机械工程测试技术全册配套最完整精品课件2

1、机械工程测试技术全册配套最机械工程测试技术全册配套最完整精品课件完整精品课件2机械工程测试技术机械工程测试技术绪论绪论测试信号的描述与分析测试信号的描述与分析测试系统的基本特性测试系统的基本特性模拟信号处理模拟信号处理数字信号处理数字信号处理计算机与虚拟仪器测试技术计算机与虚拟仪器测试技术本课程主要内容本课程主要内容常用传感器常用传感器学好本门课程的要求学好本门课程的要求:先举一个例子先举一个例子, ,清华大学对毕业生的调研清华大学对毕业生的调研.本门课程是两强结合本门课程是两强结合:强理论强理论+强实验强实验（考试成绩是（考试成绩是课堂教学课堂教学+试验教学试验教学）一一. 要求要求:1.学

2、习态度学习态度: 战略上藐视战略上藐视, ,战术上重视战术上重视;2.学习方法学习方法: 提倡课前预习提倡课前预习, ,课后复习课后复习, ,会做笔记会做笔记;3.作业要求作业要求: 整齐规范清楚整齐规范清楚.ABCD, ,D退回重做退回重做;4.相关课程相关课程: 高等数学、力学、电工学、自控原理等高等数学、力学、电工学、自控原理等;5.参考书参考书: 参看教材参考文献参看教材参考文献二二. 教学方法教学方法黑板板书黑板板书+PPT ( (以黑板板书为主）以黑板板书为主）测试信号的描述与分析测试信号的描述与分析测试系统的基本特性测试系统的基本特性模拟信号处理模拟信号处理数字信号处理数字信号处

3、理计算机与虚拟仪器测试技术计算机与虚拟仪器测试技术常用传感器常用传感器绪论绪论 第一章第一章 绪论绪论1.1.测试技术的内容和作用测试技术的内容和作用2.2.测试工作的任务测试工作的任务3.3.测试系统的组成及其发展测试系统的组成及其发展主要内容主要内容1.1 1.1 测试技术的内容和作用测试技术的内容和作用 129.46 10 km第一章第一章 绪论绪论引例引例,看看哪些事情与看看哪些事情与测试有关测试有关1、大到光年级宇宙、大到光年级宇宙(1光年 ），如宇宙大爆炸理论，宇宙红移观测,证明了宇宙的膨胀。第一章第一章 绪论绪论月亮上看到的地球月亮上看到的地球太空看到的地球太空看到的地球 ，应该

4、珍惜，应该珍惜时光，关爱生命，爱护地球，时光，关爱生命，爱护地球，我们的家园我们的家园2. 中到中到km级宇宙级宇宙.如火星探测如火星探测,地球测量等地球测量等第一章第一章 绪论绪论火星探测器火星探测器荒漠的火星荒漠的火星第一章第一章 绪论绪论3.小到小到mm级测量。级测量。如火车、汽车等载运工具构件的响应测量，如火车、汽车等载运工具构件的响应测量，应力、应变谱测量，以用于疲劳和可靠性分析。再如用于人体应力、应变谱测量，以用于疲劳和可靠性分析。再如用于人体检测的胃镜、检测的胃镜、x光照片、光照片、CT照相、核磁共振等技术。照相、核磁共振等技术。第一章第一章 绪论绪论 4.微到纳米级测量微到纳米

5、级测量（1nm= ) 纳米测量，纳米制造等。微纳米尺度的几何量、表面粗糙度、纳米测量，纳米制造等。微纳米尺度的几何量、表面粗糙度、表面微观形貌、表面微观形貌、MEMS材料机械特性、微应力和微应变、微位移、材料机械特性、微应力和微应变、微位移、速度和加速度、振动、声和超声等典型物理量的测量技术应用。速度和加速度、振动、声和超声等典型物理量的测量技术应用。纳米测量展望纳米测量展望 , ,它的研究主要向两个方向发展：它的研究主要向两个方向发展： 一是在传统的测量方法基础上，应用先进的测试仪器解决应一是在传统的测量方法基础上，应用先进的测试仪器解决应用物理和微细加工中的纳米测量问题用物理和微细加工中的

6、纳米测量问题, ,分析各种测试技术分析各种测试技术, ,提出改提出改进的措施或新的测试方法；进的措施或新的测试方法； 二是发展建立在新概念基础上的测量技术，利用微观物理、二是发展建立在新概念基础上的测量技术，利用微观物理、量子物理中最新的研究成果量子物理中最新的研究成果, ,将其应用于测量系统中将其应用于测量系统中, ,它将成为未它将成为未来纳米测量的发展趋向。来纳米测量的发展趋向。910m第一章第一章 绪论绪论1.1 1.1 测试技术的内容和作用测试技术的内容和作用 由引例可见，由引例可见， 测试工作的任务测试工作的任务就是从被测对象中获取有就是从被测对象中获取有用信息用信息。测试技术是用于

7、检测和处理各种信息的一门综合性。测试技术是用于检测和处理各种信息的一门综合性技术，是信息技术的三大支柱（即测试控制技术、计算技术技术，是信息技术的三大支柱（即测试控制技术、计算技术和通信技术）之一。它在科学技术、工业生产、医疗卫生和通信技术）之一。它在科学技术、工业生产、医疗卫生 、文化教育等各个领域中都起着十分重要的作用。文化教育等各个领域中都起着十分重要的作用。定义：定义：从测试的含义来讲，它包含着测量和试验两个内容。从测试的含义来讲，它包含着测量和试验两个内容。测量是把被测系统中的某种信息，如运动物体的位移、速度、测量是把被测系统中的某种信息，如运动物体的位移、速度、加速度检测出来，并加

