檢測理論基礎(chǔ)匯總

計算機測控技術(shù)第1章檢測理論基礎(chǔ)第2章數(shù)據(jù)采集第3章總線技術(shù)與數(shù)據(jù)通信第4章虛擬儀器第5章自動檢測算法第6章檢測系統(tǒng)的抗干擾與可靠性技術(shù)第7章微機自動檢測系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)第1章檢測理論基礎(chǔ)1.1檢測與自動檢測1.2基本檢測方法1.3常規(guī)檢測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)1.4檢測系統(tǒng)的特性1.5檢測系統(tǒng)的特性測定1.6檢測系統(tǒng)的統(tǒng)計參數(shù)估值方法1.7微機自動檢測技術(shù)1.1檢測與自動檢測一、幾個概念：1、測量（Measurement）：測量是以確定量值為目的的一組操作。所謂“量值”，即物理量。對于每一種物理量，它不僅具有一些物理對象共有的定性性質(zhì)，如溫度、質(zhì)量、長度等，還有它的定量性質(zhì)如:溫度的高低、質(zhì)量的大小、長度的長短。整個測量過程包括對比、示差、平衡和讀數(shù)4個基本動作，它貫穿于一切測量過程中。要改進(jìn)測量，就應(yīng)簡化和完善這些基本動作。

概念2-42、測試（TestandMeasurement）：測量和試驗的合稱，有時把比較復(fù)雜的測量稱為測試。試驗(Test):對產(chǎn)品、過程或服務(wù)的特性進(jìn)行的實驗和測定3、檢驗:檢驗常常不需要被測參數(shù)的準(zhǔn)確值，但要分辨參數(shù)所在的某一范圍。4、檢測:常把檢驗和測量結(jié)合在一起，統(tǒng)稱為檢測。概念5-65、自動檢測:在整個測量過程中，對比、示差、平衡和讀數(shù)4個基本動作以及檢驗過程完全不需要或僅需要很少的人工干預(yù)，由系統(tǒng)自動完成，這就是自動檢測。6、檢測系統(tǒng)：由若干測量儀器或儀表，以及附加設(shè)備來構(gòu)成一個有機的整體---檢測系統(tǒng)，完成檢測任務(wù)。很多情況下需要測試的信息往往與其他背景物理量摻雜在一起，用簡單的測量很難完成任務(wù)，這時需要檢測系統(tǒng)完成。

二、檢測的目的是什么？一）是將被測參數(shù)直接測量并顯示出來．以告訴人們或其他系統(tǒng)有關(guān)被測對象的變化情況，即通常而言的自動檢測或自動測試(又稱自動監(jiān)測等)二）是用做自動控制系統(tǒng)的前端系統(tǒng)，以便根據(jù)參數(shù)的變化情況做出相應(yīng)的控制決策，實施自動控制。三、檢測技術(shù)的發(fā)展手工藝時期：科學(xué)家是自己設(shè)計實驗，自己動手制作測試儀器儀器工程時期：由于晶體管、電子管的應(yīng)用，出現(xiàn)了大量的電測儀表和自動記錄儀表。儀器科學(xué)時期：出現(xiàn)智能化、多功能化、數(shù)字化、集成化、微型或小型化的智能儀器儀表、智能檢測系統(tǒng)等。四、自動測試系統(tǒng)的發(fā)展概念：通常把在人工最少參與的情況下，能自動進(jìn)行測量、數(shù)據(jù)處理，并以適當(dāng)方式顯示或輸出測試結(jié)果的系統(tǒng)稱為自動測試系統(tǒng)(ATS，AutomatedTestSystem)。整個測試工作通常都是在預(yù)先編制好的測試程序統(tǒng)一指揮下自動完成的，而人的作用主要是根據(jù)測試任務(wù)組建系統(tǒng)和編制測試軟件。自動測試系統(tǒng)的發(fā)展階段第一代自動測試系統(tǒng)：專用系統(tǒng)，是針對某項具體任務(wù)而設(shè)計。主要有數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)、產(chǎn)品自動檢驗系統(tǒng)、自動分析及自動監(jiān)測系統(tǒng)等。優(yōu)點：準(zhǔn)確完成大量的、復(fù)雜的測試任務(wù)缺點：自動測試系統(tǒng)的接口電路不具備通用性。所以這種系統(tǒng)適應(yīng)性差，改變測試內(nèi)容一般需要重新設(shè)計電路。標(biāo)準(zhǔn)接口出現(xiàn)之前的測試系統(tǒng)第二階段第二代自動測試系統(tǒng)：各設(shè)備都用標(biāo)準(zhǔn)化的接口和母線按搭積木的形式連接起來。優(yōu)點：這種系統(tǒng)組建方便，有專門的通用接口電路，更改、增加測試內(nèi)容也很靈活。缺點：計算機的功能沒有充分發(fā)揮。

