時，采樣頻率越高，采集的數據量就越大。

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點數據，若每周期采集32點，采樣長度為32周期。二，同樣的數據量可以通過改變每周期采樣點數提高基頻分辨率，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。

四、采樣定理解析

采樣定理實際上涉及了3個主要條件，當確定其中2個條件后，第3個條件自動形成。這3個條件是進行正確數據采集的基礎，必須理解深刻。

五、算法在工程實例中的應用

上述振動加速度信號數據的處理方法在我所液壓實驗臺振動測試中取得了成功，在液壓實驗臺的振動軸上布置了傳感器，進行實驗測得的振動加速度信號經過去直流、積分并去趨勢項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際信號吻合度比較好，圖6為經過二次積分后的位移信號，由于經過了2次積分誤差的積累，導致了誤差擴大。

結束語

綜上所述，所用的加速度信號處理方法存在一定的誤差，數據處理的重點是在積分之前對干擾信號進行去直流、消噪、濾波和去除趨勢項的處理。最后使得參數達到最佳的信號效果，通過實驗證明是比較實用的處理方法。

參考文獻

[1]高榮，蔣克榮.電主軸振動加速度信號特征提取[J].應用基礎與工程科學學報.2010（02）

[2]顧名坤，呂振華.基于振動加速度測量的振動速度和位移信號識別方法探討[J].機械科學與技術.2011（04）

[3]蔡烽，王大元.基于加速度信號積分A/D變換[J].儀器儀表學報. 2010（S1）

[4]干敏梁，劉紅星.關于振動加速度信號幅值解調的五種方法[J]. 振動與沖擊.2009（01）