检测理论基础

1、计算机测控技术 第第1章章 检测理论基础检测理论基础 第第2章章 数据采集数据采集 第第3章章 总线技术与数据通信总线技术与数据通信 第第4章章 虚拟仪器虚拟仪器 第第5章章 自动检测算法自动检测算法 第第6章章 检测系统的抗干扰与可靠性技术检测系统的抗干扰与可靠性技术 第第7章章 微机自动检测系统设计技术微机自动检测系统设计技术 第第1章章 检测理论基础检测理论基础 1.1 检测与自动检测检测与自动检测 1.2 基本检测方法基本检测方法 1.3 常规检测系统基本结构常规检测系统基本结构 1.4 检测系统的特性检测系统的特性 1.5 检测系统的特性测定检测系统的特性测定 1.6 检测系统的统计

2、参数估值方法检测系统的统计参数估值方法 1.7 微机自动检测技术微机自动检测技术 1.1 检测与自动检测检测与自动检测 一、几个概念：一、几个概念： 1、测量（、测量（Measurement ）：测量是以确定量值为目）：测量是以确定量值为目的的一组操作的的一组操作 。 所谓所谓“量值量值”，即物理量。对于每一种物理量，它不，即物理量。对于每一种物理量，它不仅具有一些物理对象共有的定性性质，如温度、质量、仅具有一些物理对象共有的定性性质，如温度、质量、长度等，还有它的定量性质如长度等，还有它的定量性质如:温度的高低、质量的温度的高低、质量的大小、长度的长短大小、长度的长短 。 整个测量过程包括对

3、比、示差、平衡和读数整个测量过程包括对比、示差、平衡和读数4个基本个基本动作，它贯穿于一切测量过程中。要改进测量，就应动作，它贯穿于一切测量过程中。要改进测量，就应简化和完善这些基本动作。简化和完善这些基本动作。 概念概念2-4 2、测试（、测试（Test and Measurement ）：测量和）：测量和试验的合称，有时把比较复杂的测量称为测试。试验的合称，有时把比较复杂的测量称为测试。 试验试验 (Test):对产品、过程或服务的特性进对产品、过程或服务的特性进行的实验和测定行的实验和测定 3、检验、检验:检验常常不需要被测参数的准确值，但检验常常不需要被测参数的准确值，但要分辨参数所在

4、的某一范围。要分辨参数所在的某一范围。 4、检测、检测:常把检验和测量结合在一起，统称为常把检验和测量结合在一起，统称为检检测测。概念概念5-6 5、自动检测、自动检测:在整个测量过程中，对比、示在整个测量过程中，对比、示差、平衡和读数差、平衡和读数4个基本动作以及检验过程完个基本动作以及检验过程完全不需要或仅需要很少的人工干预，由系统全不需要或仅需要很少的人工干预，由系统自动完成，这就是自动检测。自动完成，这就是自动检测。 6、检测系统：由若干测量仪器或仪表，以及、检测系统：由若干测量仪器或仪表，以及附加设备来构成一个有机的整体附加设备来构成一个有机的整体-检测系检测系统统 ，完成检测任务。

5、，完成检测任务。 很多情况下需要测试的信息往往与其他背景物很多情况下需要测试的信息往往与其他背景物理量掺杂在一起，用简单的测量很难完成任务，理量掺杂在一起，用简单的测量很难完成任务，这时需要检测系统完成。这时需要检测系统完成。 二、检测的目的是什么？二、检测的目的是什么？ 一）是将被测参数被测参数直接测量并显示显示出来以告诉人们或其他系统有关被测对象的变化情况，即通常而言的自动检测或自动测试(又称自动监测等) 二）是用做自动控制系统的前端系统，以便根据参数的变化情况做出相应的控控制决策制决策，实施自动控制。 三、检测技术的发展三、检测技术的发展 手工艺时期：科学家是自己设计实验，自己动手制作测

