机械工程测试技术基础--04信号的调理与记录

机械工程测试技术基础1河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第四章信号的调理与记录河北工程大学机电工程学院周雁冰第四章信号的调理与记录2河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第四章信号的调理与记录第一节电桥第二节调制与解调第三节滤波器第四节信号的放大（自学）第五节测试信号的显示与记录第四章信号的调理与记录3河北工程大学HebeiUniversityofEngineering为什么需要对信号进行调理？被测物理量经过传感器后的输出信号通常很微弱，有些是非电信号，如电阻、电容、电感等，同时采集到的信号还携带一些我们不期望的信号或噪声。为了能直接显示或送入A/D转换器、计算机进行数据采集，必须对经传感后的信号进行调理、放大、滤波等一系列处理，将微弱信号放大、将非电压信号转换为电压信号、抑制干扰噪声、提高信噪比，以便后续环节的处理。信号的调理与转换内容很广，主要的环节有电桥、调制与解调、滤波、放大等。第四章信号的调理与记录4河北工程大学HebeiUniversityofEngineering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。分类：按激励电源的类型：直流电桥、交流电桥按工作原理：偏值法（即不平衡电桥，应用较广）、归零法（即平衡电桥）第四章信号的调理与记录5河北工程大学HebeiUniversityofEngineering一、直流电桥1、输出电压2、平衡条件要使电桥平衡，输出为零，应满足为直流电源为输出电压4231RRRR0UyU第四章信号的调理与记录6河北工程大学HebeiUniversityofEngineering3、输出特性（1）单臂电桥接法abcd2R3R4RyU0U1I2IR1R1±Δ输出电压1401234yRRRUURRRRR为了简化电路，设计时常取相邻两桥臂电阻相等，即：'120340RRRRRR，若0'0RR，则输出电压0024URRRUy因0RR，所以004URRUy第四章信号的调理与记录7河北工程大学HebeiUniversityofEngineering单臂电桥接法特性：电桥的输出与激励电压成正比；在一定而且条件下，与大致成正比关系。yU0U0RR0/RR定义电桥的灵敏度为041/URRUSy0UyU004URRUy第四章信号的调理与记录8河北工程大学HebeiUniversityofEngineering（2）半桥接法输出电压（若）灵敏度与单臂电桥接法相比，灵敏度提高了一倍。1140011223402yRRRRUUURRRRRRR021/URRUSybcd3R4RyU0U1I2IR±ΔRa11RRΔ22±12RR为什么要求？1234012RRRRRRRR，第四章信号的调理与记录9河北工程大学HebeiUniversityofEngineering（3）全桥接法灵敏度114401122334400yRRRRUURRRRRRRRRUR0/URRUSybcd34yU0U1I2IR±ΔRa11RRΔ22ΔRR4R±ΔR3±±输出电压（若）123401234RRRRRRRRRR，与半桥接法相比，灵敏度提高1倍；与单臂电桥接法相比，灵敏度提高了3倍。1243RRRR如果行吗？第四章信号的调理与记录10河北工程大学HebeiUniversityofEngineering直流电桥三种连接方式的比较输出电压灵敏度单臂电桥接法半桥接法全桥接法04RUR入0RUR入02RUR入14U入12U入U入abcd2R3R4RyU0U1I2IR1R1±Δbcd34yU0U1I2IR±ΔRa11RRΔ22ΔRR4R±ΔR3±±bcd3R4RyU0U1I2IR±ΔRa11RRΔ22±第四章信号的调理与记录11河北工程大学HebeiUniversityofEngineering电桥的和差特性若相邻两桥臂电阻同向变化（即两电阻同时增大或同时减小），所产生的输出电压的变化将相互抵消。若相邻两桥臂电阻反向变化（即两电阻一个增大一个减小），所产生的输出电压的变化将相互叠加。1234011223344RRRRRRRRRRRRR，，，，若114401122334401041400012034001222yRRRRUURRRRRRRRRRRRRRUURRRRRRRR33322200334411220012yRRRRRRUUURRRRRRRRRR即或于是31240000014yRRRRUURRRR推导过程第四章信号的调理与记录12河北工程大学HebeiUniversityofEngineering例：用悬臂梁做敏感元件测力时，常在其表面贴应变片并接成电桥结构，三种接法分别如何实现？第四章信号的调理与记录13河北工程大学HebeiUniversityofEngineering补充内容：上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的缺点是当电源电压不稳定，或环境温度变化时，会引起电桥输出的变化，从而产生测量误差。因此，在某些情况下采用平衡电桥。设被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时指示仪表G及可调电位器H指零。当某一桥臂随被测量变化时，电桥失去平衡，调节电位器H，改变电阻R5触电位置，可使电桥重新平衡，电表G指针回零。电位器H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例，故H的指示值可以直接表达被测量的数值。GUR012345RRRRH第四章信号的调理与记录14河北工程大学HebeiUniversityofEngineering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。