第一章 检测技术基础(2014-9).ppt

1、现代检测理论与技术课程安排,总课时：36学时 2-10周上课（1次课程作业），11周考试 参考书：检测技术 前续课程：信号与系统、控制理论,1 检测技术基础,2 传感器与信号变送,3 连续信号处理,4 离散信号处理,5 信号处理方法在检测中的应用,6 智能化检测技术（上）,7 智能化检测技术（下）,第一章 检测技术基础,1.1 检测技术的基本问题 1.1.1 信号检测与处理 1.1.2 检测技术的工程背景 1.1.3 对检测的要求和方式 1.1.4 干扰对检测的影响,1.3 信号分类与特征 1.3.2 周期信号特征 1.3.3 非周期信号特征 1.3.4 随机信号特征,1.2 系统 1.2.1

2、 系统的划分 1.2.2 工程系统 1.2.3 线性定常系统,1.4 误差与误差处理 1.4.1 误差问题 1.4.2 随机误差处理 1.4.3 系统误差处理,1.1 检测技术的基本问题,“检测技术”的含义： 寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号，确定被测量与显示量二者之间的定性、定量关系，并为进一步提高测量精度、改进实验方法及测量装置性能提供可行依据的整个过程。 检测包含了：测量(Measurement)、测试(Test)和计量(Metrology)。,1.1 检测技术的基本问题,1.1.1 信号检测与处理 1.1.2 检测技术的工程背景 1.1.3 对检测的要求和方式 1.1.4

3、 干扰对检测的影响,1.1.1 信号检测与处理,（1）获取通过仪器（传感器）直接获取外部信号（硬测量）；通过函数 关系或数学模型计算，间接获取外部或内部信号（软测量）。,（2）变换物理变换（如：非电信号电信号，交流信号直流信号）； 数学变换（映射，如：连续信号时域频域）。,（3）传输接收与发送信号（如：控制系统信号传输，有线与无线信号传 输）。,（4）加工以不改变原信号的全部信息为前提，实现特定的目的（如：模 拟信号的调制与解调；数字信号的编码与解码）。,1.1 检测技术的基本问题,（5）控制实现特定的控制任务，获得控制所需的参数或状态的估计与 预测。,1.1 检测技术的基本问题,例：电动机转

4、速测量（信号获取）,非电量电测，测速发电机,数字化测量，位置或速度编码器,间接测量，转速与频率关系,模型测量,智能化测量，人工神经网络模型,1.1 检测技术的基本问题,例：过程控制系统（信号变换）,1.1 检测技术的基本问题,例：高压传输线电流检测（信号加工）,1.1 检测技术的基本问题,例：远程监控系统（信号传输）,集装箱装卸设备远程监控,1.1 检测技术的基本问题,网络化岸船远程机舱状态监控,2）被测信号分类,电信号以电(磁)量形式表示的信号，对这类电信号的处理最为方便,非电信号除电信号之外的一切其它形式的信号,电工量电特性参数（电压、电流、阻抗等） 磁特性参数（磁场强度、磁通密度等）,1

5、.1 检测技术的基本问题,热工量热工参数（温度、压力、流量、液位等）,机械量机械运动参数（位移、速度、加速度、振动等）,物性和成分量物质参数（物质密度、气体（液体）浓度、湿度等）,状态量控制系统变量参数,（最后的信号处理都以电信号或数字信号进行）,1.1.2 检测技术的工程背景,检测目的,（1）计量： 静态计量（电子秤）；动态计量（核子秤、电度表）；远程计量（远程抄表）。,（2）测控： 信号处理的复杂程度越来越高；非电量的电检测方法越来越成熟（随自动化程度的提高而提高）。,（3）状态监测与故障诊断： 基于信号处理的方法（时域分析、频域分析）；基于解析模型的方法（状态估计、参数估计）；基于知识的

6、方法（专家系统、模式识别、神经网络、模糊逻辑）。,1.1 检测技术的基本问题,1.1 检测技术的基本问题,例：散状物料动态连续计量系统通过检测射线强度来检测物料的瞬时流量和累计量（涉及到环境效应、输送机效应等问题）。,射线穿透物料后的强度变化规律,输出信号与射线强度成正比,射线穿透物料后的强度变化规律,瞬时流量,累计量,（1）计量：,1.1 检测技术的基本问题,（2）测控：,多变量分布式系统,1.1 检测技术的基本问题,例：起重机械的起重量检测可以测重力、压力、力矩、电流（信号中混入各种噪声：振动、碰撞、传感器偏载漂移蠕变、速度与加速度的惯性力）,测重力,测压力,测电流,测力矩,1.1 检测技

