《机械工程测试技术》第四章-文档资料

2020年4月21日星期二1机械工程测试技术基础第四章信号调理、处理和记录第一节电桥电桥：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。其输出可用指示仪表测量，也可送入放大器进行放大。分类：按激励电压（1）直流电桥；（2）交流电桥按输出方式（1）不平衡桥式电路；（2）平衡桥式电路2020年4月21日星期二2机械工程测试技术基础当电桥输出端视为开路，电流输出为零，此时桥路电流为：2101RRUI4302RRUI021111URRRRIUab（4-1）043442URRRRIUad输出电压为04321423104340211))((URRRRRRRRURRRURRRUUUadaby（4-3）由此可知，若使电桥平衡，输出为零，应满足04231RRRR4231RRRR3421RRRR（4-4）（4-2）U0abcdI1I2R1R2R3R4Uy图4-1直流电桥一．直流电桥2020年4月21日星期二3机械工程测试技术基础a)R4R3dcbaR2U0UyR4R3dcbaUyU0b)UydcbaU0c)图4-2直流电桥的连接方式a)半桥单臂b)半桥双臂c)全桥在实际测试中，桥臂分为半桥式与全桥式联接，见4-2图，2020年4月21日星期二4机械工程测试技术基础为了简化桥路设计，令R1=R2=R3=R4=R0，则输出电压为：010124URRRUy1004yRUUR（4-5）R4R3dcbaR2U0Uy工作中只有一个臂阻值随被测的量而变化。设ΔR1是电阻R1的电阻增量。根据式（4-3），此是输出电压为：半桥单臂接法可见，电桥输出Uy电压与激励电压U0成正比，并且在ΔR1R0条件下，与ΔR1/R0成比例。因为ΔR1R0，所以043421111)(URRRRRRRRUy2020年4月21日星期二5机械工程测试技术基础工作中有两个桥臂阻值随被测量而变化：1122RRRR；当R1=R2=R3=R4=R0；ΔR1=ΔR2=ΔR时：（4-6）工作中四个桥臂阻值随被测量而变化：11223344RRRRRRRR；；；当R1=R2=R3=R4=R0，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR时：00=yRUUR（4-7）R4R3dcbaUyU0半桥双臂接法002=yRUUR全桥接法UydcbaU02020年4月21日星期二6机械工程测试技术基础由式(4-3)1144011223344140332203344112232031240()1()2()1()21()4yyyRRRRUURRRRRRRRRRURRRRRRUURRRRRRRRRRURRRRRRUURRRR1)若相邻两桥臂电阻同向变化或相对两桥臂电阻反向变化，所产生的输出电压的变化将相互抵消；2)若相邻两桥臂电阻反向变化或相对两桥臂电阻同向变化，所产生的输出电压的变化将相互叠加。电桥的和差特性邻臂相减，对臂相加。2020年4月21日星期二7机械工程测试技术基础传感器可以三种形式接入电桥。■半桥单臂连接EU2R3R4RRR1ERRU4当时，电桥的输出电压为RR2020年4月21日星期二8机械工程测试技术基础■半桥双臂连接EURR23R4RRR1EU2RRR34RRR1工作桥臂相邻连接时，两电阻变化的极性应相反；工作桥臂相对连接时，两电阻变化的极性应相同。电桥的输出电压为ERRU22020年4月21日星期二9机械工程测试技术基础EURR2RR1RR4RR3■全桥连接相对桥臂的电阻按相同极性变化；相邻桥臂的电阻按相反极性变化。电桥的输出电压为=RUER2020年4月21日星期二10机械工程测试技术基础显然，电桥接法不同，输出电压也不同，三种接法电桥输出电压之比为1：2：4，全桥最大。注意：（1）尽量采用全桥接法，提高输出信号。（2）对面桥臂阻值变化性质相同，相邻桥臂阻值变化性质相反。（3）非线性问题上述电桥是在由被测量变化引起不平衡状态下工作的，缺点是电源电压不稳定或者环境温度有变化时，都会引起电桥输出变化，产生测量误差。为此可采用平衡电桥测量法，见图4-3。2020年4月21日星期二11机械工程测试技术基础GU0R1R2R3R4图4-3平衡电桥HR5当被测量引起电桥不平衡时，调节R5使输出G仪表显示零，电位器上的标定与桥臂电阻值变化成比例，故H指示值可以直接表达被测量，这种测法特点是G始终为零，因此为“零位测量法”。测量精度取决于可调电位器的精确度，与电源电压无关。一般平衡电桥测量适用于静态测量，以手工调平衡。2020年4月21日星期二12机械工程测试技术基础图4-3悬臂梁测力的电桥接法R2R4R3R12020年4月21日星期二13机械工程测试技术基础图4-4柱形梁测力的电桥接法a）用柱形梁做敏感元件测力b）电桥c）拉力传感器a）b）c）2020年4月21日星期二14机械工程测试技术基础FR1R2R42020年4月21日星期二15机械工程测试技术基础二．交流电桥电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。因为除了阻抗外还包含电抗，交流电桥采用交流激励电压。如果阻抗、电流及电压用复数表示，则在直流电桥的平衡关系式也适用，则电桥平衡时必须满足4231ZZZZ（4-8）各阻抗用指数式表示1011jeZZ2022jeZZ3033jeZZ4044jeZZ代入式（4-8）)(0402)(03014231jjeZZeZZ（4-9）若此式成立，必须同时满足下列两等式423104020301ZZZZ（4-10）2020年4月21日星期二16机械工程测试技术基础式中Z01,…,Z04为各个阻抗的模；φ1,…φ4为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间相位差。纯电阻时电流与电压同相，φ=0电感性阻抗时电压超前电流，φ0电容性阻抗时电压滞后电流，φ0式（4-10）表明，交流电桥平衡必须满足两个条件：（1）相对两桥臂阻抗之模的乘积应相等（2）它们的阻抗角之和也必须相等为了满足上述平衡条件，交流电桥各臂可有不同的组合。