安全检测技术(第2版)1685

第1章绪论1.1安全生产技术

1.2安全检测技术

1.3安全检测技术的发展

1.1安全生产技术

1.1.1我国安全生产现状目前，我国正处于经济的转型期，随着我国工业化和市场经济的快速发展，我国安全生产特大事故发生的概率也在增加。近几年，发生一次死亡10人以上的特大事故都在120起以上，死亡人数约2500人；发生一次死亡30人以上的特别重大事故15起，平均每月发生1起。2003年全国共发生一次死亡10人以上特大事故129起，死亡2562人；发生一次死亡30人以上的特别重大事故15起，死亡825人。特别重大事故由于伤亡人数多，经济损失重大，在国内外造成了重大的社会影响。

2001年，广西南丹县龙泉矿冶总厂所属拉甲坡矿发生透水事故，造成81人死亡，直接经济损失8000多万元；2002年，黑龙江鸡西矿务局城子河煤矿发生瓦斯爆炸事故，造成124人死亡，直接经济损失984万元；2003年12月23日，中国石油天然气总公司四川管理局重庆钻探公司西北气矿发生特大井喷事故，造成243人死亡，上万人住院就诊，经济损失巨大；2004年11月28日陕西陈家山发生的我国煤矿40多年一遇的特大瓦斯爆炸事故调查还未完结，2005年大年初六，相隔不到3个月又发生了辽宁阜新孙家湾213人死亡的特大矿难……使这类事故又有了新的突破。煤矿、道路交通、建筑、危险化学品等领域伤亡事故多发的状况尚未从根本上扭转。安全事故频繁发生，对人民群众的生命与财产造成了重大的损失。

党和政府一贯高度重视安全生产工作，并出台了《安全生产法》。党的十六大提出要“高度重视安全生产，保护国家财产和人民生命的安全"。安全生产是社会文明和进步的重要标志，是国民经济稳定运行的重要保障，是坚持以人为本安全理念的必然要求，是坚持人与自然和谐发展的前提条件，是全面建设小康社会宏伟目标的重要内容。尽快改变我国安全生产科技相对落后的局面，为安全生产提供足够的技术支撑和保障，已成为我国科技界的共识。发展和提高我国的安全检测技术水平，识别各种危险源和确定事故隐患分布，有效控制事故与灾害的发生，将直接影响我国经济的可持续、健康发展和全面建设小康社会目标的实现。

1.1.2我国安全生产科技的主要差距

(1)安全生产科学理论需要不断发展安全科学理论是发展安全科技的基础，超前的科学理论能够有效地指导安全科技研究和安全生产工作实践。我国的安全科学最早是从劳动保护工作中发展起来的。长期以来，在人们的观念中，安全是一种常识，既没有科学的认识，也没有学科的地位。到目前为止，安全科学的学科性质、研究对象、研究范畴还没有统一的认识，与相关学科和专业的关系也还没有理清,在高层次的科学研究领域更没有纳入到资助的范围。因此，安全理论的发展应该放到“科技兴安”战略地位。

(2)危险源辨识、风险分析和风险评估技术需要不断完善

风险辨识、评价和控制的技术和方法是安全科学技术中的前沿课题之一。我国对高危行业的特种设备和一些涉及生命安全的危险装置受先天制造质量和后天维护技术水平等因素制约，存在诸多缺陷，但由于受到综合国力的制约，不可能像发达国家那样进行定期报废和更新，又由于缺乏适合于我国国情的检验检测、安全评估、寿命预测和基础数据库，造成各类潜在危险的大量存在，缺乏有效的预控手段。

(3)安全检测、危险源监测和灾害事故预警要逐步建立危害检测和危险监控是事故预防的基本技术手段，现代化生产迫切需要发展在线、智能化检测监测技术和手段。发达国家已有先进技术对关键装备、大型承压设备和危险装置进行在线检测，对埋地燃气管道腐蚀与泄漏实施不开挖在线检测监测，但我国在这方面的研究却刚刚起步甚至基本上是空白。生产装置除有良好的安全监测技术外，还建立完善、严格的机械完好性保证制度，以预防性检修为准则，很少发生现场泄漏问题,而我国大多数企业仍采用坏了才修的原则，现场跑冒滴漏严重，既造成环境污染，又潜存事故隐患。对矿山等的自然灾害预测、预警和监测技术，我国普遍存在着技术相对落后、使用面不宽、传感器种类少、稳定性差、使用寿命短等问题，与发达国家存在相当大的差距。

(4)风险控制和灾害事故防治技术要不断更新风险控制是实现系统安全的最终目的。在针对危害识别和风险评价提出的危险、事故隐患，采用先进的防治技术进行有效的风险控制方面和研究重大突变事故的预防措施方面的研究远远不够，要形成体系还需要相当长的时间。矿山煤层与瓦斯突出、冲击地压、地热等自然灾害的治理缺乏有效的技术和必要的理论支撑，煤层的瓦斯抽放还缺乏有效的手段，矿井通风的可靠性也缺乏有效的保证。

(5)应急救援技术能力和水平要不断提高科学的事故防范体系不仅要有预防的措施，还需要有应急的对策。在危险化学品应急救援方面，我国还仅仅停留在化学品登记、物化性质咨询方面，对应急救援技术与装备的研究开发差距很大；在特种设备应急救援方面，尚未建立起应对各类特种设备恶性事故应急救援系统及有效的应急抢险装备；在矿山、交通、建筑、电力供应等方面，普遍存在着对重大突发性灾害应急预案缺乏深入的研究，很难有效实施；全国各级各类应急救援力量缺乏有效整合，尚未建立协同作战机制。而发达国家目前已有完整的体系，特别在城市公共安全应急救援方面，技术装备先进，应急机制健全。

(6)事故调查分析处理要不断改善事前预防、事中应急、事后补救是安全保障的基本方法体系。发生事故后的科学调查处理是事后补救的基础。我国在事故调查分析的组织、目的、程序以及相关的技术手段等方面与发达国家差距很大。必须改变重大事故发生后只重视责任原因，而忽视本质和预防原因的调查。

(7)安全技术标准体系需要不断完善，并改善其科学性和有效性安全技术标准是发挥安全科技功能的支持条件。目前我国安全技术标准缺口大，已有标准的科技含量低，大多缺少详细的安全技术设计要求,与发达国家的差距很大，要与国际安全技术标准接轨还有大量工作要做。

(8)安全信息管理技术需要加强和提高安全信息是科学决策和管理的基础。要利用先进管理理论和现代信息技术，通过互联网连接各种静态、动态安全信息，资源共享，实现国家安全生产的动态监管，提高时效性、准确性。

(9)安全生产科技投入有待加强安全科技的投入水平既是国家经济实力的体现，同时也是社会管理者意识的表现。安全生产科技工作作为以社会公益性为主导的事业，我国的投入水平与发达国家相比存在巨大差距，需要建立多元化的安全科学投入机制。

1.1.3生产安全科技的现状与发展趋势

1.发达国家发达国家主要依靠自动化的检测与控制技术、预警技术，严格的预警机制以及规范的管理保证生产的安全进行，其先进的危险辨识技术、评估技术和软件已广泛地应用于企业安全管理当中。在危险辨识和风险评估方面，发达国家的大公司普遍开发了先进的危险辨识、评估技术和相关软件，并广泛应用于企业生产的安全管理之中。利用风险分析软件，建立电脑数据分析模型，纳入预警系统，确定公司设施的设计和运行中存在的严重环境缺陷，并进行校正。几十年前就已开展特种设备安全检测、评估、寿命预测和风险评估技术方面的研究，建立了大量的基础数据库。

在危险源监测、预警方面，发达国家已有先进的技术和设备可以对大型承压设备、储罐进行在线检测，对埋地燃气管道腐蚀和泄漏实施不开挖在线检测监测，红外成像技术和激光扫描技术也已应用于天然气管道的泄漏检测之中。在灾害事故防治方面，发达国家的大公司通过采用先进的防雷防静电和抑爆等安全技术，已基本控制重、特大灾害事故，研究重点正逐步转移到创造安全健康的工作环境。在安全生产信息化方面，已普遍利用现代网络化技术建立先进的信息管理系统，实现了统一管理、数据规范和资源共享。

