信号采集问题知多少

ike944

　　不知您有没有这样的体验，我们在脑子里构思了某一命题，甚至细节也构思得很具体，但是只要把笔尖与纸面来一个亲密接触，突然发现脑子想的东西突然变得非常遥远，要写在纸面上变得非常困难。
　　想着容易做着难，大概就是这样的道理。
　　于是经常留心有关振动信号采集的问题，居然发现有很多人并不是特别清楚。难的问题搞清楚了，简单的问题居然不知所措。
　　说到振动信号的采集，大概很多人都认为这是一件简单的工作，没什么技术含量，可能是在状态监测与故障诊断技术中最容易做的一件事情了。但是，在这里，我想告诉你，真正把信号采集搞得好，搞得准确，搞得完整，实际上并不是一件容易的事情。
　　这里暂且不讨论如何实现正确信号采集(硬件设计)，仅讨论在参数设置上应注意哪些问题。
　　与一般的工艺信号不同，振动信号是一种动态信号，包含的频率成分复杂，因此采样的时候才有了一个“采样定理”要遵照执行。这里结合不同场合下的振动信号采集，说一说如何才能保证正确采集。
　　1.
　　采样定理基本知识
　　采样定理实际上涉及了3个主要条件，当确定其中2个条件后，第3个条件自动形成。这3个条件是进行正确数据采集的基础，必须理解深刻。
　　条件1 采样频率控制最高分析频率
　　采样频率(采样速率)越高，获得的信号频率响应越高，换言之，当需要高频信号时，就需要提高采样频率，采样频率应符合采样定理基本要求。
　　这个条件看起来似乎很简单，但对于一个未知信号，其中所含最高频率信号的频率究竟有多高，实际上我们是无法知道的。解决这个问题需要2个步骤，一是指定最高测量频率，二是采用低通滤波器把高于设定最高测量频率的成分全部去掉(这个低通滤波器就是抗混滤波器)。现实的抗混滤波器与理论上的滤波器存在差异，因此信号中仍会存在一定混叠成分，一般在计算频谱后将高频成分去掉，一般频谱线数取时域数据点的1/2.56，或取频域幅值数据点的1/1.28，即128线频谱取100线，256线频谱取200线，512线频谱取400线等等。
　　抗混滤波器的使用主要是针对频谱分析的，对于涉及相位计算的用途反而会引入相位误差。几乎所有的滤波器的相位特性远比幅值特性差。
　　为说明该条件，我们举例进行说明。
　　①
　　在频谱中看到500Hz的成分，其采样频率最少为1000Hz。
　　②
　　样频率为32点/转，频谱中最高线理论上可达到16X。
　　条件2 总采样时间控制分辨率
　　频谱的分辨率(谱线间隔)受控于总采样时间。
　　①
　　采样总时间为0.5秒，则频谱分辨率为2Hz;
　　②
　　若区分6cpm(0.1Hz)的频谱成分，则总采样时间至少为10秒;
　　③
　　总采样时间为8转的时间信号，频谱分辨率为1/8X。
　　条件3 采样点数控制频谱线数
　　解释这个条件，需要对FFT计算频谱的过程有一个了解。如果对于一个2048点的时间波形数据，我们可以获得2048点频域数据—1024线频谱(每条谱线有两个值，直接值和正交值，或者说幅值和相位两个值)。
　　对旋转机械来说，频谱仅仅画出了FFT复数输出的幅值部分，对于相位部分一般不画，因此频谱中的线数最多为时域点数的一半，考虑到混叠的影响，频谱线数一般会低于时域数据点数。
　　2.
　　采用滑动轴承支撑的转子系统
　　如果采用的测振传感器是非接触式电涡流传感器，那么信号的采集规则比较容易确定，相关的部件发生故障所能覆盖的频率范围相对稳定，可按下列规则进行采样：
　　2.1
　　在有键相信号触发的前提下，采用同步整周期采样;
　　2.2
　　每周期采集32点，共采集16或32周期，采样长度为512点或1024点;
　　2.3
　　频率分辨率为200线或400线;
　　2.4
　　分析频率上限为12.5倍转速频率。
　　这样的采样模式可以完全满足要求。
　　每周期采样的点数决定最高分析频率，采样长度决定频谱分辨率。换句话说，如果想分析到更高的频率，就可以增大每周期采样的点数，或者说提高了采样频率;如果需要频谱具有较高的分辨率，或者说能够分辨的频率间隔小一些，那就需要多采集几个周期，使得采样长度长一些。
　　如果没有键相信号触发，也可采用“模拟键相”方式进行采样，设置的参数与同步整周期采样是相同的;或者采用自由采样方式，直接设定采样频率就行了。
　　3.
　　采用滚动轴承支撑的转子系统
　　采用滚动轴承支撑的转子系统，需要考虑滚动轴承故障频率范围和转子故障的频率范围，其中滚动轴承故障频率较高，因此采样频率的设置应就高不就低，这是第一个原则;另外，考虑到滚动轴承故障频率有些相隔很近，需要较高的频率分辨率，因此需要采样长度也要长一些。
　　需要考虑的因素有：
　　3.1
　　滚动轴承的故障特征频率范围多在1至7倍轴承外圈通过频率;
