智能检测技术ch1 ppt课件

机电工程学院 机械与电子工程系 祁 广 利,智能检测技术,课 程 内 容,测试技术的概念、测试系统的构成,智能检测系统的组成及基本原理,智能检测技术的典型应用及发展,测试系统的特性、信号分析基础等,智能传感器、数字信号处理技术等,基于视觉的图像检测技术、虚拟仪器技术等,课 程 目 录,第1章 测试技术概述 第2章 数字信号处理技术 第3章 智能传感器 第4章 虚拟仪器 第5章 图像检测技术,第1章 测试技术概述,1.1 测试技术基本概念,1.1.1 什么是测试技术？,测试技术（Measurement and Test Technique） 是测量和试验技术的统称。 测试的基本任务： 获取有用的信息，即借助专门的设备、仪器、设 计合理的实验方法与必需的信号分析及数据处理，获 得与被测对象有关的信息，最后将结果进行显示或输 入到其它信息处理装置、控制系统。,温度如何测出来？,1.1 测试技术基本概念,1.1.2 一个测试过程如何进行？,被测对象,输入 信号,输出 信号,观察者,显示结果：刻度线,敏感元件： 酒精、水银,1.1 测试技术基本概念,1.1.2 一个测试过程如何进行？,传感器,中间变换器,显示记录装置,1.1 测试技术基本概念,1.1.2 一个测试过程如何进行？,装置：,中间变换器变换、分析、处理信号,显示记录装置显示、记录测试结果,非电量的电测法,1.1 测试技术基本概念,1.1.3 测试系统的组成,信号：被测量,传感器感知并转换信号,注 意 输出量与输入量之间应保持线性关系。 尽量减少或消除各种干扰。,1.1 测试技术基本概念,1.1.3 测试系统的组成,1.1 测试技术基本概念,1.1.4 测试、测量和计量的概念,什么是测试？,测试是指具有试验性质的测量， 或测量和试验的综合。,1.1 测试技术基本概念,1.1.4 测试、测量和计量的概念,什么是测量？,测量是指以确定被测对象的量值 为目的而进行的实验过程。,1.1 测试技术基本概念,1.1.4 测试、测量和计量的概念,什么是计量？,计量是指为实现单位统一 和量值准确可靠而进行 的测量。,1.1 测试技术基本概念,1.1.5 测量方法,直接测量,间接测量,组合测量,直接通过 测量仪器 得到被测量 的值,根据已知 函数关系， 通过直接测量值 计算出 被测量的值,被测量与 可测量之间 按已知关系 组合成一组方程 （函数关系）， 通过解方程组 得到被测量 的值,1.1 测试技术基本概念,1.1.6 测量误差,什么是测量误差？,测量误差=测量结果真值,1.1 测试技术基本概念,1.1.6 测量误差,测量误差分类,系统误差,粗大误差,随机误差,1.1 测试技术基本概念,1.1.6 测量误差,误差表示方法,绝对误差,引用误差,相对误差,分贝误差,绝对误差=测量结果-真值,相对误差=绝对误差真值,引用误差=绝对误差引用值,分贝误差=20lg（测量结果真值）,1.1 测试技术基本概念,1.1.7 测量精度和不确定度,什么是测量精度？,测量精度是泛指测量结果的可信程度。,规范化术语： 准确度、精密度、正确度、不确定度,1.1 测试技术基本概念,1.1.7 测量精度和不确定度,测量精密度,测量正确度,测量准确度,表示测量 结果中 随机误差 大小的误差,表示测量 结果中 系统误差 大小的程度,表示测量 结果和 被测量 真值之间 的一致程度,测量不确定度,表示对 被测量 真值所处 量值范围 的评定,1.1 测试技术基本概念,1.1.7 测量精度和不确定度,不确定度,A类分量,用统计方法算出来,B类分量,根据经验或其他信息估计出来,1.1 测试技术基本概念,1.1.8 测量结果的表达方式,测量结果=样本平均值不确定度,在直接测量的情况下， 不确定度可用样本平均值的 标准偏差来表征。,1.1 测试技术基本概念,1.1.8 测量结果的表达方式,数学公式：,1.2 信号分析基础,1.2.1 信号的定义与分类,什么是信号？,蕴含着信息 且能传输信息 的物理量,1.2 信号分析基础,1.2.1 信号的定义与分类,1.2 信号分析基础,1.2.1 信号的定义与分类,1、确定性信号与随机信号（非确定性信号） 可以用明确的数学关系式或图表描述的信号称为确定性信号，反之，不能用数学关系式或图表所描述的随机过程的信号称为随机信号。,随机信号,1.2 信号分析基础,1.2.1 信号的定义与分类,1、确定性信号与随机信号（非确定性信号） 1）确定性信号又分为周期信号和非周期信号。,周期信号：经过一定时间可以重复出现的信号。 x(t)=x(t+nT),简单周期信号,复杂周期信号,1.2 信号分析基础,1.2.1 信号的定义与分类,准周期信号:由多个周期信号合成，但各信号频率不成公倍数。如：,1、确定性信号与随机信号（非确定性信号） 1）确定性信号又分为周期信号和非周期信号。,非周期信号：不会重复出现的信号。,瞬态信号:持续时间有限的信号，如：,1.2 信号分析基础,1.2.1 信号的定义与分类,1、确定性信号与随机信号（非确定性信号） 2）随机信号又分为平稳和非平稳随机信号。,噪声信号(平稳),1.2 信号分析基础,1.2.1 信号的定义与分类,2、连续信号与离散信号 信号数学表达式中的独立变量取值是连续的称为连续信号。若独立变量取值离散则称为离散信号。,模拟信号：独立变量和幅值均取连续值的信号。 