数字带通滤波器的振动传感器灵敏度校验系统设计及应用

赵云朋

（河钢股份有限公司承德分公司 河北省钒钛工程技术研究中心，河北承德067002）

0 引 言

冶金行业的生产系统由于工艺流程复杂，设备具有种类和结构复杂等特点，点、巡检是日常设备维护的主要工作方式。振动指标可以直接反映设备的健康状态，因此在监测中应用广泛。实际应用过程中需要针对不同的设备选用不同性能参数的传感器。因此，在使用过程中会存在因为灵敏度设置错误导致振动信息显示出现偏差，影响维护人员的判断，在检测前通过手持式灵敏度校准仪对传感器的进行校验。由于冶金设备恶劣的工作环境，环境振动会干扰校验效果。此外，通常在临时停机阶段对传感器进行检查，采用便携式的振动校准装置对传感器的灵敏度进行巡检，避免设备维修完成复位测点过程出现顺序错误；此外，对于常驻测点，设备检修完成后需要回复此前拆卸的测点，这一过程容易造成测点的顺序错误，导致测点接入监测系统时因不对应的配置参数信息而引起设备故障的误报警或漏报警等情况，影响设备运行的安全和可靠性。在现场进行传感器检查过程中，传感器不仅会感应校准源的振动，还会因外部环境存在振动干扰，影响传感器的检测结果判断。针对这一问题，在振动信号采集环节，设计数字带通滤波器，将滤波器的中心频率设置为校准源的振动频率（即159.2 Hz），-3 dB 带宽为±10 Hz。由此滤除中心频率以外的干扰成分，提高现场环境中传感器的校验准确性。

1 数字滤波器设计及仿真分析

IIR 型数字滤波器的系统函数具有封闭性特点，并且设计过程的工作量小。在工程应用中可以实现高效滤波，降低信号处理过程中对处理器的要求，有利于提高信号的实时性。通常IIR 滤波器设计的过程如下：首先根据滤波器参数要求设计对应的模拟滤波器，如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器等，然后通过脉冲响应不变法、双线性映射等方法将模拟滤波器变换为数字滤波器，从而确定滤波器的参数。

1.1 数字带通滤波器设计

对于一个线性时不变的因果模拟系统，其输入输出的关系为

从系统特性的角度而言，带通滤波器的设计实际上是获得所需的频响特性的系统函数，同理对于数字滤波器同样适用。时域内计算系统函数较为复杂，对式（2）进行z变换，记X(z)、Y(z)、H(z)分别为输入、输出及系统函数的z变换。然后计算输入与输出的比，再对比值进行拉式逆变换即可得到系统函数。通过冲激响应法设计带通滤波器，IIR滤波器系统函数的一般形式为

图1 滤波器特性

1.2 数字带通滤波器仿真

根据IIR滤波器的差分方程，仿真切比雪夫I型滤波器的特性曲线以及滤波效果，设计滤波器的阶数为4，中心频率为

159.2 Hz，-3 dB带宽为±10 Hz。滤波器的特性曲线及零极点分布如图1所示，其中为了说明本文选用的滤波器的优点，对比了巴特沃斯7阶滤波器的特性曲线。可以看出，切比雪夫I型滤波器在-3 dB处的通带频率优于巴特沃斯滤波器。

仿真混有3种频率分量的信号，仿真信号的采样率为1000 Hz，其表达式为

仿真结果如图2 所示，对该仿真信号进行滤波，结果如图3 所示，滤波后信号中仅含有159.2 Hz 频率分量，满足预期的设计要求。实际应用过程，刚启动采集和滤波处理时，输出的滤波信号中存在端点效应，从图中可以看出信号中包含约0.15 s 时长的非等幅信号，随着响应信号进行稳态阶段，信号即保持等幅输出。

2 测量系统的设计与开发

测量系统由手持式振动灵敏度校准仪、高精度数采模块、工业平板电脑等3 部分组成，如图4 所示。整套系统的设计和选型均考虑了冶金设备的恶劣运行环境。其中，采集模块的工作温宽为-40～70 ℃，工业平板电脑具有IP67 的防护等级和-20～60 ℃工作温宽，同时支持卫星授时。上述设备的参数基本可以满足厂内各种工况环境的要求。

图2 仿真信号及频谱

图3 滤波信号及频谱

图4 传感器校验系统测量链

测量系统由LabVIEW 平台开发完成，如图5 所示，将待检测的传感器安装在校准仪的振动台上，输出信号通过BNC 接头连接至数采模块的输入通道上，经过数采模块的A/D 转化后，接入振动校准分析程序，该程序安装在工业级平板电脑中，由此组成完成的测量链。程序开发首先对采集模块进行识别，再根据通道配置信息将采集到的数字信号进行量纲转换；然后，将第2 节中的数字滤波器嵌入测量系统中，测量过程首先对测量信号进行滤波，滤除振动传感器输出信号中的干扰成分；最后，对滤波后的信号进行实时频谱分析，评估传感器的灵敏度。由此可以在现场环境中存在振动的情况下，最大限度降低外界的干扰，提高传感器的灵敏度校准的准确性。此外，软件提供数据读取与保存功能、可视化区操作等辅助功能，提升系统的易用性和功能的完备性。

图5 软件界面

3 工程应用

表1 主要硬件组成

灵敏度校验系统的主要硬件参数和传感器的参数如表1 所示。对厂内不同设备的4 种规格的IEPE (ICP 或CCLD) 振动传感器进行灵敏度校验，实际应用如图6 所示，其中，传感器1 为炼铁高炉6 MW 引风机的轴承测点；传感器2 为热轧板材初轧机主传动齿轮箱输入轴测点；传感器3 为TRT 余热发电给水泵输出振动测点；传感器4 为热轧棒材定尺飞剪主传动输入轴测点。上述各工况，为冶金设备的典型生产环境，外部振动特征会受到附近生产设备的影响，如传感器1 的检测环境存在台架的振动影响；传感器2 和4 的检测环境存在冲击振动分量。

检测前需要设定传感器的理论灵敏度，设置采样率为8192 Hz，设置完成即可启动数采模块。各传感器的监测结果如图7 所示，经过实际检查发现传感器2 在159.2 Hz 频率处的输出信号约为0.2g 与校准源的振幅不一致，初步判定该传感器的灵敏度存在设置问题，经核查在更换传感器过程中，型号对应导致灵敏度输入错误。使用该装置对传感器进行检查，避免了因测量过程造成重要设备故障的误报或漏报。

4 结 语

通过前置数字带通滤波器对振动传感器进行灵敏度的现场校验，可以避免将外部环境的振动引入到测量系统中，提高振动传感器灵敏度的校验精度。

图6 振动传感器校准装置

图7 采集4 种传感器的校验信号

设计了切比雪夫I 型IIR 数字带通滤波器，开发出具有前置滤波器的便携式振动传感器灵敏度校验系统，该系统应用过程，操作简单易用、运行稳定，硬件性能满足冶金设备高污染、高振动环境的需要。