第三章 检测技术

1、1.概述2.误差的概念3.检测系统的性能指标4.检测信号的放大5.检测信号的滤波6.检测信号的分析7.检测信号的变换8.检测系统的抗干扰技术机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术2机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术1. 概述A.检测的概念B.检测技术在科学技术领域中的地位C.检测技术的发展趋势3机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术A.检测的概念4机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术B.检测技术在科学技术领域中的地位l现代化的检测手段在很大程度上决定了生产和科学技术的发展水平。l检测技术是科学认知客观世界的手段。l在现代工程装备中，

2、检测环节的的成本已达到装备系统总成本的5070%。l随着科学技术的发展，对检测技术的要求越来越高。5机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术c.检测技术的发展趋势l采用新型信息处理方法l仪器与计算机技术的集成l硬件功能软件化l网络化l通用化与标准化6机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术2.误差的概念l什么是误差？在检测过程中，由于各种各样的原因必然使测量值与真实值之间存在一定的差值，这个差值称为测量误差l误差的表示方法绝对误差；相对误差绝对误差；相对误差l误差的类型系统误差；随机误差；粗大误差系统误差；随机误差；粗大误差7机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术

3、检测技术3.检测系统的性能指标l零点偏移量：零点偏移量：当输入量（x=0）时检测系统输出的数值。l灵敏度：灵敏度：是描述检测系统输出量对于输入量变化的反映能力。l分辨力：分辨力：表征检测系统能够有效辨别最小输入变化量的能力。l量程：量程：表征检测系统能够有效检测最大输入变化量的能力，其数值是检测系统示值范围上下限的模。a.a.静态特性参数：静态特性参数：8机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术l滞差：滞差：滞后误差的简称，反映了系统的输出对于输入的某种滞后现象。 l重复性：重复性：反映了检测系统的输入量按同一方向做全量程多次变化时，静态特性不一致的程度。l线性度：线性度：表示检测

4、系统静态特性对选定的拟合直线y=B+kx的接近程度。l准确度：准确度：检测系统的准确程度，俗称精度。l稳定性：稳定性：在规定的条件下和规定的时间内，系统保持不变的能力。l影响系数：影响系数：即指示值变化与影响量变化的比值。l输入输出电阻：输入输出电阻：一般来说，输入电阻越大越好，输出电阻越小越好。b.b.静态特性的性能指标：静态特性的性能指标：9机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术c.检测系统的动态特性及其性能指标检测系统的动态特性及其性能指标l微分方程：微分方程：一般来说检测系统的动态数学模型都采用常系数微分方程。l传递函数：传递函数：采用拉氏变换求解定常微分方程时得到的检测

5、系统在复频域的数学模型。l频率频率( (响应响应) )特性：特性：初始条件为时输出的傅氏变换与输入的傅氏变换之比，称为检测系统的频率特性。a)检测系统的动态数学模型10机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术B)检测系统的动态特性l频率特性：频率特性：将各种频率不同幅值相等的正弦信号，其输出正弦信号的的幅值、相位与频率之间的关系称频率特性。幅频特性，相频特性。0100)(tttul阶跃响应特性：阶跃响应特性：当给检测系统一个单位阶跃信号时，其输出信号称为阶跃响应。11机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术c)典型检测

6、系统的动态特性典型检测系统的动态特性l零阶系统的动态特性：零阶系统的动态特性：l一阶系统的动态特性：一阶系统的动态特性：l二阶系统的动态特性：二阶系统的动态特性：d)检测系统的动态参数检测系统的动态参数l频率特性及特征参数：频率特性及特征参数：l阶跃响应特性及特征参数：阶跃响应特性及特征参数：12机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术4.检测信号的放大放大性能指标：放大倍数、输入电阻、输出电阻、零位漂移。A.A. 基本放大电路基本放大电路B.B.弱信号放大电路弱信号放大电路C.C. 隔离放大器隔离放大器13机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术A.A.基本放大电路基