2.我国近年来，我国的安全生产科技也得到了较大的发展，具备了一定的规模，管理水平不断提高，成为我国科技事业的重要组成部分，对推动安全生产事业的发展起到了重要作用。安全生产信息化、产业化高速发展。信息技术的突飞猛进和安全监测、监控的重要性，促进了各类传感器、数据传输技术、信息接口和GIS、GPS技术在安全生产领域的大量应用，提高了安全生产信息化水平。

3．发展趋势发达国家主要依靠自动化安全检测与控制技术、预警技术，严格的预警机制以及规范的管理保证生产的安全进行，先进的危险辨识技术、评估技术和软件已广泛应用于企业安全管理。我国主要以日常监督为主，安全生产监测、监控自动化程度较低，预警及应急技术刚刚起步。

1.1.4生产安全关键技术

1.灾前抑制当热量过分集中于某一客体，并且超过其所能承受的能量阈值时，将引发重大的事故或灾害。如果不断聚集的热量作用于可燃物，可能导致火灾或爆炸；作用于非可燃物，则可能因局部过热受到破坏，而引发事故。灾前抑制措施可以感知外界的异常，并通过自身变化弥补或消除热量等能量意外集中释放的变化，达到最大程度的抑制事故发生的目的。其抑制作用可以持续到事故已经发生、发展阶段，起到延缓进程，保护结构不受损的作用。

2.前兆检测由于很多火灾、爆炸等事故是因为物体过热或热量相对集中造成的，根据事故前所表现出来的温度或热特性，已经形成很多检测设备，例如热像技术以其独有的方便直观等特点被广泛应用。一般材料的破损缺陷会直接导致热或能量的异常集中分布，所以超声波等材料的缺陷检测技术对事故前兆检测也是极其重要的一环。

3.早期监测由被动式的抗灾技术向新一代的主动式防治技术转变的关键是以智能监测技术为核心，结合灾前抑制和高效扑救技术，实施最直接的灾害防治。传感手段、信号处理算法是智能探测的两个基本方面，新的监测技术一般都是从这两个方面入手，提高其智能程度、反应速度与稳健性。图像模式、次声等新型传感手段结合多信号多判据、基于模糊逻辑和神经网络技术、现场总线、专用集成芯片等技术，把智能监测带到一个崭新的时代。研究过程也从单一的实物探索尝试，发展到与计算机模拟、虚拟实验等方式相结合。

传感技术的发展和水平直接影响着安全监测技术的水平。现代传感技术的发展日新月异，安全监测也受惠其中，对众多技术先进、工艺成熟的传感器件，安全工程有了更大的选择余地。用于灾害监测的传感器非常多，如化学传感器、声学传感器、机械传感器、磁传感器、辐射传感器、热传感器、生物传感器、膜传感器、光纤传感器、硅传感器、应用MEMS的微传感器等。传感器的信号已不再是简单的二值量，有意义的结论往往是对信号的深入加工分析，例如变化率检测、趋势分析、斜率求取、复合滤波、功率谱分析、时间序列分析、多传感器相关运算、模糊统计、模糊推理、神经网络等。神经网络与模糊系统融合的信号检测算法也已经应用于灾害探测，将模糊理论和神经网络有机地结合起来，取长补短，提高整个系统的学习能力和表达能力，可以进一步提高监测系统的智能化水平。

4.灾害扑救

灾害发生后，有效的扑救技术可以大幅度地减小灾害损失。扑救过程涉及清洁、高效救灾，人员疏散，人员防护，防排烟等技术。智能机器人技术在灾害救援方面也得到了应用。研制机器人的初衷就是制造一种用来代替人在复杂、危险及人的生理条件所不能承受的环境中工作的机器。从20世纪50年代末至今，机器人已经研制出三代。从第二代机器人起，已经有专门研制的机器人从事恶劣、危险环境下的检修、清洁等安全防范工作，以及从事消防灭火、火场搜索救援工作。1999年英国消防科技部门成功研制了能扑灭特种火灾的机器人，这种外壳用特种不锈钢制成的机器人貌似叉车，可进入800℃高温处灭火救灾，能用水、泡沫和干粉扑灭各种火灾，并可把储有易燃易爆物品的容器移到安全区域，也可将汽车残骸等笨重物移出路口，为消防人员和消防车进出提供方便。

1.2安全检测技术

1.2.1检测技术

1．检测与测量的概念检测主要包括检验和测量两方面的含义。检验是分辨出被测参数量值所归属的某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或现象是否存在。测量是把被测未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，并用数字表示这个倍数的过程。在自动化领域，检测的任务不仅是对成品或半成品的检验和测量，而且为了检查、监督和控制某个生产过程或运动对象使之处于人们选定的最佳状况，需要随时检验和测量各种参量的大小和变化等情况。这种对生产过程和运动对象实时定性检验和定量测量的技术又称为工程检测技术。

测量有两种方式，即直接测量和间接测量。直接测量是在对被测量进行测量时，对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。如用温度计测量温度，用万用表测量电压。间接测量是测量几个与被测量有关的物理量，通过函数关系式计算出被测量的数值。如功率P与电压Ｖ和电流I有关，即P=I·V，通过测量的电压和电流，计算出功率。直接测量简单、方便，在实际中使用较多。但在无法采用直接测量方式，直接测量不方便或直接测量误差大等情况下可采用间接测量方式。

2．传感器与敏感器的概念

传感器是将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置，它本质上是非电量系统与电量系统之间的接口。传感器是必不可少的转换器件。从能量的角度出发，可将传感器划分为两种类型，一类是能量控制型传感器(也称有源传感器)，一类是能量转换型传感器(也称无源传感器)。能量控制型传感器是指传感器将被测量的变化转换成电参数(如电阻、电容)的变化，传感器需外加激励电源才可将电参数的变化转换成电压、电流的变化。如铂电阻温度传感器。铂电阻阻值随被测温度的变化而变化，需外加电桥电路，才可将阻值的变化转换成电压的变化。而能量转换型传感器可直接将被测量的变化转换成电压、电流的变化，不需外加激励电源，如热电偶、光电池、压电传感器等。

在很多情况下，所要测量的非电量并不是我们所持有的传感器所能转换的那种非电量，这就需要在传感器前面增加一个能把被测非电量转换为该传感器能够接收和转换的非电量(即可用非电量)的装置或器件。这种把被测非电量转换为可用非电量的器件或装置称为敏感器。例如用电阻应变片测量电压时，就要将应变片粘贴到受压力的弹性元件上，弹性元件将压力转换为应变，应变片再将应变转换为电阻的变化。这里应变片便是传感器，而弹性元件便是敏感器。敏感器和传感器虽然都是对被测非电量进行转换的，但敏感器是把被测量转换为可用非电量，而传感器是把被测非电量转换为电量。

3．安全检测系统的结构由于被测对象复杂多样，检测系统的结构也不尽相同。一般检测系统是由传感器、信号调理器和输出环节三部分组成的。传感器处于被测对象与检测系统的接口处，是一个信号变换器。它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化，并转化成便于测量的电参数。由传感器检测到的信号一般为电信号，它不能直接满足输出的要求，需要进一步的变换、处理和分析，即通过信号调理电路将其转换为标准电信号，输出给输出环节。根据检测系统输出的目的和形式不同，输出环节主要有显示与记录装置、数据通信接口和控制装置。传感器的信号调理电路是由传感器的类型和对输出信号的要求决定的。不同的传感器具有不同的输出信号。能量控制型传感器输出的是电参数的变化，需采用电桥电路将其转换成电压的变化；而电桥电路输出的电压信号幅值较小，共模电压又很大，需采用仪表放大器进行放大；在能量转换型传感器输出的电压、电流信号中一般都含有较大的噪声信号，需加滤波电路将有用信号提取，而滤除无用的噪声信号。而且，一般能量型传感器输出的电压信号幅度都很低，也需采用仪表放大器进行放大。

