1、現代檢測技術學 院： 專 業： 姓 名： 學 號： 指導教師：2014年 12月 30日現代檢測技術的技術特點和系統的構成1、現代檢測技術特點（1）測量過程軟件控制 智能檢測系統可以是新建自穩零放大， 自動極性判斷， 自動量程切換， 自動 報警，過載保護，非線性補償，多功能測試和自動巡回檢測。由于有了計算機， 上述過程可采用軟件控制。 測量過程的軟件控制可以簡化系統的硬件結構， 縮小 體積，降低功耗，提高檢測系統的可靠性和自動化程度。（2）智能化數據處理 智能化數據處理是智能檢測系統最突出的特點。 計算機可以方便、 快捷地實 現各種算法。因此，智能檢測系統可用軟件對測量結果進行及時、在線處理，

2、提 高測量精度。 另一方面，智能檢測系統可以對測量結果再加工， 獲得并提高更多 更可靠的高質量信息。智能檢測系統中的計算機可以方便地用軟件實現線性化處理、 算術平均值處 理、數據融合計算、快速的傅里葉變換（FFT）、相關分析等各種信息處理功能。（ 3）高度的靈活性 智能檢測系統已以軟件工作為核心，生產、修改、復制都比較容易，功能和 性能指標更加方便。而傳統的硬件檢測系統，生產工藝復雜，參數分散性較大， 每次更改都涉及到元器件和儀器結構的改變。（ 4）實現多參數檢測與信息融合智能檢測系統設備多個測量通道， 可以有計算對多路測量通進行檢測。 在進 行多參數檢測的基礎上， 依據各路信息的相關特性，

3、可以實現智能檢測系統的多 傳感器信息融合，從而提高檢測系統的準確性、可靠性和容錯性。（ 5）測量速度快高速測量時智能檢測系統追求的目標之一。 所謂高速檢測，是指從檢測開始， 經過信號放大、整流濾波、非線性補償、 A/D轉換、數據處理和結果輸出的全過 程所需要的時間。目前，高速 A/D轉換的采樣速度在2000MHz以上，32位PC機 的時鐘頻率也在500MHz以上。隨著電子技術的迅猛發展，高速顯示、高速打印、 高速繪圖設備也日臻完善。這些都為智能檢測系統的快速檢測提供了條件。（ 6）智能化功能強 以計算機為信息處理核心的智能檢測系統具有較強的智能功能， 可以滿足各 類用戶的需要。典型的智能功能有

4、：1）測量選擇功能智能檢測系統能夠實現量程轉換、 信號通道和采樣方式的自動選擇， 使系統 具有對被測量對象的最優化跟蹤檢測能力。2）故障診斷功能智能檢測系統結構復雜， 功能較多， 系統本身的故障診斷尤為重要， 系統可 以根據檢測通道的特性和計算機本身的自診斷能力， 檢查個單元故障， 顯示故障 部位，故障原因和應采取的故障排除方法。3）其他智能功能 智能檢測系統還可以具備人機對話、自校準、打印、繪圖、通信、專家知識查詢和控制輸出等智能功能。2、系統的構成現代檢測技術的一個明顯特點就是傳感器采用電參量、電能量或數字傳感器以及微型集成傳感器，信號處理采用集成電路和微處理器。盡管現代檢測儀器和檢測系統

5、的種類、型號繁多，用途、性能千差萬別，但 它們的作用都是用于各種物理或化學成分等參量的檢測，其組成單元按信號傳遞 的流程來區分：通常由各種傳感器（變送器）將非電被測物理或化學成分參量轉 換成電信號，然后經信號調理（信號轉換、信號檢波、信號濾波、信號放大等） 、 數據采集、信號處理后顯示并輸出（通常有 420 mA經D/A轉換和放大后的 模擬電壓、開關量、脈寬調制 PWM串行數字通信和并行數字輸出等），由以上 設備以及系統所需的交、直流穩壓電源和必要的輸入設備（如撥動開關、按鈕、 數字撥碼盤、數字鍵盤等）便組成了一個完整的檢測（儀器）系統，其各部分關 系如圖0-1所示。（1）傳感器傳感器是檢測系

