机械工程测试技术基础··第四章

沈阳理工大学机械工程学院信号的调理与记录沈阳理工大学机械工程学院学习要求了解信号调制解调原理了解模拟信号放大电路原理了解信号滤波器工作原理沈阳理工大学机械工程学院主要内容电桥调制与解调滤波器信号放大电路测试信号的显示与记录沈阳理工大学机械工程学院电桥问题的提出：EEVxVxV0R2R1R4R3xEvxL12100RR020125.000xRvEvRR500m对于电位计式对于应变片采取分压方法应变片S=2时时601002500100.1RRS2100.1R100.110*5.005100100.1xv%0.1%解决的办法：R3、R4产生一个基准的电压差。这时不管多么小，都经运算放大提高其幅度。上述的方法就构成了基本的电桥。一般仪器很难分辨的相对变化沈阳理工大学机械工程学院直流电桥1324RRRR1324RRRR当=0平衡条件：此时称电桥达到了平衡。电桥平衡后，任一桥臂参数变化，平衡破坏。0yU0213URRRUdc0212URRRUbc4332120RRRRRRUUUUbcdcdb043214231URRRRRRRR=沈阳理工大学机械工程学院直流电桥)(400tyRRRUU半桥单臂：12340()RRRRR1R11RR——半桥单臂①上式对另外三臂也适用②分母中有微小电阻，存在一定非线性③温度影响，则10tRRRR010022RRRUUy=0004RRU沈阳理工大学机械工程学院直流电桥RRUUy002半桥双臂：211R2R当有对称应变点时可用两片应变片'340RRR10RRR20RRR代入10TRRRR20TRRRR代入②灵敏度提高一倍③线性度改善了，分母中无微小电阻R①如有温度T变化时出现。起到了温度被偿作用043214231URRRRRRRRUyRRURRRUUty00002)2(沈阳理工大学机械工程学院直流电桥RRUUy00全桥双臂式：130RRRR240RRRR则0USUy沈阳理工大学机械工程学院直流电桥上述方法是在电桥失衡条件下进行的，缺点：①测量电路要从电桥上取一定电流，产生误差；②电源的波动有影响；沈阳理工大学机械工程学院电桥平衡测量法12340RRRRR'55512RRR10RRR0IG055512RRR初平衡时当时'05512sRRR05512sRRR'152sRRRR0ssRRRR2sRR调节沈阳理工大学机械工程学院交流电桥交流电桥的激励电压采用了交流,电桥的四臂可以为电感,电容和电阻，如果四臂阻抗、电压、电流用复数表示，则13240ZZZZ平衡条件UZZZZZZZZU432142310沈阳理工大学机械工程学院电容电桥1111ZRjc4441ZRjc13421411()()0RRRRjcjc32140RRCC13240RRRR电容电桥平衡条件1C4C010()ACx040()ACx为变极距差动电容传感器时XUKUy0沈阳理工大学机械工程学院电感电桥111ZRjL444ZRjL113442()()0RjwLRRjwLR1R4R为电感内阻1324134400RRRRLRLR平衡条件10LLL40LLL差动电感传感器则LUKUy0沈阳理工大学机械工程学院调制与解调在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。为了很好地解决缓变信号的放大问题，信息技术中采用了一种对信号进行调制的方法，即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。上述信号传输中的变换过程称为调制与解调。信号调制的类型，一般正（余）弦调制可分为幅度凋制、频率调制、相位调制三种，简称为调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。沈阳理工大学机械工程学院调制与解调信号调制的类型，一般正（余）弦调制可分为幅度凋制、频率调制、相位调制三种，简称为调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。'1()()cos(2)netkxtft02()cos[2()]netefkxtt03()cos[2()]neteftkxt调幅调频调相放大后再还原为过程——解调。沈阳理工大学机械工程学院调幅及其解调调幅()xt调制信号与载波相乘tZ沈阳理工大学机械工程学院调幅及其解调调幅波的解调沈阳理工大学机械工程学院调频及其解调调频调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波调频波：(a)锯齿波调频(b)正弦波调频调频波的瞬时频率可表示为dfff0f0为载波信号频率；df为频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。