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文档简介

1、传感器与测试技术传感器与测试技术前序前序1、被测量经传感器之后的输出信号一般具有以下特点:、被测量经传感器之后的输出信号一般具有以下特点:l信号比较微弱;信号比较微弱;l为非电压信号;为非电压信号;l携带噪声信号等。携带噪声信号等。2、因此,还需进一步调理、放大、滤波等加工处理。、因此,还需进一步调理、放大、滤波等加工处理。3、本章主要讨论信号调理和转换中的常用环节:、本章主要讨论信号调理和转换中的常用环节:l电桥;电桥;l调制与解调;调制与解调;l滤波;滤波;l放大。放大。第第5章章 信号调理电路信号调理电路5.1 测量电桥测量电桥5.2 调制与解调调制与解调5.3 滤波器滤波器5.1 测量

2、电桥测量电桥5.1.1 直流电桥直流电桥1电桥的工作原理电桥的工作原理 电桥是将电阻、电感、电容等电参量的变化转换为电压或电流输出的电桥是将电阻、电感、电容等电参量的变化转换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,也可以送入放大器放大。一种测量电路,其输出既可用指示仪表直接测量,也可以送入放大器放大。 右右图是直流电桥的基本形式。图是直流电桥的基本形式。R1、R2、R3、R4称为桥臂电阻,称为桥臂电阻,e0为供桥直流电压源。为供桥直流电压源。ueuo电路分析:电路分析:ueueueueueueu0讨论:讨论:式式4 42 2为直流电桥平衡条件。若电桥中任一个或数个电阻为直

3、流电桥平衡条件。若电桥中任一个或数个电阻发生变化,电桥输出电压变化。测量电桥就是基于上述原发生变化,电桥输出电压变化。测量电桥就是基于上述原理工作。理工作。直流电桥的连接形式:直流电桥的连接形式: 半桥单臂半桥单臂 半桥双臂半桥双臂 全桥全桥 ueuoueuoueuo(1 1)半桥单臂连接形式)半桥单臂连接形式:工作时仅有一个桥臂电阻值随:工作时仅有一个桥臂电阻值随被测量而变化,设该电阻为被测量而变化,设该电阻为R R1 1,变化量为,变化量为R R,则由式,则由式(4-14-1)可得:)可得:设相邻桥臂的阻值相等,亦即:设相邻桥臂的阻值相等,亦即:R R1 1=R=R2 2=R=R0 0,R

4、,R3 3=R=R4 4=R=R0 0, ,又若又若R R0 0=R=R0 0, ,则则 若若RRRR0 0, ,则则eoURRRRRRRRU434211eoURRRU240eoURRU04(4 43 3)(4 44 4)(4 45 5)(1 1)半桥单臂连接形式)半桥单臂连接形式:工作时仅有一个桥臂电阻值随:工作时仅有一个桥臂电阻值随被测量而变化,设该电阻为被测量而变化,设该电阻为R R1 1,变化量为,变化量为R R,则由式,则由式(4-14-1)可得:)可得:eoURRU04(4 43 3)(4 44 4)(4 45 5)eoURRU04电桥的输出电压与激励电压成正比;在激励电压一定的条

5、件下,与工作桥臂的阻值变化量呈单调线性关系。(2 2)半桥双臂连接形式)半桥双臂连接形式:工作时有两个桥臂电阻值随被测:工作时有两个桥臂电阻值随被测量而变化,即:量而变化,即: R R1 1R R1 1, R R2 2 RR2 2,则由式(,则由式(4-14-1)可证明,当可证明,当R R1 1=R=R2 2=R=R0 0 ,RR1 1RR2 2RR, R R3 3=R=R4 4=R=R0 0 ,则电桥输出则电桥输出eoURRU02(4 46 6)(3 3)全桥连接法)全桥连接法:四个桥臂的阻值均随被测量而变化,即:四个桥臂的阻值均随被测量而变化,即: 当当R R1 1=R=R2 2=R=R3

6、 3=R=R4 4=R=R0 0, ,且且R R1 1= =RR2 2=R=R3 3= =RR4 4=R=R,输出为:输出为:44332211,RRRRRRRReoURRU0结论:结论:式(式(4 45 5)、()、(4 46 6)、()、(4 47 7)表明,电桥的)表明,电桥的输出电压与激励电压成正比,但比例系数不同。输出电压与激励电压成正比,但比例系数不同。(4 47 7)灵敏度。全桥接法可以获得最大灵敏度不同,结论:电桥接法不同,。全桥灵敏度;半桥灵敏度;单臂电桥灵敏度则有:定义电桥的灵敏度为eeeoUUURRUS24例题_电桥直流电桥的和差特性:直流电桥的和差特性:eoeeoeeoU