6、統與被測對象直接發生聯系的器件或裝置。它的作用是感受指定被測參量的變化并按照一定規律將其轉換成一個相應的便于傳遞的輸出信 號。傳感器通常由敏感元件和轉換部分組成； 其中，敏感元件為傳感器直接感受 被測參量變化的部分，轉換部分的作用通常是將敏感元件的輸出轉換為便于傳輸 和后續環節處理的電信號。執行器卜1彼測對象 |悟站-嚴采集一信戟理一潔號樹ftISA設備信號圖0-1 現代檢測系統一般組成框圖例如，半導體應變片式傳感器能把被測對象受力后的微小變形感受出來，通過一定的橋路轉換成相應的電壓信號輸出。 這樣，通過測量傳感器輸出電壓便可 知道被測對象的受力情況。這里應該說明，并不是所有的傳感器均可清楚、

7、明晰 地區分敏感和轉換兩部分；有的傳感器已將這兩部分合二為一，也有的僅有敏感 元件（如熱電阻、熱電偶）而無轉換部分，但人們仍習慣稱其為傳感器（如人們 習慣稱熱電阻、熱電偶為溫度傳感器）。傳感器種類繁多，其分類方法也較多。主要有按被測參量分類法（如溫度傳 感器、濕度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器、荷重傳感器等），按傳感器轉換機理（工作原理）分類法（如電阻式、電容式、電感式、壓電式、超聲波式、 霍爾式等）和按輸出信號分類法（分為模擬式傳感器和數字式傳感器兩大類）等。 采用按被測參量分類法有利于人們按照目標對象的檢測要求選用傳感器，而采用按傳感器轉換機理分類法有利于對傳感器做研究和試驗。傳感器作為

8、檢測系統的信號源，其性能的好壞將直接影響檢測系統的精度和 其他指標，是檢測系統中十分重要的環節。本書主要介紹工程上涉及面較廣、應 用較多、需求量大的各種物理量、化學成分量常用的先進的檢測技術與實現方法 以及如何選用合適的傳感器，對傳感器要求了解其工作原理、應用特點，而對如 何提高現有各種傳感器本身的技術性能， 以及設計開發新的傳感器則不作深入研 究。通常檢測儀器、檢測系統設計師對傳感器有如下要求：a. 精確性傳感器的輸出信號必須準確地反應其輸入量， 即被測量的變化。 因此，傳感 器的輸出與輸入關系必須是嚴格的單值函數關系，最好是線性關系；b. 穩定性傳感器的輸入、 輸出的單值函數關系最好不隨時

9、間和溫度而變化， 受外界其 他因素的干擾影響亦應很小，重復性要好；c. 靈敏度 即要求被測參量較小的變化就可使傳感器獲得較大的輸出信號；d. 其他 如耐腐蝕性好、低能耗、輸出阻抗小和售價相對較低等。 各種傳感器輸出信號的形式也不盡相同， 通常有電荷、 電壓、電流、頻率等， 在設計檢測系統及選擇傳感器時對此也應給予重視。（2）信號調理 信號調理在檢測系統中的作用是對傳感器輸出的微弱信號進行檢波、轉換、 濾波、放大等，以方便檢測系統后續環節處理或顯示。例如，工程上常見的熱電 阻型數字溫度檢測 （控制）儀表，其傳感器 Ptl00 的輸出信號為熱電阻值的變化。 為便于處理， 通常需設計一個四臂電橋，

10、把隨被測溫度變化的熱電阻阻值轉換成 電壓信號；由于信號中往往夾雜著 50 Hz工頻等噪聲電壓，故其信號調理電路通 常包括濾波、放大、線性化等環節。需要遠傳的話，通常采取 D/A或V/1電路 將獲得的電壓信號轉換成標準的 420 mA電流信號后再進行遠距離傳送。檢測 系統種類繁多，復雜程度差異很大，信號的形式也多種多樣，各系統的精度、性 能指標要求各不相同， 它們所配置的信號調理電路的多寡也不盡一致。 對信號調 理電路的一般要求是：1）能準確轉換、穩定放大、可靠地傳輸信號；2）信噪比高，抗干擾性能要好。（3）數據采集數據采集（系統）在檢測系統中的作用是對信號調理后的連續模擬信號進行離散化并轉換成