7、本放大电路a)a)运算放大器的性能指标：运算放大器的性能指标：电源电压引起的漂移、温度引起的漂移、时间引起的漂移、偏置电流、差电流、输入阴抗、失调电压、开环增益、额定输出、调整时间。b)b)反相比例放大器：反相比例放大器：c)c)同相比例放大器：同相比例放大器：d)d)差动放大器：差动放大器：e)e)交流放大器：交流放大器：14机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术B.B.弱信号放大电路弱信号放大电路a)a)仪器放大器：仪器放大器： 仪器放大器是一种闭环、差动输入的增益单元，用来精确地放大输入电压信号。 理想的仪器放大器理想的仪器放大器：（1）只放大两输入信号的差值，因而两输入端

8、之间及每个输入端对地之间均有极高的阻抗；（2）输出对地呈单端状态，且精确等于放大器增益乘以两输入电压之差；（3）具有无限大的输入阻抗且输出阻抗等于零，增益已知且可在外部设定，没有非线性误差，带宽无限，完全共模抑制，无直流漂移。机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术n特性：特性：输入阻抗 直流共模输入阻抗与增益无关，而直流差动输入阻抗是增益的函数；放大器的输出阻抗非零会产生增益误差，其大小与负载电阻有关。非线性误差 非线性误差（线性度）表示输出量与输入量的实际关系曲线偏离直线的程度。机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术共模抑制比、信号源阻抗不平衡、失调电压和漂移、输

9、入偏置电流和失调电流。机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术n增益的设定方法：增益的设定方法：一、外接电阻设定增益；二、引脚可编程设定增益；三、数字式可编程设定增益。n固定增益仪器放大器、引脚可编程增益仪器放大器。nB)信号放大电路实例：信号放大电路实例：18机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术c.c.隔离放大器隔离放大器a)a)仪器放大器的特性。仪器放大器的特性。除了具有一般放大器的特性之外，除了具有一般放大器的特性之外，它还具有三种特性：它还具有三种特性：l 共模电压和隔离模电压；共模电压和隔离模电压；l 共模抑制和隔离模抑制；共模抑制和隔离模抑制；l 隔离电

10、压。隔离电压。B)B) 光隔离放大器；光隔离放大器；c)c)电容隔离放大器；电容隔离放大器；d)d)变压器隔离放大器：变压器隔离放大器：二口隔离方式，三口隔离方式。二口隔离方式，三口隔离方式。19机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术5.检测信号的滤波A.A. 滤波器概述滤波器概述B.B.无源滤波器无源滤波器C.C. 有源滤波器有源滤波器D.D.集成电路滤波器集成电路滤波器20机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术A.A. 滤波器概述滤波器概述a)a)滤波器的类型：滤波器的类型：l 按处理信号的形式，可分为模拟滤波器和数字滤波器。l 按功能，可分为低通滤波器、高通滤

11、波器、带通滤波器、带阻滤波器、全通滤波器。l 按电路组成，可分为LC无源滤波器、RC无源滤波器、RC有源滤波器、开关电容滤波器。l 按传递函数的阶数，可分为一阶滤波器、二阶滤波器、高阶滤波器。21机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术I. I.特征频率：特征频率：l 通带截止频率：通带截止频率：是通带与过渡带边界点的频率，亦即信号增益的下限。l 阻带截止频率：阻带截止频率：是阻带与过渡带边界点的频率，亦即信号衰耗（增益的倒数）的下限。l 转折频率：转折频率：是信号功率衰减到1/2（约3dB)时的频率，常以此频率作为通带截止频率或阻带截止频率。l 固有频率：固有频率：是电路没有损耗

12、时滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。b)b)滤波器的主要性能指标滤波器的主要性能指标22机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术II.II. 增益与衰耗：增益与衰耗： 滤波器在通带内的增益并非常数。l 低通滤波器的通带增益一般指=0时的增益；高通滤波器的通带增益是指时的增益；带通滤波器的通带增益则是指中心频率处的增益。l 对于带阻滤波器，就给出阻带衰耗。l 通带增益变化量KP是指通带内各点增益的最大变化量，如果KP以 dB为单位，则是指增益dB值的变化量。23机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术III.III.阻尼系数与品质因数：阻尼系数与品质因数：l

13、阻尼系数是表征滤波器对角频率为信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。l 阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通滤波器频率选择特性的一个重要指标，其中，为带通滤波器或带阻滤波器的3dB带宽 ，0 为中心频率，在很多情况下，中心频率与固有频率相等。24机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术IV.IV.灵敏度灵敏度 滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度可用s表示，定义为： 滤波器的灵敏度与电路系统的灵敏度不是一个概念，滤波器的灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性越高。xdxydys25机车检

