第四章机械工程测试技术信号调理

1、第四章第四章 信号调理与记录信号调理与记录信号调理的作用信号调理的作用 对传感器输出的原始信号或系统中某一环节的输出信号对传感器输出的原始信号或系统中某一环节的输出信号进行再加工，以满足下一环节输入要求的需要。进行再加工，以满足下一环节输入要求的需要。 信号调理的原因信号调理的原因1. 传感器输出的电信号非常微弱，传感器输出的电信号非常微弱，需要放大和变换需要放大和变换。2. 传感器输出的电参量需要转变为电能量。传感器输出的电参量需要转变为电能量。3. 降噪，提高信噪比。降噪，提高信噪比。 4. 分离有用分量。分离有用分量。5. 模数转换。模数转换。信号调理的种类信号调理的种类1. 1. 参量

2、变换型：参量变换型：常用于参量型传感器，将电参量变换成电压和电流量。常用于参量型传感器，将电参量变换成电压和电流量。被测量被测量参量型传感器参量型传感器R, L, CV, I电桥、谐振电路电桥、谐振电路2. 2. 阻抗变换、幅度调节阻抗变换、幅度调节 被测量被测量发电型传感器发电型传感器放大、衰减、阻抗匹配、变换放大、衰减、阻抗匹配、变换U, IV, I3. 3. 调制、解调调制、解调被测量被测量解调解调传感器传感器调制波调制波调制调制放大、传送放大、传送输出输出eURRRRRRRRU432142310第一节第一节 电桥电桥电桥是将电阻、电容、电感等参量的变化转换为电电桥是将电阻、电容、电感等

3、参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路压或电流输出的一种测量电路. .电桥按其电源性质的电桥按其电源性质的不同可以分为直流电桥和不同可以分为直流电桥和 交流电桥。交流电桥。 一、直流电一、直流电桥桥0U输出电压与各臂电阻间的关系：输出电压与各臂电阻间的关系：4231RRRR 时称为电桥平衡时称为电桥平衡输出电压输出电压 U0=004321RRRRR在测试过程中，根据电桥工作中的电阻值变化的桥臂情况可以分为单臂、半桥双臂和全桥式联接方式。 单臂电桥单臂电桥工作中只有一个桥臂阻值随被测工作中只有一个桥臂阻值随被测量的变化而变化，图中量的变化而变化，图中R1的阻值的阻值增加了增加了R。 RRR

4、110432RRRReRRRRRRRRUU)(4342110eRRRUU)(2400RR0eRRUU0410电桥的灵敏度电桥的灵敏度 eURRUS41/004321RRRRR双臂电桥双臂电桥有两个桥臂阻值随被测量而变化。有两个桥臂阻值随被测量而变化。差动变差动变化RRR22RRR11043RRReRRRRRRRRRUU)(434211020)(eURRU电桥的灵敏度电桥的灵敏度 eURRUS21/004321RRRRR全臂电桥全臂电桥四个桥臂阻值随被测量而变化。差动变差动变化RRR11RRR22RRR44RRR33eRRRRRRRRRRRRUU)(4342110eRRUU)(0电桥的灵敏度电桥

5、的灵敏度 eURRUS/0单臂电桥单臂电桥双臂电桥双臂电桥全臂电桥全臂电桥在RR0的条件下 eUS41eUS21eUS电桥的灵敏度电桥的灵敏度 电桥的输出与R/R0成线性关系 电桥的输出与R/R0成线性关系 4231ZZZZ 二、交流电桥二、交流电桥 供桥电源为交流，仍为基本电供桥电源为交流，仍为基本电桥电路的形式，但是在各个臂内可桥电路的形式，但是在各个臂内可能串、并联有电感、电容、电阻或能串、并联有电感、电容、电阻或其组合。因此除了电阻之外还有我其组合。因此除了电阻之外还有我们所说的电抗。们所说的电抗。电桥的平衡条件：电桥的平衡条件：ijiieZZ )(42)(314231 jjeZZeZ