8、以度量；试验则是通过某种人为的方加速度检测出来，并加以度量；试验则是通过某种人为的方法，把被测系统用专门的装置激发起来，以便对有用信息进法，把被测系统用专门的装置激发起来，以便对有用信息进行测量。行测量。第一章第一章 绪论绪论本书重点讨论机械工程中的测试技术，主要包括以下内容本书重点讨论机械工程中的测试技术，主要包括以下内容1、工程过程的实验分析与参数测量工程过程的实验分析与参数测量 如材料的强度试验，振动物体的固有频率、阻尼比以及振如材料的强度试验，振动物体的固有频率、阻尼比以及振型等参数的测试，动载构件的应力、应变谱测试等。型等参数的测试，动载构件的应力、应变谱测试等。第一章第一章 绪论绪

9、论第一章第一章 绪论绪论 2 2、过程监视与故障诊断、过程监视与故障诊断 如数控机床自动加工中刀具磨损和断裂监视、加工精度检如数控机床自动加工中刀具磨损和断裂监视、加工精度检测；柴油机、发动机运行中的测；柴油机、发动机运行中的 故障诊断；火车脱轨、轴温的在故障诊断；火车脱轨、轴温的在线检测，卷扬机、电梯跟踪检测等线检测，卷扬机、电梯跟踪检测等。如玻璃管温度计如玻璃管温度计如图所示的声级计如图所示的声级计 第一章第一章 绪论绪论切削力传感器，加工切削力传感器，加工噪声传感器，超声波噪声传感器，超声波测距传感器、红外接测距传感器、红外接近开关传感器等。近开关传感器等。 生产加工过程监测生产加工过程

10、监测密歇根大学数字化工厂密歇根大学数字化工厂第一章第一章 绪论绪论 3 3、作为自动化或控制系统中的一个环节、作为自动化或控制系统中的一个环节 主要用于闭环系统中的反馈控制环节。在各种自动控制系主要用于闭环系统中的反馈控制环节。在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。如统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。如真空焊接炉的温度控制，再如机械手的动作控制等真空焊接炉的温度控制，再如机械手的动作控制等密歇根大学的机械手装配模型密歇根大学的机械手装配模型第一章第一章 绪论绪论产品质量测量例产品质量测量例 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，在汽车、

11、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。必须对其性能质量进行测量和出厂检验。 图示为汽车出厂检验原理框图，测量图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量汽车扭距测量机床加工精度测量机床加工精度测量4 4、生成产品的质量评价，如抽样检测、生成产品的质量评价，如抽样检测第一章第一章 绪论绪论1.2 1.2 测试工作的任务测试工作的任务 测试工作的任务测试工作的

12、任务就是为了获取有关研究对象的状态、运就是为了获取有关研究对象的状态、运动和特征等方面的信息动和特征等方面的信息 。 就像物质和能量是客观存在一样，信息也是反映事物运就像物质和能量是客观存在一样，信息也是反映事物运动状态和特征的客观存在。信息可以产生，也可以消失，同动状态和特征的客观存在。信息可以产生，也可以消失，同时还可以被携带、存贮和处理。信息是可以度量的。对信息时还可以被携带、存贮和处理。信息是可以度量的。对信息的获取、处理与度量过程就是对事物的认识过程。例如，转的获取、处理与度量过程就是对事物的认识过程。例如，转子的动不平衡是引起旋转机械振动的主要原因，如何去消除子的动不平衡是引起旋转

13、机械振动的主要原因，如何去消除这种动不平衡呢？可以用传感器及其测试系统检测出支承处这种动不平衡呢？可以用传感器及其测试系统检测出支承处的动反力以及转子的振动量，并对它进行分析和处理就可以的动反力以及转子的振动量，并对它进行分析和处理就可以获得转子动不平衡的大小和方位的信息，进而采取相应的消获得转子动不平衡的大小和方位的信息，进而采取相应的消除措施。除措施。 第一章第一章 绪论绪论1、信息与信号的关系 信息总是通过某些物理量的形式表现出来，这些物理量则称之为信号。信号是信息的载体，信息存在于信号之中。如从载波中提取音频信号。如对于单自由度振动系统，所测得的质量块位移信号中就包含着我们所感兴趣的固

14、有频率和阻尼比的信息。2、有用信号与干扰信号 信号中虽然携带着信息，但是其中既含有我们所需要的有用信息，也含有大量不需要的干扰，测试工作的任务之一就是从复杂的信号成分中提取有用信息。不过，需要指出，“干扰”和“有用”是对立统一的，在一定的条件下可以互相转化。例如齿轮噪声是人们不希望的干扰信号，对工作环境造成污染，但另一方面又可作为有用信号来判断齿轮副的运转 第一章 绪论 3、信号的调理与传输 为了在外界干扰的情况下，能够提取和辨识出信号中所包含的有用信息，常常需要把信号作必要的调理处理。这与我们熟知的声音和图像发射和接收的道理一样，如下图所示。4、电信号的运用 信号有机械信号（力信号、声信号）

