1、安全監測與監控安全檢測技術.黃仁東，劉敦文主編.化學工業出版社.安全檢測技術.張乃祿等.西安電子科技大學出版社.現代安全檢測技術.趙建華.中國科技大學出版社.安全檢測原理與技術.董文庚等.海洋出版社.安全檢測與控制技術.陳海群等.中國石化出版社.第一章 緒論主要內容和課時安排安全監測的意義、目的和任務安全監測技術的發展概況安全監測技術的實例3第章緒論第章緒論1.1本課程的主要內容和課時安排q安全技術及工程專業本科生的基礎課之一，多學科交叉q常見的、與安全相關的工程量的檢測上，介紹其原理、方法。4q“溫度”:國際單位制中七個基本物理量之一重要工藝參數 (七個基本單位：長度m，時間s，質量kg，熱

2、力學溫度（Kelvin溫度）K，電流單位A，光強度單位cd（坎德拉），物質量mol) 設備運行狀態的一個重要指標q物體的許多物理現象和化學性質都與溫度有關，很多生產工藝過程都是在一定的溫度范圍內進行的。q因此，溫度和溫度監測問題是工業生產、狀態監測和科學研究中經常遇到和要解決的問題。5q人們往往以為溫度監測方法很簡單，其實要準確地監測溫度是很困難的。q溫度監測方法 一、傳統方法（接觸法） 膨脹式溫度計、熱電阻溫度計、熱電偶溫度計、感溫片 二、現代方法（非接觸法） 紅外非接觸測溫技術、紅外熱像儀測溫技術（溫度場測量）、基于彩色CCD三基色測溫技術、分布式光纖測溫技術 6q總學時數：48 其中：講

3、授 46學時，復習2學時；q本課程共包括6 6章重點闡述安全監測的技術基礎緒論，主要闡述安全監測的意義、目的和任務以及安全監測技術的發展概況。檢測技術的基礎知識，主要介紹誤差理論基礎、檢測系統的基本特性以及信號分析基礎7p安全監測常用傳感器p生產工藝參數的檢測 溫度、 壓力、 流量、 物位p環境與災害參數檢測氣體、粉塵、噪聲、振動、泄漏、火災噪聲、振動、泄漏、火災p無損檢測技術超聲、紅外、磁粉、滲透、射線8第第章緒論章緒論1.2安全監測的意義、目的和任務1.2.1 安全監測的意義q隨著現代工業生產的發展和科學技術的進步，現代生產裝置的結構越來越復雜，功能越來越完善，自動化程度也越來越高，相應的

4、安全問題便日益嚴重，導致災難性事故不斷發生，如國內外曾經發生的各種空難、海難、煤礦透水、瓦斯爆炸、天然氣井噴和火災等惡性事故，其造成的人員傷亡、經濟損失和社會影響都十分驚人。 919852009年世界部分國家發生的特大事故及其后果年世界部分國家發生的特大事故及其后果 101.2.1 安全監測的意義安全監測的意義q這些特大災難性事故的后果令人觸目驚心，不但造成巨大的經濟損失，而且造成很大的人員傷亡和環境污染，在社會上引起了強烈的反響，嚴重影響全球經濟的可持續發展和社會穩定。112001.9.11 美國紐約美國紐約世貿中心世貿中心倒塌圖片倒塌圖片世貿中心原貌世貿中心被撞擊121.2.1 安全監測的

5、意義安全監測的意義q 2002年4月15日，中國國際航空公司的一架波音767客機，執行CA129次航班的任務，從北京飛往韓國釜山，在韓國釜山機場附近墜毀，機上有155名乘客和11名機組人員，僅有38人幸存，死亡122人，失蹤6人。q 2002年5月7日，北方航空公司的一架MD-82飛機，執行 CJ 6136次航班的任務，從北京起飛，飛往大連，在大連機場東側約20公里的海面失事，機上103名乘客和9名機組人員，全部遇難。 132002.4.15 國航客機在國航客機在韓國釜山韓國釜山墜毀圖片墜毀圖片墜毀地點示意圖失事現場142002.4.15 國航客機在國航客機在韓國釜山韓國釜山墜毀圖片墜毀圖片飛

6、機殘骸發動機殘骸失事飛機波音-767152002.5.7 北航客機在北航客機在大連大連墜毀圖片墜毀圖片墜毀地點示意圖失事飛機MD-82打撈出的最大殘骸162002.5.7 北航客機在北航客機在大連大連墜毀圖片墜毀圖片打撈出的飛機殘骸和遇難者遺物 飛機駕駛內艙打撈出水 飛機機頭打撈出水 171.2.1 安全監測的意義安全監測的意義q2003年11月3日凌晨，湖南省衡陽市珠暉區一棟八層四合院商住樓發生特大火災。由于當地消防官兵全力撲救，該樓96戶共412名居民均安全撤離，無一人傷亡。但因為部分樓房突然倒塌，導致20名消防官兵不幸遇難，包括4名新聞記者在內的16人受傷。 衡陽特大火災火場181.2.