6、Z交流电桥的平衡条件：交流电桥的平衡条件：42314231 ZZZZ阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。纯电阻时电流与电压同相位，纯电阻时电流与电压同相位，=0；电感性阻抗，；电感性阻抗，0；电容性阻抗，；电容性阻抗，0。 4231ZZZZ 124)/(020200CLCLeccddUccUS差动电容差动电容耦合电感比臂电桥耦合电感比臂电桥 电容式传感器电容式传感器021CCC标准电感标准电感Lc输出电压输出电压 U0=0有两个桥臂电容值随被测量而变化。有两个桥臂电容值随被测量而变化。CCC01CCC02根据电路原理：根据电路原理：124002020CL

7、CLeCCccUU电桥的灵敏度电桥的灵敏度 =常数令：令：02Lcn124nnkeUkS4231ZZZZ 124nnk012n21n02Lcn2neUkS=常数常数kn21要合理选择要合理选择C和和L 第二节第二节 调制与解调调制与解调调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的过程。前一信号称为载波，后制下发生变化的过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调制信号。最后的输一信号（控制信号）称为调制信号。最后的输出是已调制波。出是已调制波。解调解调: :最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。根据载

8、波受调制的参数不同，调制可分为调幅根据载波受调制的参数不同，调制可分为调幅（AMAM）, ,调频（调频（FMFM）, ,调相（调相（PMPM）. .第三节第三节 滤波器滤波器 滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围的信号滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围的信号通过，同时极大地衰减其它频率成分。滤波器的这种通过，同时极大地衰减其它频率成分。滤波器的这种筛选功筛选功能能在测试技术中可以起到消除噪声及干扰信号等作用，在自在测试技术中可以起到消除噪声及干扰信号等作用，在自动检测、自动控制、信号处理等领域得到广泛的应用。动检测、自动控制、信号处理等领域得到广泛的应用。 滤波器的种类滤波器的种

9、类 根据滤波器的选频特性根据滤波器的选频特性q 低通滤波器低通滤波器(LP)(LP)：通频带：通频带0 0fcq 高通滤波器高通滤波器(HP)(HP)：通频带：通频带fC q 带通滤波器带通滤波器(BP)(BP)：通频带：通频带fC1fC2q 带阻滤波器带阻滤波器(BS)(BS)：通频带：通频带0 0fC1与与fC2 （阻带（阻带: : fC1 fC2） 1) 低通滤波器低通滤波器 从从0f2频率之间，幅频率之间，幅频特性平直，它可以使信号频特性平直，它可以使信号中低于中低于f2的频率成分几乎不的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于受衰减地通过，而高于f2的的频率成分受到极大地衰减。频率成分受到

10、极大地衰减。2) 高通滤波器高通滤波器 与低通滤波相反，与低通滤波相反，从频率从频率f1，其幅频特，其幅频特性平直。它使信号中高性平直。它使信号中高于于f1的频率成分几乎不受的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于衰减地通过，而低于f1的的频率成分将受到极大地频率成分将受到极大地衰减。衰减。 3) 带通滤波器带通滤波器 它的通频带在它的通频带在f1f2之之间。它使信号中高于间。它使信号中高于f1而而低于低于f2的频率成分可以不的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成受衰减地通过，而其它成分受到衰减。分受到衰减。4) 带阻滤波器带阻滤波器 与带通滤波相反，与带通滤波相反，阻带在频率阻带在频率f1f2之

11、之间。它使信号中高于间。它使信号中高于f1而低于而低于f2的频率成的频率成分受到衰减，其余频分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不率成分的信号几乎不受衰减地通过。受衰减地通过。 0020ftjeAfH理想滤波器理想滤波器 理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。 cff 其它 实际滤波器实际滤波器理想滤波器是不能实现的。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，