目前常用的硬件信号调理方法有测量电桥、信号放大、信号隔离、硬件滤波、V／F转换、F／V转换和V／I转换等，一般被称为模拟信号调理技术。

1.2.2安全检测的意义工业事故属于工业危险源，后者通常指人(劳动者)-机(生产过程和设备)-环境(工作场所)有限空间的全部或一部分，属于“人造系统”，绝大多数具有观测性和可控性。表征工业危险源状态的可观测的参数称为危险源的“状态信息”。状态信息是一个广义的概念，包括对安全生产和人员身心健康有直接或间接危害的各种因素，如反映生产过程或设备的运行状况正常与否的参数，作业环境中化学和物理危害因素的浓度或强度等。安全状态信息出现异常，说明危险源正在从相对安全的状态向即将发生事故的临界状态转化，提示人们必须及时采取措施，以避免事故发生或将事故的伤害和损失降至最小程度。

安全检测方法依检测项目不同而异，种类繁多。根据检测的原理机制不同，大致可分为化学检测和物理检测两大类。化学检测是利用检测对象的化学性质指标，通过一定的仪器与方法，对检测对象进行定性或定量分析的一种检测方法。它主要用于有毒有害物质的检测，如有毒有害气体、水质和各种固体、液体毒物的测定。物理检测利用检测对象的物理量(热、声、光、磁等)进行分析，如噪声、电磁波、放射性、水质物理参数(水温、浊度、电导率等)等的测定。

1.2.3

安全检测的目的

1．安全检测的目的

(1)能及时、正确地对设备的运行参数和运行状况做出全面检测，预防和消除事故隐患。

(2)对设备的运行进行必要的指导，提高设备运行的安全性、可靠性和有效性，以期把运行设备发生事故的概率降低到最低水平，将事故造成的损失减低到最低程度。

(3)通过对运行设备进行检测、隐患分析和性能评估等，为设备的结构修改、设计优化和安全运行提供数据和信息。1.2.4安全检测的任务在工业生产过程中，各种有关因素，如烟、尘、水、气、热辐射、噪声、放射线、电流、电磁波以及化学因素，还有其他主、客观因素等，造成对生产环境的污染，对生产产生不安全作用，也对人体健康造成危害。查清、预测、排除和治理各种有害因素是安全工程的重要内容之一。安全检测的任务是为安全管理决策和安全技术有效实施提供丰富、可靠的安全因素信息。狭义的安全检测侧重于测量，是对生产过程中某些与不安全、不卫生因素有关的量连续或断续监视测量，有时还要取得反馈信息，用以对生产过程进行检查、监督、保护、调整、预测，或者积累数据，寻求规律。广义的安全检测，是把安全检测与安全监控统称为安全检测，认为安全检测是指借助于仪器、传感器、探测设备迅速而准确地了解生产系统与作业环境中危险因素与有毒因素的类型、危害程度、范围及动态变化的一种手段。

为了获取工业危险源的状态信息，需要将这些信息通过物理的或化学的方法转化为可观测的物理量(模拟的或数字的信号)，这就是通常所说的安全检测和安全监测。它是作业环境安全与卫生条件、特种设备安全状态、生产过程危险参数、操作人员不规范动作等各种不安全因素检测的总称。不安全因素具体包括如下几种：

(1)粉尘危害因素浓度、粒径分布；全尘或呼吸性粉尘；煤尘、石棉尘、纤维尘、岩尘、沥青烟尘等。

(2)化学危害因素可燃气体、有毒有害气体在空气中的浓度和氧含量。

(3)物理危害因素:噪声与振动、辐射(紫外线、红外线、射频、微波、激光、同位素)、静电、电磁场、照度等。

(4)机械伤害因素人体部位误入机械动作区域或运动机械偏离规定的轨迹。

(5)电气伤害因素触电、电灼伤。

(6)气候条件因素气温、气压、湿度、风速等。

1．运行状态检测设备运行状态检测的任务是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视、分析和判断方法。结合系统的历史和现状，考虑环境因素，对设备运行状态进行评估，判断其处于正常或非正常状态，并对状态进行显示和记录，对异常状态做出报警，以便运行人员及时加以处理，并为设备的隐患分析、性能评估、合理使用和安全评估提供信息和基础数据。

通常设备的状态可分为正常状态、异常状态和故障状态三种情况。

(1）正常状态指设备的整体或局部没有缺陷，或虽有缺陷但性能仍在允许的限度以内。

(2）异常状态指设备的缺陷已有一定程度的扩展，使设备状态信号发生一定程度的变化。设备性能已劣化，但仍能维持工作，此时应注意设备性能的发展趋势，即设备应在监护下运行。

(3）故障状态则是指设备性能指标已有大的下降，设备已不能维持正常工作。设备的故障状态尚有严重程度之分，包括：已有故障萌生并有进一步发展趋势的早期故障；程度尚不严重，设备尚可勉强“带病”运行的一般功能性故障；已发展到设备不能运行必须停机的严重故障；已导致灾难性事故的破坏性故障；以及由于某种原因瞬问发生的突发紧急故障等。

2．安全预测和诊断

安全预测和诊断的任务是根据设备运行状态监测所获得的信息，结合已知的结构特性、参数以及环境条件，并结合该设备的运行历史(包括运行记录、曾发生过的故障及维修记录等)，对设备可能要发生的或已经发生的故障进行预报、分析和判断，确定故障的性质、类别、程度、原因和部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果，提出控制故障继续发展和消除故障的调整、维修和治理的对策措施，并加以实施，最终使设备复原到正常状态。

3．设备的管理和维修

设备的管理和维修方式的发展经历了三个阶段，即从早期的事后维修(Run-to-BreakdownMaintenance)，发展到定期预防维修方式(Time

basedPreventireMaintenance)，现在正向视情维修(Condition-basedMaintenance)发展。定期预防维修制度可以预防事故的发生，但可能出现过剩维修和不足维修的弊病。视情维修是一种更科学、更合理的维修方式。但要做到视情维修，必须依赖于完善的状态监测和安全诊断技术的发展和实施。随着我国安全诊断技术的进一步发展和实施，我国的设备管理、维修工作将上升到一个新的水平，我国工业生产的设备完好率将会进一步提高，恶性事故将会逐渐得到控制，使我国的经济建设向更健康的方向发展。

1.3安全检测技术的发展

1.3.1安全检测与仪表发展

1815年，当时工业发达的英国发明了第一项安全仪器——安全灯，它是利用瓦斯在灯焰周围燃烧，根据火焰高度来测量瓦斯含量的简单仪器。由于它构造简单、性能可靠、使用寿命长，一百多年来一直被沿用下来，至今仍在许多国家使用。随后，由于基础科学的发展和科学技术的进步，在石油、化工、制药、冶金、煤炭等工业生产中，陆续出现了利用光学原理、热导原理、热催化原理、热电效应、弹性形变、半导体器件、气敏元件等多种工作原理和不同性能的各类检测仪器，对影响生产安全的各种因素实现了不同程度的监测，并逐渐形成了不同种类的检(监)测仪器仪表。

20世纪50年代之后，由于电子通讯和自动化技术的发展，出现了能够把工业生产过程中不同部位的测量信息远距离传输并集中监视、集中控制和报警的生产控制装置，初步实现了由“间断”、“就地”检测到“连续”、“远地”检测的飞跃，由单体检测仪表发展到监测系统。早期的监测系统，其监测功能少、精度低、可靠性差、信息传递速度慢。20世纪80年代以来，电子技术和微电子技术的发展，特别是计算机技术的应用，实现了化工生产过程控制最优化和管理调度自动化相结合的分级计算机控制，检测仪器仪表和监测系统，无论其功能、可靠性和实用性都产生了重大的飞跃，使安全监测技术与现代化的生产过程控制紧密地联系在一起。