7、RRRRRRRRUURRRRURRRRRRRRRRRRUURRRRURRRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRRRc4321232211224433334144334422111144332211432141212114R24推出:得:时,可由、且,当如图eoURRRRRRRRU432141和差特性内容:和差特性内容: 相邻两桥臂电阻同向变化,产生的输出电压的变化将相相邻两桥臂电阻同向变化,产生的输出电压的变化将相互抵消;互抵消;相邻两桥臂电阻反向变化,产生的输出电压的变化将相相邻两桥臂电阻反向变化,产生的输出电压的变化将相互叠加;互叠加;和差特性应用实例:和差特性应用实例: 悬臂梁作敏感

8、元件测力:悬臂梁作敏感元件测力:为提高灵敏度,常在梁的上,为提高灵敏度,常在梁的上,下表面各贴一片应变片,并将上述两应变片接入电桥的下表面各贴一片应变片,并将上述两应变片接入电桥的相邻两桥臂。相邻两桥臂。 柱形梁作敏感元件测力:柱形梁作敏感元件测力:四个纵向应变片俩俩串联,接四个纵向应变片俩俩串联,接入相对桥臂入相对桥臂; ;横向应变片主要起温度补偿作用。横向应变片主要起温度补偿作用。3电桥的加减特性与应用电桥的加减特性与应用 相邻桥臂电阻的阻值变化方向相反,相对桥臂电阻的阻值变化方向相邻桥臂电阻的阻值变化方向相反,相对桥臂电阻的阻值变化方向相同时,电桥输出反映相加的结果;而相邻桥臂电阻的阻值

9、变化方向相相同时,电桥输出反映相加的结果;而相邻桥臂电阻的阻值变化方向相同,相对桥臂电阻的阻值变化方向相反时,电桥输出反映相减的结果,同,相对桥臂电阻的阻值变化方向相反时,电桥输出反映相减的结果,这就是这就是电桥的加减特性电桥的加减特性。 例例5-1 桥路温度补偿桥路温度补偿。如。如左左图图a所示试件,欲测量作用在其上的力所示试件,欲测量作用在其上的力F时,时,采用两片敏感元件材料、原始电阻值和灵敏系数都相同的应变片采用两片敏感元件材料、原始电阻值和灵敏系数都相同的应变片R1和和R2。R1贴在试件的测点上,贴在试件的测点上,R2贴在与试件材质相同的不受力的补偿块上,如贴在与试件材质相同的不受力

10、的补偿块上,如左左图图b所示。所示。R1和和R2处于相同温度场中,并按处于相同温度场中,并按右右图接入电桥的相邻臂上。图接入电桥的相邻臂上。 例例5-2 在半桥测量中利用加减特性提高测量灵敏度。测量如在半桥测量中利用加减特性提高测量灵敏度。测量如左左图所示图所示的纯弯试件时,应变片的纯弯试件时,应变片R1和和R2分别贴于试件的上下两表面,并按分别贴于试件的上下两表面,并按右右图所示图所示电桥接线。电桥接线。 例例5-3 试件受力情况如图试件受力情况如图a所示,应变片所示,应变片R1和和R3贴在上表面,贴在上表面,R2和和R4贴在对称于中性层的下表面,并按图贴在对称于中性层的下表面,并按图b组成

11、全等臂电桥。组成全等臂电桥。(a)应变片粘贴位置)应变片粘贴位置 (b)电桥连接方式)电桥连接方式5.1.2 交流电桥交流电桥 交流电桥电路如图所示,其激励电压交流电桥电路如图所示,其激励电压e0采用交流方式,电桥的四个臂采用交流方式,电桥的四个臂可以是纯电阻,也可以是包含有电容、电感的交流阻抗。可以是纯电阻,也可以是包含有电容、电感的交流阻抗。 交流电桥平衡必须满足两个条件:交流电桥平衡必须满足两个条件:相对两臂阻抗之模的乘积应相等相对两臂阻抗之模的乘积应相等,并,并且且它们的阻抗角之和也必须相等它们的阻抗角之和也必须相等,前,前者称为交流电桥模的平衡条件,后者者称为交流电桥模的平衡条件,后

