一、电机振动信号的频率特征图谱
电机振动诊断的核心逻辑是：不同故障源产生不同频率的激振力，在频谱中表现为各自的特征频率峰值。要选对传感器和采集卡，首先必须明确需要捕获哪些频率。
1.1转子机械振动
转子不平衡是最常见的振动源，振动频率等于转速频率fr，即fr=n/60（n为转速rpm）。例如，一台1500rpm的电机，其转速频率为25Hz；一台3000rpm的电机，转速频率为50Hz。不平衡振动的特征是：以径向振动为主，轴向较小，幅值随转速升高而增大，与负载无关。
转轴弯曲和联轴器不对中同样在1×转速频率处产生显著振动，但不对中通常还会在2×转速频率处出现明显的谐波分量。
1.2电磁振动
定子电磁振动的频率为电源频率的2倍，即2f0。其物理来源是：定子旋转磁场频率为f0/P（P为极对数），而电磁力的极数为2P，两者相乘即为 2f0。对于50Hz电网，2f0=100Hz。切断电源后振动立即消失，这是电磁振动区别于机械振动的关键特征。
如果定子铁心和线圈存在松动，频谱中除了100Hz的基本成分之外，还会出现200Hz、300Hz、400Hz等谐波成分。当电机采用变频器驱动时，电源频率f0随转速变化，电磁振动频率也相应变化，此时需注意传感器带宽能否覆盖变频调速范围。
气隙静态偏心的振动频率同样是 2f0，振动幅值随偏心值增大而增加，与电机负载呈正相关。
气隙动态偏心的振动更为复杂：旋转磁场同步转速频率和转子旋转频率的振动都会出现，且以2sf0的频率在脉动（s为转差率）。
1.3滚动轴承故障特征频率
轴承特征频率可以从轴承几何参数和转速精确计算。设转速频率为fr，滚动体数量为n，滚动体直径为d，节圆直径为D，接触角为ϕ：
以一个典型算例说明：一台1500rpm电机（fr=25Hz），轴承有8个滚动体，d/D =0.32，接触角0°。则BPFO≈68Hz，BPFI≈132Hz。若转速升至3000rpm，这些频率相应翻倍为136Hz和264Hz。
但关键问题在于：轴承早期故障的特征频率往往并不直接以显著峰值出现在频谱中，而是表现为高频共振频带（通常在2kHz～20kHz范围）被故障频率调制的包络信号。轴承缺陷产生的冲击会激发轴承座或传感器安装结构的高频共振，形成包含边带的包络信号。因此，轴承诊断需要传感器的频率上限至少覆盖到10kHz。
1.4频率需求汇总
综合以上分析，电机振动诊断的频率覆盖需求可归纳为：
ISO 10816/20816标准规定振动速度有效值的评估频段为10~1000Hz，但这一频段仅用于评估振动烈度等级，不适用于轴承故障的早期诊断。故障诊断往往需要将分析频段扩展到10kHz以上。
二、振动传感器选型：从频率需求反推参数
2.1传感器类型选择
工业电机振动监测中，IEPE压电式加速度传感器是首选。其宽频响（典型0.5Hz~15kHz）、高动态范围和良好的温度稳定性，能够覆盖从转速基频到轴承高频共振的完整频率范围。IEPE传感器内部集成了电荷放大器，供电和信号输出共用一根电缆（二线制），使用方便。
在需要监测轴相对位移的场合（如滑动轴承油膜涡动），可辅以电涡流位移传感器。
2.2频响范围：先定带宽，再选灵敏度
频响范围是传感器选型的第一约束条件。选择原则是：下限频率要低到能捕捉最低特征频率，上限频率要高到能覆盖故障信号最高次谐波。
对于转速频率较低的电机（如300rpm对应5Hz），传感器下限应达到0.5Hz以下。某型号加速度计在500Hz以上频段响应衰减达-3dB，实际可用带宽缩减30%——因此不能只看标称频率范围，还要关注频响曲线的平坦度。
