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1、第五章 机械量测试系统的基本环节,机械工程测试技术基础,本章学习要求：,1.掌握电桥的工作原理及特性 2.掌握信号调制与解调的原理4.掌握信号的放大与滤波 3. 了解测试信号的显示与记录,信号调理的的目的是便于信号的传输、处理与记录。, 信号调理的目的,1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。,调理的内容,信号调理装置按工作原理有1转换器：将传感器输出信号转换成便于传输、放大、处理的装置。 例如：电桥：可将R、C、Lu或i； D/A：数字量模拟量 A/D：模拟量数字量 调制器：对信号进行调制； 解调器：对已调信号进行鉴别
2、并还原。2放大器：将信号进行放大。 例如：电压（直流、交流）放大器； 电荷放大器,3运算器：将信号进行相应的运算，获取所需信号。 例如：加法器、乘法器、积分器、微分器4滤波器：对信号进行滤波处理。 例如：低通滤波器、高通滤波器5整流器：对信号进行整流检波处理。 例如：相敏整流器 可见，信号调理环节很多，其功能也很丰富，本章仅从测试的角度讨论电桥、调制与解调、滤波器、放大器的基本概念。,第一节 电桥 电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。 由于桥式测量电路简单，并具有较高精确度和灵敏度，因此在测量装置中被广泛
3、应用。 按照其激励电压的性质，可分为直流与交流电桥；按照输出方式，可分为不平衡桥式电路与平衡桥式电路。,一、直流电桥 下图是直流电桥的基本形式。电阻R1、R2、R3、R4作为四个桥臂，在a、c两端接入直流电源U0，在b、d两端输出电压Uy。 当电桥输出端后接输入电阻较大的仪表或放大器时，可视为开路，电流输出为零。此时桥路电流为：,a、b之间与a、d之间电位差：,输出电压：,由此可以看出，若要使电桥平衡，输出为零，应满足：,若电桥中任一电阻产生变化,则输出电压也产生相应的变化.,若：R1=R2=R3=R4=R 全等臂电桥 R1=R4=Ra R2=R3=Rb 对称等臂半桥 R1=R4=Ra R2=
4、R3=Rb 非对称等臂半桥,半桥单臂接法,半桥双臂接法,全桥接法,（1）半桥单臂接法 输出电压为了简化设计，取相邻两桥臂电阻相等，即若 ，则输出电压因 ，所以,灵敏度,（2）半桥双臂接法输出灵敏度与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与 成完全线性关系。,可用于温度补偿,（3）全桥接法输出 灵敏度,可用于温度补偿,当四个阻值都发生变化时，根据公式得,由于,并省去 的乘积项,非线性误差,电桥的和差特性(差动特性)1.若相邻两桥臂同向变化（同时增大或减小）,输出电压相互抵消;2.若相邻两桥臂反向变化（一个增大一个减小）,输出电压相互叠加.,相邻同相减，相邻反相加,用悬臂梁做敏感元件测力,+,
5、-,若R1、 R2 、 R3 、 R4 、在相邻桥臂，则电压输出相互抵消。若在相对桥臂则电压输出叠加,电桥的平衡装置 在测量前，应将电桥调平衡。但由于接入电桥的每个应变片不可能绝对相同，各桥臂的连接导线及接触电阻也不可能完全一样，因而需设置电阻平衡装置。方法：桥臂中串联或并联小阻值电阻。,串联,并联,直流电桥的优点是采用了直流电源作为激励电源，而直流电源稳定性高。另外电桥的平衡电路简单，仅需对纯电阻的桥臂调整即可，平衡调节简单。直流电桥的缺点是易引入工频干扰。由于输出为直流量，故需对其作直流放大，而直流放大器一般比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。因此，直流电桥适用于静态量的测量。,二、交流电
6、桥 交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。因此，除了电阻外还包含电抗。如果阻抗、电流及电压都用复数表示，则关于直流电桥的平衡关系式在交流电桥中也可适用，即电桥达到平衡时必须满足,把各阻抗用指数式表示并代入上式：,若此式成立，必须同时满足下列两等式：,平衡调节复杂,纯电阻时电流与电压同相位， 0；电感性阻抗，0；电容性阻抗， 0。 交流电桥平衡必须满足两个条件，即相对两臂阻抗之模的乘积应相等，并且它们的阻抗角之和也必须相等。 下图是一种常用电容电桥：,根据平衡条件，上式的实数和虚数部分分别相等，则平衡条件：,图4-5 电感电桥,电阻交流电桥的分布电容,右图是一种常用电感电桥
7、，电桥平衡条件应为：,对于纯电阻交流电桥，即使各桥臂均为电阻，但由于导线间存在分布电容，相当于在各桥臂上并联了一个电容。为此，除了有电阻平衡外，还须有电容平衡。,带有电阻、电容平衡的交流电阻电桥,图示一种用于动态应变仪中的具有电阻、电容平衡的纯电阻电桥。电容C2是一个差动可变电容器，当扭动电容平衡旋钮时，电容器左右两部分的电容，其一增加，另一则减少，使并联到相邻两臂的电容值改变，以实现电容平衡。,在一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良好的电压波形与频率稳定度。如电源电压波形畸变（即包含了高次谐波），对基波而言，电桥达到平衡，而对高次谐波，电桥不一定能平衡，因而将有高次谐波的电压输出。 一般
8、采用音频交流电源（510）kHz作为电桥电源。这样，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路中引入，并且后接交流放大电路简单而无零漂。,交、直流电桥的异同点 (以输出为正电压的单臂电桥为例)相同点：输出电压的幅值都与被测的信号（应变）成正比；不同点：,一些被测量，如力、位移等，经过传感器变换以后，常常是一些缓变的电信号。从放大处理来看，这类信号除用直流放大外，目前较常用的还是先调制而后用交流放大。,第二节 调制与解调,调制就是利用低频信号来控制或改变高频振荡的某个参数(幅值,频率,相位)的过程。目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输、转换问题。 最终从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为