6、试仪器 仪器工程时期：由于晶体管、电子管的应用 ，出现了大量的电测仪表和自动记录仪表 。 仪器科学时期：出现智能化、多功能化、数字化、集成化、微型或小型化的智能仪器仪表、智能检测系统等。 四、自动测试系统的发展 概念：通常把在人工最少参与的情况下，能自动进行测量、数据处理，并以适当方式显示或输出测试结果的系统称为自动测试系统(ATS，Automated Test System)。 整个测试工作通常都是在预先编制好的测试程序统一指挥下自动完成的，而人的作用主要是根据测试任务组建系统和编制测试软件。自动测试系统的发展阶段 第一代自动测试系统第一代自动测试系统 ：专用系统，是针对某项具体任务而设计。

7、主要有数据自动采集系统、产品自动检验系统、自动分析及自动监测系统等。 优点：准确完成大量的、复杂的测试任务 缺点：自动测试系统的接口电路不具备通用性。所以这种系统适应性差，改变测试内容一般需要重新设计电路 。标准接口出现之前的测试系统标准接口出现之前的测试系统第二阶段 第二代自动测试系统第二代自动测试系统 ：各设备都用标准化的接口和母线按搭积木的形式连接起来。 优点：这种系统组建方便，有专门的通用接口电路，更改、增加测试内容也很灵活。 缺点：计算机的功能没有充分发挥。 第三阶段 第三代自动测试系统第三代自动测试系统 ：用强有力的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，用人的智力资源代替很多物质资源。

8、提出了“虚拟仪器”(Virtual Instruments)。 优点：充分发挥计算机的作用 缺点：处于开始发展的阶段，存在工作频率不够高等重要缺点。 1.2 基本检测方法基本检测方法 为了获得被测对象的真实值(真实信息)需要采用适当的变换原理，选用合适的测量工具或设备，设计合理的测量方案，即要选择合理的检测方法。 方法方法1 直接按照物理定律检测法直接按照物理定律检测法 1.无需辅助能源的直接变换式无需辅助能源的直接变换式 例如热电偶测量系统 2. 需要辅助能源的调制变换式需要辅助能源的调制变换式 例如霍尔元件测量磁场系统 方法1的图热电偶导体B导体A图1-2 热电偶测量系统0T),(0TTE

9、AB加热炉T辅助能源霍尔元件图1-4 霍尔元件测量磁场系统IHtUB无需辅助能源无需辅助能源需要辅助能源需要辅助能源方法方法2 探查型检测法探查型检测法 应用这种检测方法的检测系统的输入信号，是由探查部件发出的探查信号与被测物体的被测量以某种规律变换而成的。例如，用超声波法探测密闭容器的液位 。 方法2的图被测对象探查检测部件输入信号x探查信号sx输出信号y辅助能源激励源信号处理H发 射接 收tt换 能 器探查型检测系统 超声波液位检测系统 方法方法3 比较型检测法比较型检测法 1平衡法平衡法 ：就是把被测量与标准量进行直接比较。若有差值，则调整标准量，使标准量与被测量达到平衡，即两者相等，这

10、时标准量的示值，就代表被测量的大小。 2偏差法偏差法 ：当测量仪表用指针相对于刻度线的位移(偏差)来直接表示被测量大小时，这种方法就是偏差式测量法(简称偏差法)。 3微差法微差法 ：微差法是偏差法和平衡法的组合，被测量x的大部分作用先与已知标准量s的作用相抵消，剩余部分即两者的差值d=x-s再用偏用偏差法测量。工业上使用的偏差指示仪表就属差法测量。工业上使用的偏差指示仪表就属于这种类型于这种类型. . 方法3的图 被测对象比较检测信号部件标准信号XNYGxR2R1RNR平衡电桥 比较型检测系统 对被测对象要有事先的估计对被测对象要有事先的估计!方法方法4 信息处理型检测法信息处理型检测法 用这