目前，大型化工企业中的安全监测系统，已可使检(监)测的模拟量和开关量达上千个，巡检周期短，能同时完成信号的自动处理、记录、报警、联锁动作、打印、计算等；监测参数除可燃气体(如H2、CO等)成分、浓度、可燃粉尘浓度、可燃液体泄漏量之外，还有温度、压力、压差、风速、火灾特征(烟、温度、光)等环境参数和生产过程参数。由于可以从连续监测数据、屏幕显示图形和经过数据处理得到各种图表，及时掌握整个化工生产过程的过程参数、环境参数和生产机械的状态，就保证了生产的连续与均衡、减少停顿和阻塞，防止重大事故发生。同时，由于及时掌握生产设备和机械的工作状态，可以分析设备的配置情况和利用率，发现生产薄弱环节，改善管理，提高生产效率。

改革开放以来，我国的工业生产发展很快，国家十分重视安全，在安全检测仪表的研究和生产制造方面投入了很大的力量，使安全仪表生产具备了相当的规模，形成了以北京、抚顺、重庆、西安、常州、上海等为中心的生产基地，可以生产多种型号环境参数、工业过程参数及安全参数的监测、遥测仪器。此外，具有发达国家20世纪90年代水平的安全监测系统已开始装备我国的石油、化工、煤矿等工业生产部门；安全监测、报警及联锁控制装置等，也在我国自行设计的石化生产设备中获得了应用，这标志着我国安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。但必须指出，我国安全监测传感器目前种类较少，质量尚不稳定；监测数据处理、计算机应用与一些发达国家有一定差距，这些都需要在今后重点解决。目前，在我国的大型石化企业的项目(如扬子乙烯工程、齐鲁乙烯工程等)中，大量装备使用各种安全监测仪表。装备和使用先进的安全监测系统，使生产事故率极大地下降，促进了生产发展，获得了很大的经济效益。因此，安全检测技术与石化生产过程控制的密切配合，是我国石化生产的发展方向，是防火防爆、预防重大火灾及爆炸事故发生的重要环节。我国煤矿安全检测技术也有较大进步，主要表现在：

①煤矿安全检测技术理论更加成熟，开发出了更先进、更实用的检测设备；

②煤矿安全检测设备的生产逐渐进入正规化，设备操作更简便，数据处理更直观;

③在计算机技术的发展基础上，开发了矿井安全预警系统。1.3.2安全监控与技术发展

1．过程控制在一体化生产中，一些重要的工艺参数大都由变送器、工业仪表乃至计算机来测量和调节，以保证生产过程及产品质量的稳定，这就是过程控制。在比较完善的过程控制设计中，有时也会考虑工艺参数的超限报警、外界危险因素(如可燃气体、有毒气体在环境中的浓度，烟雾、火焰信息等)的检测，甚至停车等连锁系统。

2．应急控制

在对危险源的可控制性进行分析之后，选出一个或几个能将危险源从事故临界状态拉回到相对安全状态，以避免事故发生或将事故的伤害、损失降至最小程度。这种具有安全防范性质的控制技术称为应急控制。监测与控制功能合二为一称为监控，将安全监测与应急控制结合为一体的仪器仪表或系统，称为安全监控仪器或安全监控系统。

从安全科学的整体观点出发，现代生产工艺的过程控制和安全监控功能应融为一体，综合成一个包括过程控制、安全状态信息监测、实时仿真、应急控制、自诊断以及专家决策等各项功能在内的综合系统。这种系统既能够对生产工艺进行比较理想的控制，从而使企业受益，又能够出现异常情况时及时给出预警信息，紧急情况下恰到好处地自动采取措施，把安全技术措施渗透到生产工艺中去，避免事故的发生或将事故危害和损失降到最低程度。

监控技术的发展主要表现在：

①监控网络集成化。它是将被监控对象按功能划分为若干系统，每个系统由相应的监控系统实行监控，所有监控系统都与中心控制计算机连接，形成监控网络，从而实现对生产系统实行全方位的安全监控(或监视)。

②预测型监控。这种监控即控制计算机根据检测结果按照一定的预测模型进行预测计算，根据计算结果发出控制指令。这种监控技术对安全具有重要的意义。

锅炉、压力容器、压力管道等特种设备安全检测技术的发展趋势是：开发检测新技术和电子监控等先进的安全控制技术和产品，实现检测监控设备的数字化、智能化、小型化，积极推进检测监控仪器的国产化，重点发展新材料的研究推广使用，加强设计、制造、安装等环节的监察，提高特种设备本身的安全性能和安全防范能力。

网络安全检测技术基于自适应安全管理模式，这种管理模式认为任何一个网络都不可能安全防范其潜在的安全风险。它有两个特点：一是动态性和自适应性，这可以通过网络安全扫描软件的升级以及网络安全监控中的入侵特征库的更新来达到。二是应用层次的广泛性，可以应用于操作系统、网络层和应用层等各个层次网络安全漏洞的检测。网络安全自动检测系统和网络入侵监控预警系统的开发为网络信息资源的安全提供了预防和防范攻击的有效措施。不断发现、总结，及时抽象、概括最新的攻击方法，将其纳入系统，可增强系统的识别和防范能力。

第2章检测技术的基础知识2.1

测量误差分析与数据处理

2.2检测信号分析基础

2.3检测系统的基本特征

2.4检测系统的可靠性技术

2.1

测量误差分析与数据处理

2.1.1测量误差的基本概念

1.真值

1）约定真值根据国际计量委员会通过并发布的各种物理参量单位的定义，利用当今最先进的科学技术复现这些实物的单位基准，其值被公认为国际或国家基准，称为约定真值。各地可用经过上级法定计量部门按规定定期送检、校验过的标准器或标准仪器及其修正值作为当地相应物理参量单位的约定真值。

2）相对真值相对真值也叫实际值。在实际的测量过程中，能够满足规定准确度的情况下，用来代替真值使用的值被称作相对真值。如果高一级检测仪器（计量器具）的误差仅为低一级检测仪器误差的1/3～1/10，则可认为前者是后者的相对真值。例如，高精度石英钟的计时误差通常比普通机械闹钟的计时误差小1～2个数量级以上，因此高精度的石英钟可视为普通机械闹钟的相对真值。

2.标称值计量或测量器具上标注的量值，称为标称值。例如：天平砝码上标注的1g、精密电阻器上标注的100Ω等。由于制造工艺的不完备或环境条件发生变化，使这些计量或测量器具的实际值与其标称值之间存在一定的误差，所以，在给出标称值的同时，也应给出它的误差范围或精度等级。

3.示值检测仪器（或系统）指示或显示（被测参量）的数值叫示值，也叫测量值或读数。由于传感器不可能绝对精确，信号调理以及模、数转换等都不可避免地存在误差，加上测量时环境因素和外界干扰的存在，以及测量过程可能会影响被测对象原有状态等原因，都可能使得示值与实际值存在偏差。

2.1.2测量误差的表示方法

1.绝对误差测量值（即示值）x与被测量的真值x0之间的代数差值Δx称为测量值的绝对误差，即Δx=x-x0（2-1）

式中,真值x0可为约定真值，也可以是由高精度标准器所测得的相对真值。

绝对误差Δx说明了系统示值偏离真值的大小，其值可正可负，具有和被测量相同的量纲。在标定或校准检测系统样机时，常采用比较法，即对于同一被测量，将标准仪器（具有比样机更高的精度）的测量值作为近似真值x0与被校检测系统的测量值x进行比较，它们的差值就是被校检测系统测量示值的绝对误差。如果它是一恒定值，即为检测系统的系统误差。该误差可能是系统在非正常工作条件下使用而产生的，也可能是其他原因所造成的附加误差。此时对检测仪表的测量示值应加以修正，修正后才可得到被测量的实际值x0。