对于轴承早期故障检测，传感器上限应达到10kHz以上。某机床主轴监测项目表明，15kHz传感器比10kHz型号多识别出23%的早期故障特征。传感器上限频率还应覆盖安装谐振频率，通常要求传感器的安装谐振频率大于25kHz，以确保工作频段内保持线性响应。
一个实用规则是：传感器上限频率应覆盖设备故障特征最高频率的3~5倍。
2.3灵敏度与量程：一对必须协同的参数
灵敏度（mV/g）和量程（g）之间存在天然的制约关系。灵敏度越高，信号越强，但量程越小。
从输出角度理解这一关系：IEPE传感器的输出范围通常为±5V，若灵敏度为100mV/g，则量程为5V/100mV/g=50g（峰值）；若灵敏度为10mV/g，则量程可达5V/10mV/g=500g（峰值）。这意味着：
100mV/g：标准工业选择，量程约±50g，适合大多数中小型电机的振动监测
500mV/g：高灵敏度选择，量程约±10g，适合低速设备或微弱振动信号（如轴承早期故障的高频包络）的检测
10mV/g：低灵敏度选择，量程约±500g，适合大型冲击载荷或高振动环境
选型的核心原则是量程安全系数≥1.2~1.5倍预估最大振动峰值。
三、采集卡选型：采样率、分辨率与量程
3.1采样率：不只是奈奎斯特的2倍
采样率的最低要求是信号最高频率的2倍（奈奎斯特频率），但工程实践中这远远不够。实际信号中包含谐波和宽带噪声，如果采样率仅略高于奈奎斯特频率，抗混叠滤波器需要极其陡峭的过渡带，这在模拟电路中难以实现。工程上通常采用信号最高频率的2.5~5倍作为采样率。
具体应用中的推荐值如下：
以NET-2406为例，其最大采样率为156kHz/s，对应最大分析带宽约70.2kHz，实际上为10kHz信号提供了约7倍的裕量，满足绝大多数轴承诊断场景。
3.2分辨率：16位还是24位？
振动信号的动态范围可能非常大：轴承早期故障的冲击信号幅值可能只有主振动信号的千分之一甚至更低。要同时捕获大幅值的基频振动和微弱的轴承冲击信号，采集卡需要足够的动态范围。
16位ADC的理论动态范围约96dB，LSB分辨率为15μV，在振动监测中往往不够——早期故障的微伏级信号可能被淹没在量化噪声中。24位ADC的理论动态范围约144dB，LSB分辨率达到亚微伏级，实际采集卡的动态范围通常在100~115dB之间，足以在±5V量程下分辨微伏级信号。
24位分辨率的采集卡能够轻松分辨大幅值信号中的微弱小信号，这正是轴承早期故障诊断所需要的。16位采集卡仅在纯粹的振动烈度评估（不需要捕捉微弱故障特征）场景下仍可使用，但在故障诊断应用中，24位几乎是必要配置。
3.3量程：匹配传感器输出
采集卡的输入量程应完全覆盖传感器可能输出的最大电压。IEPE传感器的输出通常在±5V以内，因此采集卡的±5V量程是标准选择。部分采集卡提供±10V、±5V、±2V、±1V等多档量程，对于小信号场景可选择较小量程以充分利用ADC分辨率。
量程选择的核心原则：在保证不削波的前提下，选择尽可能小的量程以最大化ADC的有效位数利用率。如果传感器输出最大仅±2V，而采集卡使用±10V量程，则实际只利用了20%的ADC量程，等效分辨率大幅降低。
3.4IEPE激励
IEPE传感器需要恒流源激励才能工作。典型激励电流为2~4mA，恒流源电压通常为24V。采集卡内置IEPE激励（如NET-2406集成了4mA恒流源）可大幅简化现场布线，传感器通过同轴电缆直接接入采集卡，无需额外的前置放大器。