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計測データの品質｜FFT・RMSの前に確認する時刻・欠損・単位

COMMON / DATA GUIDE

計測データの品質｜FFT・RMSの前に確認する時刻・欠損・単位

MicroStrain計測データをFFT・RMS解析する前に、サンプルレート、時刻、欠損、単位、解析区間を確認する方法を解説します。

波形がきれいに表示されていても、測定条件や時刻の扱いが違えば、FFTやRMSの比較結果は大きく変わります。

MicroStrainで取得したデータを解析するときは、解析方法を選ぶ前に、単位、レンジ、時刻、サンプル間隔、比較条件を確認します。

このページでは、SensorConnectやCSVのデータをFFT・RMSへ進める前の確認項目を整理します。

このページでできること

  • FFT前に必要なデータ条件を確認する
  • サンプルレートと周波数分解能の関係を理解する
  • 時刻ずれを位相差へ換算する
  • 複数レートの空欄と欠損を区別する
  • 保存容量と通信量を概算する
  • RMSのDC成分や比較条件を整理する

1. 解析前に確認する5項目

項目 確認する内容 間違えると起きること
入力と単位 g / m/s²、rad/s / deg/s、荷重単位、測定軸 倍率や意味の違う値を比較する
レンジ 飽和していないか クリップした波形をFFTする
時刻 測定時刻かPC受信時刻か 通信遅れを現象の位相差と誤認する
サンプル間隔 レート、等間隔性、欠損 不規則データを等間隔として処理する
比較条件 取付、運転状態、フィルター、解析区間 条件差を異常と判断する

最初にこの5項目がそろっているか確認します。

2. サンプルレートだけで測定帯域は決まらない

等間隔サンプリングでは、ナイキスト周波数はサンプルレートの半分です。

例えば1024 Hzサンプリングなら、ナイキスト周波数は512 Hzです。

ただし、実際に有効な測定帯域は、

  • センサー自身の周波数特性
  • 入力回路
  • Low-Pass Filter
  • 取付方法
  • アンチエイリアシング条件

にも依存します。

「1024 Hzで収録したから512 Hzまで正確」と自動的には判断できません。

3. FFTの周波数刻みは解析時間で決まる

サンプルレートをfs、解析点数をNとすると、周波数刻みは概ね、

Δf = fs / N

です。

1024 Hzで収録した場合、

解析点数 解析時間 周波数刻み
1,024 1 s 1 Hz
4,096 4 s 0.25 Hz
8,192 8 s 0.125 Hz

となります。

窓を長くすれば周波数刻みは細かくなりますが、短時間だけ変化する現象を平均化して見ることになります。

スペクトルを比較するときは、少なくとも次をそろえます。

  • サンプルレート
  • 解析点数または解析時間
  • 窓関数
  • オーバーラップ
  • 平均化
  • DC成分の扱い
  • 振幅表示：Peak / RMS / Power / PSDなど

4. 時刻ずれは高周波ほど大きな位相差になる

2つの正弦波の測定時刻にΔtのずれがある場合、周波数fでの位相差は、

φ [deg] = 360 × f × Δt

です。

周波数 時刻差 位相差
100 Hz 50 µs 1.8°
1 kHz 50 µs 18°
1 kHz 5 µs 1.8°

この表の時間差は説明用です。MicroStrain製品の同期保証値を示すものではありません。

位相や伝達特性を比較する場合は、用途で許容できる位相差から必要な同期精度を決めます。

5. PC受信時刻とセンサーTimestampを分ける

USBやネットワークでは、OSや通信バッファによってパケット到着時刻が変動します。

複数機器を時間軸で比較するときは、可能であればセンサー側のTimestampを利用します。

特にCV7/GQ7では、MIP TimestampやPPS、GNSS Timeなどの仕組みがあるため、用途に合った時刻基準を選びます。

同じSensorConnect画面に波形が並んでいることだけでは、必要な精度で測定時刻が一致していることを証明できません。

6. CSVの空欄をすぐ欠損と判断しない

複数レートのデータでは、低レート項目が毎パケットに含まれない場合があります。

例えば、

  • Accel：100 Hz
  • Gyro：50 Hz

なら、100 Hzの時刻列へ展開したCSVでGyro側に空欄が見えることがあります。

確認順序は、

  1. 各チャンネルの設定レートを確認
  2. 有効値のTimestamp間隔を確認
  3. 元データとCSVを比較
  4. 本来存在するはずのTimestampだけが抜けているか確認
  5. 同時刻の通信状態・電源・機器状態を確認

です。

空欄をゼロへ置換してから原因を調べるのは避けます。

7. RMSはDC成分を含めるかで変わる

RMSは、

RMS = sqrt(mean(x²))

です。

平均値を含む信号と、平均値を除いた変動成分ではRMSが異なります。

例えば一定値1だけの信号なら、

  • DCを含むRMS：1
  • 平均を除いた変動成分のRMS：0

です。

振動のRMSを比較するときは、

  • 重力成分
  • DCオフセット
  • High-pass / Low-pass Filter
  • 評価帯域
  • 時間窓

をそろえます。

8. 保存容量を短時間データから見積もる

長時間計測では、収録前に保存容量を確認します。

理論上の数値データ量だけでなく、CSVでは、

  • 時刻
  • 区切り文字
  • 文字列表現
  • ヘッダー
  • メタデータ

が追加されるため、単純なサンプル数 × 4 byteより大きくなることがあります。

実際には短時間収録してファイルサイズを測り、予定時間へ比例換算する方法が確実です。

例：10分の実ファイルが200 MBなら、同条件で6時間は概算7.2 GBです。

空き容量には余裕を持たせます。

9. 異常傾向を比較するときの条件

FFTやRMSの増加だけから故障原因を一意に決めることはできません。

傾向監視では、

  • 同じ取付位置
  • 同じ軸方向
  • 同じ運転速度
  • 同じ負荷
  • 同じ温度条件
  • 同じサンプルレート
  • 同じ解析帯域
  • 同じRMS / FFT条件

で比較します。

条件が違うデータを比較する場合は、その差を記録して判断します。

解析前チェックリスト

  • [ ] 単位を確認した
  • [ ] センサー・入力レンジが飽和していない
  • [ ] 使用している時刻の意味を確認した
  • [ ] サンプル間隔を確認した
  • [ ] 欠損・空欄の意味を確認した
  • [ ] フィルター条件を記録した
  • [ ] 解析区間を記録した
  • [ ] FFT条件を記録した
  • [ ] RMSでDCを含めるか決めた
  • [ ] 比較する運転条件をそろえた

参考資料

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原典リンク

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