机械工程测试技术-4

1、42310432142310RRRRURRRRRRRRUUdbUcaRRRRyy则必须：为零，如要使电桥平衡，输出，则：两端输出电压、在，两端接入直流电源、臂，在作为四个桥、以电阻基本形式，如图所示是直流电桥的的输出。全桥接法可以获得最大输出的电压也不同，显然，电桥接法不同，桥：全半桥双臂：半桥单臂：分别为：如图所示。对应的输出桥式与全桥式联接。变化的的桥臂数分为半据工作中电阻值参与在测试技术中，一般根00000024URRUURRUURRUyyy感电桥。合，常用的有电容、电组交流电桥各臂可有不同为满足上述平衡条件，和也必须相等。之等，并且它们的阻抗角臂阻抗之模的乘积应相两须满足两个条件，相对

2、表明，交流电桥平衡必表示则为：若用阻抗模和阻抗角来到平衡必须满足：达为阻抗。这样要使电桥电感、电容或电阻，即为电压，电桥的四个臂可交流电桥采用交流激励4231040203014231ZZZZZZZZ如图所示是一种常用电容电桥，两相邻桥臂为纯电阻R2 、R3，另外相邻两臂为电容C1、C4。此时R1、R4可视为电容介质损耗的等效电阻。根据平衡条件，有令上式的实数和虚数部分分别相等，则有下面两个平衡条件，即 R1R3R2R4 由此可知，要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻与电容两个参数，即调节电阻达到电阻平衡，调节电容达到电容平衡。13421411RRRRj Cj C3214RRCC 图45是一种常用

3、电感电桥，两相邻桥臂为电感L1、L4与电阻R2 、R3，根据电桥平衡条件应为 R1R3=R2R4 L1R3L4R2 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了一个电容（图46）。为此，除了有电阻平衡外，还须有电容平衡。图47表示一种用于动态应变仪中的具有电阻、电容平衡的纯电阻电桥。电容C2是一个差动可变电容器，当扭动电容平衡旋钮时，电容器左右两部分的电容，其一增加，另一则减少，使并联到相邻两臂的电容值改变，以实现电容平衡。 在一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良好的电压波形与频率稳定度。如电源电压波形畸变（即包含了高次谐波），对基波而言，电桥达

4、到平衡，而对高次谐波，电桥不一定能平衡，因而将有高次谐波的电压输出。一般采用音频交流电源(510)kHz作为电桥电源。这样，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路中引入，并且后接交流放大电路简单而无零漂。 采用交流电桥时，必须注意到影响测量误差的一些因素，例如，电桥中元件之间的互感影响；无感电阻的残余电抗；邻近交流电路对电桥的感应作用；泄漏电阻以及元件之间、元件与地之间的分布电容等。当于频谱“搬移”过程半，所以调幅过程就相处，其幅值减点平移至载波频率原信号的频谱图形由原果就相当于把和载波信号相乘，其结可以看出，信号而变化。如下所述：信号的变化高频信号的幅值随测试（调制信号）相乘，使与测试信

5、号高频简谐信号（载波）（）调幅：是将一个0000000)()(*)(21)(*)(212cos)()(21)(212cos)()(*)()()(ftxfffXfffXtftxfffftftyfYfXtytx信号。数倍甚至数十倍于调制波频率常至少）应越小越好，实际载中心频率（载波频率相对于宽引起的失真，信号的频减少放大电路可能可能重叠。为了信号频谱图形，不至于才能使已调波仍保持原频率必须高于原信号中最高频率从调幅原理来看，载波。这一过程称为同步解调用放大处理来补偿），一半，这谱（只是其幅值减少为将可以复现原信号的频的高频成分，那么去中心频率为若用一个低通滤波器滤”，其结果如图示。形将再一次进行“

6、搬移乘，则频域图波再次与原载波信号相（）解调：若把调幅00000024cos)(212)(2cos2cos)(ffffftftxtxtftftxmmB 相敏检波相敏检波 a 原理：采用相敏检波时，对原信号可不必再加偏置。注意到交变信号在其过零线时符号（、）发生突变，调幅波的相位（与载波比较）也相应地发生180的相位跳变。利用载波信号与之比相，便既能反映出原信号的幅值又能反映其极性。 b 例如图413中x（t）为原信号；y（t）为载波，xm（t）为调幅波。电路设计使变压器B二次边的输出电压大于A二次边的输出电压。 c 这种相敏检波是利用二极管的单向导通作用将电路输出极性换向。这种电路相当于在0a

7、段把xm（t）的零线下的负部翻上去，而在ab段把正部翻下来，所检测到的信号uf是经过“翻转”后信号的包络。C 动态电阻应变仪动态电阻应变仪 （图414）可作为电桥调幅与相敏检波的典型实例。电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压（一般频率为10kHz或15kHz）。被测量（应变）通过电阻应变片调制电桥输出。电桥输出为调幅波，经过放大，最后经相敏检波与低通滤波取出所测信号。12fLC32111222ffLCLCC 002fCfC 00012CffffC （）压控振荡器（）压控振荡器 利用压控振荡器是一种常用的调频方案。压控振荡器的输出瞬时频率与输入的控制电压值成线性关系。图416是一种压控振荡器原理图。

