Order‑tracking bębna (zmienny RPM) — rozróżnianie przyczyn

Odróżnianie nierównomierności wsadu (1×), niewyważenia/bicia (1×/2×) oraz wczesnych uszkodzeń łożysk (obwiednia + sidebandy) podczas rampowych zmian prędkości.

Modele: LIS3DH · MPU‑6050 · QMA7981 Tachometr: optyczny/Hall 1 PPR ODR 1–2 kHz · BW 400–800 Hz Temperatury: 20/50/80 °C

1. Cel i scenariusze

Cel: uzyskać stabilne wskaźniki pozwalające rozróżnić trzy kategorie źródeł drgań bębna przy zmiennym RPM: (A) nierównomierność wsadu, (B) niewyważenie/bicie, (C) wczesne uszkodzenie łożysk.

A — równy wsad / nierównomierność: masa Δm=50–200 g na obwodzie, 1× rośnie ~liniowo z RPM.
B — bicie/niewyważenie: dystans/ekscentryczność 0.5–1.5 mm; sygnał 1× i 2×, faza 1× stabilna w funkcji RPM.
C — łożyska: obwiednia sygnału + sidebandy (±1× wokół częstotliwości elementów tocznych).

Hipotezy:

W scenariuszu A: dominacja rzędu 1× bez istotnych sidebandów.
W scenariuszu B: wzrost 2× oraz stabilność fazy 1× względem znacznika tach.
W scenariuszu C: wzrost wskaźnika obwiedni i sideband indexu niezależnie od RPM.

2. Stanowisko i konfiguracja

Element	Ustawienie	Uwagi
Sensor	LIS3DH ±4 g; MPU‑6050 ±4 g; QMA7981 ±8 g	oś Z radialnie do bębna
ODR / LPF	1 kHz / 400 Hz & 2 kHz / 800 Hz	A/B test konfiguracji
Tachometr	optyczny lub Hall, 1 PPR	wejście MCU input capture, debouncing w przerwaniu
Rampy RPM	200 → 1400 RPM (30–60 s), plateau 600 & 1000 RPM (3 × 30 s)	powtórz dla A, B, C
Montaż	ta sama płytka FR‑4 1.6 mm, śruby M2	identyczna pozycja i orientacja
Zasilanie	3.3 V ±1%, LDO low‑noise, 10 µF + 100 nF	wspólna masa gwiazdą
Interfejs	I²C 400 kHz	przy długiej wiązce: pull‑up 2.2–3.3 kΩ lub SPI
Temperatura	20 / 50 / 80 °C	stabilizacja ≥ 10 min

3. Procedura

Kalibracja tach: sprawdź 1 PPR i brak dropoutów (porównaj z czasem między impulsami).
Baseline: scenariusz referencyjny (bęben bez dodatkowej masy/dystansu), 20 °C.
Ramp‑up: 200 → 1400 RPM (60 s), zapis sygnału i znaczników tach; następnie plateau 600 i 1000 RPM (3 × 30 s).
Scenariusze A/B/C: powtórz Ramp‑up + plateau dla każdej konfiguracji (A: masa Δm, B: dystans, C: łożyska).
Temperatury: powtórz całość dla 50 °C i 80 °C (po stabilizacji).
QC: po każdym przebiegu zanotuj clipy, dropouty tach, drift DC.

4. Przetwarzanie danych

Resampling kątowy: sygnał a(t) → a(θ) przy użyciu znaczników tach (1 PPR), interpolacja cubic/linear.
Średnia synchroniczna (STA): uśrednianie po obrotach redukuje szum niesynchroniczny.
Widmo rzędów: FFT po dziedzinie kąta, porównanie amplitud 1×, 2×, 3×.
Obwiednia (Hilbert): filtr pasmowy 200–800 Hz → obwiednia → sideband index wokół 1×.

Definicje wskaźników:

Order 1×, 2×: amplituda w rzędach 1 i 2 (single‑sided, RMS‑true).
Phase‑stability 1×: odchylenie std. fazy 1× względem impulsu tach [deg].
Envelope RMS: RMS obwiedni sygnału pasmowego.
Sideband Index: (E_±1× / E_carrier) dla pasma łożyskowego.

5. Metryki i KPI

Separacja A vs B (d′)

≥ 1.5

Separacja A vs C (AUC)

≥ 0.95

Clipy / 60 s

Dropout tach

Klasyfikatory referencyjne: (i) próg na 2×/1× dla B; (ii) próg na Envelope RMS i Sideband Index dla C.
Raportuj: krzywe order map (RPM × rząd), profile 1×/2×, wykres ROC, FAR @ próg.

6. Kontrola jakości

Aliasing: zachowaj zapas filtra względem Nyquista; unikaj 2× przy krawędzi pasma.
Tach jitter: odrzuć obroty z odchyleniem >3σ czasu między impulsami.
Okno/ENBW: zapisuj typ okna i ENBW, normalizacja single‑sided.
Montaż: ta sama pozycja; loguj moment śrub i użyte przekładki.
Temperatura: startuj rejestrację po stabilizacji (drift < 0.1 mg/min).

7. Struktura wyników i nazewnictwo

Ścieżka: /raporty/eksperyment-order-tracking/ • Repo: //srv/lab/raporty/mems/

raw/{sensor}/{YYYYMMDD}/scenario_{A|B|C}_{temp}C_ramp.bin
raw/{sensor}/{YYYYMMDD}/tach_{A|B|C}_{temp}C_ramp.bin
proc/{sensor}/{YYYYMMDD}/orders_{rpmStart}-{rpmEnd}_{config}.csv
fig/{sensor}/{YYYYMMDD}/ordermap_{scenario}_{temp}C.png

Schema CSV (orders): timestamp,sensor,temp_C,odr_Hz,lpf_Hz,scenario,rpm_mean,order1_rms,order2_rms,order3_rms,phase1_std_deg,envelope_rms,sideband_idx,clips,drop_tach

8. Szablon logu (do wklejenia)

PRÓBA #OT‑01
Warunki: scenariusz=B (bicie), 50 °C, ODR 2 kHz / LPF 800 Hz, LIS3DH ±4 g, tach 1 PPR.
Ramp: 200→1400 RPM (60 s), plateau: 600/1000 RPM (3×30 s).
QC: clip=0, drop_tach=0, drift<0.1 mg/min.

Wyniki (plateau 600 RPM): order1=__ mg, order2=__ mg, 2×/1×=__
Faza 1× std=__ deg, envelope_RMS=__ mg, sideband_idx=__
Separacja (vs A): d′=__, AUC=__ (próg=__)
Uwagi: ...

9. Uwagi praktyczne

Znacznik tach: dla ciemnych bębnów użyj taśmy odblaskowej; przy Hallu zadbaj o histerezę progów.
Masowanie: prowadź masę czujnika gwiazdą; unikaj pętli między silnikiem a akcelerometrem.
Bezpieczeństwo: zabezpiecz masę dodatkową mechanicznie (linka); nie przekraczaj obrotów nominalnych.