1、2022/7/261安全監(jiān)測(jin c)與監(jiān)控技術(shù)主講人:戴廣龍/馬衍坤安全監(jiān)測與監(jiān)控技術(shù)共四十頁2022/7/262學(xué)習(xí)該課目的和意義從課程設(shè)置上；從安全生產(chǎn)管理上；從科學(xué)技術(shù)上。學(xué)時安排總學(xué)時40課堂教學(xué)38習(xí)題課2學(xué)時實驗6學(xué)時，另外安排本課程要求1）課堂認真聽課，上課不許講話，保持課堂安靜；2）課后獨立完成作業(yè)，作業(yè)占10分；3）認真做好實驗，實驗占10分；4）出勤(ch qn)占10分；5）課后無復(fù)習(xí)，考試占70%共四十頁2022/7/263課程主要(zhyo)內(nèi)容第一章 緒論第二章 非電量(dinling)檢測技術(shù)基礎(chǔ)第三章 傳感器應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)第四章 氣體檢測第五章 環(huán)境參數(shù)檢測

2、第六章 數(shù)據(jù)采集技術(shù)第七章 數(shù)據(jù)通信技術(shù)第八章 煤礦安全環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)第九章 礦井安全監(jiān)測監(jiān)控工業(yè)技術(shù)共四十頁2022/7/264主要(zhyo)參考書1.傳感器及應(yīng)用孫肖子、劉剛等編 電子工業(yè)出版社2.傳感器敏感元器件大全張福學(xué)等主編電子工業(yè)出版社3.新編傳感器原理、應(yīng)用、電路詳解方佩敏主編，電子工業(yè)出版社4、礦井通風(fēng)安全檢測基本知識 煤炭工業(yè)出版社5、煤礦安全檢測儀器儀表劉洪主編煤炭工業(yè)出版社6、傳感器基礎(chǔ)知識王宗信編著煤炭工業(yè)出版社 7、 陳偉人編著, 單片微型計算機原理及其應(yīng)用,清華大學(xué)出版社8、李西才編, 煤礦通風(fēng)檢測儀器與儀表,淮南礦業(yè)(kungy)學(xué)院,9、 戴廣龍編, 通風(fēng)安

3、全檢測儀表,淮南礦業(yè)學(xué)院10、 中國石油化工總公司安全監(jiān)督局，石油化工安全技術(shù)，中國石化出版社，1998年4月11、 北京仙島新技術(shù)有限責(zé)任公司，KJ66安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)用戶手冊，2000年8月；12、 王汝琳編 ，礦井環(huán)境監(jiān)測與儀表中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1986年 共四十頁2022/7/265主要(zhyo)參考書13、鄭學(xué)堅，朱善君，嚴繼昌編著(binzh)，微型計算機原理及應(yīng)用清華大學(xué)出版社，1987年1月；14、錢德群編著，礦井通風(fēng)安全儀器及監(jiān)測系統(tǒng)煤炭工業(yè)出版社，1990年1月15、柳昌慶編，實驗方法與測試技術(shù)煤炭工業(yè)出版社，1985年16、王洪業(yè)編 ，傳感器技術(shù)，湖南科學(xué)出版社，19

4、85年17、楊吉祥編，智能儀器，南京工業(yè)學(xué)院出版社，1986年共四十頁2022/7/266第一章 緒論(xln)一、教學(xué)目的了解(lioji)測試的發(fā)展、內(nèi)涵、本質(zhì)、測量條件；掌握 標準單位和信號描述安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)組成，發(fā)展二、本章主要內(nèi)容第一節(jié) 測試技術(shù)的發(fā)展與研究的內(nèi)容測量的發(fā)展；測量的內(nèi)涵；被測量分類第二節(jié) 測量的本質(zhì)和基本前提測量的本質(zhì)；測量的前提條件。第三節(jié) 測量標準及其單位基本標準（絕對標準）；國際單位制的導(dǎo)出單位第四節(jié) 信號與檢測系統(tǒng)簡述測試系統(tǒng)簡述；信號描述；信號時域和頻域描述方法 第五節(jié) 傳感檢測技術(shù)概述狹義和廣義定義傳感器的狹義定義和廣義定義第六節(jié) 安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)概述系

