安全监控检测技术1-5节

2023/1/141安全监测与监控技术主讲人:戴广龙/马衍坤

安全监测与监控技术2023/1/142学习该课目的和意义从课程设置上；从安全生产管理上；从科学技术上。学时安排总学时40课堂教学38习题课2学时实验6学时，另外安排本课程要求1）课堂认真听课，上课不许讲话，保持课堂安静；2）课后独立完成作业，作业占10分；3）认真做好实验，实验占10分；4）出勤占10分；5）课后无复习，考试占70%2023/1/143课程主要内容第一章绪论第二章

非电量检测技术基础第三章

传感器应用技术基础第四章

气体检测第五章

环境参数检测第六章

数据采集技术第七章

数据通信技术第八章

煤矿安全环境监测监控系统第九章

矿井安全监测监控工业技术2023/1/144主要参考书1.《传感器及应用》孙肖子、刘刚等编电子工业出版社2.《传感器敏感元器件大全》张福学等主编电子工业出版社3.《新编传感器原理、应用、电路详解》方佩敏主编，电子工业出版社4、《矿井通风安全检测基本知识》煤炭工业出版社5、《煤矿安全检测仪器仪表》刘洪主编煤炭工业出版社6、《传感器基础知识》王宗信编著煤炭工业出版社7、陈伟人编著,《单片微型计算机原理及其应用》,清华大学出版社8、李西才编,《煤矿通风检测仪器与仪表》,淮南矿业学院,9、戴广龙编,《通风安全检测仪表》,淮南矿业学院10、中国石油化工总公司安全监督局，《石油化工安全技术》，中国石化出版社，1998年4月11、北京仙岛新技术有限责任公司，《KJ66安全生产监控系统》用户手册，2000年8月；12、王汝琳编，《矿井环境监测与仪表》中国矿业大学出版社，1986年

2023/1/145主要参考书13、郑学坚，朱善君，严继昌编著，《微型计算机原理及应用》清华大学出版社，1987年1月；14、钱德群编著，《矿井通风安全仪器及监测系统》煤炭工业出版社，1990年1月15、柳昌庆编，《实验方法与测试技术》煤炭工业出版社，1985年16、王洪业编，《传感器技术》，湖南科学出版社，1985年17、杨吉祥编，《智能仪器》，南京工业学院出版社，1986年2023/1/146第一章绪论一、教学目的了解测试的发展、内涵、本质、测量条件；掌握标准单位和信号描述安全监测监控系统组成，发展二、本章主要内容第一节测试技术的发展与研究的内容测量的发展；测量的内涵；被测量分类第二节测量的本质和基本前提测量的本质；测量的前提条件。第三节测量标准及其单位基本标准（绝对标准）；国际单位制的导出单位第四节信号与检测系统简述测试系统简述；信号描述；信号时域和频域描述方法

第五节传感检测技术概述—狭义和广义定义传感器的狭义定义和广义定义第六节安全监测监控系统概述系统组成及其作用；技术发展历程；发展应用现状；发展方向

2023/1/147重点：1、测量的本质；测量的前提条件2、基本标准3、信号及信号描述4、传感器的狭义定义和广义定义5、安全监测监控系统组成、作用与发展三、学时4个学时四、教学方法和手段采用启发式教学方法，使用多媒体教学2023/1/148第一节测试技术的发展与研究的内容

一、测试技术的发展

知识的获取往往从测量开始。人类在其自身的社会发展中创造并发展了测量学科，人类早期的测量活动涉及对长度（距离）、时间、面积和重量等量的测量。随着社会的进步和科学的发展，测量活动的范围不断扩大，测量的工具和手段不断精细和复杂化，从而也不断地丰富和完善了测量的理论。2023/1/149