11、种方法对被测对象进行检测时，检测量不是直接转换成所需的被测量，而是经过对检测所得信息进行处理分析后，才能得到所需的被测量的检测方法。 方法4的图延时测振仪乘法平均积分U(t)(UR)(tUn测量电路旋转体被测对象检测部件信息处理装置信息处理性检测系统 相关法转速检测系统 检测方法小结 检测方法的选择应根据被测量类型被测量的现场条件(如空间位置、机械振动、热辐射、电磁场等干扰) 量程、精度、反应速度等方面的要求进行。 在实际工作中，应对被测对象做具体分析，才能确定出合理的检测方法，设计出合理的检测系统。 1.3 常规检测系统基本结构常规检测系统基本结构 1 重复重复(串联串联)结构结构 ：常采用

12、多个基本元件的串联(重复)结构形式。 2 反馈结构：既提高测量精度，又改善检测系反馈结构：既提高测量精度，又改善检测系统的性能，而且能使某些用传统检测系统无法统的性能，而且能使某些用传统检测系统无法解决的问题得以解决。解决的问题得以解决。 3 差动结构差动结构 ： 采用差动结构的目的是消除或减弱干扰量的影响，同时对有用信号即被测信号的灵敏度要有相应的提高。 4 扫描结构：扫描结构：对某物体一定面积上的参数进行检测或对具有一定宽度的运动物体的某参数进行检测时 5 多次测量操作结构多次测量操作结构 ：例如功率测量常规检测系统基本结构图传感器信号处理逆传感器非电量电量xKuKFK被测量x显示y反馈型

13、检测系统 变换器A变换器B信号处理显示y+-1u2u1u1y2y差动结构检测系统 要求事先对干扰及U1的输出有估计!1.4 检测系统的特性检测系统的特性 对检测系统的认识是通过对它的特性分析实现的。了解和掌握检测系统的特性可采用实验方法和理论分析方法。 检测系统的特性分为静态特性和动态特性 。一、 检测系统的数学模型检测系统的数学模型 模型是对实体特征及其内部变化规律的一种抽象或描述。根据研究系统的实际需要提取数学模型是必要的。 运用数学模型进行实验和分析计算，可以模仿或模拟系统的特征和行为，使所研究的系统的主要特征和主要变化规律、变量之间的关系，尽可能真实地表现出来或描述出来，即根据数学模型

14、对系统进行仿真或模拟。 静态模型和动态模型 1. 静态数学模型静态数学模型 系统的静态特性通常用输入信号稳态值x和输出信号稳态值y的相互关系，即静态特性曲线来表示。 当被测量是恒定量或缓变量时，可以只考虑静态性能指标。 2 .检测系统的静态特性检测系统的静态特性 精确度、稳定性、分辨率、灵敏度、线性精确度、稳定性、分辨率、灵敏度、线性度度等静态指标 与精确度有关的指标有三个：精密度、正确度和精确度等级。精密度：说明检测系统示值的不一致程度。不一致程度越小，说明检测系统越精密。 正确度：说明检测系统示值有规律地偏离真值(或约定真值)大小的程度正确度反映了检测系统的系统误差的大小。 精确度：是精密

15、度与正确度两者的总和，即检测系统给出接近于被测量真值的能力。精密度高和正确度高是精确度高的必要条件。稳定性与分辨率 稳定性:在规定时间内，在规定工作条件保持恒定时，检测系统性能保持不变的能力；当外部环境和工作条件发生变化时，引起测量结果的不稳定程度的大小。 分辨率：检测系统可有意义地区分两个紧邻所示量值的定量表示。分辨率说明检测系统能够检测到被测量最小变化的本领。为了保证检测系统的精度，分辨率应小于系统允许误差的1 / 3,或1 / 5或1/10。 灵敏度灵敏度 它是检测系统在稳态下输出增量对输入增量的比值，用K表示，即K它是静态特性曲线上相应点的斜率。 xyxyKx(a)iiixyKiyix

