第三章檢測技術

1.概述2.誤差的概念3.檢測系統(tǒng)的性能指標4.檢測信號的放大5.檢測信號的濾波6.檢測信號的分析7.檢測信號的變換8.檢測系統(tǒng)的抗干擾技術機車檢測與故障診斷技術——檢測技術2機車檢測與故障診斷技術——檢測技術概述檢測的概念檢測技術在科學技術領域中的地位檢測技術的發(fā)展趨勢3機車檢測與故障診斷技術——檢測技術檢測的概念4機車檢測與故障診斷技術——檢測技術B.檢測技術在科學技術領域中的地位現(xiàn)代化的檢測手段在很大程度上決定了生產和科學技術的發(fā)展水平。檢測技術是科學認知客觀世界的手段。在現(xiàn)代工程裝備中，檢測環(huán)節(jié)的的成本已達到裝備系統(tǒng)總成本的50~70%。隨著科學技術的發(fā)展，對檢測技術的要求越來越高。5機車檢測與故障診斷技術——檢測技術c.檢測技術的發(fā)展趨勢采用新型信息處理方法儀器與計算機技術的集成硬件功能軟件化網(wǎng)絡化通用化與標準化6機車檢測與故障診斷技術——檢測技術2.誤差的概念什么是誤差？在檢測過程中，由于各種各樣的原因必然使測量值與真實值之間存在一定的差值，這個差值稱為測量誤差誤差的表示方法

絕對誤差；相對誤差誤差的類型

系統(tǒng)誤差；隨機誤差；粗大誤差7機車檢測與故障診斷技術——檢測技術3.檢測系統(tǒng)的性能指標零點偏移量：當輸入量（x=0）時檢測系統(tǒng)輸出的數(shù)值。靈敏度：是描述檢測系統(tǒng)輸出量對于輸入量變化的反映能力。分辨力：表征檢測系統(tǒng)能夠有效辨別最小輸入變化量的能力。量程：表征檢測系統(tǒng)能夠有效檢測最大輸入變化量的能力，其數(shù)值是檢測系統(tǒng)示值范圍上下限的模。a.靜態(tài)特性參數(shù)：8機車檢測與故障診斷技術——檢測技術滯差：滯后誤差的簡稱，反映了系統(tǒng)的輸出對于輸入的某種滯后現(xiàn)象。

重復性：反映了檢測系統(tǒng)的輸入量按同一方向做全量程多次變化時，靜態(tài)特性不一致的程度。線性度：表示檢測系統(tǒng)靜態(tài)特性對選定的擬合直線y=B+kx的接近程度。準確度：檢測系統(tǒng)的準確程度，俗稱精度。穩(wěn)定性：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，系統(tǒng)保持不變的能力。影響系數(shù)：即指示值變化與影響量變化的比值。輸入／輸出電阻：一般來說，輸入電阻越大越好，輸出電阻越小越好。b.靜態(tài)特性的性能指標：9機車檢測與故障診斷技術——檢測技術c.檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性及其性能指標微分方程：一般來說檢測系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型都采用常系數(shù)微分方程。傳遞函數(shù)：采用拉氏變換求解定常微分方程時得到的檢測系統(tǒng)在復頻域的數(shù)學模型。頻率(響應)特性：初始條件為０時輸出的傅氏變換與輸入的傅氏變換之比，稱為檢測系統(tǒng)的頻率特性。檢測系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型10機車檢測與故障診斷技術——檢測技術B)檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性頻率特性：將各種頻率不同幅值相等的正弦信號，其輸出正弦信號的的幅值、相位與頻率之間的關系稱頻率特性。幅頻特性，相頻特性。階躍響應特性：當給檢測系統(tǒng)一個單位階躍信號時，其輸出信號稱為階躍響應。11機車檢測與故障診斷技術——檢測技術機車檢測與故障診斷技術——檢測技術c)典型檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性零階系統(tǒng)的動態(tài)特性：一階系統(tǒng)的動態(tài)特性：二階系統(tǒng)的動態(tài)特性：d)檢測系統(tǒng)的動態(tài)參數(shù)頻率特性及特征參數(shù)：階躍響應特性及特征參數(shù)：12機車檢測與故障診斷技術——檢測技術4.檢測信號的放大放大性能指標：放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、零位漂移?；痉糯箅娐啡跣盘柗糯箅娐犯綦x放大器13機車檢測與故障診斷技術——檢測技術基本放大電路運算放大器的性能指標：

