聊城大学机械与汽车工程学院测试技术第6章

第6章信号的调理与记录机械与汽车工程学院2便于信号的传输与处理。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。3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。▲2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。6.0变换与调理的目的机械与汽车工程学院31Z3Z4Z2ZoUiUabdc电桥a、c两端接电源Ui，称供桥端；b、d两端接输出电压Uo，称输出端。将电阻R(应变片)、电感L、电容C等电参数变为电压ΔU或电流ΔI信号后输出的一种测量电路。6.1电桥机械与汽车工程学院41Z3Z4Z2ZoUiUabdc电桥根据桥臂阻抗性质的不同为:电阻电桥电容电桥电感电桥根据供桥电源分为:直流电桥:采用直流电源——只用于测量电阻R的变化交流电桥：采用交流电源——测量电阻R、电容C、电感L的变化1.电桥的分类机械与汽车工程学院52.直流电桥四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。1R3R4R2I2R1IoUiUabdc采用直流电源的电桥称为直流电桥直流电桥VR1R2R3R4机械与汽车工程学院6平衡条件R1·R3=R2·R41R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流电桥ioURRRRRRRRU))((43214231电桥的输出：平衡的条件：推导机械与汽车工程学院7为了简化设计，R2=R3=R4=R0，而R1=R0+ΔRiURRR2401R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流电桥R0＋ΔRU0＋ΔUΔUiioURRRRRRRRRRURRRRRRRRU))(()())((0000000043214231)(400RRRRUi电桥的灵敏度定义为00/RRUSoB4iU机械与汽车工程学院8R1+ΔRR2-ΔRR1+ΔRR3+ΔRR2-ΔRR4-ΔRRR13R4R2I2R1IoUiUabdcRR13R4R2IRR21IoUiUabdcR1+ΔR单片单臂半桥R1R3R2R4双臂半桥R1R3R2R4全桥R1R3R2R4半桥、单臂输出全桥、四臂输出半桥、双臂输出四片两片RR1RR3RR42I1IoUiUabdcRR2机械与汽车工程学院9单臂半桥R1R3R2R4双臂半桥R1R3R2R4全桥R1R3R2R4半桥、单臂输出全桥、四臂输出半桥、双臂输出ioURRU022iU00/RRUSoioURRU0iU00/RRUSo00/RRUSo4iUioURRU04ioURRKU0统一表示：ioKURRUS00/推导推导RR13R4R2I2R1IoUiUabdcRR13R4R2IRR21IoUiUabdcRR1RR3RR42I1IoUiUabdcRR2机械与汽车工程学院10电桥测量的误差非线性误差温度误差直流电源的电压稳定性造成的误差ioURRRU240ioURRU04半桥、单臂输出：半桥、双臂输出：全桥、四臂输出：ioURRU02ioURRU01R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流电桥机械与汽车工程学院11电桥的输出Uo①激励电压Ui②电阻R0的相对变化传感器允许功耗限制传感器灵敏度限制③电桥的连接方式半桥单臂、半桥双臂、全桥电桥灵敏度S①激励电压Ui②电桥的连接方式机械与汽车工程学院12平衡条件3.交流电桥1Z3Z4Z2ZoUiUabdc交流电桥4231ZZZZ111jeZZ222jeZZ333jeZZ444jeZZZ1、Z2、Z3、Z4为阻抗的模，而φ1、φ2、φ3、φ4为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。Z1Z3ej(φ1+φ3)=Z2Z4ej(φ2+φ4)42314231ZZZZ平衡条件机械与汽车工程学院13电容电桥1R3R4R2I2R1IoUiUadc1C4C电容电桥42134231CRCRRRRR平衡条件：电感电桥1R3R4R2I2R1IoUiUabdc1L4L电感电桥24314231RLRLRRRR平衡条件：~推导推导机械与汽车工程学院14应用：等截面弹性悬臂梁自由度端受力为P，梁宽为b，梁长为l，梁厚为h，金属应变片距离梁的自由度端为l0，应变片灵敏度为Sk，测量电路为直流电桥,试求出梁末端受力P。机械与汽车工程学院15PFFFF机械与汽车工程学院160216zMPlWbh026PlEbhE则应变片轴向应变ε为：式中，E为应变片弹性模量解:力P使悬臂梁产生弯曲变形，梁截面抗弯模量Wz与弯矩M成正比，则正应力σ为：机械与汽车工程学院17如果电桥激励电压为Ui，则输出电压Uo为:0oi0RUnURn=1/41/21半桥单臂半桥双臂全桥12340RRRRR令：且，应变片电阻变化量的绝对值为：0R12340RRRRR机械与汽车工程学院1820oi16kbhPESUnUl＝00kRSR0oii26kkPlUnSUnSUbhE又，金属应变片的电阻变化为:则:故:机械与汽车工程学院19电桥应用83机械与汽车工程学院201基本放大电路反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。6.2信号的放大与隔离机械与汽车工程学院212)同相放大器同相放大器也是最基本的电路，其闭环电压增益Av为:11RRAFv机械与汽车工程学院223)交流放大电路R2一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率来确定。)2/()10~3(31LLfRCC21RRAFv若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3为隔直电容。