数字信号：独立变量和幅值均取离散值的信号。,1.2 信号分析基础,1.2.1 信号的定义与分类,3、能量信号与功率信号,1）能量信号 在分析区间（-，）内能量为有限值的信号称为能量（有限）信号，满足条件：,一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号,1.2 信号分析基础,1.2.1 信号的定义与分类,3、能量信号与功率信号,2）功率信号 在分析区间（-，）内能量是无限值的，但在有限区间（t1，t2）平均功率有限的信号称为功率（有限）信号，满足条件：,一般持续时间无限的信号都属于功率信号,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,1、时域描述和频域描述的概念,直接观察或记录到的信号，一般是以时间为独立变量，反映的是信号幅值随时间的变化关系，因而称其为信号的时域描述。,数学表达式,图形,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,1、时域描述和频域描述的概念,时域描述存在问题：,为什么有的声音尖细？有的声音粗重？,一个振动的设备，振源如何寻找？,下面这个信号里还有其它频率吗？,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,1、时域描述和频域描述的概念,为了解决上述问题，人们借助于数学工具，将时域描述的信号转换到频域去，从另一个角度揭示信号的特征。,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,1、时域描述和频域描述的概念,若把信号变换成以频率为独立变量，由此来反映信号的频率结构和各频率成分与幅值、相位之间的关系，信号的这种描述方法称之为频域描述。,数学表达式,图形,幅频谱、相频谱须同时存在！,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,1、时域描述和频域描述的概念,例：大型空气压缩机传动装置故障诊断,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,时域：连续周期信号 傅里叶级数 频域：非周期离散信号,三角函数形式,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,时域：连续周期信号 傅里叶级数 频域：非周期离散信号,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,时域：连续周期信号 傅里叶级数 频域：非周期离散信号,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,时域：连续周期信号 傅里叶级数 频域：非周期离散信号,1次谐波,1、3次谐波,1、3、5次谐波,1、3、5、19次谐波,1、3、5、39次谐波,1、3、5、199次谐波,1、3、5、1999次谐波,叠加演示,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,时域：连续周期信号 傅里叶级数 频域：非周期离散信号,复指数函数形式,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,时域：连续周期信号 傅里叶级数 频域：非周期离散信号,偶对称,奇对称,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,时域：连续非周期信号 傅里叶变换 频域：非周期连续信号,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,时域：连续非周期信号 傅里叶变换 频域：非周期连续信号,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,连续周期信号 与 连续非周期信号的关系,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,时间尺度改变特性,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,时间尺度改变特性,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,时间尺度改变特性,规律： k1，时域压缩，频域扩展，幅值降低； k1，时域扩展，频域压缩，幅值升高。,对测试工作的意义： 时域压缩，提高了处理信号的效率。但频域信号频带加宽，对仪器设备通频带的要求也提高了。反过来，时域扩展，处理信号的效率会下降，但频域信号频带变窄，对仪器设备通频带的要求也降低了。,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,时移特性,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,时移特性,规律： 信号在时域 中平移，频域中 幅频谱不变，相 频谱（相位）会 变化。