7、1 安全監測的意義安全監測的意義衡陽特大火災火場191.2.1 安全監測的意義安全監測的意義q 2004年8月24日，俄羅斯發生“9.11”式空難，兩架從莫斯科“托莫杰托沃”國際機場起飛的俄羅斯客機在一天里相繼失事。q 先是一架圖-134客機在莫斯科南部約200公里的圖拉地區墜毀，緊接著約3分鐘后另一架圖-154客機又在莫斯科南部約960公里的羅斯托夫地區附近步其后塵。q 兩架客機上的106名乘客和機組人員全部遇難。 202004.8.24 俄羅斯兩架客機相繼墜毀圖片俄羅斯兩架客機相繼墜毀圖片墜毀地點示意圖圖拉距莫斯科約200公里羅斯托夫距莫斯科約960公里失事飛機圖-154失事飛機圖-134

8、211.2.1 安全監測的意義安全監測的意義q 2005年2月14日15時左右，遼寧省阜新礦業集團孫家灣煤礦發生特別重大瓦斯爆炸事故，造成214人死亡，30人受傷，直接經濟損失4968.9萬元。221.2.1 安全監測的意義安全監測的意義發生事故的井口231.2.1 安全監測的意義安全監測的意義q 2006年12月29日下午16時48分(北京時間30日3點48分)，巴西GOL航空公司一架載有154人的 波音737-800型客機與一架小型商務機相撞后從雷達上消失。q 這架飛機原本應在巴西利亞暫作停留后飛往里約熱內盧，預定在里約熱內盧的降落時間是18時10分。q 這架客機在亞馬孫一個農場墜毀，機上

9、人員全部遇難，與其相撞的小飛機機翼受損但成功降落。241.2.1 安全監測的意義安全監測的意義巴西波音737-800客機失事示意圖251.2.1 安全監測的意義安全監測的意義q 2007年7月29日8時40分，肆虐的洪水沿河南省三門峽支建鐵爐溝河暴漲，造成位于河床中心的原中國鋁業公司廢棄的鋁土礦坑塌陷，洪水通過礦井上部老巷泄入陜縣支建礦業有限公司東風井，造成淹井事件。經過76個小時的全力搶救，被困的69名礦工在8月1日12時50分全部脫困。261.2.1 安全監測的意義安全監測的意義被困的首名礦工在救護隊員摻扶下走出井口271.2.1 安全監測的意義安全監測的意義被困的最后一名礦工抬出井口28

10、1.2.1 安全監測的意義安全監測的意義q 2008年9月20日22時49分，廣東省深圳市龍崗區舞王俱樂部發生特別重大火災，造成44人死亡，58人受傷，直接經濟損失1589萬元。事發現場外圍滿了人291.2.1 安全監測的意義安全監測的意義火災現場301.2.1 安全監測的意義安全監測的意義火災現場一片狼藉311.2.1 安全監測的意義安全監測的意義q 2009年2月9日晚20時27分，北京中央電視臺新大樓北配樓發生特大火災，大火燃燒了近6個小時，火勢兇猛，附近千人被疏散，造成1人死亡，7人受傷，估計損失達7億元。火災現場321.2.1 安全監測的意義安全監測的意義火災現場331.2.1 安全

11、監測的意義安全監測的意義火災現場外圍滿了人341.2.1 安全監測的意義安全監測的意義q 在我國，煤礦透水、天然氣井噴、瓦斯爆炸和飛機墜毀等惡性傷亡事故已引起國際社會的關注。q 提高安全監測技術水平，對有效減少事故隱患，預防和控制重特大事故的發生，遏制群死群傷、重大經濟損失和保障國家經濟與社會的發展具有重大現實意義。 351.2.2 安全監測的目的安全監測的目的q安全監測的目的安全監測的目的(1)能及時地、正確地對運行設備的運行參數和運行狀況作出全面監測，預防和消除事故隱患。(2)對設備的運行進行必要的指導，提高設備運行的安全性、可靠性和有效性，以期把運行設備發生事故的概率降低到最低水平，將事

12、故造成的損失減低到最低程度。(3)通過對運行設備進行監測、隱患分析和性能評估等，為設備的結構修改、設計優化和安全運行提供數據和信息。 361.2.2 安全監測的目的安全監測的目的q總起來說，進行安全監測的目的就是確保設備的安全運行，預防和消除事故隱患，避免事故發生，尤其是避免重特大事故的發生，遏制群死群傷和重大經濟損失。q事實上，如果加強運行設備的安全監測，有許多事故是可以防患于未然的，下面是一些事故增加的原因，也正是安全監測所要解決的問題： 371.2.2 安全監測的目的安全監測的目的(1)現代生產設備向大型化、連續化、快速化和自動化方向發展。一方面在提高勞動生產率、降低生產成本、節約資源和

13、人力等方面帶來很大好處；但另一方面，由于設備故障率增加，而導致由事故所造成的損失，卻在成百倍地增長。 (2)高新技術采用現代設備，特別是航天、航空、航海和核工業等部門對安全性、可靠性提出了越來越高的要求，多年來航天、航空、核電站的多次災難性事故，更說明了進行安全監測的迫切性。 381.2.2 安全監測的目的安全監測的目的(3)現有大量生產設備的老化，要求加強對其進行安全監測。許多老設備、老裝置，服役已接近其壽命期，進入“損耗故障期”，故障率增大，有的甚至超期服役。全部更新的話經濟負擔很重，此時如對其加強安全監測，將能延長設備的使用壽命。 391.2.3 安全監測的任務安全監測的任務q監測設備的

14、運行狀態，判斷其是否正常；進行安全預測和診斷；指導設備的管理和維修q監測工作環境的安全狀況，判斷是否符合國家相關安全標準；指導安全設備的設計和維護生產工藝參數的檢測 溫度、 壓力、 流量、 物位環境與災害參數檢測氣體、粉塵、噪聲、振動、泄漏、火災噪聲、振動、泄漏、火災無損檢測技術超聲、紅外、磁粉、滲透、射線401.監測設備的運行狀態I.運行狀態監測 正常狀態：沒有缺陷，或雖有缺陷但在允許的限度內異常狀態:缺陷擴展，性能劣化，仍能維持工作故障狀態:不能正常工作1.2.3 安全監測的任務安全監測的任務41II.安全預測和診斷 q設備運行狀態監測所獲得的信息q已知的結構特性和參數以及環境條件q該設備