5、統(tǒng)組成及其作用 ；技術(shù)發(fā)展歷程 ；發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀 ；發(fā)展方向 共四十頁2022/7/267重點：1、測量的本質(zhì)；測量的前提條件2、基本標準3、信號及信號描述4、傳感器的狹義定義和廣義定義5、安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)組成、作用與發(fā)展(fzhn)三、學(xué)時 4個學(xué)時四、教學(xué)方法和手段 采用啟發(fā)式教學(xué)方法，使用多媒體教學(xué)共四十頁2022/7/268第一節(jié) 測試技術(shù)的發(fā)展(fzhn)與研究的內(nèi)容一、測試技術(shù)的發(fā)展知識的獲取往往從測量開始。人類在其自身的社會發(fā)展中創(chuàng)造并發(fā)展了測量學(xué)科，人類早期的測量活動涉及對長度（距離）、時間、面積和重量等量的測量。隨著社會的進步和科學(xué)的發(fā)展，測量活動的范圍不斷擴大，測量的工具(g

6、ngj)和手段不斷精細和復(fù)雜化，從而也不斷地豐富和完善了測量的理論。共四十頁2022/7/269 一、測試技術(shù)(jsh)的發(fā)展公元前3000年，古埃及人建立了長度的統(tǒng)一標準埃爾 ；秦始皇在統(tǒng)一六國后，建立了統(tǒng)一的度量制度 ；規(guī)定了度為寸、尺、丈、引；量為斛、斗、升、合；衡為兩、斤、鈞、石。 （時間）今天，測量學(xué)科已滲透到人類活動的每個領(lǐng)域。 科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展給測量學(xué)這一古老的學(xué)科注入了新的活力，現(xiàn)代電子技術(shù)、尤其是信息技術(shù)的發(fā)展更是推動測量學(xué)科迅猛發(fā)展。因此測量學(xué)是一門多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科。 （數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、電子技術(shù)、計算機、通信工程等等）共四十頁2022/7/2610 二、測量的內(nèi)涵：

7、 “凡存在之物，必以一定(ydng)的量存在” 。“當你能測量你在談及的事物，并將它用數(shù)字表達時，你對它便是有所了解的；而當你不能測量它，不能將它用數(shù)字表達時，你的知識是貧瘠的和不能令人滿意的。” （了解和認識） William Thompson 共四十頁2022/7/2611 三、測量的分類根據(jù)被測的物理量隨時間變化的特性，可將它們總體地分成靜態(tài)量和動態(tài)量。 靜態(tài)量：靜止的或緩慢變化的物理量；（質(zhì)量、大氣壓）動態(tài)量：隨時間快速變化的物理量（自由落體速度、神七）對靜態(tài)量與動態(tài)量的測量分別稱為靜態(tài)測量與動態(tài)測量。靜態(tài)與動態(tài)測量是相對的，有時可以轉(zhuǎn)化。 （速度、大氣壓）本課程中我們將主要研究(yn

8、ji)對靜態(tài)量和動態(tài)量的測量，亦即靜態(tài)量、動態(tài)測量的理論、方法及應(yīng)用，因此我們在這里將靜態(tài)量、動態(tài)測量的技術(shù)定義為測試技術(shù)。 共四十頁2022/7/2612四、測試(csh)系統(tǒng)原理框圖 傳感器：從被測對象獲取有用的信息，并將其轉(zhuǎn)換為適合于測量的變量或信號。 （濕度傳感器、飛天號艙外服、非典時測體溫） 信號調(diào)理部分：對從傳感器所輸出的信號作進一步的加工和處理，包括對信號的轉(zhuǎn)換、放大、濾波、儲存、重放、和一些專門的信號處理。 顯示和記錄部分：將經(jīng)信號調(diào)理部分處理過的信號用便于人們(rn men)所觀察和分析的介質(zhì)和手段進行記錄或顯示。 被測對象和觀察者也是測試系統(tǒng)的組成部分，它們同傳感器、信號調(diào)

9、理部分以及數(shù)據(jù)顯示與記錄部分一起構(gòu)成了一個完整的測試系統(tǒng)。 共四十頁2022/7/2613 一、測量的本質(zhì)采集和表達被測物理量 ； （了解認識）與標準作比較。 （得到量） 將度量數(shù)字X作為比較量N（標準）的倍數(shù)賦予被測量x則有 ：X=xN （1.1） 從量綱(lin n)上考慮對應(yīng)上式有下述公式成立 ：d=- d（1.2） d表示量綱。二、測量的前提被測的量必須有明確的定義；（氣候的“舒適度”胖瘦的人不一樣或人的“智力”等 ）測量標準必須事先通過協(xié)議確定。（一柱香時間） 第二節(jié) 測量(cling)的本質(zhì)和基本前提 共四十頁2022/7/2614 三、檢測與測量檢測是檢出和測量的總稱。檢出：指示