Lf机械与汽车工程学院232测量放大器在许多测试场合，传感器输出的信号往往很微弱，而且伴随有很大的共模电压（包括干扰电压），一般对这种信号需要采用测量放大器，又称仪表放大器。211111iGiGouRRuRRu122221iGiGouRRuRRu2656341341ooouRRRRRuRRu645321,,RRRRRRGiiovfRRRRuuuA1342121机械与汽车工程学院24隔离放大器应用于高共模电压环境下的小信号测量，是一种特殊的测量放大电路，其输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合。3隔离放大器隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等几部分组成。机械与汽车工程学院25可用作输入、输出隔离的有光、超声波、无线电波和电磁等方式。在隔离放大电路中采用的隔离方式主要有电磁(变压器、电容)耦合和光电耦合。机械与汽车工程学院26隔直电路2084应用电路机械与汽车工程学院27声音信号广播电台的发射塔接收调制Modulation解调Demodulation6.3调制与解调机械与汽车工程学院28声音信号广播电台的发射塔0t)(tx利用缓变信号控制高频信号的某个参数(幅值、频率或相位)变化的过程。t0)(ty调制Modulation已调波1）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输2）提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比1.调制的目的→音频信号机械与汽车工程学院29先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。机械与汽车工程学院30调制是使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的过程。前一信号称为载波，一般是较高频率的交变信号。后一信号（控制信号）称为调制信号。最后输出的是已调制波。2定义机械与汽车工程学院312.调制的种类调制信号载波信号)2cos()(000tfAtya)幅值调制(简称调幅，AM，AmplitudeModulation)b)频率调制(简称调频，FM，FrequencyModulation)c)相位调制(简称调相，PM，PhaseModulation)缓变信号x(t)高频简谐信号)2cos()](*[)(fttxAty0()cos2[()]*ytAfxtt0()cos2[()]ytAftxt机械与汽车工程学院323.幅值调制（调幅）及其解调调幅是将一个高频简谐信号y(t)（载波信号）与缓变信号（调制信号）x(t)相乘，使载波信号y(t)的幅值随缓变信号x(t)的幅值变化而变化过程。幅值调制后的信号称为调幅波。调幅器(乘法器))2cos()(000tfAty)(tx)2cos()]([)(000tftxAtym机械与汽车工程学院33tftxtftxAtym00002cos)()2cos()]([)(0t)(txt0)(tyt)(tym0调制信号载波信号调幅波)(txtftfAty00002cos)2cos()((1).调幅的时域表达机械与汽车工程学院34假设调制信号x(t)的最高频率成分为，载波信号(2).调幅的频域表达如果)()(fXtxtfty02cos)(tftxtym02cos)()(mf则)()()()(21)(2cos)()(000fffXfffXfYtftxtymm)(020ffetfj)()()()(fYfXtytxmff0,，则有调幅波：)(020ffetfj)()(2100ffXffXtfjtfjetxetx0022)()(21机械与汽车工程学院350t)(txtfty02cos)(t0t0)()()(tytxtym0½½0f0f)(fYmf20ƒ0f0f)(*)()(fYfXfYm0)(fXƒ1mf2mf2调制信号载波信号调幅波ƒ)()(21)(2cos)()(000ffXffXfYtftxtymm0ƒ0f0fmf2mf2½½)(*)()(fYfXfYm时域频域mfmf机械与汽车工程学院360)(fXmfmfƒ1mf2ƒ0½½0f0f)(fY0ƒ0f0fmf2mf2½½)(*)()(fYfXfYm音频信号广播电台的发射塔调幅AM0t)(tx调幅波t)(tym0t0)(ty载波信号机械与汽车工程学院37广播电台的发射塔对已调波进行鉴别以恢复缓变信号的过程。调幅波t)(tym0恢复所需要的缓变信号(3).幅值解调的目的接收解调Demodulation0t)(tx机械与汽车工程学院38(4).同步解调tftx04cos)(21低通滤波)(tx载波乘法器)(tym调幅波tfty02cos)(tf02cos)(tym)(21txtftx02cos)()4cos1(21)(0tftxtf02cos机械与汽车工程学院39)(*)(fYfYm0ƒ0f0f)(fYm0ƒ0f0f)(fY0ƒ0f0f½½同步解调mf2mf2½½mf2mf2½½mf2mf2½½mfmf41)(*)(fYfYm0ƒ0f0fmf2mf24102f02fmfmf41)(*)(fYfYm0ƒ0f0fmf2mf241mf2mf24141mfmf02f02f41)(*)(fYfYm0ƒ0f0fmf2mf241mf2½mfmf02f02f低通cfcf02f0)(fXmfmf1mf2ƒ)(fXD0ƒmf2½mfmf(a)调幅波频谱(b)载波信号频谱(c)同步解调后频谱(d)调制信号频谱机械与汽车工程学院40D1D4D3D2adbc..B)(ty..A)(tymgCfufReft0)(tymt0)(ty0t1t2t)(txx(t)0时(0~t1)，ym(t)与y(t)同相，检波器输出uf(t)0