常用的频率调制法有直接调频法和间接调频法。沈阳理工大学机械工程学院调频及其解调调频压控振荡器沈阳理工大学机械工程学院调频及其解调调频利用L、C谐振自激振荡器012fLCLLL000CCCffkcffkL或或者：沈阳理工大学机械工程学院调频及其解调调频波的解调''()()etxt沈阳理工大学机械工程学院滤波器M1M1有用信号：与测试目的有关，测试希望得到的信号，如平衡转子的同频振动有用信号、干扰噪声和滤波的必要性干扰噪声：与测试目的无关的信号，如平衡转子时，轴承滚子振动，轴不圆引起振动。要准确地测得()Exf要极大地放大()Exf极大地衰减()Nxf滤波器的工作沈阳理工大学机械工程学院滤波器分类211AfAf31212()AfAfAfff41221()AfAfAfff沈阳理工大学机械工程学院滤波器分类低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器低通滤波器与高通滤波器的串联低通滤波器与高通滤波器的并联沈阳理工大学机械工程学院理想滤波器的不可实现性理想低通滤波器的频率响应函数：其幅频及相频特性曲线脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸，从图中可以看出，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前，即在t0时，滤波器就已经有响应了。显然，这是一种非因果关系，在物理上是不能实现的。沈阳理工大学机械工程学院实际滤波器纹波幅度d截止频率fc带宽B和品质因数Q值倍频程选择性W滤波器因数603BdBBdB012()()2AAfcAfc3213dBccndBBfffQB表征了滤波器的分辨能力表示过渡带变化快慢越接近1，过渡带变化越快沈阳理工大学机械工程学院实际滤波器带宽和建立时间矛盾B与TS乘积接近为常数，同时提高滤波能力减小（B）与提高反应速度（减小TS）变为不可能。原则：在满足滤波要求的情况下，尽量放宽B带宽。沈阳理工大学机械工程学院一阶RC低通滤波器RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性电路的微分方程沈阳理工大学机械工程学院一阶RC高通滤波器RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性电路的微分方程沈阳理工大学机械工程学院RC带通滤波器带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联，其电路及其幅频、相频特性H(s)=H1(s)H2(s)H1(s)为高通滤波器的传递函数H2(s)为低通滤波器的传递函数当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。无源滤波器的缺点：负载性差、调节困难沈阳理工大学机械工程学院有源滤波器111FFffRZjRCjCR1()FyxZEER11()1FfEHRjRC11kj一阶低通沈阳理工大学机械工程学院有源滤波器二阶低通负载性好设计方便优点：沈阳理工大学机械工程学院巴特沃斯滤波器21()1()nnHw在实际应用中，往往用单一的一阶或二阶F很难达到使用要求。这时需要用多级滤波器串联来实现。即经一级F滤波后，再进入第二级进一步滤波，……从而提高滤波效果。沈阳理工大学机械工程学院切比雪夫滤波器221()1()ncHwT沈阳理工大学机械工程学院开关电容滤波器沈阳理工大学机械工程学院滤波器串并联模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中是一种常用的变换装置。例如带通滤波器用作频谱分析仪中的选频装置；低通滤波器用作数字信号分析系统中的抗频混滤波；高通滤波器被用于声发射检测仪中剔除低频干扰噪声；带阻滤波器用作电涡流测振仪中的陷波器等。恒带宽比带通滤波器恒带宽带通滤波器沈阳理工大学机械工程学院邻接式倍频程滤波器沈阳理工大学机械工程学院信号放大电路同相放大器反相放大器沈阳理工大学机械工程学院信号放大电路差动放大由于差动放大器具有双端输入一单端输出、共模抑制比较高（R1=R2，RF=R3）的特点，通常用作传感放大器或测量仪器的前端放大器。输出电压U0为差模电压增益为沈阳理工大学机械工程学院信号放大电路交流放大放大倍数：沈阳理工大学机械工程学院测试信号的显示与记录