第三階段第三代自動測試系統(tǒng)：用強有力的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，用人的智力資源代替很多物質(zhì)資源。提出了“虛擬儀器”(VirtualInstruments)。優(yōu)點：充分發(fā)揮計算機的作用缺點：處于開始發(fā)展的階段，存在工作頻率不夠高等重要缺點。

1.2基本檢測方法

為了獲得被測對象的真實值(真實信息)需要采用適當(dāng)?shù)淖儞Q原理，選用合適的測量工具或設(shè)備，設(shè)計合理的測量方案，即要選擇合理的檢測方法。方法1直接按照物理定律檢測法

1.無需輔助能源的直接變換式例如熱電偶測量系統(tǒng)2.需要輔助能源的調(diào)制變換式例如霍爾元件測量磁場系統(tǒng)方法1的圖無需輔助能源需要輔助能源方法2探查型檢測法

應(yīng)用這種檢測方法的檢測系統(tǒng)的輸入信號，是由探查部件發(fā)出的探查信號與被測物體的被測量以某種規(guī)律變換而成的。例如，用超聲波法探測密閉容器的液位。方法2的圖探查型檢測系統(tǒng)

超聲波液位檢測系統(tǒng)

方法3比較型檢測法

1．平衡法：就是把被測量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行直接比較。若有差值，則調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量，使標(biāo)準(zhǔn)量與被測量達(dá)到平衡，即兩者相等，這時標(biāo)準(zhǔn)量的示值，就代表被測量的大小。

2．偏差法：當(dāng)測量儀表用指針相對于刻度線的位移(偏差)來直接表示被測量大小時，這種方法就是偏差式測量法(簡稱偏差法)。

3．微差法：微差法是偏差法和平衡法的組合，被測量x的大部分作用先與已知標(biāo)準(zhǔn)量s的作用相抵消，剩余部分即兩者的差值d=x-s再用偏差法測量。工業(yè)上使用的偏差指示儀表就屬于這種類型.

方法3的圖平衡電橋

比較型檢測系統(tǒng)

對被測對象要有事先的估計!!方法4信息處理型檢測法

用這種方法對被測對象進(jìn)行檢測時，檢測量不是直接轉(zhuǎn)換成所需的被測量，而是經(jīng)過對檢測所得信息進(jìn)行處理分析后，才能得到所需的被測量的檢測方法。

方法4的圖信息處理性檢測系統(tǒng)

相關(guān)法轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)

檢測方法小結(jié)檢測方法的選擇應(yīng)根據(jù)被測量類型被測量的現(xiàn)場條件(如空間位置、機械振動、熱輻射、電磁場等干擾)量程、精度、反應(yīng)速度等方面的要求進(jìn)行。在實際工作中，應(yīng)對被測對象做具體分析，才能確定出合理的檢測方法，設(shè)計出合理的檢測系統(tǒng)。

1.3常規(guī)檢測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1重復(fù)(串聯(lián))結(jié)構(gòu)：常采用多個基本元件的串聯(lián)(重復(fù))結(jié)構(gòu)形式。

2反饋結(jié)構(gòu)：既提高測量精度，又改善檢測系統(tǒng)的性能，而且能使某些用傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)無法解決的問題得以解決。