14、测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术b)b)无源滤波器无源滤波器I. I.RCRC低通滤波器：低通滤波器：26机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术II.II. RCRC高通滤波器：高通滤波器：27机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术I. I.一阶低通滤波器：一阶低通滤波器：c)c)有源滤波器有源滤波器28机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术II.II. 二阶低通滤波器：二阶低通滤波器：29机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术III.III.二阶带通滤波器：二阶带通滤波器：30机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检

15、测技术IV.IV.双双T T带阻滤波器：带阻滤波器：31机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术7.7.检测信号的变换检测信号的变换A.A. 电压电流变换电路。在微机检测系统中，传感器和检测电压电流变换电路。在微机检测系统中，传感器和检测电路之间的信号传输，采用统一的标准信号是很有益处的：电路之间的信号传输，采用统一的标准信号是很有益处的：l 在信号传输线中，直流不受感应影响，易于解决仪表的抗在信号传输线中，直流不受感应影响，易于解决仪表的抗干扰问题。干扰问题。l 直流不受传输线路的电感、电容及负荷性质的影响，不存直流不受传输线路的电感、电容及负荷性质的影响，不存在相位移的问题，使

16、接线简化。在相位移的问题，使接线简化。l 直流信号便于转换，因而检测系统都是以直流信号直流信号便于转换，因而检测系统都是以直流信号作为输入信号作为输入信号32机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术A) A) 0 010mA10mA的电压的电压/ /电流（电流（U/IU/I）变换器）变换器U/I变换器的作用是将电压变换为标准的电流信号，它不仅要求具有恒流性能，而且要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不超过允许值。33机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术b)b) 420mA20mA的电压的电压/ /电流（电流（U/IU/I）变换器）变换器420mA的直流恒电流，这

17、种统一标准信号广泛用于高可靠性的过程登记表中。在过程登记表中使用的压力、流量、温度、液位等传感器的输出几乎全部采用了直流420mA的标准统一信号。机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术3. 3.可编程可编程U/IU/I转换器转换器（1 1）AD694AD694的性能特点的性能特点输入电压范围宽；高精度；编程能力强；能单独调整偏置电流及满刻度值；能发出报警信号；单电源、双电源供电均可。35机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术（2 2）AD694AD694的工作原理的工作原理36机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术（3 3）AD694AD694的编程方

18、法的编程方法（4 4）AD694AD694的应用电路的应用电路37机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术二、有效值转换电路二、有效值转换电路1 1、有效值检测方法、有效值检测方法一个随时间变化的物理量y的有效值Y定义为：201=TYy dtTT该物理量变化的周期或指该物理量从加入到稳定指示所需要的时间。38机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术就电压有效值的测量而言，其方法有以下几种：就电压有效值的测量而言，其方法有以下几种：利用晶体二极管的特性曲线；利用真空热电偶具有较精确的抛物线特性来实现有效值的检测；采用计算机技术实现有效值检测；采用能实现有效值测量的专用集成

19、电路。39机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术2. 2.真有效值转换的基本原理真有效值转换的基本原理201( )TRMSUu t dtT对u依次进行“平方取平均值开平方”将上式两边平方，且令可得到真有效值的另一个表达式：2201( )Tu t dtavguT22=RMSRMSRMSavguuUavgUU40机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术4.AD7364.AD736真有效值转换器的原理与应用真有效值转换器的原理与应用（1 1）AD736AD736的结构及管脚功能的结构及管脚功能41机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术（3 3）AD736AD7

20、36的应用电路的应用电路42机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术43机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术8.8.检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术A. 干扰的产生。干扰的产生。B. 干扰的类型。干扰的类型。C. 噪声的形成及其抑制措施。噪声的形成及其抑制措施。D. 差模干扰和共模干扰。差模干扰和共模干扰。E. 干扰抑制技术干扰抑制技术44机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术A. 干扰的产生：干扰的产生：按照干扰的来源，可以把干扰分为按照干扰的来源，可以把干扰分为内部干扰和外部干扰两大类。内部干扰和外部干扰两大类。a)a)外部干扰：外部干扰：