　　3.2
　　转子的故障频率多在1/4至3倍转速频率范围内;
　　3.3
　　有键相触发时，每周期采样点数应符合2.1的需求;采样长度不低于1024点，建议选择2048点;
　　3.4
　　采样频率应与选择的传感器频响上限相匹配，避免将谐振区内的信号采集下来，导致信号读数发生较大偏差;
　　3.5
　　选择传感器应考虑最高分析频率的需要。
　　需要提醒的是，一般的惯性式振动速度传感器频响上限为1000Hz，选择时要确认是否能够满足监测需求;加速度传感器的频响上限与传感器的安装方式有关，如果采用磁座安装，其上限频率只能达到2000Hz，若需要更高的频率，最好采用双头螺栓固定安装。
　　4.
　　齿轮系统
　　齿轮系统包含的部件较多，包含了齿轮轴、齿轮、支撑轴承，因此采样频率的设定应以高者为准。
　　齿轮的故障频率范围很宽，从约1/8倍的啮合频率到3.5倍啮合频率。特别是齿轮齿数较多时，需要的采样频率就很高，转速频率与啮合频率相差很多，需要很高的频率分辨率。
　　需要考虑的因素有：
　　4.1
　　采样频率以能够分析到齿轮啮合频率的3.5倍为宜;
　　4.2
　　以计算出的采样频率决定采用测振传感器的类型及安装方式;
　　4.3
　　当啮合频率与转速频率相差很大时，需要增加采样长度，以保证频谱具有较高的分辨率。
　　为什么要提醒这个问题呢?在实际监测中我们遇到过这样的事。一台发电机组的变速箱产生了非常刺耳的噪声，显然齿轮存在某种问题，但测试的结果却没有反映出齿轮故障的特征，很显然是某一个环节出了纰漏。后来发现采用的加速度传感器频率上限低于齿轮啮合频率，换了一个高频传感器后，齿轮故障的特征就原形毕露了。
　　5.
　　实际机组采样需要考虑的问题
　　上面我们分析了不同部件采样时应注意的问题，现在我们来讨论一台实际的机组在信号采集时应注意什么问题。
　　如果把部件信号采集搞明白了，那么一台复杂机组的采样也就清楚了。虽然如此，我们还是应当把它梳理一下：
　　5.1
　　不同转速段采用的触发键相信号不同。
　　5.2
　　相同的转速段存在滚动轴承或齿轮部件时，采样频率就高不就低，且要适当考虑频谱的分辨率;
　　5.3
　　两次采样的间隔以不同部件采样时间最长者为基准考虑，以保证所有信号采集的同步性;
　　5.4
　　不同部件采样长度及采样频率以分析最高频率为基准。
　　我们虚拟一台复杂机组，假如由以下部分组成：
　　l
　　蒸汽透平(有键相信号)
　　l
　　齿轮箱(增速)
　　l
　　压缩机(有键相信号)
　　根据以上组成，我们可以确定：
　　l
　　蒸汽透平与齿轮低速轴共用蒸汽透平键相触发，但齿轮箱低速轴相关测点采用较高的采样频率(即每周期采样点数较多);
　　l
　　齿轮箱高速轴与压缩机共用压缩机键相触发，但齿轮箱高速轴相关测点采用较高的采样频率(即每周期采样点数较多);
　　l
　　在采样周期数相同的前提下，采样所需时长低速部分较长，高速部分较短，即蒸汽透平与低速齿轮相关测点需要的采样时间较长;
　　l
　　必须在蒸汽透平及低速齿轮相关测点采样完毕后，才能进入下一个采样过程。
　　如果没有键相信号触发，采用模拟键相模式采集时也应遵循上述原则。
　　6.
　　开停车过程的信号采集
　　开停车过程是一个特殊的过程，经历的时间长，转速变化率高，因此对信号的采集也有特殊要求。在稳态情况下，我们一般认为采样长度长一些好，因为可以获得较高的频率分辨率，但在开停车过程中采样，这个原则反而会引起较大误差。
　　采样频率和采样长度到底选多少?需要考虑你打算如何分析开停车过程。一般的分析方法有波德图、极坐标图、三维频谱，前两者是1X矢量随转速变化的直角坐标形式和极坐标形式，后者是不同转速下频谱的三维叠置。
　　如果为了获得1X甚至2X矢量，那么就不需要很高的采样频率，采集点也不需要太多，但我们需要采集的组数要尽可能多一些。三维频谱的主要用途是确定机组转子—轴承系统的不平稳区域，注重分析1X以下的频率变化规律，因此也不需要太高的采样频率。
　　把分析重点搞清楚了，我们就可以得出如下结论：
　　开停车过程的信号采集，采样频率和采样长度不宜过高。
　　我本人认为：
　　l
　　用于获取1X或2X矢量的采样，采样频率可以设定为每周期32点，共采集128即可满足需要。采集组数不低于100组;
　　l
　　用于三维频谱分析的采样，每周期采集32点，采集256点即可满足需要。采集组数30组左右。
　　当然还有很多采样模式，以上仅仅是我们常见的方法。
　　保证了数据采集的正确性，才能为后续的正确分析和正确诊断奠定基础。千万记着这样一个道理：
　　第一步是成功的关键。
　　信号的采集是状态监测与故障诊断的第一步。