15、、电信号、光信号（光纤通讯）等，但从信号的获取、调理、传输、显示和控制等方面看，以电量形式表示的电信号最为方便，故本书中所说的信号，一般都是指随时间变化的电信号。 第一章 绪论1.3 测试系统的组成及其发展1、一般测试系统 从具体应用角度来讲，测试工作包括激励方式，信号的检测、调理、处理、分析以及显示、记录或数据输出等。与之相对应的测试系统框图如下图所示。第一章 绪论 2、计算机测试系统 随着计算机技术的飞速发展，计算机已被广泛地应用于各个领域。由传感器与计算机结合起来组成的新型测试系统如图1-3所示。这种测试方法是先用传感器及其测量电路将某种物理量变换成所需的电信号，再由A/D转换器（模/数

16、转换器）将模拟信号变换为数字信号，然后通过计算机或数字信号处理器将大量数据进行高速处理，从而获得各种需要的输出。第一章 绪论计算机测试系统计算机测试系统第一章 绪论3、注解 其中传感器是一种能把被检测的物理量变换为可测信号（通常为电信号）的装置，它是测试系统的首要环节。 信号调理装置是将来自传感器的电信号进行调理和处理，如放大、调制、解调、滤波等，使之变为既保留了原始被测信号中的有用信息，又便于不失真地传输、显示和记录以及有利于后续处理的信号。 第一章 绪论 信号处理装置是对测试结果（曲线或数据）进行处理、运算和分析的装置。数据处理包含回归分析、频谱分析、相关分析、功率谱分析等，其方法也有模拟

17、量分析法和数字量分析法之别。 显示与记录装置是把经调理后的电信号不失真地记录和显示出来，以便观测、分析和处理。记录和显示的方式一般有模拟和数字两种，前者记录的是模拟信号，而后者则是数字信号。 试验激发装置是人为地模拟某种条件把被测系统中的某种信息激发出来，以便检测。如激振器、振动试验台等。第一章 绪论4 4 、测试技术的发展、测试技术的发展（1） 传感器向新型、微型、智能型方向发展；传感器向新型、微型、智能型方向发展； （2） 测试仪器向高精度、多功能、小型化、在线监测、性测试仪器向高精度、多功能、小型化、在线监测、性能标准化和低价格发展；能标准化和低价格发展； （3） 参数测量与数据处理以计

18、算机为核心，使测量、分参数测量与数据处理以计算机为核心，使测量、分析、处理、打印、绘图、状态显示及故障预报向自动化、析、处理、打印、绘图、状态显示及故障预报向自动化、集成化、网络化发展。集成化、网络化发展。 第一章 绪论a)传感器+嵌入式计算机 智能传感器 (smart)振动网络传感器嵌入式计算机智能压力网络传感器智能倾角RS232传感器IC总线数字温度传感器4、测试技术的发展第一章 绪论b)测量信号处理方面 计算机虚拟仪器技术 我们的工作 用PC机仪器板卡 代替传统仪器 用计算机软件 代替硬件分析电路 优点第一章 绪论1.4 课程内容与特点 通过本课程的学习，学生应掌握以下几个方面的知识：

19、1. 掌握信号的时域和频域描述方法，建立明确的信号频谱概念；掌握频谱分析和相关分析的基本原理和方法；了解功率谱分析原理及其应用。 2. 掌握测试装置静、动态特性的评价方法和不失真测试的条件，并能正确地运用于测试系统的分析和选择。掌握一、二阶系统的动态特性和测试方法。第一章 绪论 3. 掌握常用传感器、中间调理电路和记录仪器的工作原理和性能，并能依据测试要求进行合理的选用。 4.了解数字信号分析的基本概念及应用。 5. 对动态测试工作的基本问题有一个比较完整的概念，并能初步用来解决机械工程中某些参数的测试及其数据处理。第一章 绪论测试系统的基本特性模拟信号处理数字信号处理计算机与虚拟仪器测试技术

20、常用传感器绪论测试信号的描述与分析主要内容1.电桥 2.运算放大器 3.调制与解调4.滤波器5.测量电路及应用举例6.信号的显示与记录信号调理的目的 被测的物理量经过传感器变换以后，一般都是以电阻、电容、电感或电荷、电流、电压等形式变化的微弱电信号，为了满足显示、记录、控制或输入计算机进行数据处理等需要，尚须将这些微弱信号经过放大、运算、分析等信号调理处理。第五章 模拟信号处理5.1 电桥 电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广泛

21、应用。 与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：按照激励电源的性质可分为直流电桥与交流电桥；按照桥臂阻抗性质又可分为电阻电桥、电容电桥和电感电桥。第五章 模拟信号处理5.1.1 直流电桥 1、直流电桥的平衡条件平衡条件4231RRRR13241412341234()()()oabadRRR RRRUUUUURRRRRRRR11 112abRUI RURR42434adRUI RURR第五章 模拟信号处理2. 灵敏度在平衡情况下，若电阻 变化 ，则电桥的输出电压为1R1R331211324144111234312114()()()11oRRRRRR RR RRRRRUUURRRRRRR