2.相对误差测量值（即示值）的绝对误差Δx与被测参量真值x0的比值，称为检测系统测量值（示值）的相对误差δ，该值无量纲，常用百分数表示，即（2-2）

这里的真值可以是约定真值，也可以是相对真值。工程上，在无法得到本次测量的约定真值和相对真值时，常在被测参量（已消除系统误差）没有发生变化的条件下重复多次测量，用多次测量的平均值代替相对真值。

用相对误差通常比用绝对误差更能说明不同测量的精确程度，一般来说相对误差值越小，其测量精度就越高。有时在评价测量仪表的精度或测量质量时，利用相对误差作为衡量标准也不是很准确。例如，用任一确定精度等级的检测仪表测量一个靠近测量范围下限的小量，计算得到的相对误差通常总比测量接近上限的大量（如2/3量程处）得到的相对误差大得多。故引入引用误差的概念。

3.引用误差

测量值的绝对误差Δx与仪表的满量程L之比值，称为引用误差γ。引用误差γ通常也以百分数表示：（2-3）

与相对误差的表达式比较可知：在γ的表达式中用量程L代替了真值x0，使用起来虽然更为方便，但引用误差的分子仍为绝对误差Δx。由于仪器仪表测量范围内各示值的绝对误差Δx不同，为了更好地说明测量精度，引入最大引用误差的概念。

4.最大引用误差（或满度最大引用误差）在规定的工作条件下，当被测量平稳增加或减少时，在仪表全量程内所测得的各示值的绝对误差值的绝对值与满量程L的比值的百分数，称为仪表的最大引用误差，用符号γmax表示：（2-4）

最大引用误差是测量仪表基本误差的主要形式，故常称为测量仪表的基本误差。它是测量仪表最主要的质量指标，能很好地表征测量仪表的测量精度。

5.容许（允许）误差容许误差是指测量仪表在规定的使用条件下，可能产生的最大误差范围，它也是衡量测量仪表的最重要的质量指标之一。测量仪表的准确度、稳定度等指标都可用容许误差来表征。按照部颁标准SJ943—82《电子仪器误差的一般规定》的规定，容许误差可用工作误差、固有误差、影响误差、稳定性误差来描述，通常直接用绝对误差表示。

2.1.3测量误差的分类

1．按误差出现的规律分类

1)系统误差在相同条件下，多次重复测量同一被测参数时，误差的大小和符号保持不变或按某一确定的规律变化，这种测量误差被称为系统误差。其中,误差值不变的称为定值系统误差，其他的系统误差称为变值系统误差。系统误差表明了一个测量结果偏离真值或实际值的程度。系统误差越小，测量就越准确。所以还经常用准确度一词来表征系统误差的大小。总之，系统误差的特征是测量误差出现的有规律性和产生原因的可知性。系统误差产生的原因和变化规律一般可通过实验和分析查出。

2)随机误差随机误差又称偶然误差，它是指在相同条件下多次重复测量同一被测参数时，测量误差的大小与符号均无规律变化，这类误差被称为随机误差。随机误差服从大数统计规律。随机误差表现了测量结果的分散性，通常用精密度来表征随机误差的大小。随机误差越大，精密度越低；反之，随机误差越小，精密度越高，即表明测量的重复性越好。随机误差主要是由于检测仪器或测量过程中某些未知或无法控制的随机因素（如仪器的某些元器件性能不稳定，外界温度、湿度变化，空中电磁波扰动，电网的畸变与波动等）综合作用的结果。

随机误差的变化通常难以预测，因此也无法通过实验方法确定、修正和消除。但是通过足够多的测量比较可以发现随机误差服从某种统计规律（如正态分布、均匀分布、泊松分布等）。因此，通过多次测量后，对其总和可以用统计规律来描述，从而在理论上估计它对测量结果的影响。

3)粗大误差在相同条件下，多次重复测量同一被测参数时，测量结果显著地偏离其实际值时所对应的误差，这类误差被称为粗大误差。从性质上来看，粗大误差并不是单独的类别，它本身既可能具有系统误差的性质，也可能具有随机误差的性质，只不过在一定的测量条件下其绝对值特别大而已。

粗大误差一般由外界重大干扰、仪器故障或不正确的操作等原因引起。存在粗大误差的测量值被称为异常值或坏值，一般容易被发现，发现后应立即剔除。也就是说，正常的测量数据应是剔除了粗大误差的数据，所以我们通常研究的测量结果的误差中仅包含系统误差和随机误差两类误差。在评价测量结果时，常采用系统误差和随机误差来衡量。

2.按误差来源分类

1)仪器误差在测量过程中由于所使用的仪器本身及其附件的电气、机械等特性不完善所引起的误差称为设备误差。例如，由于刻度不准确、调节机构不完善等原因造成的读数误差，内部噪声引起的误差，元件老化、环境改变等原因造成的稳定性误差。在测量中，仪器误差往往是主要的。

2)理论误差与方法误差由于所采用的测量原理或测量方法的不完善所引起的误差，如定义的不严密以及在测量结果的表达式中没有反映出其影响因素，而在实际测量中又在原理和方法上起作用的这些因素所引起的并未能得到补偿或修正的误差，称为方法误差。

3)环境误差测量过程中，周围环境对测量结果也有一定的影响。由于实际测量时的工作环境和条件与规定的标准状态不一致而引起测量系统或被测量本身的状态变化所造成的误差，称为环境误差，如温度、大气压力、湿度、电源电压、电磁场等因素引起的误差。

4)人员误差人员误差又称主观误差，是由进行测量的操作人员的素质条件所引起的误差。例如，由于测量人员的分辨能力、反应速度、感觉器官差异、情绪变化等心理或固有习惯(读数的偏大或偏小等)、操作经验等因素在测量过程中会引起一定的误差，这部分误差就称为人员误差。总之，在测量工作中，对于误差的来源必须认真分析，采取相应的措施，以减小误差对测量结果的影响。

3．按被测量随时间变化的速度分类

1)静态误差静态误差是指在测量过程中，被测量随时间变化缓慢或基本不变时的测量误差。

2)动态误差动态误差是指在被测量随时间变化很快的过程中测量所产生的附加误差。动态误差是由于测量系统(或仪表)的各种惯性对输入信号变化响应上的滞后，或者输入信号中不同频率成分通过测量系统时，受到不同程度的衰减或延迟所造成的误差。

4.按使用条件分类

1)基本误差基本误差是指测量系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。所谓标准条件，一般是指测量系统在实验室(或制造厂、计量部门)标定刻度时所保持的工作条件，如电源电压220V士5％，温度20士5℃，湿度小于80％，电源频率50Hz等。测量系统的精确度就是由基本误差决定的。

2)附加误差当使用条件偏离规定的标准条件时，除基本误差外还会产生附加误差，例如由于温度超过标准温度引起的温度附加误差，电源波动引起的电源附加误差以及频率变化引起的频率附加误差等。这些附加误差在使用时应叠加到基本误差上。

5.按误差与被测量的关系分类

1)定值误差定值误差是指误差对被测量来说是一个定值，不随被测量变化。这类误差可以是系统误差，如直流测量回路中存在热电动势等，也可以是随机误差，如检测系统中执行电机的启动引起的电压误差等。

2)累积误差在整个检测系统量程内误差值Δx与被测量x成比例地变化，即

Δx=γsx

式中:γs为比例常数。可见，Δx随x的增大而逐步累积，故称为累积误差。(2-5)2.1.4测量误差的分析及处理

1．系统误差的分析及处理测量过程中往往存在系统误差，在某些情况下的系统误差的数值还比较大。系统误差产生的原因大体上有：测量时所用的工具（仪器、量具等）本身性能不完善或安装、布置、调整不当而产生的误差；在测量过程中因温度、湿度、气压、电磁干扰等环境条件发生变化所产生的误差；因测量方法不完善、或者测量所依据的理论本身不完善等原因所产生的误差；因操作人员视读方式不当造成的读数误差等。

