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

振動(dòng)信號(hào)采集與一般性模擬信號(hào)采集雖有共同之處，但存在的差異更多，因此，在采集振動(dòng)信號(hào)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

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

2、變轉(zhuǎn)速運(yùn)行設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)采集在有條件時(shí)應(yīng)采取同步整周期采集；

3、所有工作狀態(tài)下振動(dòng)信號(hào)采集均應(yīng)符合采樣定理。對(duì)信號(hào)預(yù)處理具有特定要求是振動(dòng)信號(hào)本身的特性所致。信號(hào)預(yù)處理的功能在一定程度上說是影響后續(xù)信號(hào)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(jì)算或顯示時(shí)盡量不采用抗混濾波；

2、在計(jì)算頻譜時(shí)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(shí)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(dòng)信號(hào)采集時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速變化率較高，若依靠采集動(dòng)態(tài)信號(hào)（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(jì)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(shí)，除許多微小的變化無法表達(dá)出來，也會(huì)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(duì)圖形的正確識(shí)別；但對(duì)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，可很好地解決不同圖譜對(duì)數(shù)據(jù)分辨率的要求差異。影響振動(dòng)信號(hào)采集精度的因素包括采集方式、采樣頻率、量化精度三個(gè)因素，采樣方式不同，采集信號(hào)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(hào)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(dòng)信號(hào)的采樣過程，嚴(yán)格來說應(yīng)包含幾個(gè)方面：

1、信號(hào)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(duì)信號(hào)輸入量程有嚴(yán)格限制，為了保證信號(hào)轉(zhuǎn)換具有較高的信噪比，信號(hào)進(jìn)入A/D以前，均需進(jìn)行信號(hào)適調(diào)。適調(diào)包括大信號(hào)的衰減處理和弱信號(hào)的放大處理，或者對(duì)一些直流信號(hào)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(gè)組成部分。采樣（抽樣），是利用采樣脈沖序列p(t)從模擬信號(hào)x(t)中抽取一系列離散樣值，使之成為采樣信號(hào)x(n△t)（n=0,1,2,…）的過程。△t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(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)位數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，采樣信號(hào)x(n△t)經(jīng)舍入的方法變?yōu)橹挥杏邢迋€(gè)有效數(shù)字的數(shù)，這個(gè)過程稱為量化。由于抽樣間隔長度是固定的（對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)來說），當(dāng)采樣信號(hào)落入某一小間隔內(nèi)，經(jīng)舍入方法而變?yōu)橛邢拗禃r(shí)，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(cè)信號(hào)最大電壓幅值的1/256。編碼是把采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能識(shí)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(hào)能真實(shí)地代表原來的連續(xù)信號(hào)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(diǎn)越密，所獲得的數(shù)字信號(hào)越逼近原信號(hào)。為了兼顧計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量和計(jì)算工作量，一般保證信號(hào)不丟失或歪曲原信號(hào)信息就可以滿足實(shí)際需要了。這個(gè)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(hào)不丟失信息的最低采樣頻率為

使用采樣頻率時(shí)有幾個(gè)問題需要注意。

一，正確估計(jì)原信號(hào)中最高頻率成分的頻率，對(duì)于采用電渦流傳感器測(cè)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(diǎn)數(shù)據(jù)，若每周期采集32點(diǎn)，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(diǎn)數(shù)提高基頻分辨率，這對(duì)于識(shí)別次同步振動(dòng)信號(hào)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(shí)際上涉及了3個(gè)主要條件，當(dāng)確定其中2個(gè)條件后，第3個(gè)條件自動(dòng)形成。這3個(gè)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(hào)頻率響應(yīng)越高，換言之，當(dāng)需要高頻信號(hào)時(shí)，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(gè)條件看起來似乎很簡單，但對(duì)于一個(gè)未知信號(hào)，其中所含最高頻率信號(hào)的頻率究竟有多高，實(shí)際上我們是無法知道的。解決這個(gè)問題需要2個(gè)步驟，一是指定最高測(cè)量頻率，二是采用低通濾波器把高于設(shè)定最高測(cè)量頻率的成分全部去掉（這個(gè)低通濾波器就是抗混濾波器）。現(xiàn)實(shí)的抗混濾波器與理論上的濾波器存在差異，因此信號(hào)中仍會(huì)存在一定混疊成分，一般在計(jì)算頻譜后將高頻成分去掉，一般頻譜線數(shù)取時(shí)域數(shù)據(jù)點(diǎn)的1/2.56，或取頻域幅值數(shù)據(jù)點(diǎn)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(duì)頻譜分析的，對(duì)于涉及相位計(jì)算的用途反而會(huì)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(diǎn)／轉(zhuǎn)，頻譜中最高線理論上可達(dá)到16X。

條件2 總采樣時(shí)間控制分辨率頻譜的分辨率（譜線間隔）受控于總采樣時(shí)間，即

條件3 采樣點(diǎn)數(shù)控制頻譜線數(shù)解釋這個(gè)條件，需要對(duì)FFT計(jì)算頻譜的過程有一個(gè)了解。如果對(duì)于一個(gè)2048點(diǎn)的時(shí)間波形數(shù)據(jù)，我們可以獲得2048點(diǎn)頻域數(shù)據(jù)——1024線頻譜（每條譜線有兩個(gè)值，直接值和正交值，或者說幅值和相位兩個(gè)值）。對(duì)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(duì)于相位部分一般不畫，因此頻譜中的線數(shù)最多為時(shí)域點(diǎn)數(shù)的一半，考慮到混疊的影響，頻譜線數(shù)一般會(huì)低于時(shí)域數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

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

4096下一個(gè)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(shí)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(duì)于旨在分析齒輪故障和滾動(dòng)軸承故障的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集應(yīng)注意什么事項(xiàng)？

理解了采樣定理的實(shí)質(zhì)，我們就會(huì)對(duì)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(shí)，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(shí)就不會(huì)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(shí)出現(xiàn)分辨率過低問題……頻譜的功率泄漏問題數(shù)字信號(hào)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(gè)用區(qū)間為（－T～T）的有限長度信號(hào)來近似t→∞信號(hào)的過程， |t|＞T的x(t)值為零，因此所得到的頻譜和實(shí)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(gè)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(hào)的作用

振動(dòng)信號(hào)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(shí)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(hào)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(gè)相位偏移足以影響幅值的正確計(jì)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(shí)現(xiàn)的跟蹤帶通濾波器，可實(shí)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(shí)帶寬設(shè)置窄一些，在高速時(shí)帶寬適當(dāng)增大。通帶越窄，需要的響應(yīng)時(shí)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(shí)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(dòng)測(cè)量傳感器時(shí)，用戶可能需要使用某種特定的振動(dòng)單位作為監(jiān)測(cè)參量，以方便與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)。當(dāng)采用加速度傳感器測(cè)量時(shí)，積分電路就是必要的預(yù)處理手段。

為了降低時(shí)間波形因截?cái)嘁鸬念l域振蕩現(xiàn)象，在信號(hào)分析時(shí)多采用加窗的方式進(jìn)行修正，窗函數(shù)就是截?cái)嗪瘮?shù)，不同的窗函數(shù)對(duì)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(diǎn)

5、其它問題與信號(hào)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(duì)于框架式儀表提供的緩沖輸出信號(hào)，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(hào)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(hào)損失率的定義為：