一、测试技术的发展公元前3000年，古埃及人建立了长度的统一标准――埃尔；秦始皇在统一六国后，建立了统一的度量制度；规定了度为寸、尺、丈、引；量为斛、斗、升、合；衡为两、斤、钧、石。（时间）今天，测量学科已渗透到人类活动的每个领域。 科学技术的迅猛发展给测量学这一古老的学科注入了新的活力，现代电子技术、尤其是信息技术的发展更是推动测量学科迅猛发展。因此测量学是一门多学科交叉的边缘学科。（数学、物理、化学、电子技术、计算机、通信工程等等）2023/1/1410

二、测量的内涵：

“凡存在之物，必以一定的量存在”。

“当你能测量你在谈及的事物，并将它用数字表达时，你对它便是有所了解的；而当你不能测量它，不能将它用数字表达时，你的知识是贫瘠的和不能令人满意的。”

（了解和认识）

——WilliamThompson2023/1/1411

三、测量的分类

根据被测的物理量随时间变化的特性，可将它们总体地分成静态量和动态量。静态量：静止的或缓慢变化的物理量；（质量、大气压）动态量：随时间快速变化的物理量（自由落体速度、神七）对静态量与动态量的测量分别称为静态测量与动态测量。静态与动态测量是相对的，有时可以转化。（速度、大气压）本课程中我们将主要研究对静态量和动态量的测量，亦即静态量、动态测量的理论、方法及应用，因此我们在这里将静态量、动态测量的技术定义为测试技术。2023/1/1412四、测试系统原理框图

传感器：从被测对象获取有用的信息，并将其转换为适合于测量的变量或信号。（湿度传感器、飞天号舱外服、非典时测体温）

信号调理部分：对从传感器所输出的信号作进一步的加工和处理，包括对信号的转换、放大、滤波、储存、重放、和一些专门的信号处理。

显示和记录部分：将经信号调理部分处理过的信号用便于人们所观察和分析的介质和手段进行记录或显示。被测对象和观察者也是测试系统的组成部分，它们同传感器、信号调理部分以及数据显示与记录部分一起构成了一个完整的测试系统。2023/1/1413

一、测量的本质采集和表达被测物理量；（了解认识）与标准作比较。（得到量）将度量数字X作为比较量N（标准）的倍数赋予被测量x则有：X=xN （1.1）从量纲上考虑对应上式有下述公式成立：[d]=[-]·[d] （1.2） d表示量纲。二、测量的前提被测的量必须有明确的定义；（气候的“舒适度”胖瘦的人不一样或人的“智力”等）测量标准必须事先通过协议确定。（一柱香时间）

第二节测量的本质和基本前提

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三、检测与测量检测是检出和测量的总称。检出：指示某些特殊量的存在，但无需提供量值的过程；（定性－高压变压器周围电场）

测量：则被定义为以确定被测对象量值为目的的全部操作。（定量）2023/1/1415第三节测量标准及其单位

各国在商业及其它涉及公众利益的范围内都制定有法定计量学的规定条例，这些条例涉及法定计量学的三大范畴：确定单位和单位制（磅、斤、公斤、千克、吨）；确定国家施加影响的范围（校准能力）；实施校准和官方监督。目的：保证正当竞争；保护公民免遭不公平对待或由不正确计量结果所带来的损害；保护消费者利益。2023/1/1416一、基本标准（绝对标准）1、基本标准：彼此相互独立的标准。 在国际度量衡大会（CGPM：ConférenceGénéraledesPoidsetMésures）上定义了七个基本标准：长度、质量、时间、温度、电流、光强和原子物理中的物质量。2、国际单位制（SI）国际度量衡量大会在1960年将大会以前确定的七个基本单位的系统命名为“国际单位制”，国际上统一缩写为SI（SystèmeInternationald’Unités）。3、基本单位七个基本单位分别赋于七个基本量，经协议规定认为是彼此独立的。2023/1/1417SI基本单位的定义1米被定义为真空中的光在（1/299792458）秒时间内所经过的距离的长度（1983年）。该标准的复制精度可达±10-9