15、的運行歷史對設備可能要發生的或已經發生的故障進行預報、分析和判斷，確定故障的性質、類別、程度、原因和部位，指出故障發生和發展的趨勢及其后果，提出控制故障繼續發展和消除故障的調整、維修和治理的對策措施，并加以實施，最終使設備復原到正常狀態。1.2.3 安全監測的任務安全監測的任務42III.指導設備的管理和維修q事后維修方式（Run-to-Breakdown Maintenance）q定期預防維修方式（Time-based Preventive Maintenance）q視情維修（Condition-based Maintenance）1.2.3 安全監測的任務安全監測的任務43p視情維修是一種

16、更科學、更合理的維修方式。但要能做到視情維修，其條件是有賴于完善的安全監測技術的發展和實施。1.2.3 安全監測的任務安全監測的任務44第第章緒論章緒論1.3 安全監測技術的發展概況q對于安全監測技術，實際上自有工業生產以來就已存在。I. 早期人們人們依據對觸摸、觀察，對聲音、振動等狀態特征的感受，憑借個人的經驗，可以判斷某些故障的存在，并提出修復的措施。II.依靠簡單的工具簡單的工具，例如：1815年，安全燈(英國)-瓦斯在燈焰周圍燃燒，火焰高度:瓦斯含量III.安全監測技術作為一門學科，則是20世紀60年代以后才發展起來的。 45q20世紀70年代過程系統在線故障監測與安全診斷技術隨著生產

17、和科學技術的發展迅速得到發展。這是動態系統的故障監測與診斷問題，是應用現代控制理論、數理統計等方法來分析處理非正常工況下系統特性的結果。q所謂“故障監測、診斷和預報系統”，通常有兩種涵義，一是指某些專用儀器，如對于汽輪發電機組等旋轉機械設備，就有“轉速測量儀”、“旋轉機械振動檢測儀”和“頻譜分析儀”等，可以檢測出這類機械設備的46q運轉是否正常。另一種是指計算機數據采集分析系統，它可以采集生產過程的有關數據，完成工況分析，對設備是否正常？是什么原因引起故障？故障的程度有多大？工況的趨勢是否安全等問題進行分析、判斷、得出結論。q近年來在線故障監測與安全診斷技術的研究十分活躍，如紅外監測技術（包括

18、紅外測溫、紅外氣體分析和紅外氣體泄漏監測）、聲發射監測技術、智能安全監測系統等，其工程應用也日益廣泛。47q發達國家安全監測技術研究起步較早、研究投入較多，安全監測技術這一領域的理論、方法、技術、裝備等已遍及諸多行業，如航天、航空、核工業、石油、化工、電力、采礦、林業、建筑等各種社會支柱產業中。q在我國，安全監測技術的發展，在國家經濟建設中發揮了越來越大的作用，也取得了十分明顯的社會經濟效益。煙氣連續排放在線檢測系煙氣連續排放在線檢測系統統 1.4 安全監測的實例主梁內力和溫度、橋塔內力和溫度、伸縮縫位移進行長期監測，包括多臺高性能光纖光柵動態數據采集儀和數百只各類光纖光柵傳感器。 EF-VS

19、360視覺識別-字符識別（OCR/OCV）檢測系統設備圖 檢測人員正在鑄造廠房內進行粉塵采樣 檢測人員正在對隧道進行風速檢測分析 美國舊金山國際機場_NEC Smart Catch 通風機在線監測與控制系統 煤礦井下環境氣體中的瓦斯濃度 溫度、連軸溫度、壓力、風量 第二章第二章 檢測技術的基礎知識誤差理論信號分析基礎檢測系統的基本特征可靠性技術2.1 2.1 誤差理論定義特點產生原因分類誤差的處理2.1.12.1.1測量誤差測量誤差? ?測量儀器,測量方法，測量人員，參數的計算及測量數據處理沒有誤差的測量是不存在的誤差和測量有著密切的關系測量誤差 = 測得值 - 真值 （客觀真實值：未知）客觀

20、真實值：未知）1m = 1650763.73 約定真值：世界各國公認的幾何量和物理量的最高基準約定真值：世界各國公認的幾何量和物理量的最高基準( (最高精最高精度度) )的量值的量值 相對真值：標準儀器的測得值或用來作為測量標準用的標準器的值相對真值：標準儀器的測得值或用來作為測量標準用的標準器的值如：米如：米 - 公制長度基準公制長度基準 - 氪氪-86的的2p10-5d5能級間躍遷在真空中的輻射波長能級間躍遷在真空中的輻射波長l絕對誤差 x = x x0 理論真值：設計時給定或用數學、物理公式計算出的給定值理論真值：設計時給定或用數學、物理公式計算出的給定值光在真空中光在真空中1s時間內傳

21、播距離的時間內傳播距離的1/299792485l相對誤差相對誤差絕對誤差與真值之比絕對誤差與真值之比 = 100% xx0測量效果測量效果：被測量的大小不同被測量的大小不同 - - 允許的絕對誤差不同允許的絕對誤差不同被測量的量值小被測量的量值小 - - 允許的測量絕對誤差也允許的測量絕對誤差也越小越小例：例：質量質量G1=50g，誤差，誤差 1=2g；質量質量G2=2kg，誤差，誤差 2=50g 1= 100% = 100% = 4% 1G1G1：250 2= 100% = 100% = 2.5% G2G2：502000 2G2的測量效果較好2.1.2誤差的特點？普遍性普遍性所有的測量數據都

22、存在誤差 - 不可避免的最高基準的測量傳遞手段（測量儀器/測量方法）- 不絕對準確 減小誤差的影響，提高測量精度 對測量結果的可靠性給出評定（精確度的估計）研究誤差的目的：2.1.32.1.3產產生原因？生原因？1. 測量過程中測量過程中測量五要素測量五要素-觀測者、測量對象、測量儀器、觀測者、測量對象、測量儀器、測量方法及測量條件測量方法及測量條件（1） 理論與方法誤差檢測方法、采樣方法、測量重復次數、取樣時間l測量過程中l數據處理時（2）檢測系統各環節所使用的材料性能和制造技術引起的誤差（3）組成檢測系統各環節的傳遞特性方面產生的誤差（4）檢測系統器件特性變化引起的誤差 - 偏離設定值（5