3差動結(jié)構(gòu)：采用差動結(jié)構(gòu)的目的是消除或減弱干擾量的影響，同時對有用信號即被測信號的靈敏度要有相應(yīng)的提高。

4掃描結(jié)構(gòu)：對某物體一定面積上的參數(shù)進(jìn)行檢測或?qū)哂幸欢▽挾鹊倪\動物體的某參數(shù)進(jìn)行檢測時

5多次測量操作結(jié)構(gòu)：例如功率測量常規(guī)檢測系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖反饋型檢測系統(tǒng)

差動結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)

要求事先對干擾及U1的輸出有估計!!1.4檢測系統(tǒng)的特性

對檢測系統(tǒng)的認(rèn)識是通過對它的特性分析實現(xiàn)的。了解和掌握檢測系統(tǒng)的特性可采用實驗方法和理論分析方法。

檢測系統(tǒng)的特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。一、

檢測系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

模型是對實體特征及其內(nèi)部變化規(guī)律的一種抽象或描述。根據(jù)研究系統(tǒng)的實際需要提取數(shù)學(xué)模型是必要的。運用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實驗和分析計算，可以模仿或模擬系統(tǒng)的特征和行為，使所研究的系統(tǒng)的主要特征和主要變化規(guī)律、變量之間的關(guān)系，盡可能真實地表現(xiàn)出來或描述出來，即根據(jù)數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)進(jìn)行仿真或模擬。

靜態(tài)模型和動態(tài)模型

1.靜態(tài)數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)的靜態(tài)特性通常用輸入信號穩(wěn)態(tài)值x和輸出信號穩(wěn)態(tài)值y的相互關(guān)系，即靜態(tài)特性曲線來表示。當(dāng)被測量是恒定量或緩變量時，可以只考慮靜態(tài)性能指標(biāo)。2.檢測系統(tǒng)的靜態(tài)特性

精確度、穩(wěn)定性、分辨率、靈敏度、線性度等按系統(tǒng)過程的性質(zhì)劃分靜態(tài)指標(biāo)與精確度有關(guān)的指標(biāo)有三個：精密度、正確度和精確度等級。精密度：說明檢測系統(tǒng)示值的不一致程度。不一致程度越小，說明檢測系統(tǒng)越精密。正確度：說明檢測系統(tǒng)示值有規(guī)律地偏離真值(或約定真值)大小的程度正確度反映了檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差的大小。精確度：是精密度與正確度兩者的總和，即檢測系統(tǒng)給出接近于被測量真值的能力。精密度高和正確度高是精確度高的必要條件。穩(wěn)定性與分辨率穩(wěn)定性:在規(guī)定時間內(nèi)，在規(guī)定工作條件保持恒定時，檢測系統(tǒng)性能保持不變的能力；當(dāng)外部環(huán)境和工作條件發(fā)生變化時，引起測量結(jié)果的不穩(wěn)定程度的大小。

分辨率：檢測系統(tǒng)可有意義地區(qū)分兩個緊鄰所示量值的定量表示。分辨率說明檢測系統(tǒng)能夠檢測到被測量最小變化的本領(lǐng)。為了保證檢測系統(tǒng)的精度，分辨率應(yīng)小于系統(tǒng)允許誤差的1/3,或1/5或1/10。

靈敏度

它是檢測系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出增量對輸入增量的比值，用K表示，即K它是靜態(tài)特性曲線上相應(yīng)點的斜率。

靈敏度曲線圖在表示靈敏度時，輸入量和輸出量必須用實際物理單位。

線性度檢測系統(tǒng)的線性度指系統(tǒng)的實際輸入輸出特性對理想直線性輸入輸出特性的近似程度，用兩者的最大偏差對量程B之比的百分?jǐn)?shù)表示量程B指檢測系統(tǒng)(或儀表)能夠測量被測量的范圍，用被測量的上限和下限之差來表示，即B=Xmax-Xmin。

3檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性

檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性是檢測系統(tǒng)在動態(tài)工作中所呈現(xiàn)的特性。輸入輸出量之間的關(guān)系由微分方程表示，含有時間變量，并用傳遞函數(shù)對檢測系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行分析。