12、者称为相位平衡条件。称为相位平衡条件。 右右图是一种常用电容电桥,相邻两图是一种常用电容电桥,相邻两臂为纯电阻臂为纯电阻R2、R3,另外相邻两臂为,另外相邻两臂为电容电容C1、C4。R1、R4为电容介质损耗为电容介质损耗的等效电阻的等效电阻。c 欲使电桥达到平衡,必须同时满足欲使电桥达到平衡,必须同时满足两个条件,即电阻平衡条件两个条件,即电阻平衡条件和和电容平衡条件电容平衡条件1324R RR R3214RRCC 右右图是一种常用的电感电桥,相邻图是一种常用的电感电桥,相邻两臂为纯电阻两臂为纯电阻R2、R3,另外相邻两臂,另外相邻两臂为电感为电感L1、L4,R1、R4为电感线圈的为电感线圈的

13、等效电阻等效电阻。例题:现有4个电路元件:电阻R1、R2,电感L和电容C,拟接成四臂交流电桥,试画出能满足电桥平衡的正确接桥方法,并写出该电桥的平衡条件。5.2 调制与解调调制与解调为什么要调制 ?因为我们的数据需要传送出去的,低频的数据传送距离是有限的,只有配上高频的载波,才能进行远距离的传送。而且抗干扰能力增强。调制解调是配对的,有了调制所以需要相应的解调。调制:调制:是指利用某种低频信号来控制或改变某一高频信号是指利用某种低频信号来控制或改变某一高频信号的某个参数(幅值、频率或相位)的过程。的某个参数(幅值、频率或相位)的过程。 解释:解释:高频振荡信号称为高频振荡信号称为载波载波;控制

14、高频振荡的低频信号为;控制高频振荡的低频信号为调制信调制信号号;调制后的高频振荡信号为;调制后的高频振荡信号为已调制信号已调制信号。调制分类:调制分类: 当被控制的量是高频振荡信号的当被控制的量是高频振荡信号的幅值幅值时,称为时,称为调幅调幅(AM)(AM);已调制信号为已调制信号为调幅波调幅波; 当被控制的量为高频振荡信号的当被控制的量为高频振荡信号的频率频率时,称为时,称为调频调频(FM)(FM);已调制信号为已调制信号为调频波调频波; 当被控制的量为高频振荡信号的当被控制的量为高频振荡信号的相位相位时,称为时,称为调相调相(PM)(PM);已调制信号为已调制信号为调相波调相波;解调:解调

15、:则是从已调制波信号中恢复出原有低频调制信号的则是从已调制波信号中恢复出原有低频调制信号的过程。过程。调制与解调的应用:调制与解调的应用: 应用分析:应用分析:传感器输出的低频微弱信号需要放大。直流传感器输出的低频微弱信号需要放大。直流放大,存在零漂和级间耦合,容易失真;交流放大,抗零放大,存在零漂和级间耦合,容易失真;交流放大,抗零漂,故一般先将低频信号调制为高频信号,再交流放大,漂,故一般先将低频信号调制为高频信号,再交流放大,最后解调。最后解调。 应用实例:应用实例:差动变压器式位移传感器;交流电桥等。差动变压器式位移传感器;交流电桥等。5.2.1 调幅及其解调调幅及其解调1原理原理 调

16、幅是将高频正弦或余弦信号(载波)与测量信号(调制波)相乘,调幅是将高频正弦或余弦信号(载波)与测量信号(调制波)相乘,使高频载波信号的幅值随测量信号的变化而变化使高频载波信号的幅值随测量信号的变化而变化,如右,如右图图所示所示。 调幅过程在时域是调制波与载波相乘的运算;在频域是调制波频谱调幅过程在时域是调制波与载波相乘的运算;在频域是调制波频谱与载波频谱卷积的运算,是频率与载波频谱卷积的运算,是频率“搬移搬移”的过程。的过程。(a)时域)时域 (b)频域)频域 若把调幅波再次与原载若把调幅波再次与原载波信号相乘,则频域信号将波信号相乘,则频域信号将再一次进行再一次进行“搬移搬移”,这次,这次频