23、）檢測系統各環節動力源的變化引起的誤差電流、電壓、氣壓、液壓等（6）檢測環境引起的誤差環境條件（溫度、濕度、氣壓等）差異 器件的性能（7）檢測人員造成的誤差（主觀誤差）人員視覺、讀數誤差、經驗、熟練程度、精神方面原因（1）有效數字的化整誤差：有效位數（3）近似計算例：（2）數學常數：例如圓周率（4）物理常數：例密度/粘度/導熱系數/電阻率等（實驗誤差）2.數據處理時數據處理時!.! 3! 2132nxxxxenn2.1.4誤差的分類按誤差來源：裝置誤差、環境誤差、方法誤差、人員誤差按特性規律：系統誤差、隨機誤差、粗大誤差按儀器使用條件：基本誤差（標準條件：國家或企業規定）、附加誤差（1）系統誤

24、差（System error）重復測量重復測量時，時，確定的規律確定的規律（定值；變值：如線性、周期、其他（定值；變值：如線性、周期、其他)I.系統誤差的發現1)校準和對比2) 數據分析：系統誤差比隨機誤差大很多時，殘差變化規律xxvii1) 修正值實驗 或計算- 系統誤差的具體數值和變化規律修正表格、修正曲線、修正公式例:環境誤差：干擾很大而又無法消除，測量信號為零，讀數減去干擾指示值（條件：測量中干擾的影響相同）II. 系統誤差的消除可調的標準器具代替被測量接入檢測系統調整標準器具，使檢測系統的指示值與被測量接入時相同標準器具的數值=被測量2 2）替代法）替代法（2 2）隨機誤差（隨機誤差

25、（Random errorRandom error）（偶然誤差）（偶然誤差）多次重復測量：大小和符號均無規律無規律變化因許多不確定性因素而隨機發生例：儀器的元器件性能不穩定；溫度、濕度的變化；空中電磁波的干擾等服從某種統計規律，如正態分布正態分布、均勻分布等通過大量檢驗，大多數隨機誤差服從正態分布正態分布（高斯分布）（高斯分布）李雅普諾夫定理：n a.單峰性：絕對值小的出現概率大b.對稱性：絕對值相等的正負誤差出現概率相等c.有界性：絕對值不會超過某個限度d.抵償性：當測量次數增加時，隨機誤差的代數和趨于零當測量次數增加時，隨機誤差的代數和趨于零測量次數增加算術平均值逐漸接近真值概率密度曲線概

26、率密度曲線曲線下面包含的面積是對應不同區間x出現的概率真值檢測值:21)(222)(xexfx2.2 信號分析基礎信號分析基礎信號的分類信號的時域分析信號的頻域分析 為深入了解信號的物理實質，將其進行分類研究為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，從不同角度觀察信號，可分為：是非常必要的，從不同角度觀察信號，可分為： 1 1 信號描述信號描述-確定性信號與確定性信號與隨機隨機（非確定性非確定性）信號；）信號；Deterministic and Stochastic (nondeterministic) Signals3 3 分析域分析域-時域（時域（time-domaintim

27、e-domain）與頻域）與頻域( (frequency-domain) )2.2.1 2.2.1 Classification of signals 2 2 連續性連續性-連續時間信號與離散時間信號；連續時間信號與離散時間信號；Continuous Time（CT）and discrete time（DT）Signals信號描述信號描述I.確定性信號與隨機信號確定性信號與隨機信號deterministic vs. random 可以用可以用明確數學關系式明確數學關系式描述的信號稱為確定描述的信號稱為確定性信號。不能用數學關系式描述的信號稱為隨機性信號。不能用數學關系式描述的信號稱為隨機信號。

28、信號。 deterministic signal x(t) x(t0) is a number, no uncertainity random signal x(t) x(t0)is a random variable (with some probability specification)x(t) = random signal = random process = stochastic process位移信號x (t) 可以寫為式中：A為振幅(最大值)；k為彈簧剛度；m為質量；0為初始相位。在此圖中，0=0。 x(t)-t曲線表示為位移x(t)隨時間t的變化情況。確定性信號舉例確定性信號

29、舉例Periodic signals are such that x(t+T) = x(t) for all t. The smallest value of T that satisfies the definition is called the period. In general, for CT signals )()(tfrTtf)()(nfrNnffor DT signalsWhere r, N are integers)()(txrTtx)()(nxrNnx1)1)周期信號：經過一定時間重復出現的信號周期信號：經過一定時間重復出現的信號 2/T( 2/N) is called t

30、he fundamental frequency ( radsec) of x(t) (xn).簡單周期信號簡單周期信號T=PI,f=1/piT=2PI/3,f=3/2piT=2PI,f=1/2pi復雜周期信號：由基波基波的整數倍波形疊加而成。b) b) 非周期信號非周期信號：確定信號，但不是周期信號：確定信號，但不是周期信號 準周期信號準周期信號: :由多個周期信號合成，但各信號頻率不成公倍數。如：由多個周期信號合成，但各信號頻率不成公倍數。如：x(t) x(t) = sin(t)+sin(2.t)= sin(t)+sin(2.t)瞬態信號瞬態信號:持續時間有限的信號，持續時間有限的信號，

31、如如 x(t)= e-Bt . Asin(2*pi*f*t)c)c)隨機信號隨機信號：不能用數學式描述，其幅值、相位變化：不能用數學式描述，其幅值、相位變化不可預知，所描述物理現象是一種隨機過程。不可預知，所描述物理現象是一種隨機過程。 隨機信號平穩過程非平穩過程各態歷經過程非各態歷經過程對隨機信號按時間歷程所做的各次長時間觀測記錄稱為樣本函數樣本函數，記作xi(t)。在同樣的條件下，不同時間段的各樣本函數的集合稱為總體，記作xi(t)II. II. 連續時間信號與離散時間信號連續時間信號與離散時間信號 a) a) 連續時間信號連續時間信號: :在所有時間點上有定義在所有時間點上有定義 b)b

