振动信号的采集与预处理

振动信号的采集与预处理

几乎所有的物理现象都可看作是信号，但这里我们特指动态振动信号。 振动信号采集与一般性模拟信号采集虽有共同之处，但存在的差异更多，因此，在采集振动信号时应注意以下几点：

1. 振动信号采集模式取决于机组当时的工作状态，如稳态、瞬态等；

2. 变转速运行设备的振动信号采集在有条件时应采取同步整周期采集；

3. 所有工作状态下振动信号采集均应符合采样定理。 对信号预处理具有特定要求是振动信号本身的特性所致。信号预处理的功能在一定程度

上说是影响后续信号分析的重要因素。预处理方法的选择也要注意以下条件：

1. 在涉及相位计算或显示时尽量不采用抗混滤波；

2. 在计算频谱时采用低通抗混滤波；

3. 在处理瞬态过程中 1X 矢量、2X 矢量的快速处理时采用矢量滤波。

上述第 3 条是保障瞬态过程符合采样定理的基本条件。在瞬态振动信号采集时，机组转 速变化率较高，若依靠采集动态信号（一般需要若干周期）通过后处理获得 1X 和 2X 矢量 数据，除了效率低下以外，计算机（服务器）资源利用率也不高，且无法做到高分辨分析数 据。机组瞬态特征（以波德图、极坐标图和三维频谱图等型式表示）是固有的，当组成这些 图谱的数据间隔过大（分辨率过低）时，除许多微小的变化无法表达出来，也会得出误差很 大的分析结论，影响故障诊断的准确度。一般来说，三维频谱图要求数据的组数（△rpm 分 辨率）较少，太多了反而影响对图形的正确识别；但对前面两种分析图谱，则要求较高的分 辨率。目前公认的方式是每采集 10 组静态数据采集 1 组动态数据，可很好地解决不同图谱 对数据分辨率的要求差异。

影响振动信号采集精度的因素包括采集方式、采样频率、量化精度三个因素，采样方式 不同，采集信号的精度不同，其中以同步整周期采集为最佳方式；采样频率受制于信号最高 频率；量化精度取决于 A/D 转换的位数，一般采用 12 位，部分系统采用 16 位甚至 24 位。

振动信号的采样过程，严格来说应包含几个方面：

1. 信号适调

由于目前采用的数据采集系统是一种数字化系统，所采用的 A/D 芯片对信号输入量程 有严格限制，为了保证信号转换具有较高的信噪比，信号进入 A/D 以前，均需进行信号适 调。适调包括大信号的衰减处理和弱信号的放大处理，或者对一些直流信号进行偏置处理， 使其满足 A/D 输入量程要求。

2. A/D 转换

A/D 转换包括采样、量化和编码三个组成部分。

采样（抽样），是利用采样脉冲序列 p(t)从模拟信号 x(t)中抽取一系列离散样值，使之成 为采样信号 x(n△t)（n=0,1,2,…）的过程。△t 称为采样间隔，其倒数称 1/△t＝fs 之为采样频率。

采样频率的选择必须符合采样定理要求。 由于计算机对数据位数进行了规定，采样信号 x(n△t)经舍入的方法变为只有有限个有效数字的数，这个过程称为量化。由于抽样间隔长度是固定的（对当前数据来说），当采样 信号落入某一小间隔内，经舍入方法而变为有限值时，则产生量化误差。如 8 位二进制为 28＝256，即量化增量为所测信号最大电压幅值的 1/256。

编码是把采样数据转变为计算机能识别的数字格式。

一、采样定理

1. 采样定理 采样定理解决的问题是确定合理的采样间隔△t 以及合理的采样长度T，保障采样所得的数字信号能真实地代表原来的连续信号 x(t)。 衡量采样速度高低的指标称为采样频率 fs。一般来说，采样频率 fs 越高，采样点越密，所获得的数字信号越逼近原信号。为了兼顾计算机存储量和计算工作量，一般保证信号不丢 失或歪曲原信号信息就可以满足实际需要了。这个基本要求就是所谓的采样定理，是由 Shannon 提出的ÿ