系统误差的研究涉及对测量设备和测量对象的全面分析，并与测量者的经验、水平以及测量技术的发展密切相关。因此，对系统误差的研究较为复杂和困难。研究新的，能有效地发现、减小或消除系统误差的方法，已成为误差理论的重要研究课题之一。对于新购的测量仪表，尽管在出厂前生产厂家已经对仪表的系统误差进行过精确的校正，但一旦安装到用户使用现场，可能会因仪表的工况改变而产生新的甚至是很大的系统误差，为此需要进行现场调试和校正。同时由于测量仪表在使用过程中会因元器件老化、线路板及元器件上积尘、外部环境发生某种变化等原因而造成测量仪表系统误差的变化，因此需要对测量仪表进行定期检验与校准。

1）系统误差的发现系统误差的数值往往比较大，必须消除系统误差的影响，才能有效地提高测量精度。为了消除或减小系统误差，首先碰到的问题是如何发现系统误差。在测量过程中形成系统误差的因素是复杂的，通常人们还难于查明所有的系统误差，也不可能全部消除系统误差的影响。发现系统误差必须对具体测量过程和测量仪器进行全面的仔细的分析，这是一件既困难又复杂的工作。目前还没有能够适用于发现各种系统误差的普遍方法，下面只介绍适用于发现某些系统误差常用的几种方法。

(1)定值系统误差的确定。当怀疑测量结果中有恒定系统误差时，可以采取下列一些方法来进行检查和判断。

①校准和对比。由于测量仪器是系统误差的主要来源，因此，必须首先保证它的准确度符合要求。为此应对测量仪器定期检定，给出校正后的修正值(数值、曲线、表格或公式等)。发现恒定系统误差，利用修正值在相当程度上消除恒定系统误差的影响。有的自动测量系统可利用自校准方法来发现并消除恒定系统误差。当无法通过标准器具或自动校准装置来发现并消除恒定系统误差时，还可以通过多台同类或相近的仪器进行相互对比，观察测量结果的差异，以便提供一致性的参考数据。

②改变测量条件。不少恒定系统误差与测量条件及实际工作情况有关。即在某一测量条件下为一确定不变的值，而当测量条件改变时，又为另一确定的值。对这类检测系统需要通过逐个改变外界的测量条件，分别测出两组或两组以上数据，比较其差异，来发现和确定仪表在其允许的不同工况条件下的系统误差。同时还可以设法消除系统误差。如果测量数据中含有明显的随机误差，则上述系统误差可能被随机误差的离散性所淹没。在这种情况下，需要借助于统计学的方法。还应指出，由于各种原因需要改变测量条件进行测量时，也应判断在条件改变时是否引入系统误差。

③理论计算及分析。因测量原理或测量方法使用不当引入系统误差时，可以通过理论计算及分析的方法来加以修正。

①累进性系统误差的检查。由于累进性系统误差的特性是其数值随着某种因素的变化而不断增加或减小，因此，必须进行多次等精度测量，观察测量数据或相应的残差变化规律。把一系列等精度重复测量的测量值及其残差按测量时的先后次序分别列表，仔细观察和分析各测量数据残差值的大小和符号的变化情况，如果发现残差序列呈有规律递增或递减，且残差序列减去其中值后的新数列在以中值为原点的数轴上呈正负对称分布，则说明测量存在累进性的线性系统误差。如果累进性系统误差比随机误差大得多，则可以明显地看出其上升或下降的趋势。当累进性系统误差不比随机误差大很多时，可用马利科夫准则进行判断。马利科夫提出了下列判断累进性系统误差的准则。设对某一被测量进行n次等精度测量，按先后测量顺序得到测量值x1，x2，…，xn，相应的残差为v1，v2，…，vn。把前面一半以及后面一半数据的残差分别求和，然后取其差值。当n为偶数时取

（2-6）

当n为偶数时

取

如果M近似为零，则说明上述测量列中不含累进性系统误差；如果M与v值相当或更大，则说明测量列中存在累进性系统误差；如果0<M<vi，则说明不能肯定是否存在累进性系统误差。（2-7）

②周期性系统误差的检查。如果发现偏差序列呈有规律的交替重复变化，则说明测量存在周期性系统误差。当系统误差比随机误差小时，就不能通过观察来发现系统误差，只能通过专门的判断准则才能较好地发现和确定。这些判断准则实质上是检验误差的分布是否偏离正态分布，常用的有马利科夫准则和阿贝·赫梅特准则等。其中,应用比较普遍的是阿贝·赫梅特准则。设 ，当存在时，则认为测量列中含有周期性系统误差。

2）系统误差的消除在测量过程中，发现有系统误差存在时，必须进一步分析比较，找出可能产生系统误差的因素以及减小和消除系统误差的方法。但这些方法和具体的测量对象、测量方法、测量人员的经验有关，因此要找出普遍有效的方法比较困难。下面介绍其中最基本的方法以及适应各种系统误差的特殊方法。

(1)引入修正值法这种方法是预先将测量仪器的系统误差检定出来或计算出来，做出误差表或误差曲线，然后取与误差数值大小相同而符号相反的值作为修正值，将实际测得值加上相应的修正值，即可得到不包含该系统误差的测量结果。由于修正值本身也包含有一定的误差，因此用修正值消除系统误差的方法，不可能将全部的系统误差修正掉，总要残留少量的系统误差。对这种残留的系统误差则应按随机误差进行处理。

(2)零位式测量法

在测量过程中，用指零仪表的零位指示测量系统的平衡状态；在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定被测未知量的测量方法，称为零位式测量法。应用这种方法进行测量时，标准器具装在仪表内。在测量过程中，标准量直接与被测量相比较；调整标准量，一直到被测量与标准量相等，即使指零仪表回零。零位式测量法的测量误差主要取决于参加比较的标准仪器的误差，而标准仪器的误差是可以做得很小的。零位式测量必须使检测系统有足够的灵敏度。采用零位式测量法进行测量，优点是可以获得比较高的测量精度，但是测量过程比较复杂。

(3)替换法(替代法、代替法)

替换法是用可调的标准器具代替被测量接入检测系统，然后调整标准器具，使检测系统的指示与被测量接入时相同，则此时标准器具的数值等于被测量。与零位式测量法相比较，替换法在两次测量过程中，测量电路及指示器的工作状态均保持不变。因此，检测系统的精确度对测量结果基本上没有影响，从而消除了测量结果中的系统误差；测量的精确度主要取决于标准已知量，对指示器只要求有足够高的灵敏度即可。替换法是检测工作中最常用的方法之一，不仅适用于精密测量，也常用于一般的技术测量。

(4)对照法(交换法)

在一个检测系统中，改变一下测量安排，测出两个结果，将这两个测量结果互相对照，并通过适当的数据处理，可对测量结果进行改正,这种方法称为对照法。

(5)交叉读数法交叉读数法也称对称测量法，是减小线性系统误差的有效方法。如果测量仪表在测量的过程中存在线性系统误差，那么在被测参量保持不变的情况下，其重复测量值也会随时间的变化而线性增加或减小。若选定整个测量时间范围内的某时刻为中点，则对称于此点的各对测量值的和都相同。根据这一特点，可在时间上将测量顺序等间隔的对称安排，取各对称点两次交叉读入测量值，然后取其算术平均值作为测量值，即可有效地减小测量的线性系统误差。

(6)半周期法对周期性系统误差，相隔半个周期进行一次测量，取两次读数的算术平均值作为测量值，此方法称为半周期法。因为相差半周期的两次测量，其误差在理论上具有大小相等、符号相反的特征，所以这种方法在理论上能有较好地减小或消除周期性系统误差。总之，要从产生系统误差的根源上消除系统误差。