32、)離散時間信號離散時間信號: :在若干時間點上有定義在若干時間點上有定義采樣信號采樣信號2.2.2 2.2.2 信號的時域分析信號的時域分析 信號的信號的時域時域分析是對信號的分析是對信號的幅值幅值進行分析。進行分析。內容：確定性信號幅值隨時間的變化關系；隨機信內容：確定性信號幅值隨時間的變化關系；隨機信號幅值的統計特性、相關分析號幅值的統計特性、相關分析I. 周期信號的幅值分析0001x)(mxTTdttx有限離散數字信號序列的均值N1k)k(xN1x均值：反映了均值：反映了信號變化的中心信號變化的中心位置，也稱之位置，也稱之為為直流分量直流分量。xa.a.均值均值b.絕對均值0001x)(

33、mxTTdttxN1k)k(xN1xc.均方值和均方根植Tdttx02MS)(T1xTdttx02RMB)(T1xN1k2MS)(N1xtxN1k2RMB)(N1xtxd.Peak value:XP瞬時最大作用強度e.雙峰值雙峰值Pp-p:信號幅值的變化范圍信號幅值的變化范圍AtPPp-pa a 均值均值在實際測試中，均值x可以取樣本在足夠長時間足夠長時間內的積分平均積分平均作為其估計值，記作： 01( )TTxx t dtII. 隨機信號的幅值分析TTxdttxT022)(1limb.均方值方差：反映了信號繞均值的方差：反映了信號繞均值的波動程度波動程度。 c.c.方差方差T02xT2xdt

34、m) t (xT1limd.d.概率分布函數概率分布函數distribution function X(t)P)(Fxx對于實軸上任何一點x，隨機變量X的分布函數F（x）在x點的值為隨機變量X小于x這個事件發生的概率。分布函數是單調非降的右連續函數，在負無窮大時為0，在正無窮大時為1。e.e.概率密度函數概率密度函數 如果存在函數p(x),使得badx)x(pbxPa則p(x)為概率密度函數概率密度函數是概率分布函數的導數各種可能出現的幅值概率之和等于11dx)x(p1x1dx)x(pxPx概率密度函數圖上為x1左邊部分p(x)曲線下的面積概率分布函數圖上為x1縱坐標的高度P(x1)幅值x1

35、的概率:1 波形波形變量相關的概念（相關函數變量相關的概念（相關函數 ） 如果所研究的變量如果所研究的變量x, yx, y是與時間有關的函是與時間有關的函數，即數，即x(t)x(t)與與y(t)y(t)：x(t)x(t)y(t)y(t)III. III. 信號的相關分析信號的相關分析 相關函數相關函數反映了二個信號在時間上的相關性反映了二個信號在時間上的相關性互相關函數互相關函數R Rxyxy( () )dttt)(x)(y)(Ryx如果x(t)=y(t)，則Rxx ()= Rxy()為為自相關函數自相關函數dttt)(x)(x)(Rxx使兩個信號之間產生時差，再相乘再積分，即可得到此時差兩個

36、信號的相關性連續變化此時差，就可得到相關函數曲線x(t)y(t)延延時時 相相乘乘 y(t +)X(t)y(t +)積積分分 Rxy()計算過程*圖例圖例相關函數曲線：2.相關函數的性質相關函數的性質 相關函數描述了兩個信號間或信號自身相關函數描述了兩個信號間或信號自身不同時不同時刻的相似程度刻的相似程度，通過相關分析可以發現信號中許多，通過相關分析可以發現信號中許多有規律的東西。有規律的東西。 （1 1）自相關函數是）自相關函數是 的偶函數，的偶函數，R RX X( ( )=R)=Rx x(- (- ) )；互相關函數既不是偶函數，也不是奇函數。互相關函數既不是偶函數，也不是奇函數。（2 2

37、）當）當 =0 =0 時，時，自相關函數具有最大值。自相關函數具有最大值。（3 3）周期信號周期信號的自相關函數仍然是的自相關函數仍然是同頻率同頻率的周的周期信號，但不保留原信號的相位信息。期信號，但不保留原信號的相位信息。)(R)(Ryxxy2/ ) tcosA()(R)t(Asin2x的自相關函數為：（5 5）兩同頻率周期信號兩同頻率周期信號的互相關函數仍然是的互相關函數仍然是同頻同頻率率的周期信號，且保留原了信號的相位信息。的周期信號，且保留原了信號的相位信息。（6 6）兩個非同頻率的周期信號互不相關。）兩個非同頻率的周期信號互不相關。（4 4）隨機噪聲信號的自相關函數將隨）隨機噪聲信號

38、的自相關函數將隨 的增大快的增大快速衰減。速衰減。)-t(ABcos)(R)-t(Bsin) t(Asinxy的互相關函數與IV. 時域分析的工程應用時域分析的工程應用 案例：案例：汽車速度測量汽車速度測量:案例：案例：旅游索道鋼纜檢測旅游索道鋼纜檢測超門限報警超門限報警 機械加工表面粗糙度自相關分析機械加工表面粗糙度自相關分析 被測工件被測工件相關分析相關分析性質性質3,3,性質性質4 4自相關測轉速自相關測轉速理想信號理想信號干擾信號干擾信號實測信號實測信號自相關系數自相關系數性質性質3 3，性質，性質4 4：提取周期性轉速成分。提取周期性轉速成分。X1X2工程中常用兩個間隔一定距離的傳感