22、RRRR3214RRnRR令121 (1)oRnUUnR211/(1)oUnSURRn当 时，灵敏度 达到最大值。这时对于一定的 值，得到最大的输出电压。显然，满足 的条件为 （对称电桥）或 （等臂电桥）。在设计电桥时，一般取 1n S11RR1n 1234,RR RR1234RRRR1234RRRRd0dSn第五章 模拟信号处理5.1.1 直流电桥 3. 电桥接法与输出特性 在机械测试技术中，一般根据工作中电阻值参与变化的桥臂数可分为半桥式与全桥式连接。 第五章 模拟信号处理5.1.1 直流电桥 （1）半桥单臂 014oRUUR0/0d14doRRUSURR00/14 1/ 2oRRUURR

23、 （2）半桥双臂（差动电桥）工作中有两个桥臂阻值随被测物理量变化，而且必须一个增大一个减小，即 ，所以也称为差动电桥。 1122,RR RR 01 2oRUUR0R /R1S=2U工作中有一个桥臂阻值随被测的量而变化， 。 第五章 模拟信号处理5.1.1 直流电桥 （3）全桥工作中四个桥臂电阻值都随被测物理量而变化，即11223344,RRRRRRRR 0 oRUUR0/R RSU第五章 模拟信号处理4、电桥用于应变片传感器的温度补偿、电桥用于应变片传感器的温度补偿 1324R RR R0000()()0RR RRR R0oU 第五章 模拟信号处理5.1.1 直流电桥 U 交流电桥主要用于动态

24、信号的测量和输出需要放大的场合，如广泛使用的动态应变仪就采用此种电桥。因为电桥输出常接放大器，故在分析中只需研究开路输出时的动态特性。第五章 模拟信号处理5.1.2 交流电桥 1. 交流电桥的平衡条件 交流电桥的激励电压采用交流，电桥的四个臂可以是电感 、电容 或电阻 ，用复阻抗表示j22j()zz() arctgLCLCLCZRxxeRxxxxR 而且输入电压与输出电压分别用复数 与 表示，那么根据对直流电桥的讨论可以得到UoU5.1.2 交流电桥 第五章 模拟信号处理1. 交流电桥的平衡条件13241234()()ooZ ZZ ZUUZZZZ1324 Z ZZ Z3124jjjj11223

25、344e Z =z e Z =z e Z =z eZz1324()j()j1 324eez zz z所以13241324z zz z 此式表明，交流电桥平衡必须同时满足两个条件，即相对两臂阻抗之模的乘积应相等，相对两臂阻抗角之和也必须相等。 第五章 模拟信号处理5.1.2 交流电桥 2. 电容电桥、电感电桥的平衡阻抗平衡条件为1342143213241411jj jjRRRRCCRRR RR RCC欲使复数相等，实部与虚部应分别相等，即1324R RR R3214 RRCC由此可知，要使电容电桥平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数，使它们分别达到平衡 第五章 模拟信号处理5.1.2 交流电桥

26、2. 电容电桥、电感电桥的平衡电桥平衡条件应为113442(j)(j)RL RRL R1324 R RR R1342 L RL R要使电感电桥平衡，除要考虑相位平衡外，还要保证电阻和电感分别达到平衡。 第五章 模拟信号处理5.1.2 交流电桥 3. 电阻交流电桥的平衡电桥各桥臂阻抗分别为电桥平衡时满足1324Z ZZ Z所以3321132432411442; RRRCR RR RR CR CRRRC或 或第五章 模拟信号处理5.1.2 交流电桥 4. 差动工作电桥 在动态信号测试中，将许多传感器及测量电路接成差动形式的交流电桥，这样不但可以改善非线性，提高灵敏度，还可以补偿由于温度等因素造成的

27、误差。 132401234()()Z RZ RUUZZRR（1）差动式变压器电桥之一第五章 模拟信号处理5.1.2 交流电桥 4. 差动工作电桥当有被测信号输入，传感器工作时， 并取 ，得12,Z Z ZZ Z Z 34R R R ()() 2 ()2oR ZZR ZZUZUUR ZZZZZ j,jsZRLZL 取222()osLUURL如果线圈的品质因素比较高 2oLUUL如果两线圈的阻抗变化为 12,ZZZ ZZZ则 2oLUUL 第五章 模拟信号处理5.1.2 交流电桥 4. 差动工作电桥13241423()()oZ RZ RUUZRZR设 代入上式，并略去高阶微量 ，得1234,ZZZ

28、 ZZZ RRR2()Z22 ()oR ZUUZR差动式变压器电桥之二第五章 模拟信号处理5.1.2 交流电桥 4. 差动工作电桥同样取 ，上式变为j, jZLZL22222j()oRLUUR LRL反之，若阻抗 的变化反向，亦即电感变化反向Z第五章 模拟信号处理5.1.2 交流电桥 4. 差动工作电桥（2）差动式传感器电桥 差动式传感器电桥一般是由差动传感器与带中间抽头的电源变压器副边绕组构成的交流电桥。其中差动传感器可以是电感式的也可以是电容式的。第五章 模拟信号处理5.1.2 交流电桥 4. 差动工作电桥差动式传感器电桥电桥中 和 组成一对差动电容，其桥臂的阻抗 1C2C121211,j

