机械工程测试技术6信号的调理

第六章信号的调理本章内容及要求•主要内容:电桥、滤波器、调制解调电路和放大电路的工作原理及用途。•本章要求:了解各种调理电路的基本概念、工作原理、用途和特点；掌握各种调理电路的一般应用。概述被测对象传感器信号调理信号采集计算机显示记录试验装置反馈控制信号调理包括将无能量的参数信号转换成有能量的电压或电流信号，还包括信号的放大，调制解调、滤波、A\D转换等等，是测式系统中重要的部分。第一节电桥直流电桥交流电桥按激励电压分不平衡电桥平衡电桥按输出测量方式分一、直流电桥1．平衡电桥图4-1直流电桥DBOUUUSaDURRRURIU43442aUSaaBURRRURIUU21111004231OURRRR时当电桥的平衡条件为：4231RRRRSSDBOURRRRRRRRURRRUsRRRRIRIUUU))((4321314243421142112．非平衡电桥（1）单臂工作电桥SSOURRRURRRRRRU24))((-RR043213142单臂电桥设R2=R3=R4=R0，R1=R0-ΔR若ΔRR0，则SOURRU04单臂电桥灵敏度：40SOURRUS在电桥电路中灵敏度定义：0RRUSO（2）双臂工作电桥（半桥）SOURRU02-两个邻边桥臂有相同的微电阻变化。双臂电桥输出电压：RRRRRR0401:若SOURRU02双臂电桥灵敏度：2SUS（3）四臂工作电桥(全桥)四臂电桥RRRRRRRR042031:若输出电压：SOURRU0四臂电桥灵敏度：SUS3、电桥的和差特性相邻桥臂的应变若极性相同时，电桥的输出电压与两应变之差有关；相邻桥臂的应变若极性相反时，电桥的输出电压与两应变之和有关。相对桥臂的应变若极性相同时，电桥的输出电压与两应变之和有关；相对桥臂的应变若极性相反时，电桥的输出电压与两应变之差有关。极性相同邻边差，对边和接对边极性相反邻边和，对边差接邻边4、直流电桥的应用FM例：如图所示，悬臂梁受拉力F和弯矩M的作用，试分别画出用应变片测拉力和弯矩时应变片的布置方法，接桥方式，并说明所用方式能否进行温度补偿？并计算出U0（假定输入电压为US）。1)测拉伸R1R2R3R4F可以进行温度补偿sURRU0022)测弯曲R1R3R2R4M可以进行温度补偿sURRU00二、交流电桥1．交流电桥的平衡条件采用交流电压供电，四个桥臂阻抗为ZSOUZZZZZZZZU))((43213142当Z1Z3-Z2Z4=0时，电桥输出为零，达到平衡，则：4231ZZZZ交流电桥Z是复数，可以写成：jeZZ交流电桥的平衡条件：)(42)(314231jjeZZeZZ4231ZZZZ4231或交流电桥第二节调制器与解调器概述1、相关术语调制：用被测信号控制高频振荡信号的某个参数（幅值、频率、相位），使其按被测信号的规律变化的过程。调制波：被测信号称为调制信号。载波：高频振荡信号称为载波。已调波：经过被测信号调制后的载波称为已调波。解调：从已调波中恢复出调制信号的过程。目的：对被测缓变信号采用交流放大器。2、调制的种类调制调幅调频调相一、幅值调制和解调1、工作原理调幅：将调制信号与载波相乘，使载波的幅值随调制信号幅值的变化而变化。调制器（乘法器）调制信号载波调幅波)(txtfty02cos)(tftxtxm02cos)()()(21)(21)(21)()()(212cos)()(21)(212cos)()()()()(00000000ffXffXfffXfffXtftxfffftftyfYfXtytx质：由傅立叶变换的卷积性-f0f0X(f)y(t)Y(f)调制信号、载波与已调制波幅值调制的频谱2、电桥调幅当某一桥臂阻值发生变化电桥电压输出为iyeRRe41电源电压为高频正弦波，即tEeiiisin单臂电桥ieye交流电桥K如电阻变化也为一正弦变化，则tRRsssin则电桥输出电压信号为ttERRttERRescssocsysinsin41sinsin410ttKescysinsin讨论分析：•由于载波的幅值恒定，所以已调波的幅值与调制信号的幅值成正比；•已调波中包含有调制信号的方向信息。在调制信号为正值时，已调制波与载波同相位，调制信号为负值时，已调制波与载波的相位相反。三、幅值调制的解调1．整流检波解调若调制信号发生极性变化，叠加一直流分量后进行调制。对已调波作整流（半波或全波整流）和低通滤波处理，可复现原调制信号（若叠加了直流分量，则须准确地减去该直流分量）。调幅整流检波解调过程解调二极管检波低通滤波整流检波解调过程偏置电压足够大偏置电压不够大整流检波解调2．同步解调同步解调:用已调制波再与载波信号相乘一次。解调器（乘法器）调制信号载波调幅波)(txtfty02cos)(tftxtxm02cos)()(低通滤波器幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器放大器x(t)xm(t)乘法器滤波器x(t)幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)将调幅波与载波再次相乘，得tftftxtfxtgm0002cos2cos)(2cos)()cos()cos(21coscostftxtxtg04cos)(21)(21)()2(41)2(41)2(41)()2()(414cos)(21)(21)(212cos00000000ffXffXfffXfffXtftxfffftf质：由傅立叶变换的卷积性tftxtxtg04cos)(21)(21)()2(41)2(41)(21)(00ffXffXfXfG3．