高动态范围带来的益处

森林木狼

1         背景

高的动态范围往往被用来描述测量系统的质量，SPM HD使用高的动态范围，新的INTELLINOVA COMPACT在线系统结合SPM HD技术使用更高的动态范围，这意味什么呢？以及能给客户带来什么利益呢？

本文尽力详细描述高动态范围带来的好处

2         技术描述2.1   冲击脉冲信号动态范围

40000型冲击脉冲传感器安装到一个测量装置上能在传感器另一端捕捉一个非常微小的由冲击产生的电压信号，低至100微伏；一个强大的冲击能产生的电压水平接近10伏，测量装置设计目的是要能处理100微伏到10伏的范围的信号，将10伏与100微伏的结果以100000的比率划分，即使现在电子水平已经提高了很多年，处理这种变化数量级信号仍然是一个巨大的挑战。

从周围的噪音中能区分并且处理100微伏信号，要求高增益和低噪音组件，而为了能够测量10伏信号的处理需100000倍的要求。

最强信号和最弱信号可以同时在仪器区别处理就是仪器的动态范围。

2.2   对数和线性比例的对比

一个信号变化100000倍使用传统的线性比例很难去解释，通过引入一个对数刻度这些数字变的更加容易理解。在线性比例中100000倍等于100分贝，增加10倍等于20分贝，增加1000倍等于60分贝，这就是为什么HDm/HDc, LR/HR 和 dBm/dBc都用分贝来表达的原因。

线性和对数比例的比较值：

一个分贝比例增加                  等效的线性比例增加

对数                   线性

20 dB                           10 倍

40 dB                           100倍

60 dB                           1000 倍

80 dB                           10 000倍

100 dB                                                    100 000 倍

2.3   选择合适的增益

标准的SPM（非HD）电子技术通常可以处理范围大约为40分贝，40分贝相当于线性比例信号放大100倍，怎样处理变化到100分贝信号，测量装置难道仅能处理相当于40分贝变化的信号？答案很简单，通过增加电子扩音器/阻尼器，它覆盖了不同的信号水平，整个100分贝的范围都可以测量。通过选择一个合适的增益装置，测量装置能测量所有强的和弱的信号。

下面显示了整个100分贝动态范围覆盖着四个增益设置。每个增益设置一个40分贝动态范围。

增益设置1

增益设置2

增益设置4

增益设置3

例如：参阅上面的图，假设我们想要测量一个60dBsv的冲击脉冲信号，我们同样也假设总的测量范围覆盖0dBsv到100dBsv，测量装置开启测量序列，选择测量增益设置4，例子中最高的可用增益，增益设置4只能处理介于0dBsv到40dBsv的信号，我们测量的信号包括60dB，因此测量装置需要终止测量去选择增益设置3，增益设置3覆盖范围是10dBsv到50dBsv，因此同样的问题再次发生，但是增益设置2覆盖范围是20dBsv到60dBsv，因此现在测量可以进行。注意：增益范围是重叠的30分贝，这种重叠的原因是为了避免横跨在两个增益范围的信号处理问题，因此通过从一个高增益设置测量冲击脉冲信号，大量的尝试通过不同的增益直到冲击脉冲信号在合适的增益范围内。

所以当我们指定动态范围，非常重要去区分完整的范围。上面例子中的100分贝，使用40分贝增益设置。

请注意，在上述例子中正确的动态范围和增益设置描述是假设的，只是为了讲述增益设置的原理，应该说明的是：在Leonova Infinity中，冲击脉冲有10个不同的增益设置；在Intellinova 有8个。这是传统的方法，被许多制造商应用，同样也是振动测试技术的基础。

2.4   采用增益设置的缺点

下面说明几个用增益设置的缺点

1. 找到一个合适的增益设置需要占用额外的时间，最糟糕的是，某项测量任务需要用到所有的增益设置，虽然通常这不是个问题，但是假如测量时间是有限制，它就会影响到结果。

2. 当冲击信号包含强和弱的冲击，测量装置能找到增益，调整到强的冲击信号的增益，这样的结果就是在40分贝的动态范围，弱的信号就变的看不见了。

3. 例如，一个冲击信号包含一个从齿轮啮合带来的60 dBsv的冲击信号，但是它同时也包含一个从轴承损坏带来的弱的10 dBsv的冲击信号，测量装置选择一个增益范围在20 dBsv到60 dBsv增益去处理60 dBsv的冲击信号，强的60 dBsv的冲击能被很好的测量出来，但是10 dBsv的信号将不可见，因为低的信号只有在测量装置是20dB时才可以被区分。

第二个限制是最严重的,特别是当测量信号是强和弱信号的组合,如齿轮啮合和轴承频率,通常存在于变速箱中。

2.5   增加动态范围

通过引入SPM HD技术，数字技术取代模拟组件，Intellinova的动态范围提高至80dB，这是100倍的动态范围，在Intellinova 中增益设置方法仍然在应用，但是进行了改进，增益设置带来的缺陷已经远远不及上面提到的严重。通过开发Intellinova Compact，增益设置方法已经被抛弃，动态范围进一步改进，超过100dB，这个改进完全消除了上面提到的缺点，Intellinova Compact，测量速度更快，因为没有增益设置调整，并且最重要强弱信号能被区分。值得注意的是在Intellinova Compact中，振动同样没有用增益设置，优点和上文提及的冲击脉冲测量类似。

3       dBm/dBc, HDm/HDc 和 SPM 频谱的动态范围

上面例子提到的标量值dBm/dBc和 HDm/HDc ，研究最大的不同是在Leonova Infinity 和 Intellinova测量装置中使用的动态范围是40dB，用SPM HD技术，使用的动态范围是80dB，用Intellinova Compact，动态范围进一步增加到100dB。

然而，假如用SPM Spectrum/SPM HD频谱技术，信号处理的方式略有不同， 增益设置方法仍然在使用，但是在Intellinova Compact中动态范围是100dB，在带HD技术的Intellinova 中动态范围是85dB ，在不带HD的Intellinova和Leonova Infinity中动态范围低于80dB。

4       客户利益

在实际应用中冲击的来源，如齿轮啮合、活塞影响、变换频率液压马达等存在强冲击信号，从轴承缺陷等产生弱冲击信号，应用高动态范围是一个明显的优势。一个典型的例子是一个行星变速箱信号通常是由从齿轮啮合的外齿和行星之间产生的一个强大冲击脉冲信号，弱的冲击脉冲信号可能是其中一个行星的轴承损坏信号，轴承信号将明显弱于齿轮啮合信号，为了兼顾强弱的脉冲信号，一个高动态范围是必须的。

在测量时间有限制的应用场合，如港口起重机或热连轧机等，这些地方测量时间是有限制的，触发方式是必须的，传统的增益设置耗费时间，避免增益设置可以显著改善这种情况。

（待续）