电桥平衡条件4231ZZZZ把各阻抗用指数式表示1011jeZZ2022jeZZ3033jeZZ4044jeZZ423104020301jjeZZeZZ代入上式后得ZZZZ1234UU0y第四章信号的调理与记录15河北工程大学HebeiUniversityofEngineering交流电桥平衡必须满足两个条件：423104020301ZZZZ04030201ZZZZ、、、其中，为各阻抗的模；4321、、、为阻抗角。阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。纯电阻时电流与电压同相位，φ=0；电感性阻抗，φ0；电容性阻抗，φ0。单臂半桥全桥第四章信号的调理与记录16河北工程大学HebeiUniversityofEngineering例：如图这是一种常用电容电桥，R2、R3为纯电阻，C1、C2为电容，R1、R4可视为电容介质损耗的等效电阻，求电桥的平衡条件？13421411RRRRjCjC4231ZZZZ13423214RRRRRRCC由得：32134214RRRRRRjCjC即令上式实虚部分别相等，得到平衡条件：第四章信号的调理与记录17河北工程大学HebeiUniversityofEngineering例：如图这是一种常用电感电桥，R2、R3为纯电阻，L1、L2为电容，R1、R4可视为电感介质的等效电阻，求电桥的平衡条件？113442RjLRRjLR4231ZZZZ13423124RRRRRLRL由得：13314224RRRjLRRRjL即令上式实虚部分别相等，得到平衡条件：第四章信号的调理与记录18河北工程大学HebeiUniversityofEngineering作业：如图这是一种常用纯电阻交流电桥，R1、R2、R3、R4为纯电阻，由于导线间存在分布电容，相当于在各桥臂上分别并联了一个电容C1、C2、C3、C4，求此电桥的平衡条件？第四章信号的调理与记录19河北工程大学HebeiUniversityofEngineering三、带感应耦合臂的电桥（变压器电桥）主要有以下两种形式，平衡时指零仪指零。其中a）又称为变压器电桥。带感应耦合臂的电桥与一般电桥相比，具有较高精确度、灵敏度以及性能稳定等优点。电位+电位-第四章信号的调理与记录20河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第二节调制与解调调制：利用某种低频信号来控制或改变一高频振荡信号的某个参数（幅值、频率、相位）的过程。根据载波受调制的参数不同，调制可分为调幅（AM）,调频（FM）,调相（PM）。高频振荡信号称为载波，控制高频振荡的低频信号称为调制信号，调制后的高频信号是已调制信号。解调：从已调制信号中恢复出调制信号的过程。AM()[*()]cos(2)ytAxtftFM)*)]([2cos()(0ttxfAtyPM)])([2cos()(0txftAty第四章信号的调理与记录21河北工程大学HebeiUniversityofEngineering载波、调制信号及调幅、调频波图(a)载波信号(b)调制信号(c)调幅波形(d)调频波形(a)(b)(c)(d)第四章信号的调理与记录22河北工程大学HebeiUniversityofEngineering一、幅值调制及其解调1、幅值调制：将一个高频载波信号（如余弦信号）与被测信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随被测信号的变化而变化。调幅原理：由傅立叶变换的性质知，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fYfXtytx*设调制信号为y(t)，其最高频率成分为fm，载波信号为x(t)=cos2πf0t，。m0ff第四章信号的调理与记录23河北工程大学HebeiUniversityofEngineering000*21*212cosfffXfffXtftx调制器y(t)x(t)tftxtxm02cos而余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线，即00021212cosfffftf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。x(t)y(t)结果就相当于把x(t)的频谱图形的原点平移至y(t)载波频率处，幅值减半：第四章信号的调理与记录24河北工程大学HebeiUniversityofEngineeringf0f01X(f)Y(f)1/21/20fff0fmfmf0f01/21/20Xm(f)=X(f)Y(f)y(t)=cos2f0tx(t)xm(t)000ttt(a)时域波形(b)频域谱图调幅过程调制器x(t)xm(t)=x(t)cos2f0ty(t)第四章信号的调理与记录25河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第四章信号的调理与记录26河北工程大学HebeiUniversityofEngineering注意：从调幅原理看，载波频率必须高于原信号的最高频率才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致产生混叠现象。为了减小电路可能引起的失真，信号的频宽相对载波频率应越小越好。实际应用中，载波频率通常常至少十倍于调制信号上限频率。0fmfmf20f第四章信号的调理与记录27河北工程大学HebeiUniversityofEngineering调幅案例：(1)设f0=250Hz，fn=25Hz时：(2)设f0=50Hz，fn=50Hz时：(3)设f0=30Hz，fn=50Hz时：第四章信号的调理与记录28河北工程大学HebeiUniversityofEngineering（1）同步解调把调幅波再次与原载波信号相乘，则