rogen

很好的一个帖子，顶！
我跟你有同样的感受，
“不知您有没有这样的体验，我们在脑子里构思了某一命题，甚至细节也构思得很具体，但是只要把笔尖与纸面来一个亲密接触，突然发现脑子想的东西突然变得非常遥远，要写在纸面上变得非常困难。想着容易做着难，大概就是这样的道理。”
有时候在思考问题的时候思路很清晰，但当具体做的时候就不知所措，当做的时候就感觉有好多东西需要去学习，在学习的过程中就跑题了，不知道你是怎么处理这样的问题的？

我不是做信号处理的，我是搞土木的，但我要用到信号的采集和处理，我也注意到了你提到的问题，对于我们的整体建筑物来讲，我们只关心它的低阶频率，而高阶频率很少关心，但在损伤识别中，高频部分也能起到很好的作用，只是现在做的人很少，我想以后会有人关注这一点的，也就是说信号采集很重要，也就是你所讲的！

ChaChing

LZ是原创或转贴!? 可以的话请说明下!

黑云

好东西，顶！

mahongbing

请问楼主“键相信号”是什么意思，能不能具体解释一下，如果可能的话楼主能不能介绍一下转速频繁变化的设备的设定。

[ 本帖最后由 mahongbing 于 2010-2-6 07:02 编辑 ]

278272611

好东西，受教了，

PXMAX

贴子不错，对于我这种新手来说，有点吃力

齐治平123456

我觉得频谱分辨率可以简化，deltF=1/T=1/deltT*N=1/(N*1/fs)=fs/N,即采样频率除以采样点数，这样就更好理解了。