29、jZZCC12122oZZUUZZ因为将阻抗表达式代入上式得21122oCCUUCC 差动工作电桥与一般电桥相比，具有精确度和灵敏度高以及性能稳定、频率范围大等优点，近年来，在测试工程中得到了比较广泛的应用。第五章 模拟信号处理5.1.2 交流电桥 5.2 运算放大器 运算放大器本质上是一个高增益的负反馈直流放大器。加上外部反馈网络可以实现加、减、乘、除、微分和积分等数学运算，还可以与其它外设电路组成测试系统中常用的差动放大器、电桥放大器、电荷放大器、压频变换器、有源滤波器以及交流放大器等测试装置。 第五章 模拟信号处理5.2.1 运算放大器的符号及特点 集成运算放大器具有开环电压增益高、输入

30、阻抗高、输出阻抗低、漂移小、可靠性高、体积小等主要特点，所以它已成为一种通用器件，在各个技术领域中得到了十分广泛而灵活的应用。第五章 模拟信号处理电压增益:1) 反相放大器 1RRAFv 反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。 烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器5.2 运算放大器 第五章 模拟信号处理 同相放大器也是最基本的电路 ，其闭环电压增益Av为:11RRAFv2)同相放大器 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。 5.2 运算放大器 第五章 模拟信号处理2 交流放大电路 R1一般

31、取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定。 )2/()103(31LLfRCC11RRAFv 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3为隔直电容。 5.2 运算放大器 第五章 模拟信号处理具有理想参数的运算放大器叫理想运算放大器。 特点dr 0dUUIr入dK UU0U0U这就是说反相输入端的电位接近于“地”电位，它是一个不接“地”的接“地”端，通常称为“虚地”。 第五章 模拟信号处理5.2.2 理想运算放大器 1. 差动放大器 差动放大器就是用来放大差模信号，抑制共模信号的，它的两个输入端都有信号输入。 1111111i

32、oiiFUUUUI RURRR2323iUURRRUU因为当123,FRR RR得211() FoiiRUUUR0211FiiURSUUR第五章 模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器可见输出电压 与两个输入电压的差值成正比。当 时，则得oU1FRR21oiiUUU差动放大器被广泛地应用于测试和控制系统中，形成了一个专用测量放大器领域。1. 差动放大器5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器第五章 模拟信号处理2. 测量放大器 三运放差动放大器通常也称为测量放大器，或称仪表放大器。 由电路分析可知 11112(1)oiiGGRRuuuRR22221(1)oiiGGRRuuuR

33、R644123365(1)oooRRRuuuRRRR 通常电路中 12RR35RR46RR则测量放大器的增益为411232(1)ofiiGuRRuuRR 第五章 模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器3. 电桥放大器 与差动放大器一样，直流电桥放大器也是用于在大的共模信号下测量来自传感器的微弱信号，而且差动电桥也具有抑制共模信号的能力。第五章 模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器图5-18 电桥放大器 加在放大器两个输入端的电压信号分别为1112RUERR4234 RUERR若电桥为全等臂 1234RRRRR且为半桥双臂接法（差动电桥），即 34, RRR R

34、RR则1 2EU 2 12ERUR那么 3. 电桥放大器5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器第五章 模拟信号处理3. 电桥放大器212112()()/2FFFoRRRRUUUUUERRRRR令 RR则 FoRUER0 FURSER由上式易见，输出电压与桥臂电阻 有关R为了排除 的影响，可采用右图的接法将电桥电源浮置，则其输出电压为 R图5-19 电桥电源浮置的电桥放大器11 2FoREUR011) 2FURESR第五章 模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 由于压电式传感器输出的电信号是很微弱的电荷，而且传感器本身也存在很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难

35、。为此，通常把传感器信号先传输到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录仪器或信号处理器。4. 电荷放大器第五章 模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 前置放大器有两种形式，一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出电压）成正比，不过要受电缆长度的影响；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比，且与电缆长度无关，还具有很宽广的频率响应，故电荷放大器得到了更为广泛的应用。它已成为与压电式传感器配套使用的专用测量仪器。第五章 模拟信号处理4. 电荷放大器5.2.3 测试装置中几种常见的运

36、算放大器4. 电荷放大器 电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。当略去传感器的漏电阻及电荷放大器的输入电阻时，它的等效电路如图5-20所示。() ()iaciiofqU CCCUU C其中 为传感器电容； 为外接电路的输入端电容； 为电缆电容。 令 得到aciCCCCiCaCcC,oiUKU K第五章 模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器()offKqUCCKC如果放大器的增益足够大，则 ，上式可简化为()ffKCCCofqUC 4. 电荷放大器5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器第五章 模拟信号处理4. 电荷放大器 通常在反馈电容的两端并联一个大电阻 （约 ）

37、 以提供直流反馈，改善低频响应。 fR电荷放大器的下限截止频率（放大器增益下降3dB时的对应频率）为ffLCRf21 此式表明，电荷放大器的输出电压与电缆电容无关，亦即其灵敏度与电缆电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上，其灵敏度亦无明显变化，这是电荷放大器的一个突出优点8101010第五章 模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器若选取 1041210.00162101010LfHz 由此可见，电荷放大器在适当选取 和 后，低端截止频率几乎接近于零。也就是说，压电式传感器配用电荷放大器时，低频响应很好，可进行稳态参数的测量。fRfC第五章 模拟信号处理4.