相敏解调相敏检波解调器能够将已调制波在幅值和极性上完全恢复调制信号，它根据调幅波和载波的相位差来判别调制信号极性。调制波载波相敏解调波形（4）应用实例动态应变仪器四、频率调制与解调1．频率调制器及工作原理频率调制：用低频调制信号控制高频载波信号频率的过程。经过频率调制，载波的幅值保持不变，但其频率随调制信号的幅值成正比的变化。因此调频波是一随调制信号变化的疏密不等的等幅波。2、实现调频的方法（1）将传感器输出的电压信号接入电压-频率变换器，电压/频率变换器可以将输入电压变换为与之成正比的频率信号，因此其的输出就是一个进行了频率调制的已调制波。(2)利用谐振电路：把被测参数的变化直接转化为振荡器频率的变化。ΔLUCRL等效电路等效阻抗：LjRCjLjRCjZLjRCjZeqeq1)(11111•谐振电路谐振回路的谐振频率为：)1(1CLjRLjCjZLReq最大时当eqZCL,01LC10δxC高频振荡器0例：电容传感器测位移初始状态：001LC当被测物体位移发生变化时：CCCx0)(10CCL振荡频率：)1(1)1(10000CCCCLC)1(1)1(10000CCCCLC00000)21()1(21CCCC3．调频波的解调---鉴频器鉴频器:将已调波的频率变化转换成电压的变化。即将等幅调频波变换成幅度与调频波频率变化成正比的调频调幅波,再进行幅度检波,以恢复调制信号。fe0ere变压器耦合的谐振回路鉴频器0e0ere0e特性曲线第三节滤波器一、滤波器的作用及分类⒈作用滤波器：允许信号中某些频率成份通过，其它频率成份受到抑制，一种具有选择频率功能的装置。①剔除无用信号（噪声，干扰等）；②分离不同频率的有用信号；2、滤波器分类低通高通（1）根据滤波器的选频作用带通带阻（2）按有源、无源有源滤波器：由运放和阻容滤波网络组成。无源滤波器：由电阻、电容、电感组成。二、滤波器的特性参数理想带通和实际带通滤波器幅频特性纹波幅度截止频率带宽A0：幅频特性平均值1．截止频率截止频率：幅频特性值A0下降到0.707A0时所对应的频率为截止频率fc。2/0Ad2．纹波幅度纹波幅度d：滤波器顶部幅值的波动量。3．带宽和品质因数滤波器带宽：上下截止频率之间的频率范围。品质因数：中心频率fn和带宽B之比。BfQn中心频率fn：上下两截止频率的几何平均值。21ccnfffQ值越高，滤波器的频率选择性越好。例如：中心频率同为1000Hz的两个带通滤波器，品质因数分别为Q1=20，Q2=40，求滤波器的带宽。解：QfBBfQnn得：B1=50Hz，B2=25Hz可见第二个滤波器的分辨力比第一个滤波器高，它比第一个频率选择性好。4．倍频程选择性倍频程选择性：描述对带宽外频率成分衰减的能力，常以上截止频率fc2—2fc2或者下截止频率fc1—1/2fc1之间幅频特性衰减量来表征。其绝对值越大衰减越快，滤波器选择性越好。倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频程）。衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。三、RC滤波器1．低通滤波器微分方程式为xyyeedtdeRCxeye频率响应函数为jjH11)(τ=RC幅频特性和相频特性分别为2)(11)(Aarctg)(讨论：•当ω1/τ时，A（ω）≈1，φ（ω）≈0，RC低通滤波器为不失真测试系统；•当ω=1/τ时，A（ω）=0.707，ωc=1/τ为滤波器的截止频率；•τ=RC，改变R、C值可以改变截止频率ωc的大小。低通滤波器相频特性曲线c低通滤波器幅频特性曲线)(A)(c2．高通滤波器xuyuRuiuidtCuyxy1xyyudtRuCu1sssCRsCRsUsUsHsUsUsCRsUxyxyy11)()()(:)()(1)(:得取拉氏变换高通滤波器的频率响应函数:jjH1)(幅频特性和相频特性:1)()(1)(2arctgA讨论:•当ω1/τ时，A（ω）≈1，φ（ω）≈0，此时RC高通滤波器近似为不失真测试装置。•当ω=1/τ时，A（ω）=0.707，频率ωc=1/τ为滤波器的下截止频率。•改变R、C值可以改变截止频率ωc的大小。)()(Acc3、带通滤波器传递函数：带通滤波器可以认为是高通和低通两个滤波器串联而成。)1)(1()()()(21221ssssHsHsH频率响应函数)1)(1()(211jjjH滤波器下截止频率:上截止频率:1121cf2221cf案例：机床轴心轨迹的滤波处理机床轴心轨迹的滤波处理滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律第四节信号的放大由于传感器输出的信号往往很微弱，无法直接记录或进行A/D转换，因此需要对其进行放大。测试系统对放大器的要求：1、工作频带宽2、精度高、线性度好3、高输入阻抗、低输出阻抗4、低漂移、低噪声5、抗共模干扰能力强常用放大器：1、运算放大器2、测量放大器3、可编程增益放大器4、隔离放大器5、电荷放大器第五节模拟与数字信号转换器一、概述被测对象传感器信号调理信号采集转换计算机显示记录试验装置反馈控制D/A转换模拟信号输入和输出子系统数字/模拟（Digital/Analog）转换器:将数字量转换成与之相应的模拟量的装置。模拟/数字（Analog/Digital）转换器:将模拟量转换成与之相应的数字量的装置。二、数字—模拟转换器D/A转换器Digital数字信号模拟信号Analog例：4位D/A转换器，对应输出电压-7V～+7V。4位1111B～0111B-7～+71．权电阻网络D/A转换器RV寄存器ia0接地1接参考电压加法器例：4位权电阻网络D/A转换器。如输