11、與模擬信號電壓幅度相對應的一系列數值信息， 同時以一定的方 式把這些轉換數據及時傳遞給微處理器或依次自動存儲。 數據采集系統通常以各 類模/數（A/D）轉換器為核心，輔以模擬多路開關、采樣/保持器、輸入緩沖 器、輸出鎖存器等。數據采集系統的主要性能指標是：1）輸入模擬電壓信號范圍，單位 V；2）轉換速度（率），單位 次/s；3）分辨率，通常以模擬信號輸入為滿度時的轉換值的倒數來表征；4）轉換誤差，通常指實際轉換數值與理想 A/ D轉換器理論轉換值之差。（4）信號處理信號處理模塊是現代檢測儀表、 檢測系統進行數據處理和各種控制的中樞環 節，其作用和人的大腦相類似。 現代檢測儀表、 檢測系統中的信

12、號處理模塊通常 以各種型號的單片機、 微處理器為核心來構建， 對高頻信號和復雜信號的處理有時需增加數據傳輸和運算速度快、處理精度高的專用高速數據處理器（DSP或直接采用工業控制計算機。當然，由于檢測儀表、檢測系統種類和型號繁多，被測參量不同，檢測對象 和應用場合各異， 用戶對各檢測儀表的測量范圍、 測量精度、 功能的要求差別也 很大。對檢測儀表、 檢測系統的信號處理環節來說， 只要能滿足用戶對信號處理 的要求，則是愈簡單愈可靠， 成本愈低愈好。 對一些容易實現且傳感器輸出信號 大，用戶對檢測精度要求不高，只要求被測量不要超過某一上限值，一旦越限， 送出聲（喇叭或蜂鳴器） 、光（指示燈）信號即可

13、的檢測儀表的信號處理模塊， 往往只需設計一個可靠的比較電路， 該電路的一端為被測信號， 另一端為表示上 限值的固定電平；當被測信號小于設定的固定電平值， 比較器輸出為低電平， 聲、 光報警器不動作， 一旦被測信號電平大于固定電平值， 比較器翻轉， 經功率放大 驅動揚聲器、 指示燈動作。 這種簡單系統的信號處理就很簡單， 只要一片集成比 較器芯片和幾個分立元件即可。 但對于熱處理和爐溫檢測、 控制系統來說， 其信 號處理電路將大大復雜化。 因為對熱處理爐爐溫測控系統， 用戶不僅要求系統高 精度地實時測量爐溫，而且需要系統根據熱處理工件的熱處理工藝制定的時間 - 溫度曲線進行實時控制（調節） 。如

14、果采用一般通用的中小規模集成電路來構建 這一類較復雜的檢測系統的信號處理模塊， 則不僅構建技術難度很大， 而且所設 計的信號處理模塊必然結構復雜，調試困難，性能和可靠性差。由于微處理器、 單片機和大規模集成電路技術的迅速發展和這類芯片價 格不斷降低， 對稍復雜一點的檢測系統 （儀器）其信號處理環節都應考慮選用合 適型號的單片機、微處理器、DSP或新近開始推廣的嵌入式模塊為核心來設計和 構建（或者由工控機兼任） ，從而使所設計的檢測系統獲得更高的性能價格比。（5）信號顯示通常人們都希望及時知道被測參量的瞬時值、累積值或其隨時間的變化情 況，因此，各類檢測儀表和檢測系統在信號處理器計算出被測參量的

15、當前值后通 常均需送至各自的顯示器作實時顯示。 顯示器是檢測系統與人聯系的主要環節之 一，顯示器一般可分為指示式、數字式和屏幕式三種。1）指示式顯示又稱模擬式顯示。被測參量數值大小由光指示器或指針在標 尺上的相對位置來表示。 用有形的指針位移模擬無形的被測量是較方便、 直觀的。 指示式儀表有動圈式和動磁式等多種形式， 但均有結構簡單、 價格低廉、 顯示直 觀的特點，在檢測精度要求不高的單參量測量顯示場合應用較多。 指針式儀表存 在指針驅動誤差和標尺刻度誤差， 這種儀表的讀數精度和儀器的靈敏度等受標尺 最小分度的限制，如果操作者讀儀表示值時，站位不當就會引入主觀讀數誤差。2）數字式顯示以數字形式