38、 电荷放大器5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器5. 电压比较器 在测试电路中常常需要对两个电压进行比较，一个是被测信号电压，另一个是参考电压；或者两个都是被测信号电压。当iRUU输出电压等于稳压管的稳定电压 1WU当 输出端电位被 箍住， iRUU2WD2oWUU第五章 模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 当用放大器的输出来推动负载时，希望放大器能最大限度地把能量传输给负载。两者之间能满足上述要求的联配，称之为阻抗匹配。 当两个装置联接后 12EIZZ2212ABZEIZEZZ第五章 模拟信号处理5.2.4 放大器及其负载的阻抗匹配则输给后级装置（负载） 的功率为2

39、H2222121212()ABEZZEPIEEZZZZZZ令 20dPdZ得 12220ZZZ即 12ZZ表明，当前级装置的输出阻抗（内阻）与后级装置的输入阻抗相等时，前级装置传输给后级装置的功率最大，这就是装置之间的阻抗匹配原则。5.2.4 放大器及其负载的阻抗匹配第五章 模拟信号处理 解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。 例如下面的调幅波5.3 调制与解调 第五章 模拟信号处理5.3.1 测试信号的调制 调制是利用缓变信号来控制或改变高频振荡的某个参数（幅值、频率或相位），使它随着被测信号作有规律的变化，以利于实现信号的放大与传输。调制过程有三种： 高频振荡的幅值受缓变信号控制时，称

40、为调幅，以AM表示。 高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为调频，以FM表示。 高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为调相，以PM表示。 第五章 模拟信号处理5.3.1 测试信号的调制 一般将控制高频振荡的缓变信号称为调制波；载送缓变信号的高频振荡波称为载波；经过调制的高频振荡波称为已调波。已调波相应地有调幅波、调频波和调相波三种，测试技术中常用的是调幅和调频两种。 解调则是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号（调制信号）。 缓变信号调制高频信号放大放大高频信号解调放大缓变信号第五章 模拟信号处理5.3.1 测试信号的调制 调幅、调频、调相波的图解过调幅、调频、调相波的图解过程：程： 图中被测信号

41、是梯形波，图中被测信号是梯形波，载波是余弦波。调幅波其包络载波是余弦波。调幅波其包络线形状由被测信号决定，载波线形状由被测信号决定，载波信号的频率和相位均不改变。信号的频率和相位均不改变。调频波，其载波信号的振幅与调频波，其载波信号的振幅与相位不变，而频率改变。当被相位不变，而频率改变。当被测信号的幅值减小时，频率降测信号的幅值减小时，频率降低；幅值增大时，频率提高。低；幅值增大时，频率提高。所以，调频波可以看成是一个所以，调频波可以看成是一个频率受被测信号幅值控制的正频率受被测信号幅值控制的正弦波。弦波。第五章 模拟信号处理5.3.1 测试信号的调制 a) 幅值调制(AM)( )( )cos

42、(2)y tA x tftb) 频率调制(FM)0( )cos(2 ( )y tAfkx t tc) 相位调制(PM)0( )cos(2( )y tAftkx t第五章 模拟信号处理5.3.1 测试信号的调制 载波信号 0( )cos2y tf t时域分析-两信号的乘积 0( )( ) ( )( )cos2 mxtx t y tx tf t调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化第五章 模拟信号处理1. 调幅原理5.3.2 调幅与其解调 00011()cos2( )()( )()22xtf tX fffX fff0011( )( )()()22X

43、 fY fX ffX ff在时域上的调幅过程就相当于在频域上的频率搬移过程。 频域分析-两信号的卷积 1. 调幅原理5.3.2 调幅与其解调 第五章 模拟信号处理2. 解调原理若把调幅波再次与载波信号相乘 ，从时域分析看000011( )cos2( )cos2cos2( )( )cos4 22mxtf tx tf tf tx tx tf t用低通滤波器将频率为 的高频信号滤去 ，则得到 02 f1( )2x t从频域分析中亦可以得到 0001( )cos2( )()()2mmxtf tXfffff即 00001( )( )()()()()4mXfY fX ffX ffffff00111()(2

44、)(2)244XfXffXff 调幅的目的是为了让缓变信号变为高频调制信号，便于放大和传输。解调的目的则是为了恢复原信号。第五章 模拟信号处理5.3.2 调幅与其解调 图5-25 同步解调0fmf从调幅原理，载波频率 必须高于原信号中的最高频率 才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。 010mff第五章 模拟信号处理2. 解调原理5.3.2 调幅与其解调 例例2用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变。用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变。已知其变化规律为已知其变化规律为如果电桥的激励电压为如果电桥的激励电压为求此电桥的输出信号频谱。求此电桥的输出信号频谱。解法解法1 由全桥接法知

45、电桥的输出信号为由全桥接法知电桥的输出信号为 那么那么又又 000cos2uUf t0/( )R RR t00( )cos2yuSU R tf t( )cos10tAt0( )sin1000u tEt000( )( )( )( )( )yR tu tu tSt u tR0( )( )( )yUfSfUf( )( )(5)(5)2AfFtff第五章 模拟信号处理2. 解调原理5.3.2 调幅与其解调 所以 j(505)(495)(495)(505)4SAEffff0( )( )( )cos10sin1000sin(1010)sin(990)2ySAEu tSt u tSAt Ettt( )j(5