21、与系统结构无关，由使用条件和环境因素所决定的干扰。l自然干扰：自然干扰：自然干扰产生的原因来自自然现象，如闪电、雷击、宇宙幅射、太阳黑子活动等，它们主要来自天空，因此，自然干扰主要对通讯设备、导航设备有较大影响。l电气设备干扰：电气设备干扰：各种电气设备所产生的干扰包括电磁场、电火花、电弧焊接、高频加热、可控整流等强电系统所造成的干扰。这些干扰主要是通过供电电源对测量装置和微机产生影响。此外，地磁场的影响以及来自电源的高频干扰也可视为外部干扰。45机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术b)b)内部干扰：内部干扰：是指装置内部的各种元件引起的各种干扰，包括固定干扰和过渡干扰。l固定

22、干扰：固定干扰：主要包括：电阻中随机性的电子热运动引起的噪声；半导体及电子管内载流子的随机运动引起的散粒噪声；由于两种导体材料之间的不完全接触，接触面的电导率不一致而产生的接触噪声；因布线不合理、寄生参数、泄漏电阻等耦合形成寄生反馈电流所造成的干扰；多点接地造成的电位差引起的干扰；寄生振荡引起的干扰等。l过渡干扰：过渡干扰：是指电路在动态工作时引起的干扰。46机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术B. 干扰的类型。干扰的类型。a)a)按产生原因分类。按产生原因分类。I. I.电和磁干扰：电和磁干扰：通过电路和磁路对检测系统产生干扰作用，电场和磁场的变化在检测装置的有关电路或导线中

23、感应出干扰，从而影响检测系统的正常工作。II.II. 机械干扰：机械干扰：是指由于机械的振动或冲击，使检测系统的电气元件发生振动、变形，使连接线发生位移，接头松动等。III.III.热干扰：热干扰：设备和元器件在工作时产生热量所引起的温度波动以及环境温度的变化，都会引起检测装置的电路元器件的参数发生变化。47机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术抑制热干扰的方法：抑制热干扰的方法：l热屏蔽：热屏蔽：把某些对温度比较敏感或电路中关键的元器件和部件，用导热性能良好的金属材料做成屏蔽罩包围起来，使罩内温度场趋于均匀和恒定。l恒温法：恒温法：例如，将石英晶体与基准稳压管等于精度有密切关系

24、的元件置于恒温设备中。l对称平衡结构：对称平衡结构：将两个与温度有关的元件牌对称平衡的电路结构两侧，使温度对两者的影响在输出端互相抵消。如差分放大电路、电桥电路等。l温度补偿元件：温度补偿元件：采用温度补偿元件以补偿环境温度的变化对电子元件或装置的影响。48机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术IV.IV.光干扰：光干扰：在检测装置中广泛使用各种半导体元件，但半导体元件在光的作用下会改变其导电性能，产生电势并引起阻值变化，从而影响检测装置正常工作。V.V. 湿度干扰：湿度干扰：湿度增加，会引起绝缘体的绝缘电阻下降，使漏电阻增加，或引起电介质的介电系数增加；吸潮后引起骨架膨胀使线圈

25、阻值增加，电感器发生变化；应片器受潮后发生粘贴，使胶质变软，精度下降等。VI.VI.化学干扰：化学干扰：酸、碱、盐等化学物品以及其他腐蚀性气体，除了其化学腐蚀性作用将损坏食品设备和元器件外，还能与金属导体产生化学电动势，从而设备的正常工作。49机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术VII.VII.射线幅射干扰：射线幅射干扰：例如。核辐射，可产生很强的电磁波，射线会使气体电离，使金属逸出电子，从而影响检测装置的正常工作。b)b)按干扰的传播方式分类。按干扰的传播方式分类。I. I.幅射干扰：幅射干扰：幅射干扰是一种通过空间以电磁波形式传播的电磁干扰。II.II. 传导干扰：传导干扰

26、：传导干扰是一种沿电源线、公共地线和互连电缆传输的电磁干扰。III.III.感应干扰：感应干扰：感应干扰是一种通过磁耦合在电路中形成的干扰。50机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术C. 噪声的形成及其抑制措施。噪声的形成及其抑制措施。a)a)噪声与信噪比：噪声与信噪比：l噪声：噪声：在检测仪表和检测系统工作的过程中，测量结果除了有用的电信号外，还会夹杂着一些无用的、有害的电信号，这些无用的电信号的总和就称为噪声。通常所说的干扰就是哭声造成的不良效应。l信噪比：信噪比：所谓信噪比，是指在信号通道中有用信号成分与噪声信号成分之比。信噪比越大，噪声的越小。因此，在检测装置中应尽量提高