常見的檢測動態(tài)系統(tǒng)特性

一階檢測系統(tǒng)：一階檢測系統(tǒng)又稱慣性系統(tǒng)，它的運動方程為

y為輸出量；x為輸入量；f為阻尼系數(shù)；R為常數(shù)。

檢測系統(tǒng)的傳遞函數(shù)W(s)為

式中，T=f/R稱為時間常數(shù)，表示檢測系統(tǒng)的滯后程度。

一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線帶純滯后的一階檢測系統(tǒng)的傳遞函數(shù)W(s)為二階檢測系統(tǒng)

二階檢測系統(tǒng)又稱二階振蕩系統(tǒng)，它的傳遞函數(shù)W(s)為

另外一種情況是帶純滯后的二階檢測系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)W（S）為

二階檢測系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

二階檢測系統(tǒng)的輸入量x為階躍信號，它的輸出y隨阻尼比的不同而不同。

帶純滯后二階檢測的階躍響應(yīng)曲線4檢測系統(tǒng)的動態(tài)誤差

動態(tài)誤差是檢測系統(tǒng)測量隨時間變化的被測量時所特有的誤差，其數(shù)值是動態(tài)與靜態(tài)測量結(jié)果的差值。動態(tài)誤差不僅與檢測統(tǒng)動態(tài)特性有關(guān)，還與被測量隨時間變化的規(guī)律有關(guān)。在分析動態(tài)誤差時，為了方便起見，一般假定無靜態(tài)誤差。動態(tài)誤差是由檢測系統(tǒng)慣性引起的。

檢測系統(tǒng)的動態(tài)誤差傳遞函數(shù)

為檢測系統(tǒng)理想的傳遞函數(shù)

實際的檢測系統(tǒng)傳遞函數(shù)為動態(tài)誤差的消除在實際測試中，人們一直在設(shè)法消除動態(tài)誤差。其中一種方法是動態(tài)校正，即用—個附加的校正環(huán)節(jié)與檢測系統(tǒng)相配合，使合成的傳遞函數(shù)達(dá)到理想要求，以消除動態(tài)誤差；其次是當(dāng)檢測系統(tǒng)動態(tài)特性可知時，可應(yīng)用動態(tài)采樣法，即在檢測系統(tǒng)過渡過程未完成之前，根據(jù)過渡過程的動態(tài)采樣求出被測參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值。上述方法的工程運用還需要解決一些具體問題。

1.5檢測系統(tǒng)的特性測定

檢測系統(tǒng)特性的實驗分析法，即用實驗測定檢測系統(tǒng)特性的實驗測定法，是工程上常采用的方法，該方法直觀，無需對檢測系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析。通過實驗，對實驗結(jié)果分析處理，進(jìn)而找到檢測系統(tǒng)的特性。

實驗測定法的基本方法是：給檢測系統(tǒng)加以激勵信號，觀測其輸出響應(yīng)，由輸入和輸出的關(guān)系確定系統(tǒng)的特性。

一、經(jīng)常采用的激勵信號1脈沖信號(或方波信號)；2正弦波3梯形波或矩形波信號，通過一系列給定頻率的正弦波(或梯形波、矩形波)信號對檢測系統(tǒng)激勵，在穩(wěn)態(tài)下求輸入、輸出的幅值比和相位差，得出檢測系統(tǒng)的頻率特性的表達(dá)式；4白噪聲(偽隨機)信號，利用自然的無規(guī)則的隨機干擾信號作為檢測系統(tǒng)的輸入信號，用統(tǒng)計的方法測出輸出與輸入互相關(guān)函數(shù)，進(jìn)而獲得表示檢測系統(tǒng)特性的功率譜密度。二、曲線處理的方法通常，用階躍函數(shù)作為檢測系統(tǒng)的輸入，測定系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線，通過對輸出響應(yīng)曲線的處理，獲得檢測系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。輸出響應(yīng)曲線(即實驗結(jié)果)的處理方法，常用的有近似法、切線法、兩點法和面積法等。一階檢測系統(tǒng)特性確定