46、05)(505)(495)(495)4ySAEUfffff00( )( )j(500)(500)2EUfF u tff( )(5)(5)j(500)(500)22ySAEUfffff解法2所以其频谱如上图所示。第五章 模拟信号处理3. 相敏检波原理相敏检波器实际上是一个受参考电压控制的桥式全波整流电路 第五章 模拟信号处理5.3.2 调幅与其解调 调频就是用被测信号的电压幅值去控制一个振荡器，使其输出信号的幅值不变而振荡频率改变，频率的变化量与被测信号的幅值成正比。 图5-29 调频波与信号幅值的关系第五章 模拟信号处理5.3.3 调频与其解调 第五章 模拟信号处理 根据不同的电压频率转换电路

47、（简称VFC），调频波可以是类似正弦波形的，或者三角波形的，也可以是疏密不等的方波或者脉冲形波。这种载有被测信息的高频波具有抗干扰能力强、便于远距离传输、不易错乱和失真等优点，也便于使用数字技术进行处理。 调频方式有许多种，经常采用的有直接调频方式和压控振荡器方式。5.3.3 调频与其解调 1. 直接调频用谐振电路调频的方法，称为直接调频法。 初始电容为 ，当位移改变时，电容变为 。设调制信号（被测信号 ）为 ，那么，由位移变化引起的可变电容量总可以写成0CxC( )x t000( )xxCCCCK C x t 第五章 模拟信号处理5.3.3 调频与其解调 当无信号输入时，调频器的谐振频率为

48、0012()fL CC当有信号输入时， 0112()2()xfL CCL CCC1200112()CCCL CC( )0 x t谐振频率为1. 直接调频5.3.3 调频与其解调 第五章 模拟信号处理1. 直接调频由于 0( )xCK C x t所以000001( )1( )2()xC Kffx tfK x tCC1201CCC经二项式公式展开 00001112()2()2()CCffCCCCL CC第五章 模拟信号处理5.3.3 调频与其解调 设 时，调频电路的输出电压为( )0 x t 00cos(2)ymuuf t则当 时，其输出电压为( )0 x t 00cos(2)cos 21( )y

49、mmuuftufK x tt 当有信号 输入时，调频器输出电压的幅值不变而频率受输入信号的控制，从而达到调频的目的。( )x t( )x t1. 直接调频5.3.3 调频与其解调 第五章 模拟信号处理2. 压控振荡器调频 实际应用中常见的调频方案是基于压控振荡器（VCO）原理。这是一种由集成运算放大器组成的电压频率变换电路，简称压频变换电路，其特点是输出信号的频率与输入电压成正比。 输出信号频率 与输入电压 之间的定量关系可分析如下：fxU对积分器 2ARCuuHzj1)(02正反馈放大器 ：1A1)(01uuHy第五章 模拟信号处理5.3.3 调频与其解调 三、调频与其解调这样，主通道的频率

50、特性为 RCHHHj1)()()(21反馈通道中，yxzuuu1 . 0所以， xyzuuuF1 . 0)(由振荡条件 得 即1)()(FHRCux1 . 0RCufx202可见，输出信号的频率与输入电压成正比。 压控振荡电路形式很多，现在已有集成化的压控振荡器芯片出售。2. 压控振荡器调频第五章 模拟信号处理5.3.3 调频与其解调 3. 调频波的解调调频波的解调（称为鉴频）也有多种方案。 最简单的一种是将调频波放大，限幅成为方波，然后取其上升（或下降）沿转换为脉冲，脉冲的疏密就是调频波的疏密。每个脉冲触发一个定时的单稳态触发器，这样可以获得一系列时宽相等，疏密随调频波频率而变的单向窄矩形波

51、。这样就得到了将频率变化向电压变化的转换，取其瞬时平均电压就反映了原信号电压的变化。T1T2T3T4F第五章 模拟信号处理5.3.3 调频与其解调 3. 调频波的解调 另一种常用的鉴频电路是采用变压器耦合的谐振回路鉴频。这种鉴频器的解调过程是先将调频波变换成调频调幅波，然后进行幅值检波。 第五章 模拟信号处理5.3.3 调频与其解调 fftxfftxftx0000)(,0)(,0)(号。低通滤波器恢复被测信部分，再经二极管只剩上半也随时间一样变，再经随时间怎么变，幅值频率处在直线段，使选RCuffffuuffuuffaaanaan00maxmax,3. 调频波的解调5.3.3 调频与其解调 第

52、五章 模拟信号处理案例：铁路机车调度 信号检测调制频率8.5Hz，绿灯调制频率23.5Hz，红灯第五章 模拟信号处理滤波器的应用超门限报警 案例：旅游索道钢缆检测5.4 滤波器 第五章 模拟信号处理滤波器的应用机床轴心轨迹的滤波处理 5.4 滤波器 第五章 模拟信号处理 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分 第五章 模拟信号处理5.4.1 滤波器分类 1. 低通滤波器 频率在 之间的幅频特性平直 20cf2. 高通滤波器 与低通滤波器相反，频率在 之间其幅 频特性平直。 1cf3. 带能滤波器 其通频带在 之间。 12ccff4. 带阻滤波器 与带通滤

53、波器相反，阻带在频率 之间。 12ccff第五章 模拟信号处理5.4.1 滤波器分类 理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。理想滤波器是一个理想化的模型，在物理上是不能实现的，但它对深入了解滤波器的传输特性很有益处。通过对理想滤波器的讨论，可以建立起滤波器通频带宽与达到稳定输出所需时间之间的关系。第五章 模拟信号处理5.4.2 理想滤波器 图5-34 理想滤波器频率特性0j20()eftHfA若滤波器的频率响应函数满足下列条件0j20e ( ) 0 ftccAffH fff 则称为理想滤波器，即理想滤波器在通频带内应满足幅频特性为常数，相频特性是