17、移是把以坐标原点为中心频移是把以坐标原点为中心的已调波频谱搬移至以载波的已调波频谱搬移至以载波为中心处。由于载波频谱与为中心处。由于载波频谱与原来调制时的相同而使第二原来调制时的相同而使第二次次“搬移搬移”后的频谱有一部后的频谱有一部分分“搬移搬移”到原点处,所以到原点处,所以频谱中包含有与原调制信号频谱中包含有与原调制信号相同的频谱和附加的高频频相同的频谱和附加的高频频谱两部分,其结果如图所示。谱两部分,其结果如图所示。同步解调同步解调小结:小结:v调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。v载波频率载波频率f f0 0必须高于信号中的最高频率必须高

18、于信号中的最高频率f fmaxmax,才不会出,才不会出现混叠现象。实际应用中,载波频率至少在调制信号上现混叠现象。实际应用中,载波频率至少在调制信号上限频率的十倍以上。限频率的十倍以上。注意:调幅波是否可以看作是载波与调制信号的迭加?注意:调幅波是否可以看作是载波与调制信号的迭加?不可以。因为调幅波是载波幅值随调制信号大小成正比变不可以。因为调幅波是载波幅值随调制信号大小成正比变化,只有相乘才能实现化,只有相乘才能实现。 3 3、调幅信号的解调方法、调幅信号的解调方法(1 1)同步解调)同步解调 基本原理:将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘,基本原理:将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘,

19、则调幅波的频谱在频域上将再次被进行移频。由于载波信则调幅波的频谱在频域上将再次被进行移频。由于载波信号的频率仍为号的频率仍为f f0 0,因此,因此,再次移频的结果是使原信号的频再次移频的结果是使原信号的频谱图形出现在谱图形出现在0 0和的和的2f2f0 0频率处频率处。由于在解调过程中所乘的。由于在解调过程中所乘的信号信号与调制时的载波信号具有相同的频率与相位与调制时的载波信号具有相同的频率与相位,因此这,因此这一解调的方法称为同步解调。时域分析上有:一解调的方法称为同步解调。时域分析上有: tftxtxtftftx0004cos2122cos2cos低通滤波器将频率为低通滤波器将频率为2f

20、2f0 0的高频信号滤去,的高频信号滤去,得到得到)t(x212 2 包络检波(整流检波)包络检波(整流检波) 基本原理:基本原理: 对调制信号偏置一个直流分量对调制信号偏置一个直流分量A A,使偏置后的信号具有,使偏置后的信号具有正电压值。对该信号作调幅后得到的已调制波正电压值。对该信号作调幅后得到的已调制波x xm m(t)(t)的的包络线将具有原信号形状包络线将具有原信号形状。对该调幅波。对该调幅波x xm m(t)(t)作简单的作简单的整流(全波或半波整流)和滤波便可恢复原调制信号。整流(全波或半波整流)和滤波便可恢复原调制信号。 出现问题:出现问题:如果所加的偏置电压未能使信号电压都

21、位如果所加的偏置电压未能使信号电压都位于零位同侧,会造成失真,此时应采用相敏检波技术。于零位同侧,会造成失真,此时应采用相敏检波技术。 包络检波包络检波 包络检波在时域内的流程如图所示。调幅波经过包络检波(整流、滤包络检波在时域内的流程如图所示。调幅波经过包络检波(整流、滤波)就可以恢复偏置后的信号波)就可以恢复偏置后的信号xA(t),最后再将所加直流分量去掉,就可以,最后再将所加直流分量去掉,就可以恢复原调制信号恢复原调制信号x(t)。包络检波(整流检波)包络检波(整流检波) 出现问题:出现问题:如果所加的偏置电压未能使信号电压都位如果所加的偏置电压未能使信号电压都位于零位同侧,会造成失真,

22、此时应采用相敏检波技术。于零位同侧,会造成失真,此时应采用相敏检波技术。 1 1、频率调制的基本概念、频率调制的基本概念 频率调制是指利用调制信号控制高频载波信号频率变化频率调制是指利用调制信号控制高频载波信号频率变化的过程。在频率调制过程中载波的幅值保持不变,仅载的过程。在频率调制过程中载波的幅值保持不变,仅载波的频率随调制信号的幅值成比例关系。波的频率随调制信号的幅值成比例关系。 。如图此时调频信号可表示)变化,有()随调制信号(频率为常数,让载波瞬时角若保持振幅设载波194)(cos)(cos)(00000dttxktAtxtkxttxtAtAtyf5.2.2 调频及其解调调频及其解调2