電源電壓引起的漂移、溫度引起的漂移、時間引起的漂移、偏置電流、差電流、輸入陰抗、失調電壓、開環(huán)增益、額定輸出、調整時間。反相比例放大器：同相比例放大器：差動放大器：交流放大器：14機車檢測與故障診斷技術——檢測技術B.弱信號放大電路儀器放大器：

儀器放大器是一種閉環(huán)、差動輸入的增益單元，用來精確地放大輸入電壓信號。理想的儀器放大器：（1）只放大兩輸入信號的差值，因而兩輸入端之間及每個輸入端對地之間均有極高的阻抗；（2）輸出對地呈單端狀態(tài)，且精確等于放大器增益乘以兩輸入電壓之差；（3）具有無限大的輸入阻抗且輸出阻抗等于零，增益已知且可在外部設定，沒有非線性誤差，帶寬無限，完全共模抑制，無直流漂移。機車檢測與故障診斷技術——檢測技術特性：①輸入阻抗直流共模輸入阻抗與增益無關，而直流差動輸入阻抗是增益的函數(shù)；放大器的輸出阻抗非零會產生增益誤差，其大小與負載電阻有關。②非線性誤差非線性誤差（線性度）表示輸出量與輸入量的實際關系曲線偏離直線的程度。機車檢測與故障診斷技術——檢測技術③共模抑制比、④信號源阻抗不平衡、⑤失調電壓和漂移、⑥輸入偏置電流和失調電流。機車檢測與故障診斷技術——檢測技術增益的設定方法：一、外接電阻設定增益；二、引腳可編程設定增益；三、數(shù)字式可編程設定增益。固定增益儀器放大器、引腳可編程增益儀器放大器。B)信號放大電路實例：18機車檢測與故障診斷技術——檢測技術c.隔離放大器儀器放大器的特性。除了具有一般放大器的特性之外，它還具有三種特性：共模電壓和隔離模電壓；共模抑制和隔離模抑制；隔離電壓。B)

光隔離放大器；c)電容隔離放大器；d)變壓器隔離放大器：二口隔離方式，三口隔離方式。19機車檢測與故障診斷技術——檢測技術5.檢測信號的濾波濾波器概述無源濾波器有源濾波器集成電路濾波器20機車檢測與故障診斷技術——檢測技術濾波器概述濾波器的類型：按處理信號的形式，可分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。按功能，可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器、全通濾波器。按電路組成，可分為LC無源濾波器、RC無源濾波器、RC有源濾波器、開關電容濾波器。按傳遞函數(shù)的階數(shù)，可分為一階濾波器、二階濾波器、高階濾波器。21機車檢測與故障診斷技術——檢測技術特征頻率：通帶截止頻率：是通帶與過渡帶邊界點的頻率，亦即信號增益的下限。阻帶截止頻率：是阻帶與過渡帶邊界點的頻率，亦即信號衰耗（增益的倒數(shù)）的下限。轉折頻率：是信號功率衰減到1/2（約3dB)時的頻率，常以此頻率作為通帶截止頻率或阻帶截止頻率。固有頻率：是電路沒有損耗時濾波器的諧振頻率，復雜電路往往有多個固有頻率。濾波器的主要性能指標22機車檢測與故障診斷技術——檢測技術增益與衰耗：

濾波器在通帶內的增益并非常數(shù)。低通濾波器的通帶增益一般指ω=0時的增益；高通濾波器的通帶增益是指ω→∞時的增益；帶通濾波器的通帶增益則是指中心頻率處的增益。對于帶阻濾波器，就給出阻帶衰耗。通帶增益變化量△KP是指通帶內各點增益的最大變化量，如果△KP以dB為單位，則是指增益dB值的變化量。23機車檢測與故障診斷技術——檢測技術阻尼系數(shù)與品質因數(shù)：阻尼系數(shù)是表征濾波器對角頻率為ω信號的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項指標。阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質因數(shù)，是評價帶通濾波器頻率選擇特性的一個重要指標，其中，△ω為帶通濾波器或帶阻濾波器的3dB帶寬，ω0