16、直接顯示出被測參量數值的大小。在正常情況下， 數字式顯示徹底消除了顯示驅動誤差，能有效地克服讀數的主觀誤差， （相對指 示式儀表）可提高顯示和讀數的精度， 還能方便地與計算機連接并進行數據傳輸。 因此，各類檢測儀表和檢測系統正越來越多地采用數字式顯示方式。3）屏幕顯示實際上是一種類似電視顯示方法，具有形象性和易于讀數的優 點，又能同時在同一屏幕上顯示一個被測量或多個被測量的 （大量數據式） 變化 曲線，有利于對它們進行比較、分析。屏幕顯示器一般體積較大，價格與普通指 示式顯示和數字式顯示相比要高得多， 其顯示通常需由計算機控制， 對環境溫度、 濕度等指標要求較高， 在儀表控制室、監控中心等環境

17、條件較好的場合使用較多。 （ 6）輸出在許多情況下， 檢測儀表和檢測系統在信號處理器計算出被測參量的瞬時值 后除送顯示器進行實時顯示外， 通常還需把測量值及時傳送給控制計算機、 可編 程控制器（PLC或其他執行器、打印機、記錄儀等，從而構成閉環控制系統或 實現打印（記錄）輸出。檢測儀表和檢測系統的信號輸出通常有420 mA的電流信號，經D/A轉換和放大后的模擬電壓、開關量、脈寬調制 PWM串行數字 通信和并行數字輸出等多種形式，需根據測控系統的具體要求確定。（ 7）設備輸入設備是操作人員和檢測儀表或檢測系統聯系的另一主要環節， 用于輸入 設置參數，下達有關命令等。最常用的輸入設備是各種鍵盤、撥

18、碼盤、條碼閱讀 器等。近年來，隨著工業自動化、辦公自動化和信息化程度的不斷提高，通過網 絡或各種通信總線利用其他計算機或數字化智能終端， 實現遠程信息和數據輸入 的方式愈來愈普遍。 最簡單的輸入設備是各種開關、 按鈕，模擬量的輸入、 設置， 往往借助電位器進行。（ 8）穩壓電源一個檢測儀表或檢測系統往往既有模擬電路部分， 又有數字電路部分， 通常 需要多組幅值大小要求各異但穩定的電源。 這類電源在檢測系統使用現場一般無 法直接提供，通常只能提供交流 220 V工頻電源或+24 V直流電源。檢測系統的 設計者需要根據使用現場的供電電源情況及檢測系統內部電路的實際需要， 統一 設計各組穩壓電源，給

19、系統各部分電路和器件分別提供它們所需的穩定電源。最后，值得一提的是， 以上七個部分不是所有的檢測系統 （儀表）都具備的， 而且對有些簡單的檢測系統， 其各環節之間的界線也不是十分清楚， 需根據具體 情況進行分析。另外，在進行檢測系統設計時， 對于把以上各環節具體相連的傳輸通道， 也 應給予足夠的重視。傳輸通道的作用是聯系儀表的各個環節，給各環節的輸入、 輸出信號提供通路。它可以是導線、管路（如光導纖維）以及信號所通過的空間 等。信號傳輸通道比較簡單，易被人們忽視，如果不按規定的要求布置及選擇， 則易造成信號的損失、失真或引入干擾等，影響檢測系統的精度。二 簡述現代檢測技術中數據處理內容和處理的

20、方法1、數據處理內容主要是測量誤差的分析。而測量誤差有可以分為隨機誤差、系統誤差、粗大誤差。在同一測量條件下， 多次重復測量同一量值時， 測量誤差的大小和正負符號 以不可預知的方式變化， 這種誤差叫做隨機誤差， 又稱偶然誤差。 隨機誤差是由 很多復雜因素的微小變化的總和所引起的，因此分析比較困難。（1）系統誤差當在一定的相同條件下， 對同一物理量進行多次測量時， 誤差的大小和正負 總保持不變或者誤差按一定的規律變化， 這種誤差叫做系統誤差。 引起系統誤差 的因素主要有：材料、零部件及工藝缺陷；環境溫度、濕度、壓力的變化以及其 它外界干擾等。可以利用修正值來減小或消除系統誤差（2）粗大誤差 在相

21、同的條件下，多次重復測量同一量時，明顯地歪曲了測量結果的誤差， 稱為粗大誤差，簡稱粗差。粗差是由于疏忽大意，操作不當，或測量條件的超常 變化而引起的。 含有粗大誤差的測量值稱為壞值， 所有的壞值都應去除， 但不是 主觀或隨便去除，必須科學地舍棄。正確的實驗結果不應該包含有粗大誤差。2、數據處理方法1）有效數字和數據舍入規則1）有效數字測量結果和數據處理中， 確保幾位有效數字是很重要的問題， 測量結果既然 包含誤差， 說明測量值實際就是一個近似值， 在記錄測量結果或者是數據運算時 取多少有效數字， 應該以測量能達到的準確度為依據， 如果認為測量結果中小數 點后的位數越多，數據就越準確這是片面的。

