4. 传感器与信号处理：加速度计、陀螺仪、编码器在振动检测中的应用，信号滤波（低通、带通、陷波）

各位工程师朋友，大家好。今天我们来聊聊振动检测中那几个关键的传感器，以及怎么处理它们送回来的信号。

说实话，做伺服驱动这些年，我踩过最多的坑，就是信号处理这块。传感器选对了，滤波没做好，照样白搭。反过来，传感器一般，但信号调理得当，效果也能让人满意。

咱们先看一张图，把本章的知识脉络理清楚。

4.1 加速度计：振动检测的“耳朵”

加速度计，说白了就是用来感受振动的。机器一抖，它就能输出一个跟加速度成正比的电信号。

我个人习惯把加速度计分成两类：

• MEMS加速度计：便宜、体积小，适合做姿态检测和低频振动监测。但噪声偏大，高频响应一般。
• 压电式加速度计：精度高、频带宽，从几赫兹到几千赫兹都能用。工业伺服减振，我首选这个。

加速度计安装位置也很讲究。我建议直接贴在振动源附近，比如电机端盖、负载平台。离得远了，信号衰减不说，还可能引入结构共振的干扰。

4.2 陀螺仪：角速度的“眼睛”

陀螺仪测量的是角速度，也就是旋转的快慢。在伺服系统里，它特别擅长捕捉扭转振动。

你想想看，电机轴在高速旋转时，如果负载有偏心或者联轴器不对中，就会产生扭转振动。编码器有时候反应不过来，但陀螺仪能直接感知到角速度的波动。

我记得有个项目，客户反映机器人末端抖动。编码器反馈看着挺稳，但实际就是抖。后来我在关节处加了个陀螺仪，一测，发现有个20Hz的扭转模态在作怪。用陀螺仪信号做前馈补偿，问题就解决了。

4.3 编码器：位置与速度的“尺子”

编码器是伺服系统的标配。它直接测量电机转子的位置和速度，分辨率越高，能检测到的振动细节就越丰富。

编码器在振动检测中的角色，主要是提供速度环和位置环的反馈信号。通过分析速度环的误差信号，就能反推出机械振动的频率和幅度。

我常用的做法是：

1. 采集编码器的速度信号，做FFT分析，看看有哪些频率成分。
2. 如果发现某个频率的幅值异常高，那基本就是机械共振点。
3. 然后针对这个频率设计陷波滤波器。

4.4 信号滤波：去伪存真

传感器信号进来，不能直接用。为什么？因为噪声太多。电源噪声、机械噪声、电磁干扰……这些都会混在信号里。

滤波的目的，就是把有用的振动信号提取出来，把没用的噪声滤掉。常用的三种滤波器，我一个个说。

4.4.1 低通滤波器

低通滤波器，顾名思义，让低频通过，阻止高频。在伺服系统里，它主要用来滤除高频噪声。

比如，加速度计的输出，经常会有几十千赫兹的高频毛刺。这些毛刺不是真正的振动，而是传感器自身的噪声或者电路耦合进来的。加一个截止频率在1kHz左右的低通滤波器，信号就干净多了。

代码实现（一阶低通，离散化）：

// 一阶低通滤波器
float lowpass_filter(float input, float prev_output, float fc, float Ts) {
    float alpha = Ts / (Ts + 1.0f / (2.0f * 3.14159f * fc));
    return alpha * input + (1.0f - alpha) * prev_output;
}

这里 fc 是截止频率，Ts 是采样周期。alpha 越小，滤波效果越强，但延迟也越大。我一般把 alpha 设在0.1到0.3之间，具体看现场调试。

4.4.2 带通滤波器

带通滤波器只让某个频段的信号通过。在振动分析中，它用来提取特定频率的振动分量。

举个例子，你想分析电机在100Hz附近的振动特性。用带通滤波器，中心频率设为100Hz，带宽设为20Hz，那么80Hz到120Hz之间的信号被保留，其他频率都被衰减。

我习惯用二阶带通滤波器，效果比一阶好，计算量也不大。

// 二阶带通滤波器（直接II型）
float bandpass_filter(float input, float w0, float Q, float Ts) {
    static float x1 = 0, x2 = 0, y1 = 0, y2 = 0;
    float b0, b1, b2, a0, a1, a2;
    float K = tan(3.14159f * w0 * Ts);
    float norm = 1.0f / (1.0f + K / Q + K * K);
    b0 = K / Q * norm;
    b1 = 0;
    b2 = -K / Q * norm;
    a1 = 2.0f * (K * K - 1.0f) * norm;
    a2 = (1.0f - K / Q + K * K) * norm;
    float output = b0 * input + b1 * x1 + b2 * x2 - a1 * y1 - a2 * y2;
    x2 = x1; x1 = input;
    y2 = y1; y1 = output;
    return output;
}

4.4.3 陷波滤波器

陷波滤波器，也叫带阻滤波器。它专门用来干掉某一个特定频率的信号。

在伺服减振中，陷波滤波器是核心武器。机械系统总会有几个共振频率，比如200Hz、500Hz。这些共振频率如果不处理，伺服系统一激励，就会产生剧烈振动。

我的做法是：先用扫频或者FFT找到共振点，然后在速度环或者电流环里串联一个陷波滤波器，把那个频率的信号衰减掉。

曾经有个项目，一台龙门铣床在300Hz处共振，加工表面出现振纹。我在伺服驱动器里加了一个300Hz的陷波滤波器，深度设为-20dB，振纹立马消失。客户竖起了大拇指。

// 二阶陷波滤波器
float notch_filter(float input, float f0, float Q, float Ts) {
    static float x1 = 0, x2 = 0, y1 = 0, y2 = 0;
    float w0 = 2.0f * 3.14159f * f0;
    float K = tan(w0 * Ts / 2.0f);
    float norm = 1.0f / (1.0f + K / Q + K * K);
    float b0 = (1.0f + K * K) * norm;
    float b1 = 2.0f * (K * K - 1.0f) * norm;
    float b2 = (1.0f - K / Q + K * K) * norm;
    float a1 = b1;
    float a2 = (1.0f - K / Q + K * K) * norm;
    float output = b0 * input + b1 * x1 + b2 * x2 - a1 * y1 - a2 * y2;
    x2 = x1; x1 = input;
    y2 = y1; y1 = output;
    return output;
}

4.5 传感器融合：1+1 > 2

单个传感器总有局限。加速度计测直线振动好，但测扭转振动不行。陀螺仪测角速度准，但零偏漂移烦人。编码器精度高，但只能测电机端，负载端的振动它看不到。

所以，我建议把多个传感器结合起来用。比如：

• 编码器提供电机端的速度和位置，用于闭环控制。
• 加速度计贴在负载端，检测结构振动。
• 陀螺仪装在关节处，监测扭转模态。

信号进来后，各自滤波，然后通过卡尔曼滤波或者互补滤波进行融合。这样得到的信息更全面，减振效果也更好。

好了，这一章的内容就到这里。传感器选型、安装、滤波参数调试，这些都需要在实际项目中反复摸索。我讲的这些经验，希望能帮你少走一些弯路。

---