常用的电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻（例如Z02=R2,Z03=R3,φ2=φ3=0），而另外两个桥臂接入相同性质的阻抗，例如电容或电感，保持φ1=φ4。2020年4月21日星期二17机械工程测试技术基础图4-4是一种常用电容电桥，2、3两相邻为纯电阻R2,R3，另外两相邻臂为电容C1,C4，R1，R4可视为电容介质损耗的等效电阻。根据平衡条件有：244311)1()1(RCjRRCjR42241331CjRRRCjRRRU0abcdR1R2R3R4Uy图4-4电容电桥C1C4令上式实部、虚部分别相等，则有下面两个平衡条件（4-11）4213CRCR（4-12）4231RRRR要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻与电容两个参数，达到电阻和电容都平衡。2020年4月21日星期二18机械工程测试技术基础图4-5是一种电感电桥，两相邻桥臂为电感L1,L4与电阻R2，R3，根据式（4-10）平衡条件244311)()(RLjRRLjR13132442RRjLRRRjLR实、虚部分别相等4231RRRR（4-13）2431RLRL（4-14）U0abcdR1R2R3R4Uy图4-5电感电桥L1L42020年4月21日星期二19机械工程测试技术基础对于纯电阻交流电桥，即使各桥臂均为电阻，但由于导线间存在分布电容，相当于在各桥臂上并联一个电容（见图4-6），为此除了电阻平衡外，还需要电容平衡。U0abcdR2R3R4Uy图4-6电阻交流电桥的分布电容R1C1C3C2C42020年4月21日星期二20机械工程测试技术基础图4-7表示一种用于动态应变仪中具有电阻、电容平衡的纯电阻电桥，C2是一个差动可变电容器，当扭动电容平衡旋钮时，电容器左右两部分电容其一增加，另一侧减少，实现电容平衡。图4-7具有电阻电容平衡的交流电阻电桥2020年4月21日星期二21机械工程测试技术基础注意：（1）一般情况下交流供桥电压应具有良好的电压波形与频率稳定度，如果电压波形畸变，即使基波达到平衡，也将有高次谐波电压输出。（2）一般采用音频交流电源（5~10kHz）作为电源。外工频干扰不易介入，放大电路简单无零漂。（3）采用交流电桥，必须注意一些影响测量误差的因素。例如元件间互感影响；无感电阻的残余阻抗；邻近交流电路对电桥感应；泄漏电阻以及元件之间、元件与地间的分布电容。2020年4月21日星期二22机械工程测试技术基础第二节调制与解调一些被测量（如力、位移）经过传感器变换后，常常是一些缓变电信号。从放大处理来看，这类信号除用直流放大外，目前较常用方法是先调制而后用交流放大。调制—一个信号的某些参数在另一个信号控制下而发生变化的过程。前一信号称为载波(较高频率交变信号)，后一信号(控制信号)称为调制信号，最后输出已调制波。已调制波一般都便于放大和传输。解调—从已调制波中恢复出调制信号的过程载波调制分类：①调幅(AM)②调频(FM)③调相(PM)它们的已调波分别被称为①调幅波②调频波③调相波，图4-9表示了载波、调制信号、调幅波和调频波。本节重点讨论调幅、调频及其解调。2020年4月21日星期二23机械工程测试技术基础（一）调幅原理调幅—将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。)()()()(fYfXtytx00011cos2()()22ftffff一．调幅及其解调0000011()cos2()()()()2211()()22xtftXfffXfffXffXff由付里叶变换性质可知在时域中两个信号相乘对应在频域中这两个信号频谱的卷积，即：0()cos2fxtt余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线：以频率为f0的余弦信号作为载波进行讨论：则：（4-15）2020年4月21日星期二24机械工程测试技术基础0ty(t)=cos2πf0t0tx(t)0txm(t)a)时域0ff0-f0Y(f)1/21/20ffm-fmX(f)0ff0-f0Xm(f)=X(f)*Y(f)2fmb)频域图4-10调幅过程所以调幅过程就相当于频谱“搬移过程”。2020年4月21日星期二25机械工程测试技术基础若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”。若用一个低通滤波器滤去中心频率为2f0的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（只是幅值减小一半，可以放大处理）。“同步”是指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位。0000()cos2cos21()(1cos4)211()()cos422xtftftxtftxtxtft（4-16）0ff0-f0Y(f)1/21/202f0ffmfcfc-fmXm(f)*Y(f)0ff0-f0Xm(f)图4-11同步解调乘法器低通xm(f)调幅波载波y(t)x(t)-2f0低通（二）同步解调2020年4月21日星期二26机械工程测试技术基础低通滤波器将频率为2f0的高频信号滤去，则得到x(t)/2。由此可见，调幅的目的是使缓变信号转变为较高频率的信号以便于放大和传输。解调的目的是为了恢复原信号。例如：①把广播中声音信号调制到某一频率，便于传输和放大，又可避免干扰。②在测试中，常用调制—解调技术在一根导线中传输多路信号。(频分复用)。调幅条件：（1）载波频率f0必须高于原信号中最高频率fm，才能使已调波仍保持原信号的频谱图形。（2）为了减小放大电路失真，信号频宽2fm相对中心频率（载波频率）越小越好。2020年4月21日星期二27机械工程测试技术基础（三）整流检波解调和相敏检波解调0tx(t)0txm(t)如果原调制信号中有直流分量，则在整流后应准确减去