16、1x2xyO(b)xyO灵敏度曲线图在表示灵敏度时，输入量和输出量必须用实际物理单位。 线性度 检测系统的线性度指系统的实际输入输出特性对理想直线性输入输出特性的近似程度，用两者的最大偏差对量程B之比的百分数表示 量程B指检测系统(或仪表)能够测量被测量的范围，用被测量的上限和下限之差来表示，即B=Xmax-Xmin。 %100*max/Bd3 检测系统的动态特性检测系统的动态特性 检测系统的动态特性是检测系统在动态工作中所呈现的特性 。 输入输出量之间的关系由微分方程表示，含有时间变量，并用传递函数对检测系统动态特性进行分析。 常见的检测动态系统特性常见的检测动态系统特性 一阶检测系统 ：一

17、阶检测系统又称惯性系统，它的运动方程为 RxRydxdyfy为输出量；x为输入量；f为阻尼系数；R为常数。 检测系统的传递函数W(s)为 1111)(TSSRfsW式中，T=f/R称为时间常数，表示检测系统的滞后程度。 一阶系统阶跃响应曲线 带纯滞后的一阶检测系统的传递函数W(s)为 seTSKsW1)(阶跃输入输出曲线在t=0处的切线T较大5T3Tt0yyOTKyOTt二阶检测系统 二阶检测系统又称二阶振荡系统，它的传递函数W(s)为 另外一种情况是带纯滞后的二阶检测系统，其传递函数W（S）为 12)(22TSSTKSWSeTSSTKSW12)(22二阶检测系统的阶跃响应曲线 二阶检测系统的

18、输入量x为阶跃信号，它的输出y随阻尼比的不同而不同。 带纯滞后二阶检测的阶跃响应曲线 4 检测系统的动态误差检测系统的动态误差 动态误差是检测系统测量随时间变化的被测量时所特有的误差，其数值是动态与静态测量结果的差值。 动态误差不仅与检测统动态特性有关，还与被测量随时间变化的规律有关。 在分析动态误差时，为了方便起见，一般假定无静态误差。动态误差是由检测系统惯性引起的。 检测系统的动态误差传递函数 1)()()(SWSWSXgid 为检测系统理想的传递函数 实际的检测系统传递函数为)(SWi)(SWg 动态误差的消除 在实际测试中，人们一直在设法消除动态误差。其中一种方法是动态校正动态校正，即

19、用个附加的校正环节与检测系统相配合，使合成的传递函数达到理想要求，以消除动态误差； 其次是当检测系统动态特性可知时，可应用动态采样法动态采样法，即在检测系统过渡过程未完成之前，根据过渡过程的动态采样求出被测参数的稳态值。上述方法的工程运用还需要解决一些具体问题。 1.5 检测系统的特性测定检测系统的特性测定 检测系统特性的实验分析法，即用实验测定检测系统特性的实验测定法，是工程上常采用的方法，该方法直观，无需对检测系统内部结构进行剖析。通过实验，对实验结果分析处理，进而找到检测系统的特性。 实验测定法的基本方法是：给检测系统加以激励信号，观测其输出响应，由输入和输出的关系确定系统的特性。 一、

20、经常采用的激励信号 1脉冲信号(或方波信号)； 2正弦波 3梯形波或矩形波信号，通过一系列给定频率的正弦波(或梯形波、矩形波)信号对检测系统激励，在稳态下求输入、输出的幅值比和相位差，得出检测系统的频率特性的表达式； 4白噪声(伪随机)信号，利用自然的无规则的随机干扰信号作为检测系统的输入信号，用统计的方法测出输出与输入互相关函数，进而获得表示检测系统特性的功率谱密度。 二、曲线处理的方法 通常，用阶跃函数作为检测系统的输入，测定系统的输出响应曲线，通过对输出响应曲线的处理，获得检测系统的传递函数。 输出响应曲线(即实验结果)的处理方法，常用的有近似法、切线法、两点法和面积法等。一阶检测系统特