22、2）數據舍入規則對于位數很多的的近似數， 當有效位數確定以后， 其后面多余的數組應舍去， 而保留的有效數字最末以為數字應按下面的舍入規則進行湊整。 若舍去部分的數值小于保留部分末位的半個單元，則末位不變。 若舍去部分的數值大于保留部分末位的半個單元，則末位加 1。 若舍去部分的數值等于保留部分末位的半個單元，則末位湊成偶數，即末 位為偶數時不變，末位為奇數時加 1。（2）數據運算規則在近似運算中， 為保證最后結果又盡可能公安的準確度， 所有參與運算的數 據，在有效數字后可多保留一位數組作為參考數字，或稱為安全數字。1）在加減運算時，各運算數據以小數位數最少的數據位數為準，其余各數 據可多取一位

23、小數，單最后結果應與小數位數最少的數據小數位相同。2）在乘除運算時，個運算數據應以有效位數最少的數據為準，其余各數據 要比有效位數最少的數據位數多取一位數字， 而最后結果應與有效位數最少的數 據位數相同。3）在平方或開平方運算時，平方相當于乘法運算，開方是平方的逆運算， 故可以按照乘除法運算處理。4） 在對數運算時，n位有效數字的數據應該是用n位對數表，或用n+1位對 數表，以免損失精度。5 ）三角函數運算中，所取函數值得位數應隨角度誤差的減小而增多。（3）最小二乘法最小二乘算法的基本原理是將輸入數據與預先設計好的含有非周期分量和 某些諧波分量的函數按最小二乘法原理進行擬合，從中求出輸入信號中

24、所包含的基頻分量和各種諧波分量的幅值和相角。為便于下面的分析和計算，假設系統故障的暫態電流包含有衰減性直流分量和小于6次諧波的各種整數次諧波分量，則可給定電流表達式：在我們研究兩個變量（x, y）之間的相互關系時，通常可以得到一系列成對 的數據（x1, y1、x2, y2xm , ym）；將這些數據描繪在x -y直角坐標系中（如 圖1）,若發現這些點在一條直線附近，可以令這條直線方程如（式1-1）。Y計=a0 + al X （式1-1） 其中：aO、al是任意實數為建立這直線方程就要確定 aO和a1，應用最小二乘法原理，將實測值 Yi與利用（式1-1）計算值（Y計=aO+a1X）的離差（Yi-

25、Y 計）的平方和刀（Yi - 丫 計）2丨最小為“優化判據”。令：二刀（Yi - Y 計）2 （式 1-2）把（式1-1）代入（式1-2）中得： =刀（Yi - aO - a1 Xi）2 （ 式 1-3）當刀（Yi -Y計）平方最小時，可用函數對aO、a1求偏導數，令這兩個偏導數等于零。亦即：m aO + （刀 Xi ） a1 = 刀 Yi （式 1-6）（刀 Xi ） aO + （ 刀 Xi2 ） a1 = 刀（Xi, Yi）（ 式 1-7）得到的兩個關于aO、a1為未知數的兩個方程組，解這兩個方程組得出：aO =（刀 Yi） / m - a1（刀 Xi） / m （ 式 1-8）a1 =

26、n EXi Yi - （EXi 刀 Yi） / nEXi2 - （EXi）2 ）（ 式 1-9）這時把aO、a1代入（式1-1）中，此時的（式1-1）就是我們回歸的元線性方程 即：數學模型。反映了除y與x存在直線關系以外的一切因素（包括x對y的非線性影響及 其他一切未加控制的隨機因素）所引起的y的變異程度，稱為離回歸平方和或剩 余平方和，所以要求它最小，即其它影響因素最小。反映了 y的總變異程度，稱為y的總變異平方和。最小二乘法是處理各種觀測數據進行測量平差的一種基本方法。如果以不同精度多次觀測一個或多個未知量，為了求定各未知量的最可靠 值，各觀測量必須加改正數，使其各改正數的平方乘以觀測值的