2．随机误差的分析及处理

1)随机误差的分析随机误差是由测量实验中许多独立因素的微小变化而引起的。例如温度、湿度均不停地围绕各自的平均值起伏变化，所有电源的电压值也时刻不停地围绕其平均值起伏变化等。这些互不相关的独立因素是人们不能控制的。它们中的某一项影响极其微小，但很多因素的综合影响就造成了每一次测量值的无规律变化。就单次测量的随机误差的个体而言，其大小和方向都无法预测也不可控制，因此无法用实验的方法加以消除。但就随机误差的总体而言，则具有统计规律性，服从某种概率分布，随机误差的概率分布有：正态分布、均匀分布、t分布、反正弦分布、梯形分布、三角分布等。绝大多数随机误差服从正态分布，因此，正态分布规律占有重要地位。正态分布的随机误差如图2-1所示。

图2-1随机误差正态分布的图

正态分布的随机误差，其概率密度函数为

（2-8）

式中：σ2和σ为随机误差δ的方差和标准差;X0为被测值的真值;Xi为测量值。大量实验证明,随机误差服从以下统计特征：

(1)对称性：绝对值相等的正误差与负误差出现的次数相等。

(2)单峰性：绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。

(3)有界性：在一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定的界限。

(4)抵偿性：当测量次数增加时，随机误差的代数和趋于零。

2)随机误差的处理方法

(1)若无系统误差存在，当测量次数n无限增大时，测量值的算术平均值与真值就无限接近。因此，如果能对某一被测值进行无限次测量，就可以得到基本不受随机误差影响的测量结果。

(2)极限误差也称最大误差，是对随机误差取值最大范围的概率统计。研究表明，若均方根误差为σ，则随机误差落在±3σ范围内的概率为99.7%以上，落在±3σ范围外的机会相当小。因此，工程上常用±3σ估计随机误差的范围。取±3σ作为极限误差，超过±3σ者作为疏失误差处理。

3．粗大误差的分析与处理粗大误差的数值比较大，它会对测量结果产生明显的歪曲。一旦发现含有粗大误差的测量值，即坏值，应将其从测量结果中剔除。

1)粗大误差产生的原因产生粗大误差的原因很多，大致可归纳为以下两种。

(1)测量人员的主观原因。由于测量者工作责任感不强、操作不当、工作过于疲劳或者缺乏经验等，从而造成了错误的读数或错误的记录，这是产生粗大误差的主要原因。

(2)客观外界条件的原因。由于测量条件意外地改变(如机械冲击、外界振动等)，引起仪器示值或被测对象位置的改变而产生粗大误差。

2）粗大误差的分析（1）定性分析对测量环境、测量条件、测量设备、测量步骤进行分析，看是否有某种外部条件或测量设备本身存在突变而瞬时破坏；测量操作是否有差错或等精度测量过程中是否存在其他可能引发粗大误差的因素；由同一操作者或另换有经验操作者再次重复进行前面的（等精度）测量，然后再将两组测量数据进行分析比较，或再与由不同测量仪器在同等条件下获得的结果进行对比，以分析该异常数据出现是否“异常”，进而判定该数据是否为粗大误差。这种判断属于定性判断，无严格的规则，应细致、谨慎地实施。

（2）定量分析就是以统计学原理和误差理论等相关专业知识为依据，对测量数据中的异常值的“异常程度”进行定量计算，以确定该异常值是否为应剔除的坏值。这里所谓的定量计算是相对上面的定性分析而言的，它是建立在等精度测量符合一定的分布规律和置信概率基础上的，因此并不是绝对的。

3)粗大误差的判别准则如何科学地判别粗大误差，正确舍弃坏值呢？通常可以用判别准则予以确定。可采用的判别粗大误差的判别准则有：莱以特准则、格拉布斯准则、狄克松准则、罗曼诺夫斯基准则等。（1）莱以特准则（也称3准则3σ）对于某一测量值，若各测量值只含有随机误差，则其残差落在3σ以外的概率为0.3%。据此，莱以特准则认为凡剩余误差大于3倍标准偏差的就可以认为是粗大误差，它所对应的测量值就是坏值，应予以舍弃。莱以特准则是最简单最常用的判别粗大误差的准则，但它是建立在重复测量次数趋于无穷大前提下的一个近似的判别准则。所以，当测量次数有限时，尤其是测量次数较小时，莱以特准则就不是很可靠了。

（2）格拉布斯准则格拉布斯准则是根据数理统计方法推导出来的比较严谨的结论，它具有明确的概率意义，是根据正态分布理论建立的一种比较好的判别粗大误差的准则。该准则的主要特点是考虑了测量次数n和标准差自身的误差影响等因素。格拉布斯准则认为：凡剩余误差大于格拉布斯鉴别值的误差均是粗大误差，应予以舍弃。

4）粗大误差的处理对粗大误差，除了设法从测量结果中发现和鉴别而加以剔除外，更重要的是要加强测量者的工作责任心和以严格的科学态度对待测量工作。在测量过程中，必须实事求是地记录原始数据，并注明有关情况。在整理数据时，应舍弃有明显错误的数据。在充分分析和研究测量数据的基础上，判断测量值是否含有粗大误差。此外，还要保证测量条件的稳定，避免在外界大干扰下产生粗大误差。在某些情况下，为了及时发现与防止测得值中含有粗大误差，可采用不等精度测量和互相之间进行校核的方法。例如，对某一被测值，可由两位测量者进行测量、读数和记录，或者用两种不同仪器、不同方法进行测量。

2.1.5测量数据处理的基本方法

1.有效数字由多位数字组成的一个数，除最末一位数字是不确切值或可疑值外，其他数字皆为可靠值或确切值，则组成该数的所有数字包括末值数字就被称为有效数字，除有效数字外其余数字均为多余数字。

2.有效数字的判定准则在测量或计量中应取多少位有效数字，是由测量准确度决定的，即有效数字的位数应与测量准确度等级是同一量级。可根据下述准则判定：

(1）对不需要标明误差的数据，其有效位数应取到最末一位数字为可疑数字(也称不确切或参考数字)。

(2）对需要标明误差的数据，其有效位数应取到与误差同一数量级。

(3）测量误差的有效位数应按以下四条准则判定。

①一般情况下，只取一位有效数字；

②对重要的或是比较精密的测量、处于中间计算过程的误差，为避免化整误差过大，表示误差的第一个数字为1或2时，应取三位有效数字；

③在进行误差计算的过程中，为使最后的计算结果可靠，最多取三位有效数字；

④根据需要有时应计算误差的误差，则误差的误差皆取一位有效数字，而误差的有效位数应取到与误差的误差相同的数量级。

(4）算术平均值的有效位取到与所标注的误差同一数量级；用算术平均值计算出的剩余误差，大部分具有二位，对特别精密的测量可有三位有效数字；因计算和化整所引起的误差，不应超过最后一位有效数字的一个单位。

(5）在各种运算中，数据的有效位数判定准则有以下五条。

①在对多项数值进行加、减运算时，各运算数据以小数位数最少的数据位数为准，其余各数均向后多取一位，运算数据的项数过多时，可向后多取二位有效数字，但最后结果应与小数位数最少的数据的位数相同；

②在几个数进行乘、除运算时，各运算数据应以有效位数最少的数据为准，其余各数据要比有效位数最少的数据位数多取一位数字，而最后结果应与有效位数最少的数据位数相同;

③在对一个数进行开方或乘方运算时，所得结果可比原数多取一位有效数字;

④在进行对数运算时，所取对数的位数应与真数的有效数字的位数相等;

⑤在进行三角运算时，所取函数值的位数应随角度误差的减小而增多。以上是针对数据量较少的情况下提出的，对于大量数据的运算，还应当以概率论及数理统计的原理作进一步的研究。

3.有效数字的化整规则在对数值判定应取的有效位数以后，就应当把数中的多余数字舍弃并进行化整，为了尽量缩小因舍弃多余数字所引起的误差，应当根据下述原则把数字化整。若舍去部分的数值小于保留部分末位的半个单位，则末位不变。例如，将下列数据保留到小数点后第二位：1.4348→1.43（因为0.0048＜0.005)。若舍去部分的数值大于保留部分末位的半个单位，则末位加1。例如,将下列数据保留到小数点后第二位：1.43521→1.43（因为0.00521=0.005）。