39、器進行非接觸測量運動物體的速度熱軋鋼帶的運動速度2.2.3 2.2.3 信號的頻域分析信號的頻域分析 信號頻域分析是采用傅立葉變換將時域信號信號頻域分析是采用傅立葉變換將時域信號x(t)x(t)變換為頻域信號變換為頻域信號X(f)X(f)，從而幫助人們從另一個角度，從而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。來了解信號的特征。 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz傅里葉傅里葉變換變換X(t)= sin(2nft)0 t0 f周期信號的傅立葉級數非周期信號的傅立葉積分頻譜分析的應用信號頻譜信號頻譜X(f)X(f)代表了信號在不同頻代表了信號在不同頻率分量成

40、分的大小，能夠提供比時率分量成分的大小，能夠提供比時域信號波形更直觀，豐富的信息。域信號波形更直觀，豐富的信息。 時域分析與頻域分析的關系時域分析與頻域分析的關系時間時間幅值幅值頻率頻率時域分析時域分析頻域分析頻域分析 時域分析只能反映信號的幅值隨時間的變化時域分析只能反映信號的幅值隨時間的變化情況，除單頻率分量的簡諧波外，很難明確揭示情況，除單頻率分量的簡諧波外，很難明確揭示信號的頻率組成和各頻率分量大小。信號的頻率組成和各頻率分量大小。 圖例：受噪聲干擾的多頻率成分信號圖例：受噪聲干擾的多頻率成分信號 大型空氣壓縮機傳動裝置故障診斷大型空氣壓縮機傳動裝置故障診斷傅里葉級數：傅里葉級數：)s

41、incos()(01020tnbtnatxnnna,.)3 , , 2 , 1( n102)cos()(0nnnatnAtx變形為：變形為：,.)3 , , 2 , 1( nI I 周期信號的傅立葉級數展開周期信號的傅立葉級數展開 ;sin)(;cos)(;)(222/2/022/2/022/2/10nnabnnnnTTTnTTTnTTTarctgbaAtdtntxbtdtntxadttxaT周期周期0=2/T，圓頻率圓頻率例：周期三角波的傅里葉級數例：周期三角波的傅里葉級數t00T2AAtT2AA) t (x2Tt00t2T002Adtt)T2A-(AT2dt) t (xT1a2T0002T

42、2T0000000T2222Tn022024A24Anax(t)cosntdtsinnTn20,.6 , 4 , 2n,.5 , 3 , 1n0tdtsinn) t (xT2b02T2T0n00022n 1000222A4A1x(t)cosnt2nA4A11(costcos3tcos5t.)235,.6 , 4 , 2n,.5 , 3 , 1n基波（基頻）三次諧波 五次諧波(3)頻譜圖既方便又明白的表示一個信號中包含有哪些頻率分量，各分量所占的比重如何每一條譜線代表一個基波或一個諧波分量，譜線高度譜線高度代表這一正弦分量的振幅，譜線橫坐標譜線橫坐標代表這一正弦分量的頻率幅值頻譜幅值頻譜A An

43、 n-w-w相位頻譜相位頻譜n n-w-w;22nnnbaA功率譜功率譜02nw-nA周期三角波的頻譜圖周期三角波的頻譜圖實頻譜圖的特點：1. 由不連續的線條組成，每一條線代表一個正弦分量。2. 頻譜的每條譜線，都只能出現在基波頻率的整數倍整數倍的頻率上，頻譜中不可能存在任何具有頻率為基波頻率非整數倍的分量。3. 各條譜線的高度，即各次諧波的振幅，總的趨勢是隨著諧波次數的增高而逐漸減小逐漸減小的；當諧波次數無限增高時，諧波分量的振幅就無限趨小。頻譜的離散性離散性、諧波性諧波性、收斂性收斂性II. 非周期信號的傅立葉積分非周期信號的傅立葉積分 與周期信號相似，與周期信號相似，非周期信號非周期信號

44、也可以分解為許多也可以分解為許多不同頻率分量的諧波和不同頻率分量的諧波和非周期信號的周期非周期信號的周期T T，基頻，基頻f fdfdf包含了從零到無窮大的所有頻率分量包含了從零到無窮大的所有頻率分量x tXf edfXfx t edtjftjft( )()()( )22dtetxXdeXtxtjtj)()()()(21或或)()()(fjefXfX)(Im)(Re)(22fXfXfX)(Re)(Im)(fXfXarctgf 非周期信號的譜線出現在非周期信號的譜線出現在0,f0,fmaxmax的各連續頻率值上，的各連續頻率值上，這種頻譜稱為這種頻譜稱為連續譜連續譜。III. 頻譜分析的應用頻譜

45、分析的應用 案例：案例：在齒輪箱故障診斷在齒輪箱故障診斷通過齒輪箱振動信號頻譜分析，通過齒輪箱振動信號頻譜分析，確定最大頻率分量，然后根據確定最大頻率分量，然后根據機床轉速和傳動鏈，找出故障機床轉速和傳動鏈，找出故障齒輪。齒輪。fr：旋轉頻率n/60fm：嚙合頻率nZ/602.3 2.3 檢測系統的基本特性檢測系統的基本特性靜態特性和動態特性靜態特性和動態特性靜態檢測靜態檢測：檢測系統的輸入、輸出信號不隨時間變化或變化很緩慢。靜態響應特性：靜態檢測時系統表現出的響應特性指標指標:測量范圍、靈敏度、非線性度、回程誤差等。II. 靈敏度靈敏度 靈敏度指輸出的增量與輸入的增量之比，即： 線性系統的靈

