第五章信号变换与调理.

中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理1物理学的任务在于把自然现象归结为简单的力学定律。——海因里希·鲁道夫·赫兹德国物理学家1857-1894导体中电流强弱无线电波信息收信端（磁场变化）信息电流中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理2第五章信号变换与调理§5.0变换及调理的目的§5.1电桥§5.2调制与解调§5.3滤波器▼▼▼▼中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理3§5.0变换及调理的目的→便于信号的传输与处理。1.被测量经传感器后的输出信号通常是很微弱的电信号或非电压信号，这些微弱信号或非电压信号难以直接被显示或输入到计算机进行处理，需要进一步放大。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号进行调制、解调处理。▲2.有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需要去除掉噪声，以提高信噪比。中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理4§5.1电桥1Z3Z4Z2ZoUiUabdc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等参数变为电压ΔU或电流ΔI信号后输出的一种测量电路。其输出既可以用于指示仪，也可以送入放大器中进行信号放大。桥臂惠斯登电桥中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理51Z3Z4Z2ZoUiUabdc电桥根据桥臂阻抗性质分为电阻电桥电容电桥电感电桥根据激励电源类型分为直流电桥:直流电源—只用于测量电阻R的变化。交流电桥：交流电源—测量电阻R、电容C、电感L的变化。1.电桥的分类中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理62.直流电桥四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。使用时，桥臂电阻值作为输入，电桥有无输出只与被测量引起的电阻变化量有关。采用直流电源的电桥称为直流电桥。VR1R3R2R4中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理7（1）平衡条件R1·R3=R2·R4ioURRRRRRRRU))((43214231电桥的输出：平衡的条件：VR1R3R2R4推导温敏电阻1R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流电桥R1＋RU0＋U中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理8为了简化设计，R2=R3=R4=R0，而R1=R0+RiURRR2401R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流电桥R0＋RU0＋UiioURRRRRRRRRRURRRRRRRRU))(()())((000000004321423100()4iURRRR电桥的灵敏度定义为0/oBUSRR4iU中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理9单臂接法全桥接法半桥接法ioURRU022iU0/oUSRRioURRU0iU0/oUSRR0/oUSRR4iUioURRU040oiRUKUR电桥电路统一表示：0/oiUSKURR推导推导RR13R4R2I2R1IoUiUabdcRR13R4R2IRR21IoUiUabdcRR1RR3RR42I1IoUiUabdcRR2中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理10说明：半桥双臂接法和全桥接法也称为电桥的差动连接。1R4R2R3R1R3R4R2R差动连接的优点：●提高了电桥的灵敏度；●极大地改善了电桥固有的非线性；●可对由温度等因素变化所造成的同极性影响进行补偿（抵消）。中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理11RR13R4R2IRR21IoUiUabdcRR13R4R2IRR21IoUiUabdc（2）电桥用于应变片传感器的温度补偿ioURRU020oU可以在工作应变片附近同样环境温度变化的地方设置一个并不用于测量应变的、参数完全相同的补偿应变片，并把它接入与工作应变片相邻的桥臂上。中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理12（3）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单臂输出：半桥输出：全桥输出：ioURRU02ioURRU01R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流电桥中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理13（4）直流电桥的特点●所需的高稳定度直流电源容易获得；●电桥输出是直流，可用直流仪表直接测量显示；●易于实现电桥的平衡调节；●对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低；●输出需接直流放大器。