若舍去部分的数值等于保留部分末位的半个单位，则末位凑成偶数，即末位为偶数时不变，为奇数时加1。例如，将下列数据保留到小数点后第二位：1.2350→1.24（因为0.0050=0.005）。由于数字舍入引起的误差称为舍入误差，按上述规则进行数字舍入所产生的舍入误差不超过保留数字最末位的半个单位。把带有舍入误差的有效数字进行各种运算后，所得计算结果的误差可用代数关系推导出各种运算结果的误差计算公式。

4.数据处理方法通过测量获取一系列数据，对这些数据进行深入的分析，就可以得到各参数之间的关系。可用数学解析的方法导出各参量之间的函数关系，这就是数据处理的任务。测量数据处理采用的方法有表格法、图示法和经验公式法。

1）表格法用表格来表示函数的方法称为表格法。在科学实验中，常将一系列测量数据填入事先列成的表格，然后再进行其他处理。表格法简单方便，但要进行深入的分析，表格就显得不适用了。原因主要有两点：①它不能给出所有的函数关系;②从表格中不易看出自变量变化时函数的变化规律。

2）图示法所谓图示法，是指用图形来表示函数之间的关系。图示法的优点是一目了然，即从图形可非常直观地看出函数的变化规律，如递增性或递减性、最大值或最小值、是否具有周期性变化规律等。但是从图形上只能看出函数变化关系而不能进行数学分析。

3）经验公式法测量数据不仅可用图形表示出函数之间的关系，而且可用与图形对应的公式来表示所有的测量数据。当然这个公式不能完全准确地表达全部数据，所以常把与曲线对应的公式称为经验公式。应用经验公式可以研究各自变量与函数之间的关系。

5.一元线性与非线性回归如果两个变量x和y之间存在一定关系，并通过测量获得x和y的一系列数据，用数学处理的方法得出这两个变量之间的关系式，这就是工程上所说的拟合问题，也是回归分析的内容之一。所得关系式称为经验公式，也称拟合方程。如果两个变量之间的关系是线性关系，就称为直线拟合，也称一元线性回归。如果两个变量之间的关系是非线性关系，则称为曲线拟合或称为一元非线性回归。对于典型的曲线方程可通过曲线化直法转换为直线方程，即直线拟合问题。拟合方法通常有：端值法、平均法、最小二乘法。在实际测量中，两个变量之间的关系除了一般常见的线性关系外，有时也呈现非线性关系，即两变量之间是某种曲线关系。对这种非线性的回归曲线的拟合问题，可根据以下方法和步骤处理：

(1)根据测量数据（xi，yi）绘制图形；

(2)由绘制的曲线图形分析确定其属于何种函数类型；

(3)根据已确定的函数类型确定坐标，将曲线方程变为直线方程，即曲线化直线；

(4)根据变换的直线方程，采取某种拟合方法确定直线方程中的未知量;

(5)求出直线方程中的未知量后，将该直线方程反变换为原来的曲线方程，即为最后所得的与曲线图形对应的曲线方程。2.2检测信号分析基础信号是随时间变化的物理量（电、光、文字、符号、图像、数据等），可以认为它是一种传载信息的函数。一个信号，可以指一个实际的物理量（最常见的是电量），也可以指一个数学函数，例如：y(t)=Asin(ωt+φ)，它既是正弦信号，也是正弦函数，在信号理论中，信号和函数可以通用。总之，我们可以认为：

(1)信号是变化着的物理量或函数；

(2)信号中包含着信息，是信息的载体；

(3)信号不等于信息，必须对信号进行分析和处理后，才能从信号中提取出信息。

信号分析是将一复杂信号分解为若干简单信号分量的叠加，并以这些分量的组成情况去考察信号的特性。这样的分解，可以抓住信号的主要成分进行分析、处理和传输，使复杂问题简单化。实际上，这也是解决所有复杂问题最基本、最常用的方法。信号处理是指对信号进行某种变换或运算（滤波、变换、增强、压缩、估计、识别等）。其目的是消弱信号中的多余成分，滤除夹杂在信号中的噪声和干扰，或将信号变换成易于处理的形式。

广义的信号处理可把信号分析也包括在内。信号处理包括时域处理和频域处理。时域处理中最典型的是波形分析，示波器就是一种最通用的波形分析和测量仪器。把信号从时域变换到频域进行分析和处理，可以获得更多的信息，因而频域处理更为重要。信号频域处理主要指滤波，即是把信号中的有效信号提取出来，抑制（削弱或滤除）干扰或噪声的一种处理。进行信号分析的方法通常分为：时域分析和频域分析。由于不同的检测信号需要采用不同的描述、分析和处理方法，因此，要对检测信号进行分类。

2.2.1检测信号的分类

1.静态信号、动态信号静态信号：是指在一定的测量期间内，不随时间变化的信号。动态信号：是指随时间的变化而变化的信号。

2.连续信号、离散信号

连续信号（又称模拟信号）：是指信号的自变量和函数值都取连续值的信号。离散信号：是指信号的时间自变量取离散值，但信号的函数值取连续值(采样值)，这类信号被称为时域离散信号。如果信号的自变量和函数值均取离散值(量化了的值)，则称为数字信号。

3.确定性信号、随机信号确定性信号：可以根据它的时间历程记录是否有规律地重复出现，或根据它是否能展开为傅里叶级数，而划分为周期信号和非周期信号两类。周期信号又可分为正弦周期信号和复杂周期信号；非周期信号又可分为准周期信号和瞬态信号。随机信号：根据一个试验，不能在合理的试验误差范围内预计未来时间历程记录的物理现象及描述此现象的信号和数据，就认为是非确定性的或随机的。

2.2.2检测信号的时域分析

1.时域波形分析时域波形分析包括幅值参数分析和一些由幅值参数演化而来的分析。

1)周期信号的幅值分析周期信号幅值分析的主要内容是：均值、绝对均值、平均功率、有效值、峰值(正峰值或负峰值)、峰峰值、某一特定时刻的峰值、幅值随时间的变化关系等。这种分析方法主要用于谐波信号或主要成分为谐波信号的复杂周期信号，对于一般的周期信号，在分析前应先进行滤波处理，得到所需分析的谐波信号。

（1）均值和绝对均值

均值是指信号中的直流分量，是信号幅值在分析区间内的算术平均。绝对均值是指信号绝对值的算术平均。设周期信号为x(t)，则均值和绝对均值分别定义如下：

(2-9)(2-10)其中：T0为信号周期。

相应的有限离散数字信号序列｛x(k)｝(k=1,2,…,N)的均值和绝对均值分别为

(2-11)(2-12)

（2）平均功率(均方值)和有效值(均方根值)

时域分析的另一个重要内容是求得信号在时域中的能量。信号能量定义为幅值平方在分析区间内的积分，能量有限的信号称为能量信号，如衰减的周期信号；对于非衰减的周期性信号，其能量积分为无穷大，只能用平均功率来反映能量，这种信号称为功率信号。平均功率是信号在分析区间内的均方值，它的均方根值称为有效值，具有幅值量纲，是反映确定性信号作用强度的主要时域参数。平均功率(均方值)和有效值(均方根值)分别定义如下：

(2-13)(2-14)相应的有限离散数字信号序列：｛x(k)｝(k=1,2,…,N)的平均功率(均方值)和有效值(均方根值)计算式分别为

(2-15)(2-16)

（3）峰值和双峰值

峰值是指分析区间内出现的最大幅值，即单峰值xp。它可以是正峰值或负峰值的绝对值，反映了信号的瞬时最大作用强度。双峰值xp-p是指正、负峰值间的差，也称峰峰值。它不仅反映了信号的瞬时作用强度，还反映了信号幅值的变化范围和偏离中心位置的情况。峰值(2-17)双峰值：