,相位改变量：,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,2、时域描述频域描述的转换,卷积性质,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,3、信号的运算关系,加减运算,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,3、信号的运算关系,乘法运算,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,3、信号的运算关系,平移运算,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,3、信号的运算关系,反褶运算,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,3、信号的运算关系,尺度变换,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,3、信号的运算关系,卷积运算图解法,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,3、信号的运算关系,卷积运算图解法,置换 反褶 平移,继续平移 结束,1.2 信号分析基础,1.2.2 信号的时域描述和频域描述,3、信号的运算关系,卷积运算图解法,1.3 测试装置基本特性,1.3.1 测试装置对输入信号的响应,* =, =,1.3 测试装置基本特性,1.3.1 测试装置对输入信号的响应,测试工作解决的问题,已知输入、输出，求系统特性。 已知输入、系统特性，求输出。 已知系统特性、输出，求输入。,测定未知装置的特性,检验、校准仪器装置,测出未知信号,1.3 测试装置基本特性,1.3.1 测试装置对输入信号的响应,对测试装置的要求,输入、输出必须是单值、确定的关系。 输入、输出必须是线性关系。 结论： 测试装置必须是线性系统！,1.3 测试装置基本特性,1.3.1 测试装置对输入信号的响应,测试装置和输入、输出信号之间的时域数学模型,1.3 测试装置基本特性,1.3.1 测试装置对输入信号的响应,线性系统频率保持特性,线性系统输出信号的频率与输入信号的频率保持一致。 对测试工作的意义： 由此即可判断出输出信号中只有与输入信号频率相同的部分才是由输入信号引起的输出，其它部分则可以认为是干扰信号引起的输出从而加以排除。,1.3 测试装置基本特性,1.3.2 测试装置的静态特性,测试装置测量静态量时表现出来的特性。,1.3 测试装置基本特性,1.3.2 测试装置的静态特性,测试装置静态特性描述指标： 线性度：线性度是指测试装置输出与输入之间保 持常值比例关系的程度。 灵敏度：灵敏度是用来描述测试装置对输入变化 的反应能力。灵敏度定义为：,1.3 测试装置基本特性,1.3.3 测试装置的动态特性,测试装置测量动态量时表现出来的特性。 时域数学模型： 问题：直接使用不方便，需要转换！,1.3 测试装置基本特性,1.3.3 测试装置的动态特性,测试装置测量动态量时表现出来的特性。 频域数学模型频率响应函数,频率响应函数是系统输出信号傅里叶变换与输入信号傅里叶变换的比值！,1.3 测试装置基本特性,1.3.3 测试装置的动态特性,测试装置测量动态量时表现出来的特性。 频域数学模型频率响应函数,幅频特性,相频特性,1.3 测试装置基本特性,1.3.3 测试装置的动态特性,测试装置测量动态量时表现出来的特性。 频域数学模型频率响应函数,意义：输出与输入信号的相位差！,幅频特性,意义：输出与输入信号的幅值比！,相频特性,1.3 测试装置基本特性,1.3.3 测试装置的动态特性,测试装置测量动态量时表现出来的特性。 频域数学模型频率响应函数,例：已知系统传递函数 ，若输入信 号为 ，求输出信号。 分析：输出信号的频率不变！ （频率保持特性） 问题：输出信号幅值、相位如何变？,1.3 测试装置基本特性,1.3.3 测试装置的动态特性,测试装置测量动态量时表现出来的特性。 频域数学模型频率响应函数,解：,1.3 测试装置基本特性,1.3.3 测试装置的动态特性,测试装置测量动态量时表现出来的特性。 频域数学模型频率响应函数,解：,1.3 测试装置基本特性,1.3.4 测试装置实现不失真测试的条件,一个能实现不失真测试的装置必然满足： 对上式去傅里叶变换，可得： 由此即得装置的频率响应函数为：,1.3 测试装置基本特性,1.3.4 测试装置实现不失真测试的条件,测试装置实现不失真测试必须满足的条件为： 1、幅频特性为一常值， 2、相频特性与频率呈线性关系，,1.4 智能检测技术的概况,1.4.1 检测技术的发展,发展历程： 机械式仪表 光学仪表 电动仪表 自动检测系统 智能仪器,1.4 智能检测技术的概况,1.4.1 检测技术的发展,20世纪80年代，检测仪器与微处理器结合诞生了智能仪器。 1981年Northwest仪器系统公司研制了第一台“个人仪表”85ascope数字滤波器。 1986年International Instrument公司开发了LabVIEW 1.0 软件工具。 20世纪90年代微机械加工导致了高度集成化的智能传感器（Smart Sensor）的出现。 人工智能原理和技术在检测技术中的应用，更进一步促进了检测技术的智能化。,1.4 智能检测技