。1千克定义为国际千克原型器的质量（1889年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。其复制精度可达10-9数量级。1秒被定义为铯133原子基本态的两个超精细结构能级间跃迁所对应的周期时间的9192631770倍（1967年）。１安培定义为流经在真空中两根平行且相距1m的无限长直导线（其圆横截面可忽略不计）上，并能在其每米长导线之间产生0.2×10-6N的电动力的不随时间变化的电流量（1948年）。

2023/1/1418SI基本单位的定义（续）1开尔文被定义为水的三态点的热力学温度的273.16分之一（1967年）。1坎德拉被定义为在101325N/m2的气压和铂开始凝固的温度下垂直照射在表面积为1/600000m2辐射黑体上的光强（1967年）。1摩尔的定义是：一个由确定成份组成的系统。如果它含有粒子的个数等于碳12原子核的（12/1000）kg重量中所含原子的个数，则该系统的物质量为一摩尔（1971年），此处所述的粒子可以是原子、分子、离子和电子等。2023/1/1419二、国际单位制的导出单位

导出单位从基本单位出发，用乘、除符号以代数式表达。不同的导出单位有各自专门的名称和专门的单位符号，这些单位名称和单位符号可单独使用，还能和基本单位一起合成进一步的导出单位。2023/1/1420第四节信号与检测系统简述一信号与测试系统分析二信号描述三测试系统特性分析2023/1/1421一信号与测试系统分析图1简谐振动信号测试系统结构框图不同的被测参量测试任务的复杂程度不同的作用原理信号与系统是紧密相关系统的激励系统的响应力、位移、加速度、电压、电流、光强等称为信号2023/1/1422

对于不同的被测参量，测试系统的构成及作用原理可以不同；根据测试任务的复杂程度，一个测试系统也可以有简单和复杂之分；根据不同的作用原理，测试系统可以是机械的、电的、液压的等等。 在对待属性各异的各类测试系统中，常常略去系统具体的物理上的含义，而将其抽象为一个理想化的模型，目的是为了得到一类系统共性的规律。将系统中变化着的各种物理量，如力、位移、加速度、电压、电流、光强等称为信号。 因此，信号与系统是紧密相关的。信号按一定的规律作用于系统，而系统在输入信号的作用下，对它进行“加工”，并将该“加工”后的信号进行输出。通常将输入信号称为系统的激励，而将输出信号称为系统的响应。2023/1/1423二信号描述1信号的定义2信号的分类3信号时域和频域描述方法2023/1/14241信号的定义“信号”：一词最初起源于“符号”、“记号”，它表示用来作为信息向量的一个物体、一个记号、一种语言的元素或一个特定的符号等等。信号是信号本身在其传输的起点到终点的过程中所携带的信息的物理表现。例如：质量——弹簧系统在受到一个激励后的运动状况，可以通过系统质量块的位移——时间关系来描述。反映质量块位移的时间变化过程的信号则包含了该系统的固有频率和阻尼比的信息。噪声的概念：噪声也是一种信号；任何干扰对信号的感知和解释的现象称为噪声。信号与噪声的区别纯粹是人为的，且取决于使用者对两者的评价标准。（万分之一天平－普通天平）信号理论必须包括噪声理论。2023/1/14252信号的分类

信号的分类方法：1)基于信号的演变类型、信号的预定特点或者信号的随机特性的表象的分类法--确定性信号和随机信号

2)规定两类信号的能量分类法，两类信号中一类为具有有限能量的信号，另一类为具有有限平均功率但具有无限能量的信号--能量信号和功率信号

3)基于信号的幅值或者独立变量是连续还是离散的这一特点的形态分类法--连续和数字信号4)基于信号模型中独立变量个数的维数分类法－－一维和多维5)基于信号频谱的频率分布形状的频谱分类法－－频率