為中心頻率，在很多情況下，中心頻率與固有頻率相等。24機車檢測與故障診斷技術——檢測技術靈敏度濾波電路由許多元件構成，每個元件參數(shù)值的變化都會影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標y對某一元件參數(shù)x變化的靈敏度可用s表示，定義為：濾波器的靈敏度與電路系統(tǒng)的靈敏度不是一個概念，濾波器的靈敏度越小，標志著電路容錯能力越強，穩(wěn)定性越高。25機車檢測與故障診斷技術——檢測技術無源濾波器RC低通濾波器：26機車檢測與故障診斷技術——檢測技術RC高通濾波器：27機車檢測與故障診斷技術——檢測技術一階低通濾波器：有源濾波器28機車檢測與故障診斷技術——檢測技術二階低通濾波器：29機車檢測與故障診斷技術——檢測技術二階帶通濾波器：30機車檢測與故障診斷技術——檢測技術雙T帶阻濾波器：31機車檢測與故障診斷技術——檢測技術檢測信號的變換電壓／電流變換電路。在微機檢測系統(tǒng)中，傳感器和檢測電路之間的信號傳輸，采用統(tǒng)一的標準信號是很有益處的：在信號傳輸線中，直流不受感應影響，易于解決儀表的抗干擾問題。直流不受傳輸線路的電感、電容及負荷性質的影響，不存在相位移的問題，使接線簡化。直流信號便于Ａ／Ｄ轉換，因而檢測系統(tǒng)都是以直流信號作為輸入信號32機車檢測與故障診斷技術——檢測技術A)0～10mA的電壓/電流（U/I）變換器U/I變換器的作用是將電壓變換為標準的電流信號，它不僅要求具有恒流性能，而且要求輸出電流隨負載電阻變化所引起的變化量不超過允許值。33機車檢測與故障診斷技術——檢測技術

4～20mA的電壓/電流（U/I）變換器4~20mA的直流恒電流，這種統(tǒng)一標準信號廣泛用于高可靠性的過程登記表中。在過程登記表中使用的壓力、流量、溫度、液位等傳感器的輸出幾乎全部采用了直流4~20mA的標準統(tǒng)一信號。機車檢測與故障診斷技術——檢測技術3.可編程U/I轉換器（1）AD694的性能特點①輸入電壓范圍寬；②高精度；③編程能力強；④能單獨調整偏置電流及滿刻度值；⑤能發(fā)出報警信號；⑥單電源、雙電源供電均可。35機車檢測與故障診斷技術——檢測技術（2）AD694的工作原理36機車檢測與故障診斷技術——檢測技術（3）AD694的編程方法（4）AD694的應用電路37機車檢測與故障診斷技術——檢測技術二、有效值轉換電路1、有效值檢測方法一個隨時間變化的物理量y的有效值Y定義為：T——該物理量變化的周期或指該物理量從加入到穩(wěn)定指示所需要的時間。38機車檢測與故障診斷技術——檢測技術就電壓有效值的測量而言，其方法有以下幾種：①利用晶體二極管的特性曲線；②利用真空熱電偶具有較精確的拋物線特性來實現(xiàn)有效值的檢測；③采用計算機技術實現(xiàn)有效值檢測；④采用能實現(xiàn)有效值測量的專用集成電路。39機車檢測與故障診斷技術——檢測技術2.真有效值轉換的基本原理對u依次進行“平方→取平均值→開平方”將上式兩邊平方，且令可得到真有效值的另一個表達式：40機車檢測與故障診斷技術——檢測技術4.AD736真有效值轉換器的原理與應用（1）AD736的結構及管腳功能41機車檢測與故障診斷技術——檢測技術（3）AD736的應用電路42機車檢測與故障診斷技術——檢測技術43機車檢測與故障診斷技術——檢測技術檢測系統(tǒng)的抗干擾技術