46、敏度S為常數，即輸入輸出關系直線的斜率。非線性系統的靈敏度S是變量，是輸入輸出關系曲線的斜率，輸入量不同，靈敏度就不同，通常用擬合直線擬合直線的斜率表示系統的平均靈敏度。 xySI. 測量范圍測量范圍檢測系統能正常測量的最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。 標定曲線 擬合直線 A y x x y 靈敏度 III. 非線性度非線性度標定曲線與擬合直線的偏離程度就是非線性度。如果在全全量程量程A輸出范圍輸出范圍內，標定曲線偏離擬合直線的最大偏差為最大偏差為B，則定義非線性度為： IV. 回程誤差回程誤差也稱為滯后或變差。實際測量系統在相同的測量條件下，當輸入量由小增大，或由大減小時，對于同一輸入量所

47、得到的兩個輸出量存在差值，則定義回程誤差為： %100AB非線性度%100maxAh回程誤差V. 漂移漂移漂移指檢測系統隨時間的慢變化。零點漂移：例：檢測流量，當管道中的介質為靜止時，可設置為零點，即此刻流量為零。 2%（F.S）/6h，這個指標指的是在通入零點氣穩定后，6個小時內數值漂移量不大于量程的2%，儀表指標就算合格。第三章 安全檢測常用傳感器A sensor is a device to detect changes in the environment such as energy, heat, light, magnet,supersonic, etc. and convert

48、them to electric signals.3.1introduction1What is a sensor?物理量電量Temperature to a voltage.Pressure to a voltage.輸出與輸入有一定的對應關系,且應有一定的精確度。2 傳感器的構成敏感元件：直接感受被測量,輸出與被測量成確定關系。 轉換元件： 敏感元件的輸出就是轉換元件的輸入,它把輸入轉換成電量參量。 轉換電路：把轉換元件輸出的電量信號轉換為便于處理、顯示、記錄或控制的有用的電信號的電路。膜盒就是敏感元件,其外部與大氣壓pa相通,內部感受被測壓力p,當p變化時,引起膜盒上半部移動,即輸出相應

49、的位移量。可變電感3是轉化元件,它把輸入的位移量轉換成電感的變化。5即為轉換電路。 由一個敏感元件(兼轉換元件)組成,它感受被測量時直接輸出電量 3分類a.The value to be estimated:velocity,temperature,and so on常見的被測物理量機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度, 旋轉角,轉數,質量,重量,力, 壓力,真空度,力矩,風速,流速, 流量;聲: 聲壓,噪聲.磁: 磁通,磁場.溫度: 溫度,熱量,比熱.光： 亮度，色彩有源型和無源型有源型：也稱能量轉換型或發電型，把非電量直接轉換成電壓、電流或電荷，例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.無源型

50、:也稱能量控制型或參數型，把非電量變成電阻、電容、電感等b.能量轉換的方式c. 按輸入和輸出的特性分類按輸入、 輸出特性， 傳感器可分為線性和非線性兩類。 3.2 常用傳感器（按檢測原理）AlR長度為l，截面積為A，電阻率為的金屬絲3.2.1 電阻式傳感器(the quantity to be measuredthe change of resistance)1 Rheostat：線圈、骨架和滑動觸頭 ：如果電阻絲直徑與材質一定時，則電阻R隨導線長度L而變化。AlR線圈繞于骨架上，觸頭可在繞線上滑動，當滑動觸頭在繞線上的位置改變時，將位移變化轉換為電阻變化 線位移或角位移電阻電壓可測參數：線位

51、移或角位移可以轉換為位移的參數：壓力、加速度等EE1VRmRxR-Rxresistancevoltage電阻分壓電路(測量電路)1(1)mEELRxxRL特點： 結構簡單、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能穩定【受環境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響小】 輸出信號大，一般不需放大磨損降低測量精度，分辨力較低；動態響應較差適合于測量變化較緩慢的量變阻器式傳感器的性能參數:測量范圍、分辨率、電阻溫度系數、整個電阻值的偏差、壽命;變阻器式傳感器的分類按測量類型：單圈電位器多圈電位器直線滑動式電位器按制作方式：線繞電位器導電塑料電位器普通塑料基底導電材料粉案例：重量的自動檢測-配料設備 比較重量設定

52、原材料原理：彈簧-力-位移 -電位器-電阻案例：煤氣包儲量檢測煤氣包鋼絲原理：鋼絲-收線圈數 -電位器 -電阻案例：玩具機器人（廣州中鳴數碼 ）原理：電機-轉角 -電位器 -電阻2 電阻應變片基于金屬導體的應變效應：金屬導體在外力作用下發生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發生變化的現象。 (1) 原理、種類、使用方法原理：對金屬材料，電阻率基本不變：受力后材料的幾何尺寸變化受力后材料的電阻率變化金屬電阻絲的電阻相對變化與軸向應變成正比按工藝可分為絲式箔式金屬薄膜式II 種類按使用溫度可分為：低溫應變片(-30以下)、常溫應變片(-3060)、中溫應變片（60350）、

53、高溫應變片（350以上）。 按基底材料可分為：紙質應變片、膠基應變片、金屬基底應變片、浸膠基應變片按安裝方式可分為：粘貼式應變片、焊接式應變片、噴涂式應變片、埋入式應變片。按用途可分為：一般用途應變片、特殊用途應變片（水、疲勞壽命、抗磁感應、裂縫擴展等）。按敏感柵結構可分為：單軸應變片和多軸應變片。a絲式：敏感柵、基底、覆蓋層、引線b箔式：光刻技術厚約為0.0030.01mm的金屬箔片制成敏感柵優點:可制成多種復雜形狀、尺寸準確的敏感柵，其柵長最小可做到0.2mm，以適應不同的測量要求；生產效率高，便于實現自動化生產金屬箔的材料常用康銅和鎳鉻合金等。c金屬薄膜應變片真空蒸發或真空沉積薄的絕緣基