21、性确定一阶检测系统特性确定 )(y)(y)(ty)(tytt图1-25图1-261)(TSKSWuyyK)0()(斜率斜率seTSKsW1)(其余的参数求法同前也可以用两点法：选择两个不同的时间点t1,t2带入方程具有衰减振荡特性的二阶具有衰减振荡特性的二阶检测系统特性的确定检测系统特性的确定 BAATOty(t)(yseTSSTKSW12)(22在响应曲线上求出第一个峰和第二个峰超过稳态值y()的数值A和B，第一个峰和第二个峰之间的距离 。设系统的阶跃输入为 ，系统输出的初值为y(0)，则根据经验公式可求出K，T。 uAT0 1 经验公式 求出参数 延迟时间由图中求得21222122)2()

22、BA(BA)2()BA(/)0()(ATTuyyK二阶非周期检测系统特性的确定二阶非周期检测系统特性的确定 传递函数 其传递函数又可表示为 ) 1( 12)(22TSSTKSW) 1)(1()(21STSTKSHBtD22TAO)(y)(ty11T特性参数的确定 可以证明存在下列关系 经过推导得到： 11/2122221121)(TTTTTTTTTTuyyK/)0()(21TTT TTT2211.6 检测系统的统计参数估值方检测系统的统计参数估值方法（自读）法（自读） 一、检测技术中传统的参数计算方法一、检测技术中传统的参数计算方法 指数函数拟合法指数函数拟合法 分离法分离法 省略了，大家自己

23、学习这部分内容吧！二、二、 观测值的统计模型及其应用观测值的统计模型及其应用 参数估计值的偏差与方差参数估计值的偏差与方差 线性模型参数估计值的最小方差线性模型参数估计值的最小方差 省略了，大家自己学习这部分内容吧！1.7 微机自动检测技术微机自动检测技术 一方面，要求检测系统具有更高的速度、精度、可靠性和自动化水平，以便尽量减少人力和提高工作效率； 一方面，要求检测系统具有更大的灵活性和适应性，并向多功能化、智能化方向发展； 此外，还要求尽量缩短研制周期和降低成本。 微型计算机技术的发展及其在检测中的应用，为实现上述要求创造了条件。 微机自动检测系统的典型结构 1 智能仪器仪表智能仪器仪表

24、RAMROM接口GP-IB接口检测电路键盘显示器自动测试系统其他外设微处理器接口接口接口 被测信号总线智能仪器仪表一般是指内部装有微处理器或微型计算机的仪器仪表，如包括个人计算机、单片机、微处理器或GP-IB接口的仪器仪表。 功能 能自动修正各类测量误差。 能自动切换量程，以提高测量精度和读数的分辨率。 能对信号进行复杂的运算和处理，扩大仪器的功能和提高其性能。 能以多种形式输出信息。 能对仪器仪表本身进行自检和故障监控，发现故障能及时报警。有的仪器仪表还能在故障情况下自行改变系统结构，继续正常工作，即智能仪器在一定程度上具有容忍错误存在的能力。2 自动测试系统自动测试系统 （ATS） 充分发

25、挥计算机的作用，用计算机的软、硬件资源代替测量仪器及系统中的大量硬件，是电子测量发展的一个重要方向。 3计算机辅助测试计算机辅助测试 （CAT） 计算机辅助测试，是用计算机及其外部设备取代人的动作、感觉功能和人的思想功能所进行的测试。作用如下：(1)控制测试过程。(2)激励、产生可编程激励信号。(3)数据处理，对响应信号进行各种数字逻辑运算，作出判决和估值。(4)输出测试结果。(5)管理。(6)监控报警 计算机辅助测试系统典型框图 接 口A/DA/A接 口接 口接 口RAMROMD/AP/A接 口A/PIO软 信 息软 信 息转换器P中央处理器CPU1、软输入子系统。向CPU输入各种软信息，如程序、原始数据、操作员命令等。输入设备有键盘、数字化输入板、磁盘机、磁带机等。而图形输入设备、语音输入装置等正处于开发研究之中，已有部分成果获得了应用。2、软输出子系统。CPU经过接口、输出设备输出各种软信息，如测试结果、报警信号、图形