干擾的產生。

干擾的類型。

噪聲的形成及其抑制措施。

差模干擾和共模干擾。

干擾抑制技術44機車檢測與故障診斷技術——檢測技術

干擾的產生：按照干擾的來源，可以把干擾分為內部干擾和外部干擾兩大類。外部干擾：與系統(tǒng)結構無關，由使用條件和環(huán)境因素所決定的干擾。自然干擾：自然干擾產生的原因來自自然現(xiàn)象，如閃電、雷擊、宇宙幅射、太陽黑子活動等，它們主要來自天空，因此，自然干擾主要對通訊設備、導航設備有較大影響。電氣設備干擾：各種電氣設備所產生的干擾包括電磁場、電火花、電弧焊接、高頻加熱、可控整流等強電系統(tǒng)所造成的干擾。這些干擾主要是通過供電電源對測量裝置和微機產生影響。此外，地磁場的影響以及來自電源的高頻干擾也可視為外部干擾。45機車檢測與故障診斷技術——檢測技術內部干擾：是指裝置內部的各種元件引起的各種干擾，包括固定干擾和過渡干擾。固定干擾：主要包括：電阻中隨機性的電子熱運動引起的噪聲；半導體及電子管內載流子的隨機運動引起的散粒噪聲；由于兩種導體材料之間的不完全接觸，接觸面的電導率不一致而產生的接觸噪聲；因布線不合理、寄生參數(shù)、泄漏電阻等耦合形成寄生反饋電流所造成的干擾；多點接地造成的電位差引起的干擾；寄生振蕩引起的干擾等。過渡干擾：是指電路在動態(tài)工作時引起的干擾。46機車檢測與故障診斷技術——檢測技術

干擾的類型。按產生原因分類。電和磁干擾：通過電路和磁路對檢測系統(tǒng)產生干擾作用，電場和磁場的變化在檢測裝置的有關電路或導線中感應出干擾，從而影響檢測系統(tǒng)的正常工作。機械干擾：是指由于機械的振動或沖擊，使檢測系統(tǒng)的電氣元件發(fā)生振動、變形，使連接線發(fā)生位移，接頭松動等。熱干擾：設備和元器件在工作時產生熱量所引起的溫度波動以及環(huán)境溫度的變化，都會引起檢測裝置的電路元器件的參數(shù)發(fā)生變化。47機車檢測與故障診斷技術——檢測技術抑制熱干擾的方法：熱屏蔽：把某些對溫度比較敏感或電路中關鍵的元器件和部件，用導熱性能良好的金屬材料做成屏蔽罩包圍起來，使罩內溫度場趨于均勻和恒定。恒溫法：例如，將石英晶體與基準穩(wěn)壓管等于精度有密切關系的元件置于恒溫設備中。對稱平衡結構：將兩個與溫度有關的元件牌對稱平衡的電路結構兩側，使溫度對兩者的影響在輸出端互相抵消。如差分放大電路、電橋電路等。溫度補償元件：采用溫度補償元件以補償環(huán)境溫度的變化對電子元件或裝置的影響。48機車檢測與故障診斷技術——檢測技術光干擾：在檢測裝置中廣泛使用各種半導體元件，但半導體元件在光的作用下會改變其導電性能，產生電勢并引起阻值變化，從而影響檢測裝置正常工作。濕度干擾：濕度增加，會引起絕緣體的絕緣電阻下降，使漏電阻增加，或引起電介質的介電系數(shù)增加；吸潮后引起骨架膨脹使線圈阻值增加，電感器發(fā)生變化；應片器受潮后發(fā)生粘貼，使膠質變軟，精度下降等?；瘜W干擾：酸、堿、鹽等化學物品以及其他腐蝕性氣體，除了其化學腐蝕性作用將損壞食品設備和元器件外，還能與金屬導體產生化學電動勢，從而設備的正常工作。49機車檢測與故障診斷技術——檢測技術射線幅射干擾：例如。核輻射，可產生很強的電磁波，射線會使氣體電離，使金屬逸出電子，從而影響檢測裝置的正常工作。按干擾的傳播方式分類。幅射干擾：幅射干擾是一種通過空間以電磁波形式傳播的電磁干擾。傳導干擾：傳導干擾是一種沿電源線、公共地線和互連電纜傳輸?shù)碾姶鸥蓴_。感應干擾：感應干擾是一種通過磁耦合在電路中形成的干擾。50機車檢測與故障診斷技術——檢測技術