10、某些特殊量的存在，但無需提供量值的過程(guchng)；（定性高壓變壓器周圍電場） 測量：則被定義為以確定被測對象量值為目的的全部操作。 （定量）共四十頁2022/7/2615第三節(jié) 測量標準(biozhn)及其單位 各國在商業(yè)及其它涉及公眾(gngzhng)利益的范圍內(nèi)都制定有法定計量學(xué)的規(guī)定條例，這些條例涉及法定計量學(xué)的三大范疇：確定單位和單位制（磅、斤、公斤、千克、噸）； 確定國家施加影響的范圍（校準能力）； 實施校準和官方監(jiān)督。 目的：保證正當競爭； 保護公民免遭不公平對待或由不正確計量結(jié)果所帶來的損害； 保護消費者利益。 共四十頁2022/7/2616一、基本標準（絕對標準）1、基本

11、標準：彼此相互獨立的標準 。在國際度量衡大會（CGPM：Confrence Gnrale des Poids et Msures ）上定義了七個基本標準：長度、質(zhì)量、時間、溫度、電流、光強和原子物理中的物質(zhì)量。 2、國際單位制（SI）國際度量衡量大會在1960年將大會以前確定的七個基本單位的系統(tǒng)命名(mng mng)為“國際單位制”，國際上統(tǒng)一縮寫為SI（Systme International dUnits）。3、基本單位七個基本單位分別賦于七個基本量，經(jīng)協(xié)議規(guī)定認為是彼此獨立的。共四十頁2022/7/2617SI基本單位(dnwi)的定義1米被定義為真空中的光在（1/299792458）秒

12、時間內(nèi)所經(jīng)過的距離的長度（1983年）。該標準的復(fù)制精度可達10-9 。 1千克定義為國際千克原型器的質(zhì)量（1889年），該國際千克原型器是保存在法國巴黎塞夫勒博物館中的一根鉑銥合金圓柱體。其復(fù)制精度可達10-9數(shù)量級。 1秒被定義為銫133原子基本態(tài)的兩個超精細結(jié)構(gòu)能級間躍遷所對應(yīng)的周期時間的9192631770倍（1967年）。安培定義為流經(jīng)在真空中兩根平行且相距1m的無限(wxin)長直導(dǎo)線（其圓橫截面可忽略不計）上，并能在其每米長導(dǎo)線之間產(chǎn)生0.210-6N的電動力的不隨時間變化的電流量（1948年）。 共四十頁2022/7/2618SI基本單位(dnwi)的定義（續(xù)）1開爾文被定義為

13、水的三態(tài)點的熱力學(xué)溫度的273.16分之一（1967年）。 1坎德拉被定義為在101325N/m2的氣壓(qy)和鉑開始凝固的溫度下垂直照射在表面積為1/600000m2輻射黑體上的光強（1967年）。 1摩爾的定義是：一個由確定成份組成的系統(tǒng)。如果它含有粒子的個數(shù)等于碳12原子核的（12/1000）kg重量中所含原子的個數(shù)，則該系統(tǒng)的物質(zhì)量為一摩爾（1971年），此處所述的粒子可以是原子、分子、離子和電子等。 共四十頁2022/7/2619二、國際(guj)單位制的導(dǎo)出單位 導(dǎo)出單位從基本單位出發(fā)，用乘、除符號以代數(shù)式表達。不同的導(dǎo)出單位有各自專門的名稱(mngchng)和專門的單位符號，這

14、些單位名稱(mngchng)和單位符號可單獨使用，還能和基本單位一起合成進一步的導(dǎo)出單位。共四十頁2022/7/2620第四節(jié) 信號(xnho)與檢測系統(tǒng)簡述一 信號與測試系統(tǒng)分析 二 信號描述 三 測試系統(tǒng)特性(txng)分析共四十頁2022/7/2621一 信號(xnho)與測試系統(tǒng)分析圖1 簡諧振動信號(xnho)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 不同的被測參量測試任務(wù)的復(fù)雜程度不同的作用原理信號與系統(tǒng)是緊密相關(guān)系統(tǒng)的激勵系統(tǒng)的響應(yīng)力、位移、加速度、電壓、電流、光強等稱為信號共四十頁2022/7/2622對于不同的被測參量，測試系統(tǒng)的構(gòu)成(guchng)及作用原理可以不同；根據(jù)測試任務(wù)的復(fù)雜程度，一個測