9、解调。,低频、慢变的信号-高频信号,上述信号分别称为 调制信号：控制高频振荡信号的低频信号。载 波：载送缓变信号的高频振荡信号。已调制波：经过调制的高频振荡波。 （调幅波、调频波、调相波）解调：从已调制波中恢复出调制信号的过程。 本节讨论调幅及其解调。,根据载波受调制的参数的不同，调制可分为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。使载波的幅值、频率或相位随调制信号而变化的过程分别称为调幅、调频或调相。,一、调幅及其解调 （一）原理 调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。现以频率为f0的余弦信号作为载波进行讨论。,由傅里叶变换的性质
10、知：在时域中两个信号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积，即:,余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线,一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。 所以，若以高频余弦信号作载波，把信号x(t)和载波信号相乘，其结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至载波频率 f0处，其幅值减半，如图所示。,图4-10调幅过程a）时域b）频域,(二)调幅信号的解调方法(1)同步解调 若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”，。若用一个低通滤波器滤去中心频率为2f0的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（只是其幅值减小为一半，这可用放大处理来补偿），这一过程称
11、为同步解调。“同步”指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位。在时域分析中也可看到：,低通滤波器将频率为2f0的高频信号滤去，则得到：,图4-10调幅过程a）时域b）频域,由此可见，调幅的目的是使缓变信号便于放大和传输。解调的目的则是为了恢复原信号。广播电台把声音信号调制到某一频段，既便于放大和传送，也可避免各电台之间的干扰。在测试工作中，也常用调制一解调技术使在一根导线中传输多路信号。 从调幅原理看，载波频率f0必须高于原信号中的最高频率fm才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽(2 fm)相对中心频率（载波频率f0）应越小越
12、好。实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号。 幅值调制装置实质上是一个乘法器。现在已有性能良好的线性乘法器组件。霍尔元件也是一种乘法器，电桥在本质上也是一个乘法装置，若以高频振荡电源供给电桥，则输出(uy)为调幅波。,（2）包络检波(整流检波) 为了解调可以使调幅波和载波相乘，乘后通过低通滤波。但这样做需要性能良好的线性乘法器件。 若把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状。把该调幅波xm(t)简单地整流（半波或全波整流）、滤波就可以恢复原调制信号。如果原调制信号中有直流分量、则在整流以后应准确地减去所加的偏置电压。,解调
13、的方法,若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅波只是简单地整流就不能恢复原调制信号，如图4-12b所示。相敏检波技术就是为了解决这一问题。,采用相敏检波时，对原信号可不必再加偏置。 这种相敏检波是利用二极管的单向导通作用将电路输出极性换向。,(3)相敏检波技术,解调的方法,载波,测试信号,动态电阻应变仪可作为电桥调幅与相敏检波的典型实例。电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压（一般频率为10kHz或15kH）。被测量（应变）通过电阻应变片调制电桥输出。电桥输出为调幅波，经过放大，最后经相敏检波与低通滤波取出所测信号。,第三节 滤波器,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通
14、过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种筛选作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。,一、滤波器分类 根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为四类，即低通、高通、带通和带阻滤波器。,低通,高通,带通,带阻,（l）低通滤波器 从0f2频率之间为其通频带，幅频特性平直。它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。（2）高通滤波器 与低通滤波器相反，从频率f1为其通频带，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。（3）带通滤波器 它的通频带在f1 f2之间。它使信号中高于f1并低于
15、f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而其它成分受到极大地衰减。（4）带阻滤波器 与带通滤波器相反，其阻带在频率f1 f2之间。它使信号中高于f1并低于 f2的频率成分受到极大地衰减，其余频率成分几乎不受衰减地通过。,上述四种滤波器中，在通带与阻带之间存在一个过渡带，其幅频特性是一斜线，在此频带内，信号受到不同程度地衰减。这个过渡带是滤波器所不希望的，但也是不可避免的。 滤波器还有其它不同分类方法. 例如，根据构成滤波器的元件类型，可分为RC、LC或晶体谐振滤波器； 根据构成滤波器的电路件质，可分为有源滤波器和无源滤波器； 也可根据滤波器所处理的信号性质，分为模拟滤波器与数字滤波器等等。,五 滤波器的应用,案例：旅游索道钢缆检测,由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤,滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,