23、 2、频率调制方法、频率调制方法频率调制电路常用振荡电路,如频率调制电路常用振荡电路,如LCLC振荡电路、压控振荡器。振荡电路、压控振荡器。LCLC振荡电路:应用于电容、涡流或电感等传感器的测量电路。振荡电路:应用于电容、涡流或电感等传感器的测量电路。ffCCffCCfCCLCfCLCf000000000)21 (11)1 (2121泰勒展开,得,则有若电容变化电路的谐振频率结论:结论: LCLC振荡回路以振荡频率振荡回路以振荡频率f f与调谐参数的变化成线性关系,与调谐参数的变化成线性关系,即振荡频率受控于被测物理量。这种将被测参数的变化直即振荡频率受控于被测物理量。这种将被测参数的变化直接

24、转换为振荡频率变化的过程称为接转换为振荡频率变化的过程称为直接调频式测量直接调频式测量。3、调频信号的解调、调频信号的解调 调频波的解调又称为调频波的解调又称为鉴频鉴频,是将频率变化恢复成调制信,是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程;号电压幅值变化的过程; 是将频率变化的等幅调频波按其频率变化复现调制信是将频率变化的等幅调频波按其频率变化复现调制信号波形的过程。号波形的过程。 信号分析:信号分析:被测信号一般由多个频率分量组成,检测中被测信号一般由多个频率分量组成,检测中得到的信号除包含有效信息外,还含有噪声和不希望的得到的信号除包含有效信息外,还含有噪声和不希望的成分,会导致真实信号

25、的畸变和失真。成分,会导致真实信号的畸变和失真。滤波:滤波:让被测信号中的有效成分通过,而将其中不需要让被测信号中的有效成分通过,而将其中不需要的成分抑制或衰减掉。的成分抑制或衰减掉。滤波器:滤波器:能实施滤波功能的装置。能实施滤波功能的装置。5.3 滤波器滤波器滤波器分类滤波器分类根据其选频作用,可分为四类:根据其选频作用,可分为四类: 低通滤波器低通滤波器(Low Pass Filter); 高通滤波器高通滤波器(High Pass Filter); 带通滤波器带通滤波器(Band Pass Filter); 带阻滤波器带阻滤波器(Band Reject Filter)。 图图5-21 5

26、-21 四类滤波器的幅频特性四类滤波器的幅频特性(a a)低通)低通 (b b)高通)高通 (c c)带通)带通 (d d)带阻)带阻(2 2)根据其结构形式可分为两类:)根据其结构形式可分为两类: 有源滤波器:使用运算放大器结构;有源滤波器:使用运算放大器结构; 无源滤波器:由无源滤波器:由RLCRLC组合配置而成。组合配置而成。关于关于幅值比幅值比002010/)()sin()()sin()(XYAtYtytXtx幅值比输出输入常系数线性系统有一个重要特性:频率保持性。常系数线性系统有一个重要特性:频率保持性。)(简谐信号10sin)(tXtx)sin()(20tYty简谐信号测试系统频率

27、保持特性频率保持特性稳态输出稳态输出幅值比幅值比A=YA=Y0 0/X/X0 0,是,是的函数;的函数;相位差相位差 也是也是的函数。的函数。输入曲线输出1输出2输出3输出4实际滤波电路实际滤波电路 一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 低通滤波器的典型电路如图所示。低通滤波器的典型电路如图所示。 低通滤波器电路图:低通滤波器电路图:221( )11( )1 ()1( )1 (/)ooicduRCuudtRCHjHH fff令21( )( )1 ()AH低通滤波器;低通滤波器;21( )1 ()A?cf 截止频率dBAA32lg10)(lg20)(11)(12得代入1120:,.?ccffRC

28、fRC即截止频率低通滤波器的带宽通过调节可方便地改变也改变了滤波器的.?1122/2ccfRCfff低通滤波器的频率响应特性为:低通滤波器的频率响应特性为: 率。可以方便地改变截止频所以调节点,因对应截止频率讨论:RCRCfdBfffffffHcccc,213)(tan)(11)(122.2.RCRC高通滤波器高通滤波器 RCRC高通滤波器的典型电路如图所示。高通滤波器的典型电路如图所示。 RCRC高通滤波器及其幅频特性曲线高通滤波器及其幅频特性曲线 uiu0HRCRC高通滤波器高通滤波器 ()oioiRUd UUiCdt 其频率响应特性为其频率响应特性为)(tan90)(1)(12cccffffffffH3、带通滤波器、带通滤波器 低通滤波器和高通滤波器的组合。低通滤波器和高通滤波器的组

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