數字帶通濾波器的振動傳感器靈敏度校驗系統設計及應用

趙云朋

（河鋼股份有限公司承德分公司 河北省釩鈦工程技術研究中心，河北承德067002）

0 引 言

冶金行業的生產系統由于工藝流程復雜，設備具有種類和結構復雜等特點，點、巡檢是日常設備維護的主要工作方式。振動指標可以直接反映設備的健康狀態，因此在監測中應用廣泛。實際應用過程中需要針對不同的設備選用不同性能參數的傳感器。因此，在使用過程中會存在因為靈敏度設置錯誤導致振動信息顯示出現偏差，影響維護人員的判斷，在檢測前通過手持式靈敏度校準儀對傳感器的進行校驗。由于冶金設備惡劣的工作環境，環境振動會干擾校驗效果。此外，通常在臨時停機階段對傳感器進行檢查，采用便攜式的振動校準裝置對傳感器的靈敏度進行巡檢，避免設備維修完成復位測點過程出現順序錯誤；此外，對于常駐測點，設備檢修完成后需要回復此前拆卸的測點，這一過程容易造成測點的順序錯誤，導致測點接入監測系統時因不對應的配置參數信息而引起設備故障的誤報警或漏報警等情況，影響設備運行的安全和可靠性。在現場進行傳感器檢查過程中，傳感器不僅會感應校準源的振動，還會因外部環境存在振動干擾，影響傳感器的檢測結果判斷。針對這一問題，在振動信號采集環節，設計數字帶通濾波器，將濾波器的中心頻率設置為校準源的振動頻率（即159.2 Hz），-3 dB 帶寬為±10 Hz。由此濾除中心頻率以外的干擾成分，提高現場環境中傳感器的校驗準確性。

1 數字濾波器設計及仿真分析

IIR 型數字濾波器的系統函數具有封閉性特點，并且設計過程的工作量小。在工程應用中可以實現高效濾波，降低信號處理過程中對處理器的要求，有利于提高信號的實時性。通常IIR 濾波器設計的過程如下：首先根據濾波器參數要求設計對應的模擬濾波器，如巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器等，然后通過脈沖響應不變法、雙線性映射等方法將模擬濾波器變換為數字濾波器，從而確定濾波器的參數。

1.1 數字帶通濾波器設計

對于一個線性時不變的因果模擬系統，其輸入輸出的關系為

從系統特性的角度而言，帶通濾波器的設計實際上是獲得所需的頻響特性的系統函數，同理對于數字濾波器同樣適用。時域內計算系統函數較為復雜，對式（2）進行z變換，記X(z)、Y(z)、H(z)分別為輸入、輸出及系統函數的z變換。然后計算輸入與輸出的比，再對比值進行拉式逆變換即可得到系統函數。通過沖激響應法設計帶通濾波器，IIR濾波器系統函數的一般形式為

圖1 濾波器特性

1.2 數字帶通濾波器仿真

根據IIR濾波器的差分方程，仿真切比雪夫I型濾波器的特性曲線以及濾波效果，設計濾波器的階數為4，中心頻率為

159.2 Hz，-3 dB帶寬為±10 Hz。濾波器的特性曲線及零極點分布如圖1所示，其中為了說明本文選用的濾波器的優點，對比了巴特沃斯7階濾波器的特性曲線。可以看出，切比雪夫I型濾波器在-3 dB處的通帶頻率優于巴特沃斯濾波器。

仿真混有3種頻率分量的信號，仿真信號的采樣率為1000 Hz，其表達式為

仿真結果如圖2 所示，對該仿真信號進行濾波，結果如圖3 所示，濾波后信號中僅含有159.2 Hz 頻率分量，滿足預期的設計要求。實際應用過程，剛啟動采集和濾波處理時，輸出的濾波信號中存在端點效應，從圖中可以看出信號中包含約0.15 s 時長的非等幅信號，隨著響應信號進行穩態階段，信號即保持等幅輸出。

2 測量系統的設計與開發

測量系統由手持式振動靈敏度校準儀、高精度數采模塊、工業平板電腦等3 部分組成，如圖4 所示。整套系統的設計和選型均考慮了冶金設備的惡劣運行環境。其中，采集模塊的工作溫寬為-40～70 ℃，工業平板電腦具有IP67 的防護等級和-20～60 ℃工作溫寬，同時支持衛星授時。上述設備的參數基本可以滿足廠內各種工況環境的要求。

圖2 仿真信號及頻譜

圖3 濾波信號及頻譜

圖4 傳感器校驗系統測量鏈

測量系統由LabVIEW 平臺開發完成，如圖5 所示，將待檢測的傳感器安裝在校準儀的振動臺上，輸出信號通過BNC 接頭連接至數采模塊的輸入通道上，經過數采模塊的A/D 轉化后，接入振動校準分析程序，該程序安裝在工業級平板電腦中，由此組成完成的測量鏈。程序開發首先對采集模塊進行識別，再根據通道配置信息將采集到的數字信號進行量綱轉換；然后，將第2 節中的數字濾波器嵌入測量系統中，測量過程首先對測量信號進行濾波，濾除振動傳感器輸出信號中的干擾成分；最后，對濾波后的信號進行實時頻譜分析，評估傳感器的靈敏度。由此可以在現場環境中存在振動的情況下，最大限度降低外界的干擾，提高傳感器的靈敏度校準的準確性。此外，軟件提供數據讀取與保存功能、可視化區操作等輔助功能，提升系統的易用性和功能的完備性。

圖5 軟件界面

3 工程應用

表1 主要硬件組成

靈敏度校驗系統的主要硬件參數和傳感器的參數如表1 所示。對廠內不同設備的4 種規格的IEPE (ICP 或CCLD) 振動傳感器進行靈敏度校驗，實際應用如圖6 所示，其中，傳感器1 為煉鐵高爐6 MW 引風機的軸承測點；傳感器2 為熱軋板材初軋機主傳動齒輪箱輸入軸測點；傳感器3 為TRT 余熱發電給水泵輸出振動測點；傳感器4 為熱軋棒材定尺飛剪主傳動輸入軸測點。上述各工況，為冶金設備的典型生產環境，外部振動特征會受到附近生產設備的影響，如傳感器1 的檢測環境存在臺架的振動影響；傳感器2 和4 的檢測環境存在沖擊振動分量。

檢測前需要設定傳感器的理論靈敏度，設置采樣率為8192 Hz，設置完成即可啟動數采模塊。各傳感器的監測結果如圖7 所示，經過實際檢查發現傳感器2 在159.2 Hz 頻率處的輸出信號約為0.2g 與校準源的振幅不一致，初步判定該傳感器的靈敏度存在設置問題，經核查在更換傳感器過程中，型號對應導致靈敏度輸入錯誤。使用該裝置對傳感器進行檢查，避免了因測量過程造成重要設備故障的誤報或漏報。

4 結 語

通過前置數字帶通濾波器對振動傳感器進行靈敏度的現場校驗，可以避免將外部環境的振動引入到測量系統中，提高振動傳感器靈敏度的校驗精度。

圖6 振動傳感器校準裝置

圖7 采集4 種傳感器的校驗信號

設計了切比雪夫I 型IIR 數字帶通濾波器，開發出具有前置濾波器的便攜式振動傳感器靈敏度校驗系統，該系統應用過程，操作簡單易用、運行穩定，硬件性能滿足冶金設備高污染、高振動環境的需要。