12、希分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。得越快、越多越好。实际滤波器需要用更多的概念实际滤波器需要用更多的概念和参数去描述它，主要参数有和参数去描述它，主要参数有纹波幅度、截止频率、带宽、纹波幅度、截止频率、带宽、品质因数、倍频程选择性等。品质因数、倍频程选择性等。 11ssH1 1、一阶、一阶RCRC低通滤波器低通滤波器传递函数令=RC，称时间常数。 jRCjjH 1111)( 2121 RCfc(f)2)2(11)(ffA0f1)(fAf21f21)(fA0)(

13、fA2 2、RCRC高通滤波器高通滤波器令RC=，则传递函数 1sssHRCfc 21 2)2(12fffA0f1)(fA0)(fA21f21)(fAf111)(211 ssssH 3 3、RCRC带通滤波器带通滤波器带通滤波器可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。221121,21 ccff )()(21fAfAfA分别调节高、低通环节的时间常数（ 及 ），就可得到不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。12第四节第四节 信号的放大信号的放大通常传感器的输出信号都很弱。一般都需放大电路放大，才通常传感器的输出信号都很弱。一般都需放大电路放大，才使于后续处理。放大电路应具有以下性能：使于后续

14、处理。放大电路应具有以下性能：1 1、足够的放大倍数。、足够的放大倍数。 2 2、高输入阻抗，低输出阻抗。、高输入阻抗，低输出阻抗。 3 3、高共模抑制能力。、高共模抑制能力。 4 4、低温漂，低噪声，低失调电压和电流。、低温漂，低噪声，低失调电压和电流。第五节第五节 测试信号的现实与记录测试信号的现实与记录被测量经过测试系统后。最后的环节就是指示和记录装置。为被测量经过测试系统后。最后的环节就是指示和记录装置。为人们提供指示值和记录数据来了解和分析测试结果。人们提供指示值和记录数据来了解和分析测试结果。显示与记录是反映被测量变化过程的信号。显示与记录是反映被测量变化过程的信号。记录仪器可以模

15、拟记录和数字记录两大类。记录仪器可以模拟记录和数字记录两大类。记录分为：显性记录、隐性记录记录分为：显性记录、隐性记录 。 显性记录：可直接观察所测信号的变化情况。如：光线示显性记录：可直接观察所测信号的变化情况。如：光线示波器、各种笔式记录仪。波器、各种笔式记录仪。 隐性记录：了不能直接观察所测信号变化特征。要通过其它隐性记录：了不能直接观察所测信号变化特征。要通过其它设备，才能显示出来。如：磁带、磁盘记录等。设备，才能显示出来。如：磁带、磁盘记录等。)(103310226641410Vusue 4-1 4-1 以阻值以阻值R=120R=120，灵敏度，灵敏度S=2S=2的电阻应变片与阻值的

16、电阻应变片与阻值R=120R=120的固定电的固定电阻组成的电桥，供桥电压为阻组成的电桥，供桥电压为3V3V，并假定负载为无穷大，当应变片的应变值，并假定负载为无穷大，当应变片的应变值为为22和和20002000时，分别求出单臂、双臂电桥的输出电压，并比较两时，分别求出单臂、双臂电桥的输出电压，并比较两种情况下的电桥的灵敏度。种情况下的电桥的灵敏度。 解：（解：（1 1）单臂电桥输出电压）单臂电桥输出电压eRRuu410sRR当应变片为当应变片为22时时 )(103310200023641410Vusue当应变值为当应变值为20002000时时 （2 2）双臂电桥输出电压）双臂电桥输出电压 eRRuu210当应变片为当应变片为22时时当应变值为当应变值为20002000时时 621210106eeRRusuu321210106ieRRusuu双臂电桥比单臂电桥的电压输出灵敏度提高一倍。双臂电桥比单臂电桥的电压输出灵敏度提高一倍。 4-2 4-2 有人在使用电阻应变片时，发现灵敏度不够，于是试图在工作电桥上有人在使用电阻应变片时，发现灵敏度不够，于是试图在工作电桥上增加电阻应变片数以提高灵