7、术的基本问题,例：电力系统谐波检测,瞬时功率理论,傅氏变换,1.1 检测技术的基本问题,对N点序列，其DFT变换定义为,将序列按奇、偶分成两组进行傅氏变换，可以大幅降低运算量,傅氏变换,1.1 检测技术的基本问题,瞬时功率理论,将静止坐标变换为以工频旋转的旋转坐标(p-q)，在此坐标上三相交流电的工频波完全可以看作是一直流波，而高于基波的一切谐波均可以通过一低通滤波器而加以滤除。,1.1 检测技术的基本问题,PLL是锁相环，产生旋转因子sinwt和coswt；,C是3/2旋转变换，C-1逆变换,LPF是低通滤波器,iaf ibf icf是基波电流，iah ibh ich是谐波电流,1.1 检测

8、技术的基本问题,例：输送机跑偏状态监测（基于模式识别处理方法）,输送机跑偏的模式特征矩阵,跑偏长度值与初始位置,跑偏最大值与发生位置,跑偏平均值与强度,1.1 检测技术的基本问题,例：钢丝绳缺陷损伤诊断（基于信号处理方法）,（3）故障诊断：,当外磁场不为零时，根据激励电流的谐波幅值可以获得相应的外磁场信号，但各次谐波中以二次谐波分量为最大,当二个磁通门元件差动连接时，对于差模信号,对于共模信号,1.1 检测技术的基本问题,1.1.3 对检测的要求和方式,1）检测方式,（1）直接检测将被测量与标准量直接比较，或用事先刻度好的测量仪器 进行测量（传感器）,（2）间接检测已知被测量按某种函数关系与几

9、个便于测量的量相联系， 通过函数关系求得被测量,（3）组合检测被测量有多个且能以某些可测量的不同组合形式表示时， 先通过直接或间接测量，再通过联立方程求解,（4）模型检测软测量,2）检测方法,（1）直读直接读取信号值（干扰小，精度要求不高）,1.1 检测技术的基本问题,（2）比较将被测量与标准量通过比较器进行比较,（3）函数关系,（4）数学模型,1.1.4 干扰对检测的影响,（1）干扰源性质： 自然干扰宇宙干扰、无线电干扰、静电干扰 人为干扰非自然干扰的其他干扰,1.1 检测技术的基本问题,（2）干扰的三要素： 干扰源、接收器(传感器)、传输的介质,（3）传输途径 传导 辐射,（4）减少干扰的

10、方法： 从三要素着手,1.2 系统,系统是指由相互关联、相互制约、相互作用的一些部分组成的具有某种特定功能的有机整体。系统具有如下的普通性质：,1.2 系统,1.2.1 系统的划分 1.2.2 工程系统 1.2.3 线性定常系统,整体性表现为系统具有其组成部分所没有的整体功能。 关联性表现为系统在空间上的层次结构。 动态性系统的状态和结构在时间上的演化趋向（控制律）。 有序性指时空结构的有序性（时间上的不可逆性）。 预决性表现为在一定条件下系统从无序到有序从有序到无序的演化规律。,1.2 系统,例：集散（分布式）控制系统,1.2 系统,1.2.1 系统的划分,（1）自然系统与人造系统,（2）实

11、体系统与概念系统（哲学体系、布尔代数、欧氏几何）,（3）物理系统与非物理系统（非物理系统包括社会系统、经济系统等）,（4）开放系统与封闭系统（开放系统与其环境进行交换）,（5）动态系统与静态系统,（6）确定性系统与非确定性系统（随机系统、模糊系统）,（7）简单系统与复杂系统（元素多、种类多、关系复杂、多层次）,1.2 系统,1.2.2 工程系统,工程系统是一个：人造的、实体的、物理的、开放的、动态的、相对简单的确定性或非确定性系统。,（1）连续系统（系统的输入/输出都是连续时间信号）与离散系统,（2）线性系统（满足叠加原理）与非线性系统,（3）定常系统（系统的参数不随时间变化）与时变系统,（4

12、）集中参数系统（RLC元件）与分布参数系统（传输线、波导管）,（5）单变量系统（传递函数描述）与多变量系统（状态空间描述）,（6）开环系统与闭环系统（输出量返回到输入端、提高测控性能）,1.2 系统,例：集散（分布式）控制系统,1.2.3 线性定常系统,系统的特性不随时间变化，由常系数线性微分方程或差分方程描述这类系统。线性定常系统的基本特性：,1.2 系统,（2）时不变性,（3）微分特性,（4）因果性 激励（原因）产生响应（结果），无预测能力，无记忆能力。,（5）响应的分解特性 全响应=零输入响应+零状态响应,1.3 信号分类与特征,1.3 信号分类与特征,1.3.1 信号分类 1.3.2

13、周期信号特征 1.3.3 非周期信号特征 1.3.4 随机信号特征,1.3 信号分类与特征,1.3.1 信号分类,（1）连续信号信号在时间与空间上均连续（模拟信号）； 信号在时间上连续，但在空间上不连续（分段信号）。,1）连续信号与离散信号,1.3 信号分类与特征,（2）离散信号信号在时间上不连续，但在空间上连续（采样信号）； 信号在时间与空间上均不连续（数字信号）。,1.3 信号分类与特征, RLC电路（连续、模拟信号）； A/D转换器（离散、数字信号） 计算机测控系统（混合信号）,1.3 信号分类与特征,（1）确定性信号（能用数学关系式或图表精确描述的信号）,2）确定性信号与非确定性信号,