27、信噪比。51机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术b)b)噪声电压的叠加：噪声电压的叠加：各种噪声源（干扰源）产生的噪声电压（或噪声电流），若彼此独立，互不相关，则总噪声功率等于各功率之和。c)c)噪声形成的三要素：噪声形成的三要素：l噪声源。噪声源。l对噪声敏感的接收电路。对噪声敏感的接收电路。l噪声源至接收电路之间的传输途径。噪声源至接收电路之间的传输途径。52机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术d)d)典型的噪声干扰及其抑制措施。典型的噪声干扰及其抑制措施。（1 1）静电电容耦合：）静电电容耦合：静电电容耦合是由于两个电路之间存在寄生电容，产生静电效应，使一

28、个电路的电荷发生变化影响到另一个电路。53机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术（2 2）电磁耦合：）电磁耦合：是电磁耦合（电感性耦合）是由于电路之间存在互感，使一个电路的电流发生变化，通过磁交变影响到另一个电路。54机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术（3 3）共阻抗耦合：）共阻抗耦合：共阻抗耦合是由于两个电路间有公共阻抗，当一个电路中有电流流过时，通过共阻抗便在另一个电路上产生干扰电压。55机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术（4 4）漏电流耦合：）漏电流耦合：由于绝缘不良，流经绝缘电阻的漏电流作用于有关电路引起的干扰，称为漏电流耦合。56机车

29、检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术D. 差模干扰和共模干扰：差模干扰和共模干扰：根据噪声进入测量电路的方式以及与有用信号的关系，可将噪声干扰分为差模干扰和共模干扰。a)a)差模干扰：差模干扰：n 所谓差模干扰，就是指在输入通道中与信号源串联的干扰，其特点是干扰信号与有用信号按电势源的形式相串联。n 形成差模干扰的原因可归结为长线传输的互感、分布电容的相互干扰以及50Hz的式频干扰等。57机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术b)b)共模干扰：共模干扰：n 共模干扰：共模干扰：是指检测电路的两个输入端双重接地后两地之间出现电位差，共模干扰电压是指检测电路的两个输入端与

30、地之间的电压。n 共模干扰对检测系统的影响：共模干扰对检测系统的影响：1、共模干扰电压是转化成差模干扰电压后才对检测仪表产生干扰作用；2、共模干扰电压的干扰作用与电路对称程度有关。n 共模抑制比：共模抑制比：共模干扰对检测装置的影响程度，取决于共模干扰电压转化成差模干扰的大小。故引入共模抑制比这一重要概念。共模抑制比愈高，检测电路对共模的抑制能力就愈强。58机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术E.E.干扰抑制技术干扰抑制技术l前面已经分析到：前面已经分析到：噪声对检测装置及检测系统形成干扰需要同时具备三个要素，因此，消除和减弱噪声干扰的方法亦针对这三项要素采取措施。l消除或抑制

31、干扰源。消除或抑制干扰源。l阻截干扰传递途径。阻截干扰传递途径。l削弱接收电路对噪声干扰的敏感性。削弱接收电路对噪声干扰的敏感性。59机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术a)a)屏蔽技术：屏蔽技术：利用铜或铝等低电阻材料制成的容器，或者利用导磁性良好的铁磁材料制成的容器，将需要防护的部分（如干扰源）包围起来，称为屏蔽。I. I.静电屏蔽：静电屏蔽：是根据静电学原理，即在静电平衡的状态下，导体内部各点等电位，导体内无电势，故采用导电性能良好的金属作屏蔽盒，并将它接地，则屏蔽盒内的电势不会影响屏蔽盒的外部，同时屏蔽盒外部的电势也不会穿透屏蔽盒进入屏蔽盒内部。II.II. 电磁屏蔽：电磁屏蔽：电磁屏蔽主要是抑制高频电磁场的干扰，即采用导电性能良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频电磁场能在金属屏蔽层内产生涡流，再利用涡流产生的反磁场来抵消高频干扰磁场，从而达到屏蔽的目的。60机车检测与故障诊断技术机车检测与故障诊断技术检测技术II