54、片形成厚度在0.1m以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，最后再加上保護層。它的優點是應變靈敏度大，允許電流密度大，工作范圍廣，可達197317。(2)Semiconductor壓阻效應對半導體材料的某一軸向施加一定的載荷而產生應力時，它的電阻率會發生變化半導體應變片與金屬電阻應變片相比其靈敏度高5070倍溫度穩定性差(3) 應變片的選用單軸應變計一柵或多柵同方向共基應變計適用于試件表面應力方向已知多軸應變計一基底上具有幾個方向敏感柵的應變計適用于平面應變場中，需準確檢測試件表面某點主應力大小和方向絲繞式應變計用耐熱性不同合金絲繞制而成可適應不同溫度，尤適于高溫，壽命較長，但橫向效應大，散熱性差短接

55、式應變計敏感柵軸向部分用高電阻率絲材，橫向部分用低電阻率絲材合成橫向效應小，可做成雙絲溫度自補償，適于中、高溫箔式應變計敏感柵用厚310m的合金箔光刻而成尺寸小，品種多靜態特性及散熱性較好，廣泛用于常溫半導體應變計有半導體經切型、切條、光刻腐蝕成形靈敏系數大，動態特性好，重復性和穩定性差高溫體應變計工作溫度大于350，耐高溫基底、粘接劑經高溫固化而成常用金屬基底、使用時用點焊焊接在試件上特殊用途應變計大應變應變計防水應變計水下防磁應變計裂縫擴展應變計裂縫擴展速度(4)電阻應變片的粘貼技術 應變片粘貼工藝主要包含：應變片阻值檢測、結構表面打磨、應變片定位、結構表面清潔、涂膠粘貼、連接應變片引線和

56、導線、絕緣檢查、應變片表面防護等步驟。(1)外觀檢查可憑肉眼或借助放大鏡進行敏感柵有無銹斑，缺陷是否排列整齊基底和覆蓋層有無損壞引線是否完好(2)應變片電阻值的檢測為保證使用的應變片的電阻誤差不超過允許范圍(這個范圍通常在05)，用精度較高的歐姆表1.應變片準備(3)檢查應變片上是否標有中心線無在其覆蓋層上用鉛筆標出中心線以便貼片時定位 （4）打磨表面對于鋼鐵等金屬構件，首先是清除表面油漆、氧化層和污垢；然后磨平或銼平，并用細砂布磨光。通常稱此工藝為“打磨”。對非常光滑的構件，則需用細砂布沿45方向交叉磨出一些紋路，以增強粘結力。打磨面積約為應變計面積的35倍左右。(5)打磨完畢后，用劃針輕輕

57、劃出貼片的準確方位，劃線深度要適中（6）表面處理的最后一道工序是清洗。即用潔凈棉紗或脫脂棉球蘸丙酮或其它揮發性溶劑對貼片部位進行反復擦洗，直至棉球上見不到污垢為止。此時勿用手觸摸清洗后的表面(7)用透明膠帶將應變片與構件臨時固定 移動膠帶位置使應變片達到正確定位（8）一手捏住應變片引出線，一手拿粘合劑小瓶，將瓶口向下在應變片基底底面涂抹一層（一滴即可）粘合劑(一般宜薄不宜厚)，涂粘合劑后立即將應變片底面向下平放在試件貼片部位上，并使應變片底基準線與試件上的定位線對齊貼片工藝隨所用粘結劑不同而異（9）將一小片 玻璃紙（包應變片的袋聚四氯乙烯薄膜）蓋在應變片上，用手指按壓擠出多余粘合劑，手指保持不

58、動約一分鐘再放開，輕輕掀開玻璃紙膜，檢查有無氣泡、翹曲、脫膠現象再將玻璃紙蓋在應變片上，一手指按壓在應變片引出線端上，另一手指捏住引出線輕輕提起使之與試件脫離。(引線如粘在構件上需小心操作!) 在緊連應變片的下部用膠水粘接一片連接片 (在應變片的引出線附近粘貼一片接線片，同時在引出線下面粘貼一層絕緣膠布) 為了使膠水快速固化，可用電吹風加熱處理（注意距離）在接線片端子上上好焊錫，用鑷子輕輕將應變片引出線與接線端子靠近，再用電烙鐵把引出線焊在端子上，焊接要迅速，時間不能過長，焊點要求光滑，不能虛焊，多余的引出線可剪斷 將連接應變儀的導線焊接在接線片上（注意焊接質量） 把導線用絕緣膠帶固定在構件上

59、，再一次檢查應變片質量對已充分干燥、固化，并已焊好導線的應變計，應立即涂上防護層。常用室溫防護劑有： 1凡士林；2蜂蠟；3石蠟，炮油和松香混合物；4環氧樹脂用萬用表測量，應變片阻值應無明顯變化。 用兆歐表檢查應變片與試件之間的絕緣電阻，一般測量電阻應大于100M。絕緣電阻是最重要的受檢指標。絕緣好壞取決于應變計的基底，粘貼不良或固化不充分的應變計往往絕緣電阻低。電阻應變式傳感器的應用：測力組成：彈性元件、應變片、外殼彈性元件：被測量應變量應變片：應變量電阻量的變化承載能力大彈性元件中部的外側面上輪輻式懸臂梁式：靈敏度高，小載荷高精度測量固有頻率高，可承受大載荷重型載荷的電子秤環式：中小載荷，穩

60、定性好案例：橋梁固有頻率測量固有頻率改變結構改變結構安全檢查重要橋梁通常每年進行一次用載重20噸、30噸、.的卡車以每小時40公里、80公里的速度通過大橋在橋梁中部的橋面上設置一個三角枕木障礙，當前進中的汽車遇到障礙時對橋梁形成一個沖擊力，激起橋梁的脈沖響應振動。應變信號橋梁的固有頻率案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。案例：沖床生產記數 和生產過程監測案例：機器人握力測量案例：振動式地音入侵探測器 適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發現。3.2.2 3.2.2 電容式傳感器電容式傳感器 變換原理變換原理: :將被測量的變