噪聲的形成及其抑制措施。噪聲與信噪比：噪聲：在檢測儀表和檢測系統(tǒng)工作的過程中，測量結果除了有用的電信號外，還會夾雜著一些無用的、有害的電信號，這些無用的電信號的總和就稱為噪聲。通常所說的干擾就是哭聲造成的不良效應。信噪比：所謂信噪比，是指在信號通道中有用信號成分與噪聲信號成分之比。信噪比越大，噪聲的越小。因此，在檢測裝置中應盡量提高信噪比。51機車檢測與故障診斷技術——檢測技術噪聲電壓的疊加：各種噪聲源（干擾源）產生的噪聲電壓（或噪聲電流），若彼此獨立，互不相關，則總噪聲功率等于各功率之和。噪聲形成的三要素：噪聲源。對噪聲敏感的接收電路。噪聲源至接收電路之間的傳輸途徑。52機車檢測與故障診斷技術——檢測技術典型的噪聲干擾及其抑制措施。（1）靜電電容耦合：靜電電容耦合是由于兩個電路之間存在寄生電容，產生靜電效應，使一個電路的電荷發(fā)生變化影響到另一個電路。53機車檢測與故障診斷技術——檢測技術（2）電磁耦合：是電磁耦合（電感性耦合）是由于電路之間存在互感，使一個電路的電流發(fā)生變化，通過磁交變影響到另一個電路。54機車檢測與故障診斷技術——檢測技術（3）共阻抗耦合：共阻抗耦合是由于兩個電路間有公共阻抗，當一個電路中有電流流過時，通過共阻抗便在另一個電路上產生干擾電壓。55機車檢測與故障診斷技術——檢測技術（4）漏電流耦合：由于絕緣不良，流經(jīng)絕緣電阻的漏電流作用于有關電路引起的干擾，稱為漏電流耦合。56機車檢測與故障診斷技術——檢測技術

差模干擾和共模干擾：根據(jù)噪聲進入測量電路的方式以及與有用信號的關系，可將噪聲干擾分為差模干擾和共模干擾。差模干擾：所謂差模干擾，就是指在輸入通道中與信號源串聯(lián)的干擾，其特點是干擾信號與有用信號按電勢源的形式相串聯(lián)。形成差模干擾的原因可歸結為長線傳輸?shù)幕ジ?、分布電容的相互干擾以及50Hz的式頻干擾等。57機車檢測與故障診斷技術——檢測技術共模干擾：共模干擾：是指檢測電路的兩個輸入端雙重接地后兩地之間出現(xiàn)電位差，共模干擾電壓是指檢測電路的兩個輸入端與地之間的電壓。共模干擾對檢測系統(tǒng)的影響：1、共模干擾電壓是轉化成差模干擾電壓后才對檢測儀表產生干擾作用；2、共模干擾電壓的干擾作用與電路對稱程度有關。共模抑制比：共模干擾對檢測裝置的影響程度，取決于共模干擾電壓轉化成差模干擾的大小。故引入共模抑制比這一重要概念。共模抑制比愈高，檢測電路對共模的抑制能力就愈強。58機車檢測與故障診斷技術——檢測技術干擾抑制技術前面已經(jīng)分析到：噪聲對檢測裝置及檢測系統(tǒng)形成干擾需要同時具備三個要素，因此，消除和減弱噪聲干擾的方法亦針對這三項要素采取措施。消除或抑制干擾源。阻截干擾傳遞途徑。削弱接收電路對噪聲干擾的敏感性。59機車檢測與故障診斷技術——檢測技術屏蔽技術：利用銅或鋁等低電阻材料制成的容器，或者利用導磁性良好的鐵磁材料制成的容器，將需要防護的部分（如干擾源）包圍起來，稱為屏蔽。靜電屏蔽：是根據(jù)靜電學原理，即在靜電平衡的狀態(tài)下，導體內部各點等電位，導體內無電勢，故采用導電性能良好的金屬作屏蔽盒，并將它接地，則屏蔽盒內的電勢不會影響屏蔽盒的外部，同時屏蔽盒外部的電勢也不會穿透屏蔽盒進入屏蔽盒內部。電磁屏蔽：電磁屏蔽主要是抑制高頻電磁場的干擾，即采用導電性能良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻電磁場能在金屬屏蔽層內產生渦流，再利用渦流產生的反磁場來抵消高頻干擾磁場，從而達到屏蔽的目的。60機車檢測與故障診斷技術——檢測技術低頻磁屏蔽：采用電磁屏蔽對低頻磁場干擾的屏蔽效果是很差的，因此，對低頻磁場的屏蔽要采用高導磁