斜率其余的參數(shù)求法同前也可以用兩點法：選擇兩個不同的時間點t1,t2帶入方程具有衰減振蕩特性的二階檢測系統(tǒng)特性的確定

在響應(yīng)曲線上求出第一個峰和第二個峰超過穩(wěn)態(tài)值y(∞)的數(shù)值A(chǔ)和B，第一個峰和第二個峰之間的距離。設(shè)系統(tǒng)的階躍輸入為，系統(tǒng)輸出的初值為y(0)，則根據(jù)經(jīng)驗公式可求出K，T。

0<<1經(jīng)驗公式求出參數(shù)延遲時間由圖中求得二階非周期檢測系統(tǒng)特性的確定

傳遞函數(shù)其傳遞函數(shù)又可表示為

特性參數(shù)的確定可以證明存在下列關(guān)系經(jīng)過推導(dǎo)得到：

1.6檢測系統(tǒng)的統(tǒng)計參數(shù)估值方法（自讀）

一、檢測技術(shù)中傳統(tǒng)的參數(shù)計算方法指數(shù)函數(shù)擬合法

分離法

省略了，大家自己學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容吧！二、觀測值的統(tǒng)計模型及其應(yīng)用

參數(shù)估計值的偏差與方差

線性模型參數(shù)估計值的最小方差

省略了，大家自己學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容吧！1.7微機自動檢測技術(shù)

一方面，要求檢測系統(tǒng)具有更高的速度、精度、可靠性和自動化水平，以便盡量減少人力和提高工作效率；一方面，要求檢測系統(tǒng)具有更大的靈活性和適應(yīng)性，并向多功能化、智能化方向發(fā)展；此外，還要求盡量縮短研制周期和降低成本。微型計算機技術(shù)的發(fā)展及其在檢測中的應(yīng)用，為實現(xiàn)上述要求創(chuàng)造了條件。微機自動檢測系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

1智能儀器儀表

智能儀器儀表一般是指內(nèi)部裝有微處理器或微型計算機的儀器儀表，如包括個人計算機、單片機、微處理器或GP-IB接口的儀器儀表。

功能能自動修正各類測量誤差。能自動切換量程，以提高測量精度和讀數(shù)的分辨率。能對信號進(jìn)行復(fù)雜的運算和處理，擴(kuò)大儀器的功能和提高其性能。能以多種形式輸出信息。能對儀器儀表本身進(jìn)行自檢和故障監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)故障能及時報警。有的儀器儀表還能在故障情況下自行改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，繼續(xù)正常工作，即智能儀器在一定程度上具有容忍錯誤存在的能力。2自動測試系統(tǒng)（ATS）充分發(fā)揮計算機的作用，用計算機的軟、硬件資源代替測量儀器及系統(tǒng)中的大量硬件，是電子測量發(fā)展的一個重要方向。

3計算機輔助測試（CAT）計算機輔助測試，是用計算機及其外部設(shè)備取代人的動作、感覺功能和人的思想功能所進(jìn)行的測試。作用如下：(1)控制測試過程。(2)激勵、產(chǎn)生可編程激勵信號。(3)數(shù)據(jù)處理，對響應(yīng)信號進(jìn)行各種數(shù)字邏輯運算，作出判決和估值。(4)輸出測試結(jié)果。(5)管理。(6)監(jiān)控報警計算機輔助測試系統(tǒng)典型框圖

1、軟輸入子系統(tǒng)。向CPU輸入各種軟信息，如程序、原始數(shù)據(jù)、操作員命令等。輸入設(shè)備有鍵盤、數(shù)字化輸入板、磁盤機、磁帶機等。而圖形輸入設(shè)備、語音輸入裝置等正處于開發(fā)研究之中，已有部分成果獲得了應(yīng)用。2、軟輸出子系統(tǒng)。CPU經(jīng)過接口、輸出設(shè)備輸出各種軟信息，如測試結(jié)果、報警信號、