8、压控振荡电路有多种形式，现在已有集成化的压控振荡器芯片出售。（）解调：变压器耦合的谐振回路鉴频法调频波的解调又称为鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。实现鉴频过程的方案很多，图417是一种采用变压器耦合的谐振回路鉴频方法，也是测试仪器常用的鉴频法。图所示。则称为理想滤波器。如其它满足：若滤波器的频率响应量系统的频响函数为：测不失真传输条件，理想用的。根据线性系统的作滤波器的传输特性是有不能实现的，但对了解是想化的模型，在物理上理想的滤波器是一个理cftjftjffeAfHfHeAfH002020)()()(阻止。大的衰减，却不能完全分只能极号中通带以外的频率成，所以一个滤波器对

9、信域图形将延伸到地讲，实际滤波器的频频率上完全截止。原则，也不会在有限形不可能出现直角锐变在的。实际的滤波器图滤波器都是不存想的高通、带通、带阻存在的。可以推论，理低通滤波器是不未来的能力，所以理想波器不可能有这种预知，任何现实的滤显然这违背了因果关系与输入相对应的输出，滤波器就有了到来之前，即，在的输出，其图形却表明作用下是滤波器在实现的，因为这种理想滤波器是不能。，也延伸到延伸到具有对称的图形，不仅，则：即函数。如无相位滞后，是实域脉冲响应函数“理想低通滤波器”的在频域为矩形窗函数的ftttthttthtftfAfthtcccc0)()()()(2)2sin(2)(0sin01210( )

10、000tu ttt( )( )( )( ) ()y th tu tuh td0.61abcttf0.45abcttf 需要一定的建立时间也可以这样解释：输入信号如有突变处必然含有丰富的高频分量。低通滤波器阻衰了高频分量，其结果是把输出波形“圆滑”了。通带越宽，阻衰的高频分量越少，使信号能量更多、更快地通过，所以建立时间就短；反之，则长。故低通滤波器（ 高通、带通、带阻也适用，因为滤波器的特性是可以相互推演的）对阶跃响应的建立时间Te和带宽B成反比，或者说带宽和建立时间的乘积是常数，即 B Te常数 滤波器的带宽表示它的频率分辨力，通带越窄则分辨力越高。这一结论具有重要意义：滤波器的高分辨能力和

11、测量时快速响应的要求是互相矛盾的。如果用滤波的方法企图从信号中择取某一很窄的频率成分，就需要有足够的时间。如果建立时间不够，就会产生谬误和假象。但对已定带宽的滤波器，过长的测量时间也是不必要的。一般采用B Te510已足够了。对于测试过程的记录长度也应该根据上述要求作相应的考虑。1)纹波幅度d 在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化。其波动幅度d与幅频特性的平均值A0相比，越小越好，一般应远小于3dB，即:2)截止频率 幅频特性值等于 所对应的频率称为滤波器的截止频率。以A0为参考值， 对应于3dB点，即相对于A0衰减3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功

12、率点。 3)带宽B和品质因数Q值 上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或3dB带宽，单位为Hz。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力频率分辨力，通常把中心频率f0和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。 20Ad 20A20A4)倍频程选择性 实际滤波器在两截止频率外侧，有一个过渡带，这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。通常用倍频程选择性来表征。所谓倍频程选择性，是指在上截止频率fc2与2 fc2之间，或者在下截止频率fc1 与fc1/2之间幅频特征的衰减量，即频率变化一个倍频程时的衰减量，以dB为单位。显然，衰减越快，滤

13、波器选择性越好。对于远离截止频率的衰减率也可以用10倍频程衰减量表示之。 5)滤波器因数（或矩形系数） 滤波器选择性的另一种表示方法，是用滤波器幅频特性的60dB带宽与3dB带宽的比值来表示。理想滤波器1，通常使用的滤波器15。有些滤波器因器件影响（例如电容漏阻等），阻带衰减量达不到60dB，则以标明衰减量（如40dB或30dB）的带宽与3dB带宽之比来表示其选择性。 603dBdBBByyxRCduuudt( )1( )( )1yxUsH sUssA.当 f1/2RC时，输出y与输入x的积分成正比，即 此时RC低通滤波器起着积分器的作用，对高频成分的衰减率为20dB/10倍频程（或6dB/倍频程）。如要加大衰减率，应提高低通滤波器的阶数。可以将几个一阶低通滤波器串联使用。但串联后后级的滤波电阻、电容对前一级电容起并联作用，产生负载效应。由于级间耦合，高频衰减率并非简单的叠加。 12212cfRC1yxuu