27、權數的總和為最 小。因此稱最小二乘法。一般線性情況若含有更多不相關模型變量t1,.,tq，可如組成線性函數的形式!/（切1 鮎;0- * -1 %）=広0 4-認曲 + * h + %鮎即線性方程組忑o H- H +八斗工了上1會=yi鞏+叼怎1 d+叼丄巧+F吋曲=Jfe+ 分 1 如1 F - _ -1-+ + 尤gffgt/i0 A 列 11 豐 *1-= J/ti通常人們將tij記作數據矩陣A,參數xj記做參數矢量x，觀測值yi記作b,則線性方程組又可寫成：/yAya(Ax = b即上述方程運用最小二乘法導出為線性平差計算的形式為:min |Xt 一 6|2X三 簡述信息處理的內容和算

28、法對信息處理實質就是對信號處理為了深入了解信號的物理實質，將其進行分類研究是非常必要的。以不同的 角度來看待信號，我們可以將信號分為1. 確定性信號與非確定性信號2. 能量信號與功率信號3. 時限信號與頻限信號4. 連續時間信號與離散時間信號5. 物理可實現信號1.1確定性信號與非確定性信號a)確定性信號可以用明確的數學關系式描述的信號稱為確定性信號。它可以進一步分為周期信號、非周期信號與準周期信號等，如下圖所示。周期信號是經過一定時間可以重復出現的信號，滿足條件：x ( t )= x(t + nT )式中，T周期，T=2n / 3 0；3 0基頻；n=0, 1,。非周期信號是不會重復出現的信

29、號。 例如，錘子的敲擊力；承載纜繩斷裂時 應力變化；熱電偶插入加熱爐中溫度的變化過程等， 這些信號都屬于瞬變非周期 信號，并且可用數學關系式描述。例如，下圖是單自由度振動模型在脈沖力作用 下的響應。準周期信號是周期與非周期的邊緣情況， 是由有限個周期信號合成的，但各 周期信號的頻率相互間不是公倍關系，其合成信號不滿足周期條件，例如 是兩個正弦信號的合成，其頻率比不是有理數，不成諧波關系。這種信號往往出現于通信、振動系統，應用于機械轉子振動分析，齒輪噪聲 分析，語音分析等場合b)非確定性信號非確定性信號不能用數學關系式描述，其幅值、相位變化是不可預知的，所 描述的物理現象是一種隨機過程。 例如，

30、汽車奔馳時所產生的振動；飛機在大氣 流中的浮動；樹葉隨風飄蕩；環境噪聲等。1.1信號的時域分析信號時域分析又稱之為波形分析或時域統計分析，它是通過信號的時域波形 計算信號的均值、均方值、方差等統計參數。信號的時域分析很簡單，用示波器、 萬用表等普通儀器就可以進行分析。1. 信號類型確定信號時域分析(波形分析)的一個重要功能是根據信號的分類和各類信號 的特點確定信號的類型。然后再根據信號類型選用合適的信號分析方法。2. 周期T對周期信號來說，可以用時域分析來確定信號的周期，也就是計算相鄰的兩 個信號波峰的時間差。3. 均值均值Ex(t)表示集合平均值或數學期望值基于隨機過程的特性， 可用時間間隔

31、T內的幅值平均值表示，即冷=因 =腫2 94.均方值信號x(t)的均方值Ex2(t)，或稱為平均功率，其表達式為:圧值表達了信號的強度，其正平方根值，又稱為有效值，也是信號的平均 能量的一種表達。在工程信號測量中一般儀器的表頭示值顯示的就是信號的均方 值。5.方差信號x(t)的方差定義為： 強乜(咖-町啲D勺J J U稱為均方差或標準差。可以證明，尹分*貳憶描述了信號的波動量；盤 描述了信號的靜態量 方差反映了信號繞均值的波動程度。1.3信號的相關分析1.3.1相關的概念相關是指客觀事物變化量之間的相依關系，在統計學中是用相關系數來描述 兩個變量x，y之間的相關性的，即：?二咧敢再Xr創式中p

32、xy是兩個隨機變量波動量之積的數學期望，稱之為協方差或相關性， 表征了 x、y之間的關聯程度；、丄分別為隨機變量x、y的均方差，是隨機變量波動量平方的數學期望。自然界中的事物變化規律的表現，總有互相關聯的現象，不一定是線形相關， 也不一定是完全無關，如：人的身高與體重，吸煙與壽命的關系。2.4信號的幅值分析信號的幅值分析包括信號的幅值概率密度函數和幅值概率分布函數，它反映了幅值信號落在不同強度區域的概率情況。a）概率密度函數 隨機信號的概率密度函數定義為：、十 工（上） 兀+Ax= un 對于各態歷經過程：g= im hm 勻b）概率分布函數概率分布函數是信號幅值小于或等于某值 R的概率，其定