14、非周期信号,1.3 信号分类与特征,（2）非确定性信号随机信号（或然），模糊信号（似然）,随机信号信号以概率分布形式出现，服从一定的统计规律 （工程测控系统中大量出现）,平稳随机信号统计特征不随时间推移而变化的随机信号,各态历经信号时间平均概率为1地等于空间平均(遍历性),非各态历经信号时间平均不等于空间平均,非平稳随机信号统计特征随时间推移而变化的随机信号,模糊信号信号以隶属形式出现，服从一定的模糊规律,1.3 信号分类与特征,1.3 信号分类与特征,1.3.2 周期信号特征,一般周期信号可以表示为由无穷个不同频率的谐波信号叠加而成，即表示为傅氏级数：,1.3 信号分类与特征,频谱是构成信号

15、的各频率分量的集合，它完整地表达了信号的频率结构，从而揭示了信号的频率信息。,1）频谱特征,相位频谱,通过滤波器可以把希望的信号提取出来，把不希望的信号抑制掉。,2）强度特征,均值,有效值,平均功率,1.3 信号分类与特征,1.3.3 非周期信号特征,非周期信号可以看成是由某个周期信号当周期为无穷大时转化而来，可以表示为傅氏积分形式：,一般X(w)是实变量w的复函数，可写成：,1.3 信号分类与特征,1）频谱特征,2）强度特征,相位频谱,1.3 信号分类与特征,1.3.4 随机信号特征,工程上所遇到的随机信号具有各态历经性。有些虽不是很严格的各态历经过程，但也可以近似地作为各态历经过程来处理。

16、,方差,均方值,1）均值、方差、均方值,三者关系,1.3 信号分类与特征,关于空间平均概率为1地等于时间平均的解释,1.3 信号分类与特征,2）概率密度函数,3）协方差与相关函数,协方差函数,相关函数,1.3 信号分类与特征,非奇非偶，次序不能颠倒,相关系数,偶函数,相关系数,若x(t)为周期信号，则,1.3 信号分类与特征,4）功率谱密度函数,令t=0，有,若x(t)为一能量有限信号 ，则,因此有,即自功谱是幅值谱的平方。故自功谱的谱峰比幅值谱更陡峭，这对识别信号中的周期成分及提高频率分辨能力很有用。对互功谱可作同样的定义，互功谱可以识别部分噪声干扰。,1.4 误差与误差处理,1.4 误差与

17、误差处理,1.4.1 误差问题 1.4.2 随机误差处理 1.4.3 系统误差处理,1.4 误差与误差处理,1.4.1 误差问题,（1）误差：某量值的给出值与其客观值之间的差异称之为误差,1）误差及误差公理,（2）误差公理：误差自始自终存在于一切科学实验之中 在足够多次的测量中遇到正的或负的随机误差的机会是相等的； 小误差比大误差遇到的机会更多一些。,（1）系统误差保持一定大小或按一定规律变化的误差。,2）误差类型,（2）随机误差误差不存在任何确定性规律，但可以寻找到统计规律。,（3）疏忽误差由于人员的疏忽、操作不当或条件突然变化等引起。,（1）准确度测量值与真值接近的程度。,3）反映误差的量

18、值,（2）精密度对同一输入量多次测量，其各测量值之间的接近程度。,（3）精确度反映随机误差和系统误差综合影响的程度。,1.4 误差与误差处理,1.4.2 随机误差处理,（1）均值、方差与标准差 在相同条件下，对某被测量X进行无限次测量x1,x2,，构成了一个正态分布总体。,1）直接测量随机误差,性质,实际上N只能取有限值,方差,标准差,1.4 误差与误差处理,（2）测量数据检验及坏值剔除 坏值剔除方法：物理判别法；统计判别法。,统计判别法的基本思路：给定一个置信概率和一个置信区间，凡超过该界限的误差就认为是疏忽误差，应予以剔除。,1.4 误差与误差处理,3s准则（拉依达准则）,其残差|xk-m|3s落在3s以外的概率为0.27%，约为1/370。在370次测量中才有可能出现一次的小概率事件。故认为此为疏忽误差。,1.4 误差与误差处理,2）间接测量随机误差,（1）误差分配原则 等分原则适用于线性综合； 加权原则各部分设置不同的权重，权值应满足归一化要求。,1.4 误差与误差处理,（2）代数综合 利用间接测量的线性误差传递公式进行误差综合,（3）均方根综合,1.4 误差与误差处理,1.4 误差与误差处理,1.4.3 系统误差处理,（1）残差法根据残差曲线，观察是否为线性误差，周期性误差，或者二 者兼有,1）系统误差判别方法,（2）正态