54、频率的线性函数，而在阻频带幅频特性应该等于零 ftfAfA002)()(5.4.2 理想滤波器 第五章 模拟信号处理000sin2()( )22()cccf t th tA ff t t1 01( ) 0 20 0tu ttt( )( )( )( ) ()y th tu tuh td 0sin2() =( )22()cccf tuA fdf t2()cxf t0sind2xxx （b）单位阶跃响应5.4.2 理想滤波器 第五章 模拟信号处理图5-35 理想低通滤波器的响应2011sin( )d2cf toxy tAxx20sindcf txxx是正弦积分（超越函数） 0( ), ()0yA y

55、 00()2ch tA f000( )1( )22rccAyth tA ffrBt 常数这一结论对其它滤波器（高通、带通、带阻）也适用。510rBt （）5.4.2 理想滤波器 1. 波纹幅度d 5.4.3 实际滤波器及其基本参数图5-36 理想带通与实际带通滤波器的幅频特性00132dddBAA 或 2截止频率BQ3.带宽 和品质因数 值 nfQB2112;ccnccBffff f4.倍频程选择性5. 滤波器因数（或矩形系数）0/2A对应于-3dB点 第五章 模拟信号处理 在测试系统中，信号频率如果不是很高，则常用RC滤波器。因为它电路简单，抗干扰能力强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容

56、元件也容易实现。1. RC低通滤波器5.4.4 无源RC滤波器第五章 模拟信号处理其频率响应函数为1( )1j2H ff 幅频和相频特性分别为21( )1 (2)( )arctg(2)A ffff 当 时12fRC此时信号几乎不受衰减而通过 当 时12fRC212cfRC为滤波器的上截止频率 当 时12fRC输出 与输入 的积分成正比oUiU即 1( )( )oiUtU t dtRC1. RC低通滤波器ddooiURCUUt电路的微分方程为 RC称为时间常数 第五章 模拟信号处理5.4.4 无源RC滤波器幅频和相频特性分别为21( )1 (2)( )arctg(2)A ffff j2( )1j

57、2fH ff 1dooiUUtURC微分方程为频率响应函数为2. RC高通滤波器第五章 模拟信号处理5.4.4 无源RC滤波器3. RC带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 则幅频特性和相频特性分别为1212( )( )( )( )( )( )A fA f Affff111j2()1j2fHff221( )1j2Hff 如一阶高通滤波器的频率响应函数为 一阶低通滤波器的频率响应函数为 第五章 模拟信号处理5.4.4 无源RC滤波器 有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器（有源器件）组成。运算放大器的作用是既可隔离级间耦合的影响，又可提高增益和带负截的能力。RC网络则通常作运算放大器的

58、负反馈网络之用。 由四种滤波器的幅频特性可知，低通和高通、带阻和带通之间恰好是互补关系。若在运算放大器的负反馈电路中接入高通滤波网络，可得到有源低通滤波器；若接入带阻网络，则可得到带通滤波器。第五章 模拟信号处理5.4.5 有源滤波器1. 有源低通滤波器频率响应函数为1( )/(j )( )1j1joFiFFURRKHUR C 幅频和相频特性分别为2( )1 ()( )arctg()kA （1） 一阶有源低通滤波器第五章 模拟信号处理5.4.5 有源滤波器1. 有源低通滤波器（2）二阶有源低通滤波器频率响应函数为 2( )1j2kH幅频和相频特性分别为2222( )(1)(2)2( )arct

59、g1KA 第五章 模拟信号处理5.4.5 有源滤波器2. 有源带通滤波器简单的二阶带通滤波器由一个运算放大器和RC网络组成 这种由多路负反馈组成的带通滤波器具有元件少、输出阻抗低、品质因数高等优点、所以得到广泛应用。频率响应函数为 ( )11jKHQ幅频、相频特性为22( )11()KAQ1( )arctg Q 第五章 模拟信号处理5.4.5 有源滤波器 带通滤波器的 值越高，则因偏离调谐频率所引起的相角变化越大。这种调谐式带通滤波器的选择性希望 值高和要求相移小是相互矛盾的，这对于相角有要求的测试场合必须十分注意QQ第五章 模拟信号处理2. 有源带通滤波器5.4.5 有源滤波器1恒带宽比滤波

60、器 实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。1) 恒带宽比带通滤波器 2) 恒带宽带通滤波器 第五章 模拟信号处理5.4.6 恒带宽比与恒带宽滤波器1恒带宽比滤波器1/3倍频程滤波器第五章 模拟信号处理5.4.6 恒带宽比与恒带宽滤波器 为了提高滤波器的分辨能力，带宽应窄一些，这样为覆盖整个频率范围所需要的滤波器数量就很大。因此恒带宽滤波器不宜做成固定中心频率的，而是往往采用中心频率跟随参考信号频率的跟踪滤波法和相关滤波法。 （1）跟踪滤波器原理第五章 模拟信号处理2恒带宽滤波器5.4.6 恒带宽比与恒带宽滤波器乘法器1的输出为1210200c