直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理14（5）直流电桥的注意事项电桥的输出为R/R0与供桥电压Ui的乘积。由于R/R0是一个非常小的量，电源电压不稳定所造成的工频干扰是不可忽略的，不适于作动态测试（频带大、增益恒定的放大器很难选择）。为了抑制工频干扰，通常采用如下措施：电桥的信号引线采用屏蔽电缆；屏蔽电缆的屏蔽金属网应该与电源至电桥的负接线端相连接，并与放大器的机壳隔离；放大器应该具有高共模抑制比。中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理15（1）平衡条件3.交流电桥1Z3Z4Z2ZoUiUabdc交流电桥4231ZZZZ111jeZZ222jeZZ333jeZZ444jeZZ其中，Z1、Z2、Z3、Z4为阻抗的模，而1、2、3、4为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。13241324ZZZZ平衡条件相对臂阻抗模之积相等相对臂阻抗角之和相等1324()()1324jjZZeZZe中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理16问题讨论：对于不同类别的阻抗元件应具有不同的阻抗角。纯电阻元件的阻抗角＝0；电容性阻抗0；电感性阻抗0。四个桥臂中有两个相邻桥臂，如1、2接入纯电阻，1=2=0。根据平衡条件对相位的要求，必须使3=4，这说明电桥的另外两个桥臂必须具有同类的阻抗，要么都是电容要么都是电感。四个桥臂中有两个相对桥臂，如1、3接入纯电阻，1=3=0。根据平衡条件对相位的要求，其余的两个相对桥臂必须具有异类的阻抗，如一边是容抗，则其对边应为感抗。13241324ZZZZ1Z3Z4Z2ZoUiUabdc中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理17（2）电容电桥1R3R4R2I2R1IoUiUadc1C4C电容电桥42134231CRCRRRRR平衡条件（3）电感电桥1R3R4R2I2R1IoUiUabdc1L4L电感电桥24314231RLRLRRRR平衡条件推导推导▲中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理18（4）电阻交流电桥的平衡用于应变测量的交流电桥除应变片的纯电阻外，还有导线间的分布电容，这相当于在相关桥臂上并联一个电容。11111RZjwRC22221RZjwRC33ZR44ZR1324ZZZZ平衡条件：13243241RRRRRCRC中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理19（5）交流电桥的特点●输出为高频调幅波，不易受外界工频干扰；●后接的交流放大器结构简单、零漂小、价格相对便宜；●转换精度较高；易于实现不失真测试；●输出调幅波需经相敏检波器进行解调；●供桥电源要具有较高的幅值、频率稳定性和良好的波形。中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理20（6）交流电桥的注意事项交流电桥平衡条件是仅针对供桥电源只有一个频率w的情况下推出的；当供桥电源有多个频率成分时，得不到平衡条件，电桥是不平衡的；供桥电源应具有良好的电压波形和频率稳定性；一般采用5kHz~10kHz高频振荡作为供桥电源，以便消除外界工频干扰；交流电桥主要用于动态测试，并使不同频率的动态信号的后续放大器所要求的特性易于实现；导线间的分布电容对其影响较大，尤其是在高频电路中。中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理214.应变、应力的测量（1）测量原理电阻应变片和应变仪测定构件的表面应变，根据应变与应力的关系式（虎克定律），确定构件表面的应力状态。把应变片按构件的受力情况，合理地粘贴在被测构件变形的位置上，当构件受力变形时，应变片敏感栅的电阻值就发生相应的变化。其变化量的大小与构件变形成一定的比例关系，通过测量电路转换为与应变成比例的模拟信号。中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理22根据被测应变的性质和工作频率不同，采用不同的应变仪。类别测量应变信号测量频率范围静态电阻应变仪静态应变0~15Hz静动态电阻应变仪单点动态应变200Hz动态电阻应变仪周期或非周期动态应变5kHz超动态电阻应变仪动态应变10kHz遥测电阻应变仪测旋转体、运动体中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理23电桥应变片交流放大相敏检波低通滤波示波器力、应变电阻变化电压电压(电流)t电压电压振荡器0RR/0t)(Ft)(3tu0t)(2tu0t)(1tu0t)(txm0t)(ty0t)(ty0动态电阻应变仪的框图中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理24（2）应变仪的电桥特性1401234()iRRUURRRR应变仪采用交流电桥，电源以载波频率供电，四个桥臂均为电阻，由可调电容来平衡分布电容。3203412()iRRUURRRRRR1RR3RR42I1IoUiUabdcRR2中国石油大学机电工程学院Chinauniversityofpetroleum机械工程测试技术基础第五章信号变换与调理25其中R1、R2、R3和R4为电桥的四个桥臂。若它们所产生的电阻变化用R1、R2、R3和R4表示，初始各臂阻值相等，即R1=R2=R3=R4=R，且RiRi。114414011223344+1()()++2iiRRRRRRUUURRRRRRRRRR