键相参考与 1X 振动测量

学习教程更新于 2026-10-03编辑本文

从每转参考到 1X 复数

键相通道给振动测量提供与转子位置相关的时间参考。动平衡需要同一工况下可重复的 1X 幅值和相位；只找 FFT 中最大的峰，不能保证找到了转频。

flowchart LR
  Motion["机械振动"] --> Sensor["传感器与模拟调理"]
  Sensor --> ADC["抗混叠与同步采样"]
  Key["每转参考脉冲"] --> ADC
  ADC --> Quality["单位换算、脉冲与过载检查"]
  Quality --> Angle["整转角度重采样"]
  Angle --> Vector["1X 复数与重复性"]

接口和安装先按具体型号核对

PNP 输出通常向输入端供电流，NPN 输出通常把输入端拉向地；是否需要上拉/下拉、公共地或隔离，要以两端实际电路为准。
确认供电、输出电平、最大电流、输入阈值和极性。标注 NPN/PNP 不能直接证明可接 3.3 V GPIO；隔离输入例子见 NPN 与光耦。
光电传感器的反光标记和涡流探头的凹槽参考是不同检测方式。不能把某款 8 mm 探头的安装间隙推广为所有光电探头的要求。
支架固定、标记边缘清楚，确认整个转速范围内无漏脉冲和双触发；记录零度、观察端及旋向。

每转一个标记便于建立绝对参考。多齿脉冲可提高角度信息密度，但还需索引标记或其他方式确定绝对零度，不能简单把每个齿当作完整一转。

振动传感器与采样链

加速度计、速度传感器和电涡流位移探头测量的物理量与参考系不同。IEPE 传感器的恒流供电、偏置电压、灵敏度和量程按型号选；在 MATLAB 中声明一个 current_source 数值并不会给实际传感器供电。

安装方式会影响频率响应，但“磁座必到 2000 Hz、粘贴必到 1000 Hz”不是通用指标。采用传感器、安装附件和被测表面的有效带宽。去偏置、灵敏度换算和积分要记录单位，不能把模拟的无量纲正弦直接标成 mm/s 或 µm。

模拟抗混叠滤波必须在相应采样/降采样之前完成。采样后对已混叠数据调用 filtfilt，不能恢复原来折叠进来的频率。数字预滤波可以服务于后续降采样，但需要先有足够高采样率的数据。采样率按最高有效频率、滤波过渡带和幅相误差设计， $f_s>2f_{\max}$ 是理想带限条件，不存在必须统一取“2.56 倍再乘 10”的规则。

所有通道应共用或同步时基，并核对 ADC、模拟滤波和数字处理的相对延迟。时间差造成的相位偏差为：

\Delta\phi=360^\circ f_r\Delta t.

例如 50 Hz 下 100 µs 差异就是 1.8°。即使幅值读数正确，通道延迟变化仍可破坏标定。

从脉冲确定完整转数

用迟滞阈值抑制边沿抖动：低于低阈值后才允许下一次越过高阈值的事件。采样开始时已经为高电平，不能凭此认定出现了新上升沿。必要时在阈值两侧采样点之间插值估计时间，但要用同一阈值和同一处理方法。

连续有效边沿时间 $t_k,t_{k+1}$ 给出每转周期与平均转速：

T_k=t_{k+1}-t_k,\qquad n_k=\frac{60}{T_k}.

检查间隔范围、漏脉冲、双脉冲和转速变化；不符合条件的转数应标记或剔除，而非硬凑为正常周期。至少两个有效边沿才有一整转，多转数据用于评估重复性。

角度重采样与同步平均

对每个完整转数映射到 $\theta_q=2\pi q/M$ ， $q=0,\ldots,M-1$ ，对应时间：

t_{k,q}=t_k+\frac{q}{M}(t_{k+1}-t_k).

用这些时间查询振动数据，使不同转长都映射到同一角度网格。不要把短转的数据插值到另一个更长的固定时间区间，造成越界 NaN；也不要把 0 与 $2\pi$ 两端都计入一圈。

这种方法假定一转内角速度变化可由边沿间的线性角度近似；强烈加减速需要更密的角度参考或更合适的转角估计。插值不能创造原来不存在的采样带宽，高阶成分仍受原始采样和角度网格奈奎斯特限制。MATLAB 的 tsa 也提供基于脉冲时间的同步平均；具体重采样与插值参数按数据选择。tsa 文档

用明确的相位约定提取 1X

一圈等角度样本 $x_q$ 的峰值复数为：

V_k=\frac{2}{M}\sum_{q=0}^{M-1}x_qe^{-j\theta_q},\qquad \overline V=\frac{1}{K}\sum_{k=1}^{K}V_k.

若输入为 $A\cos(\theta+\phi)$ ，结果为 $Ae^{j\phi}$ 。若输入写成正弦，余弦约定下的相位会相差 90°。1X 在 MATLAB 的整圈 FFT 中是第 2 个元素，因为第 1 个是 DC。

整圈等角度投影不必再默认套 Hann 窗；对只有一圈的数据加窗，会把邻近阶次/DC 混入 1X。对未同步的时间记录用窗时则要处理相干增益、频率失配和相位参考，不能直接套同一公式。

多转平均应先平均复数，再取幅值和角度。直接平均 359° 与 1° 得到 180° 是错误的。还应保留逐转结果，识别漂移和异常；低幅值接近噪声时，相位可能没有稳定意义。实现见 MATLAB 例子。

加速度、速度与位移转换

在同一非零角频率 $\omega$ 和 $e^{j\omega t}$ 约定下：

V=j\omega X,\qquad A=j\omega V=-\omega^2X.

所以从加速度复数到速度用 $V=A/(j\omega)$ ，不仅幅值除以 $\omega$ ，相位也减 90°；从速度到位移同理。SI 单位转换完成后再转 mm/s 或 µm。单一正弦峰值换 RMS 除以 $\sqrt2$ ，峰峰值是峰值的两倍；这不适用于把宽带整体信号随意按单正弦换算。

直接使用加速度 1X 进行影响系数计算也成立，条件是所有标定与测量口径一致。是否积分取决于需要报告的物理量和测量质量，不是算法必须积分才有效，见系数与单位转换。