33、義為:片=r於眩J 0概率分布函數又稱之為累積概率，表示了落在某一區間的概率，亦可寫為:卩（0 =F（g A典型信號的概率密度函數和概率分布函數如下圖所示:正弓玄波AC三角浪-A/0 *A白噪聲糯怖Al岸蝕心神克0t1.5信號的表述1.5.1周期信號的表述一般周期信號可以利用傅里葉級數展開成多個乃至無窮多個不同頻率的諧 波信號的線性疊加。傅里葉級數展開式包含三角函數展開式、復指數展開式。1三角函數展開式.對于滿足狄里赫勒條件：函數在（-T/2，T/2）區間連續或只有有限個第一類間斷點，且只有有限個極值點的周期信號，均可展開成：=円 + V coswojqZ sin 托）式中常值分量、余弦分量幅

34、值、正弦分量幅值分別為天(f) win式中：aO, an, bn為傅里葉系數；T0為信號的周期，也是信號基波成份的 周期；3 0=2 n /TO為信號的基頻,n co 0為n次諧頻。由三角函數變換，可將式中的正、余弦同頻項合并0S &血氐)N-1二衛口 + 國 sin( g?庶 + 01) +上22a?0Z + 松)+ 堆 sin( + 叫)+ 式中：常值分量A0=a0各諧波分量的幅值At =屈 + 各諧波分量的初相角九二 arctg()2、復指數展開式利用歐拉公式丹用=coftf/sirKc前IW務(嚴_嚴)2.6信號的頻譜分析信號頻譜分析是采用傅立葉變換將時域信號x(t)變換為頻域信號X(

35、f)，從而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。時域信號x(t)的傅氏變換為：式中X(f)為信號的頻域表示，x(t)為信號的時域表示，f為頻率。傅里葉變換的主要性質傅里葉變換是信號分析與處理中，時域與頻域之間轉換的基本數學工具。 掌 握傅里葉變換的主要性質，有助于了解信號在某一域中變化時，在另一域中相應 的變化規律，從而使復雜信號的計算分析得以簡化。四應用實例-天然氣管道腐蝕檢測技術天然氣管道腐蝕檢測技術在現有的技術條件下，人們認為鋼質管道傳輸送危險液體和氣體被認為是安 全有效的方式，但是隨著時間的推移和管道自身以及周圍環境的變化，管道會出現不可避免的缺陷，這種隨時間的的積累的缺陷很容易導致事

36、故的發生，其表現的形式主要是腐蝕穿孔，鋼制管道腐蝕有內腐蝕和外輸入介質含有的腐蝕性雜質 引起管壁均勻減薄等一系列問題。管道外腐蝕是指在外防腐層破壞，陰極保護不 完全，被屏蔽情況下放生的。發生后腐蝕速度與土壤腐蝕性，陰極保護度等因相 關。防腐層失效的主要原因是土壤環境中含有的化學，物理破壞，運行條件造成的圖層老化，陰極保護副作用造成圖層剝離，以及外界活動破壞的防腐層。鋼質管道內腐蝕檢測技術鋼質管道內腐蝕檢測技術是通過裝有無損檢測設備及數據采集、處理和存儲數據系統的智能清理管道器，完成對管體的逐級掃描，達到對缺陷檢測的目的。（1）漏磁法智能清管器它是通過檢測器是目前應用歷史較長、 技術較為完善的設

37、備，其主要通途在 管道穿孔之前確定或掃描因內、外腐蝕引起的壁厚變化情況，同時也能檢測出管 壁的凹痕等缺陷。磁通法檢測器一般由三個模塊組成各模塊之間由聯軸節連接，而其表現形式主要為腐蝕穿如圖I所示：鋼質管道腐蝕有內腐蝕電池儂塊恃娠器欖塊悅器棋塊圖1漏磁通法檢測器的結構示意圖第一個模塊為電池模塊，中間為探測漏磁的傳感器模塊，第三個為儀器模塊。 漏磁通法檢測的基本原理是建立在鐵磁料的高磁導率這一特性之上的。 其檢測的 基本原理如圖2所示：鋼管中因腐蝕而產生缺陷處的磁導率遠小于鋼管的磁導率， 鋼管在外加磁場 作用下被磁化，當鋼管中無缺陷時，磁力線絕大部分通過鋼管，此時磁力線均勻 分布；當鋼管內部有缺陷