15、試系統(tǒng)也可以有簡單和復(fù)雜之分；根據(jù)不同的作用原理，測試系統(tǒng)可以是機械的、電的、液壓的等等。在對待屬性各異的各類測試系統(tǒng)中，常常略去系統(tǒng)具體的物理上的含義，而將其抽象為一個理想化的模型，目的是為了得到一類系統(tǒng)共性的規(guī)律。將系統(tǒng)中變化著的各種物理量，如力、位移、加速度、電壓、電流、光強等稱為信號。因此，信號與系統(tǒng)是緊密相關(guān)的。信號按一定的規(guī)律作用于系統(tǒng)，而系統(tǒng)在輸入信號的作用下，對它進行“加工”，并將該“加工”后的信號進行輸出。通常將輸入信號稱為系統(tǒng)的激勵，而將輸出信號稱為系統(tǒng)的響應(yīng)。 共四十頁2022/7/2623二 信號(xnho)描述1 信號(xnho)的定義 2 信號的分類 3 信號時域和

16、頻域描述方法 共四十頁2022/7/26241 信號(xnho)的定義“信號”：一詞最初起源于“符號”、“記號”，它表示用來作為信息向量的一個物體、一個記號、一種語言的元素或一個特定的符號等等。 信號是信號本身在其傳輸?shù)钠瘘c到終點的過程中所攜帶的信息的物理表現(xiàn)。 例如：質(zhì)量彈簧系統(tǒng)在受到一個激勵后的運動狀況，可以通過系統(tǒng)質(zhì)量塊的位移時間關(guān)系來描述。反映質(zhì)量塊位移的時間變化過程的信號則包含了該系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比的信息。噪聲的概念：噪聲也是一種信號；任何干擾對信號的感知和解釋的現(xiàn)象稱為噪聲。 信號與噪聲的區(qū)別純粹是人為的，且取決于使用者對兩者的評價標準。 （萬分之一(wn fn zh y)天平

17、普通天平）信號理論必須包括噪聲理論。 共四十頁2022/7/26252 信號(xnho)的分類 信號的分類方法：1)基于信號的演變類型、信號的預(yù)定特點或者(huzh)信號的隨機特性的表象的分類法-確定性信號和隨機信號 2)規(guī)定兩類信號的能量分類法，兩類信號中一類為具有有限能量的信號，另一類為具有有限平均功率但具有無限能量的信號-能量信號和功率信號 3)基于信號的幅值或者獨立變量是連續(xù)還是離散的這一特點的形態(tài)分類法-連續(xù)和數(shù)字信號4)基于信號模型中獨立變量個數(shù)的維數(shù)分類法一維和多維5)基于信號頻譜的頻率分布形狀的頻譜分類法頻率 共四十頁2022/7/2626(1)確定性信號(xnho)和隨機信號

18、(xnho) 分類方法1是考慮信號沿時間軸演變的特性所作的一種(y zhn)分類。根據(jù)這種時域分類法可定義兩大類信號：確定性信號和隨機信號。確定性信號：可以用合適的數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)關(guān)系式來完整地描述或預(yù)測其隨時間演變情形的信號。 （集合）隨機信號：具有不能被預(yù)測的特性且只能通過統(tǒng)計觀察來加以描述的信號。 （大氣壓變化）隨機信號共四十頁2022/7/2627確定性信號又分為周期(zhuq)信號和非周期(zhuq)信號。周期信號：滿足下面關(guān)系式的信號： x(t)=x(t+kT)式中，T周期。周期信號一般又分為正余弦信號、多諧復(fù)合信號和偽隨機信號。 非周期信號：定義：不具有上述性質(zhì)的確定性信號。非周期

19、信號又可分成準周期信號和瞬態(tài)信號兩類。 偽隨機信號正/余弦信號準周期信號：由多個具有不成比例周期的正弦波之和形成，或者(huzh)稱組成信號的正（余）弦信號的頻率比不是有理數(shù) 。瞬態(tài)信號：時間歷程短的信號。共四十頁2022/7/2628圖4 瞬態(tài)信號x(t)矩形脈沖信號y(t)衰減指數(shù)脈沖信號z(t)正弦脈沖共四十頁2022/7/2629平穩(wěn)隨機信號：信號的統(tǒng)計特征(tzhng)（如均值、方差、均方值等）不隨時間變化。非平穩(wěn)隨機信號：不具有上述特點的隨機信號隨機信號分成(fn chn)兩大類：平穩(wěn)隨機和非平穩(wěn)隨機信號。x(t)寬帶信號（白噪聲）y(t)經(jīng)低通濾波后的信號圖5 平穩(wěn)隨機信號圖6

