2.3　振動加速度信號

2.3.1　采樣頻率與采樣間隔

為了獲取工業(yè)現(xiàn)場機器設備的狀態(tài)信息，先對額定工況下機組設備的振動信號進行現(xiàn)場測試，確定了機組實際振動信號的頻率范圍、動態(tài)范圍和機械動態(tài)特性的特征。如針對某旋轉(zhuǎn)機組案例，根據(jù)專用信號處理機數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，確定感興趣的頻率分量主要分布在10～3000Hz范圍內(nèi)。因而，選定奈奎斯特（Nyquist）頻率f_c=3000Hz。確定采樣間隔，并驗證數(shù)據(jù)采樣頻率是否滿足采樣定理。

對機組進行全頻段信號分析時的采樣頻率f_s應滿足采樣定理：

f_s≥2f_c　　（2-39）

考慮到為了減少頻率混淆要使用抗混濾波器，而實際的抗混濾波器不具有理想濾波器在截止頻率處的垂直特性，所以應將采樣頻率提高到f_s=（3～5）f_c。

對機組各測點在給定的時間間隔上，進行振動加速度信號時域采樣，在頻譜分析時連續(xù)采集1024點，采樣時間間隔選擇為Δt=110μs。

2.3.2　振動加速度離散化計算

取振動烈度的方法，亦即機組狀態(tài)敏感因子的提取方法，通常有三種：一種是采用加速度傳感器配接電壓放大器的方法，這種方法的優(yōu)點是電壓放大器成本低，在設置大量振動監(jiān)測點的場合尤為突出，主要缺點是增益受電纜長度的影響，不利于對多個大型機組同時監(jiān)測；另一種方法是速度傳感器配接電荷放大器的方法，這種方法的優(yōu)點是增益不受電纜長度的影響，缺點是速度傳感器不僅體積較大、頻率響應特性也不如加速度傳感器；再一種方法是采用加速度傳感器配接帶積分器的電荷放大器的方法，這種方法雖測試性能最好，但對于設置大量振動測量通道的監(jiān)測系統(tǒng)，成本太高。

針對上述問題，提出一種高性能低成本的，適于多通道振動量監(jiān)測的，采用加速度傳感器配接小型非積分電荷放大器的方案，同時提出以下由計算機采樣直接求得振動烈度的離散化計算方法。

該計算方法需要同時考慮：傳感器的靈敏度、加速度轉(zhuǎn)換為速度的數(shù)字積分、積分常數(shù)的處理、電荷放大器倍率轉(zhuǎn)化系數(shù)及歸一化處理、12bit高分辨率A/D程控轉(zhuǎn)換器的增益大小和采樣量化系數(shù)的處理等。

烈度L的定義：

　　（2-40）

式中　L——振動烈度，m/s；

T——采樣時間長度，s；

V（t）——振動速度值，m/s。

速度值V（t）有以下關系：

　　（2-41）

式中　A（j）——加速度值，mm/s²。

將式（2-41）代入式（2-40）得到：

　　（2-42）

將烈度離散化：

　　（2-43）

由于T=nΔt，因此得：

　　（2-44）

其中，因此：

　　（2-45）

其中傳感器輸出的實際加速度A（j）有以下關系：

A（j）=A₄（j）gC₁C₃C₅　　（2-46）

式中　g——9.81m/s²，重力加速度；

C——電荷放大器倍率轉(zhuǎn)換系數(shù)。

由于選用壓電石英傳感器，采樣得到的是加速度量，需要經(jīng)過數(shù)字積分得到速度量，由于積分會給得到的速度量增加一個常量，必須減去該常量，該常量為速度的均值，減去速度均值的烈度離散化公式為：

　　（2-47）

其中速度均值為：

　　（2-48）

均值化處理后的振動烈度離散化表達式為：

　　（2-49）

式中　F₁——電荷放大器上各傳感器統(tǒng)一選定的靈敏度值，F₁取16D；

K——程控放大系數(shù)（1、2、4、8、…），K=256/D，D為程控放大器內(nèi)部增益代碼；

A₄——經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的量化加速度值，已取整數(shù)，為計算機讀取的數(shù)值；

C₄——A/D轉(zhuǎn)換器的量化系數(shù)，取C₄=204.8。

2.3.3　振動烈度的后續(xù)處理

以上烈度值采用的是時域采樣得到的數(shù)據(jù)，實例旋轉(zhuǎn)機組的額定轉(zhuǎn)速為2985r/min，其轉(zhuǎn)速頻率為：

f=2985/60=49.75（Hz）

機組旋轉(zhuǎn)一圈的周期為：

T=1/49.75=0.0201（s）=20.1（ms）

在A/D采樣間隔為Δt=110μs，采樣點為1024時，采樣時間長度T_a：

T_a=110×1024=112.64（ms）

在采樣時間長度T_a內(nèi)包含的機組旋轉(zhuǎn)周期：

N=112.64/20.1=5.604

則整周期數(shù)為5個。

烈度的后續(xù)處理方法如下：

①在烈度計算中采用了整周期計算的方法，即在機組旋轉(zhuǎn)整一周的時間內(nèi)進行烈度的計算，考慮到機組轉(zhuǎn)速的波動，為保證整周期的截取，首先在機組額定周期T附近通過找零點的方法進行整周期的識別。

②為減少噪聲的影響，提高計算的精度，在對連續(xù)5個整周期的烈度值進行算術(shù)平均后，得到現(xiàn)時刻的算術(shù)平均烈度值。

③為減少隨機干擾的影響，提高計算的平穩(wěn)度，在烈度計算的歷程中，又對相鄰的各個時刻的10個算術(shù)平均烈度值進行滑動平均處理，得到現(xiàn)時刻的滑動平均烈度值，該烈度值才為系統(tǒng)每個巡檢周期記錄的烈度值。