38、時，磁力線發生彎曲，并且有一部分磁力線泄漏出鋼管 表面，檢測被磁化鋼管表面逸出的漏磁通，就可判斷缺陷是否存在。漏磁通法適用于檢測中小型管道，可以對各種管壁缺陷進行檢驗，檢測的管 壁不能太厚，干擾因素多，空間分辨力低，另外，小而深的管壁缺陷處的漏磁信 號要比形狀平滑但很嚴重的缺陷處的信號大得多， 所以漏磁檢測數據往往需要經 過校驗才能使用。檢測過程中當管道所采用的材料混有雜質時， 還會出現虛假數 據。使用漏磁法檢測管壁厚度時，檢測信號易受到管壁腐蝕缺陷的長度， 深度和 缺陷形等因素的影響。當腐蝕缺陷的面積大于探頭的靈敏區時， 管壁厚度的檢測 精度高。但是，當腐蝕缺陷的面積小于探頭的靈敏區時， 管

39、壁厚度的檢測精度難 以得到保證。因此，漏磁檢測裝置分為高分辨率和低分辨率兩種。高，低分辨率漏磁檢測裝置的劃分以所用探頭數的多少或各探頭間的周向間距而定。探頭數愈多，各探頭之間的周向間距愈小，分辨率愈高，則檢測精度愈高。高分辨率漏磁檢測裝置 對槽型缺陷具有良好的檢測效果，對長寬比大于 2,寬度小于探頭周向間距的槽 型缺陷而言，當采用探頭周向間距為 30 40mm勺漏磁檢測裝置檢測時，壁厚的檢 測值明顯偏小。而采用探頭周向間距為 8ram的漏磁檢測裝置再次對這種缺陷進 行檢測時，則能精確測量壁厚。（2）超聲波裂紋檢測儀。管內超聲波在役檢測原理見圖3/多i :示。垂直于管道壁的超聲波探頭對管道壁發出

40、一組超聲波脈沖后，探頭首先接收到由管道壁內表面反射的回波（前波），隨后接收到由管道壁缺陷或管道壁外表面反射的回波（缺陷波或底波）。于是，探頭至管道壁內表面的距離 A與管道壁厚度T可以通過前波時間以及前波和 缺陷波（或底波）的時間差來確定：A-tA / 2 T-tb n, / 2 （2）式中，t，為第一次反射回波（前波）時間，t。為第二次反射回波（底波或缺 陷波）時間，n，為超聲波在介質中的聲速，n。為超聲波在管道中的聲速。不過， 僅僅根據管道壁厚度T曲線尚無法判別管道屬內壁缺陷還是外壁缺陷，還需要根 據探頭至管道壁內表面的距離 A曲線來判別。當外壁腐蝕減薄時，距離A曲線不 變而當內壁腐蝕減薄時

41、，距離 A曲線與壁厚T曲線呈反對稱。于是，根據距離 A和壁厚T兩條曲線，即可確定管道壁缺陷，并判別管道是內壁腐蝕減薄缺陷還 是外壁腐蝕減薄缺陷。（3）渦流檢測技術。渦流檢測技術的原理是：在渦流式檢測器的兩個初級線 圈內通以微弱的電流，使鋼管表面因議畏度Um）圖3管內超聲波檢測原理示意圈圈4卩CM系統原理視電磁感應而產生渦流，用次級線圈進行檢測。若管壁沒有缺陷，每個初級線 圈上的磁通量均與次級線圈上的磁通量相等，由于反相連接，次級線圈上不產生 電壓。有缺陷時，磁通發生紊亂，磁力線扭曲，使次級線圈的磁失去平衡而產生 電壓。通過對該電壓的分析，檢測出腐蝕情況。2. 2鋼質管道外腐蝕檢測技術國內外埋地鋼質管道外防腐層檢測技術方法很多，但就其信號源來說，都可歸納為直流法和交流法兩種。當今防腐層狀況檢測技術大多是通過管道上方地面測量 或防腐層性能的間接測試而完成，