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1、 传感器输出信号的基本形式1、电信号，如电压、电流或电荷量2、电参数的变化，如电阻、电感和电容等 信号并不能被读取或者记录 1、非电压信号难以被直接显示2、信号太微弱3、信号本身还携带不期望的信息或噪声 因此，传感器的输出信号尚需经过调理、放大、滤波等 处理，然后被显示或记录。第五章 信号的调理和记录信号调理的目的：便于信号的传输与处理 传感器输出的信号很微弱，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。 有些传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才 能进行处理。 有些传感器输出的是电信号，但信号中混杂有干扰 噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。 某些场合，为便于信号的远距离传
2、输，需要对传感 器测量信号进行调制解调处理。 本章学习要求 了解电桥工作原理 了解信号调制解调原理 了解信号滤波器工作原理 了解测试信号的显示与记录5.1 电桥 电阻应变片，其电阻的变化量只有0.00010.1欧 的变化量，如此微小的电阻变化量，是很难用测量 仪器直接测量出来，常用的就是采用一定形式的电 桥，将其转换为电压的变化，再进行放大。 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(特点),因此在测量装置中被广泛应用。按照其 激励电压的性质，可分为直流与
3、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1. 基本结构：如图所示 ，由四个阻抗构成四个 桥臂。A和C接入直流电 源作为电桥的激励电源 ，B和D端为输出端。 2.在直流电源激励下,图 中线路b、d的电势相等 时,即输出电压为0，称 为电桥的平衡。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： 桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。当 被测量为某一初始值并未发生变化时希望电桥输出 为0。VER1R3R2R4 当某一桥臂电阻发生变化使电桥的平衡发生破坏 时，通过手动或自动的方法对电桥的某一调整环节 进行调
4、整，使电桥重新恢复平衡，其电阻的变化可 以从调整值获得。 3、在测试技术中，一般根据工作中电阻值参 与变化的桥臂数可分为单臂电桥连接、半桥 式与全桥式联接，如图52所示。四个阻抗 臂都感受被测量的变化称之为全桥。4、输出特性（1）单臂电桥连接输出电压为了简化设计，取相邻两桥 臂电阻相等，即若 ，则输出电压一般可见，电桥的输出 与激励电压 成正比， 且在 一定条件下，与 成正比。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。（3）全桥接法输出 灵敏度 显然，电桥接法不同，灵 敏度也不同，全桥接法可 以获得最大的灵敏度。5、和差特性当输出所以
5、从这个等式中我们可以看出：当一对相对边 感受大小相等、方向相同的信号时，电桥输出 不为0，感受大小相等、方向相反的信号时，输 出为0。当相邻边感受大小相等、方向相反的信 号时，电桥输出不为0；而感受大小相等、方向 相同的信号时，输出为0。因此，我们把相对边称为同变输入端工 作时接入同变信号；把相邻边称为差变输入端 工作时接入差变信号。这样电桥才有最大 输出。这就是电桥的和差特性。利用这一特性 ，通常电桥可用于合理布置应变片和连接电桥 等，使灵敏度得到提高。 6、和差特性的应用举例悬臂梁受弯矩力和拉伸力同时作用时，现要求 分别测出弯矩力和拉伸力，应该如何布片，如 何接桥？分析：悬臂梁在受弯矩力作
6、用时，上侧面为拉 应变，下侧面为压应变；在受到拉伸力时作用 时，上、下侧面均为拉应变。利用电桥的和差特性，在测弯矩力时，将应变片贴于 悬臂梁的上、下侧面，同时在接桥时把应变片接在电 桥的相邻桥臂上，另外两个桥臂为固定电阻。这样，在弯矩力F作用下，dR1=-dR2,同时dR3=dR4=0, 电桥输出为而在拉伸力作用下，由于dR1=dR2，所以电桥的输出电压仅反映的是弯矩力作用的结 果而与拉伸力无关。而在测量拉伸力时，只要把上、下侧面的应 变片、连接在电桥的相对桥臂上即可，这时电 桥的输出电压仅反映的是拉伸力作用的结果而 与弯矩力大小无关。如果要进一步提高电桥的灵敏度，可采用如 下的布片和连接方式
7、，将电桥连接成全桥形式 ，不过这时电桥的输出电压同时反映了弯矩力 与拉伸力综合作用的结果。5-1、解：1）单臂电桥输出电压，当应变为2时当应变为2000时的输出电压为2）双臂电桥输出电压，当应变为2时当应变为2000时的输出电压为二、交流电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。电路 结构与直流电桥完全一样，其平衡关系 式在交流电桥中也可适用。把各阻抗用指数式表示并代入 ：若此式成立，必须同时满足下列两等式：i为各阻抗角，是 各桥臂电流与电压 之间的相位差Z0i为各阻抗的 模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
8、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。图57是一种常用电容电桥：根据平衡条件有，上式的实 数和虚数部分分别相等，则 有下面两个平衡条件：图5-5是一种常用电感电桥，电 桥平衡条件为：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（图5-6）。为此，除了有电 阻平衡外，还须有电容平衡。三、带感应耦合臂的电桥带感应耦合臂的电桥是将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成的 电桥，一般有下列两种形式。图5-11a是用于电感比较仪中的电桥，感应耦合的绕组W1、W2与阻 抗Z3、Z4构成电桥的四个臂。绕组W1、W2相当于变