20、非平穩(wěn)隨機信號共四十頁2022/7/2630按信號(xnho)時域特性的表象分類法分類圖 信號(xnho)確定性信號隨機信號周期性信號非周期信號正弦、余弦性信號多諧復(fù)合信號偽隨機信號準周期信號瞬態(tài)信號平穩(wěn)隨機信號非平穩(wěn)隨機信號各態(tài)歷經(jīng)信號非各態(tài)歷經(jīng)信號共四十頁2022/7/2631(2)能量(nngling)信號和功率信號 能量信號：在右圖所示的單自由度振動系統(tǒng)中：由彈簧所積蓄的彈性勢能為 x2(t)；若x(t)表達為運動速度，則x2(t)反映(fnyng)的是系統(tǒng)的運動中的動能。定義：當x（t）滿足關(guān)系式則稱信號x（t）為有限能量信號 ，簡稱能量信號。矩形脈沖、衰減指數(shù)信號等均屬這類信號。功

21、率信號：當信號滿足條件 亦即信號具有有限的（非零）平均功率，則稱信號為有限平均功率信號，簡稱功率信號。圖7單自由度振動系統(tǒng) 共四十頁2022/7/2632(3)連續(xù)信號(xnho)和離散信號(xnho) 分類(fn li)依據(jù)：信號的幅值是連續(xù)的還是離散的 ；自變量（即時間t）是連續(xù)的還是離散的 。對于連續(xù)信號：自變量和幅值均為連續(xù)的信號稱為模擬信號；自變量是連續(xù)、但幅值為離散的信號，則稱為量化信號。 對于離散信號：信號的自變量及幅值均為離散的，則稱為數(shù)字信號 ；信號的自變量為離散值、但其幅值為連續(xù)值時，則稱該信號為被采樣信號。 共四十頁2022/7/2633信號按形態(tài)分類法加以區(qū)分的四種(s

22、 zhn)形式 自變量和幅值均為連續(xù)(linx)自變量連續(xù)，幅值離散自變量離散，幅值連續(xù)自變量離散，幅值離散 共四十頁2022/7/26344 信號(xnho)時域和頻域描述方法 1)時域描述法：主要反映信號的幅值隨時間變化的特征。 分析系統(tǒng)時，除采用經(jīng)典的微分或差分方程外，還引入單位脈沖響應(yīng)和單位序列響應(yīng)的概念，借助于卷積積分的方法。 2)頻域分析法：將信號和系統(tǒng)的時間變量函數(shù)或序列變換成對應(yīng)頻率域中的某個變量的函數(shù)，來研究信號和系統(tǒng)的頻域特性 。對于(duy)連續(xù)系統(tǒng)和信號來說，常采用傅里葉變換和拉普拉斯變換；對于離散系統(tǒng)和信號則采用Z變換。頻域分析法將時域分析法中的微分或差分方程轉(zhuǎn)換為代

23、數(shù)方程，給問題的分析帶來了方便。 共四十頁2022/7/2635信號的復(fù)雜性：實際信號的形式常常是比較復(fù)雜的。因此常常將復(fù)雜的信號分解成某些特定類型（易于實現(xiàn)和分析 ）的基本信號之和 ，如正弦信號、復(fù)指數(shù)型信號、階躍信號、沖激信號等等 。信號的頻域描述即是將一個時域信號變換為一個頻域信號，將該信號分解成一系列基本信號的頻域表達形式之和，從頻率分布的角度出發(fā)研究(ynji)信號的結(jié)構(gòu)及各種頻率成分的幅值和相位關(guān)系。 共四十頁2022/7/2636第五節(jié) 傳感檢測技術(shù)概述-狹義(xiy)和廣義定義 1 傳感與檢測是實現(xiàn)自動控制(z dn kn zh)、自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 它與信息系統(tǒng)的輸入端相連，并將檢到的信號輸送到信息處理部分，是檢測系統(tǒng)的感受器官。 2 傳感器廣義定義 在現(xiàn)代工程科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域里，可以認為：傳感器是人體“五官”的工程模擬物。那么何謂傳感器?它是一種以一定的精確度將被測量(如位移、壓力、加速度、溫度等)轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的、易于精確處理和測量的某種物理量的測量部件或裝置。(嫦娥一號、激光高度計)共四十頁2022/7/2637 3 傳感器狹義地定義 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、微電子技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展，在各種“可用信號”中，電信號最便于處理、傳輸、顯示和記錄。因此(ync)，可把傳感器狹義地定義為：能把外界非電