2023/1/1426(1)确定性信号和随机信号

分类方法1是考虑信号沿时间轴演变的特性所作的一种分类。根据这种时域分类法可定义两大类信号：确定性信号和随机信号。确定性信号：可以用合适的数学模型或数学关系式来完整地描述或预测其随时间演变情形的信号。（集合）随机信号：具有不能被预测的特性且只能通过统计观察来加以描述的信号。（大气压变化）随机信号2023/1/1427确定性信号又分为周期信号和非周期信号。周期信号：满足下面关系式的信号：x(t)=x(t+kT) 式中，T——周期。周期信号一般又分为正余弦信号、多谐复合信号和伪随机信号。非周期信号：定义：不具有上述性质的确定性信号。非周期信号又可分成准周期信号和瞬态信号两类。

伪随机信号正/余弦信号准周期信号：由多个具有不成比例周期的正弦波之和形成，或者称组成信号的正（余）弦信号的频率比不是有理数。瞬态信号：时间历程短的信号。2023/1/1428图4瞬态信号x(t)矩形脉冲信号y(t)－衰减指数脉冲信号z(t)正弦脉冲2023/1/1429

平稳随机信号：信号的统计特征（如均值、方差、均方值等）不随时间变化。非平稳随机信号：不具有上述特点的随机信号随机信号分成两大类：平稳随机和非平稳随机信号。x(t)－宽带信号（白噪声）y(t)－经低通滤波后的信号图5平稳随机信号图6非平稳随机信号2023/1/1430按信号时域特性的表象分类法分类图

信号确定性信号随机信号周期性信号非周期信号正弦、余弦性信号多谐复合信号伪随机信号准周期信号瞬态信号平稳随机信号非平稳随机信号各态历经信号非各态历经信号2023/1/1431(2)能量信号和功率信号

能量信号：在右图所示的单自由度振动系统中：由弹簧所积蓄的弹性势能为x2(t)；若x(t)表达为运动速度，则x2(t)反映的是系统的运动中的动能。定义：当x（t）满足关系式 则称信号x（t）为有限能量信号，简称能量信号。矩形脉冲、衰减指数信号等均属这类信号。功率信号：当信号满足条件亦即信号具有有限的（非零）平均功率，则称信号为有限平均功率信号，简称功率信号。图7单自由度振动系统

2023/1/1432(3)连续信号和离散信号

分类依据：信号的幅值是连续的还是离散的；自变量（即时间t）是连续的还是离散的。对于连续信号：自变量和幅值均为连续的信号称为模拟信号；自变量是连续、但幅值为离散的信号，则称为量化信号。对于离散信号：信号的自变量及幅值均为离散的，则称为数字信号；信号的自变量为离散值、但其幅值为连续值时，则称该信号为被采样信号。2023/1/1433信号按形态分类法加以区分的四种形式

自变量和幅值均为连续自变量连续，幅值离散自变量离散，幅值连续自变量离散，幅值离散2023/1/14344信号时域和频域描述方法

1)时域描述法：主要反映信号的幅值随时间变化的特征。分析系统时，除采用经典的微分或差分方程外，还引入单位脉冲响应和单位序列响应的概念，借助于卷积积分的方法。2)频域分析法：将信号和系统的时间变量函数或序列变换成对应频率域中的某个变量的函数，来研究信号和系统的频域特性。对于连续系统和信号来说，常采用傅里叶变换和拉普拉斯变换；对于离散系统和信号则采用Z变换。频域分析法将时域分析法中的微分或差分方程转换为代数方程，给问题的分析带来了方便。

2023/1/1435信号的复杂性：实际信号的形式常常是比较复杂的。因此常常将复杂的信号分解成某些特定类型（易于实现和分析）的基本信号之和，如正弦信号、复指数型信号、阶跃信号、冲激信号等等。信号的频域描述即是将一个时域信号变换为一个频域信号，将该信号分解成一系列基本信号的频域表达形式之和，从频率分布的角度出发研究信号的结构及各种频率成分的幅值和相位关系。2023/1/1436第五节传感检测技术概述-狭义和广义定义

1传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节它与信息系统的输入端相连，并将检到的信号输送到信息