9、压器的二次边绕组， 这种桥路又称变压器电桥。平衡时，指零仪G指零。另一种形式如图5-8b所示，电桥平衡时，绕组W1、W2 的激磁效应 互相抵消，铁心中无磁通，所以指零仪G指零。带感应耦合臂的电桥与一般电桥比较，具有较高 的精确度、灵敏度以及性能稳定等优点。 例：5-2 第一问 答：不能提高灵敏度，因为半桥双臂时，其输出电压当两桥臂各串联电阻应变片时，其电阻的相对变化量为：即仍然没有发生变化，故灵敏度不变。5-4、解：全桥时，电桥输出电压为K为常数，与应变片的灵敏度及电桥的接法有关 ，则5.2 调制与解调目的：主要解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。定义：所谓调制就是使一个信号的某些参数在
10、另一个信号的控制下而发生变化的过程。最终从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调。载波调制 信号调制 波为了进行有效的传输，必须采用几百khz以上的高频振 荡信号作为载体，将携带信息的低频电信号“装载”到高频 振荡信号上（调制），然后经天线发送出去，到了接受端后 ，再把低频电信号从高频振荡信号上卸取下来（解调）不调制各电台发出的信号频率就会相同，用户无法选择； 通过调制，各信号被搬移到不同的频率范围，接收机可选择接 收，从而实现多路复用。调制：把缓变信号（调制信号）变成高频交变信号的过程解调：把高频交变信号变成缓变信号的过程载波：未经调制的高频振荡信号分类：调制：Modulation调幅(A
11、mplitude modulation-AM）调频（Frequency modulation-FM)调相（Phase modulation-PM)调幅：载波的幅值随调制信号而变化的过程调频：载波的频率随调制信号而变化的过程调相：载波的相位随调制信号而变化的过程5.2.1 幅值调制与解调一、原理调幅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 的过程。调制器 （乘法器）调制信号载波调幅波以频率为f0的余弦信号作为载波进行讨论一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其频谱图形由 坐标原点平移至该脉冲函数处。二、频域分析所以，若以高频余弦信号作载
12、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。可以看出，所谓调幅过程相当于频 谱”搬移过程。从调幅原理看，载波频率必须高于原信号中的最高频率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 相对中心频率（载波频率）应越小越好。实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号。调幅： 从频域上：相当于频率 的搬迁过程。从低频搬 迁到高频。频谱形状保 持不变（f0fm)。从时域上：用x（t）去 控制改变y（t）的幅值 ，使xm（t）的幅值随着 x（t）的变化而变化， 频率仍与x（t）相同。三、调幅
13、信号的解调方法常用的有同步解调、包络检波和相敏检波法（一）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：（二）、包络检波（整流检波）若把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，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，如图所示。把该调幅波进行简单的半
14、波或 全波整流、滤波，并减去所加的偏置电压就可以恢复原调 制信号。 这种方法又称作包络分析。 xm(t)=A+x(t)cos2f0t （三）、相敏检波交变信号过零线时符号发生突变（+、-），与之对应的调幅波相位（与载波比较）也相应地发生180的相位跳变。利用载波信号与调幅信号比相，便既能反映出原信号的幅值又能反映其极性。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。0a段：x(t)为正， y(t)和x(t)同相当载波电压为正半周时，因为同相，A、B变压器次级端的相位极性相同，载波电压加到桥路1、3端，D1、D2导通，D3、D
15、4截止。调幅电压加到桥路2、4端，D1、D4导通，D2、D3截止。由于D2、D3、D4均属截止状态，惟有D1导通。所以，电流的流向只有一个可能性当载波电压为负半周时，A、B变压器次级端的相位极性同时改向，载波电压加到桥路1、3端，D3、D4导通，D1、D2截止。调幅电压加到桥路2、4端，D2、D3导通，D1、D4截止。由于D1、D2、D4均属截止状态，惟有D3导通。所以，电流的流向只有一个可能性可见在0a段，电流经负载的电流方向始终是由上到下， 输出电压为正值。去掉了波形中的负信号。ab段：x(t)为负， y(t)和x(t)反相当载波电压为正半周时，因为反相，A、B变压器次级端的相位极性相反，
16、载波电压加到桥路1、3端，D1、D2导通，D3、D4截止。调幅电压加到桥路2、4端，D2、D3导通，D1、D4截止。由于D1、D3、D4均属截止状态，惟有D2导通。所以，电流的流向只有一个可能性当载波电压为负半周时，载波电压加到桥路1、3端，D3、D4导通，D1、D2截止。调幅电压加到桥路2、4端，D1、D4导通，D2、D3截止。由于D1、D2、D3均属截止状态，惟有D4导通。所以，电流的流向只有一个可能性可见在ab段，电流经负载的电流方向始终是由下到上， 输出电压为负值。去掉了波形中的正信号。调幅应用调幅应用动态电阻应变仪。动态电阻应变仪。 Resistance Strain Meter电阻应变仪电阻应变仪利用电阻应变片作 为传感元件来测量应 变的专用电子仪器称 为电阻应变仪。（按频率分类）静态电阻应变仪（5Hz5Hz ）静动态电阻应变仪（0200Hz）动态电阻应变
