《传感器与测试技术》教学课件-第五章

传感器与测试技术传感器与测试技术第5章信号调理电路5.1测量电桥5.2调制与解调5.3滤波器第5章信号调理电路5.1测量电桥5.2调制与解调5.35.1测量电桥5.1.1直流电桥1．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。右图是直流电桥的根本形式。R1、R2、R3、R4称为桥臂电阻，e0为供桥直流电压源。5.1测量电桥5.1.1直流电桥1．电桥的工作原理2．电桥的连接方式在测试技术中，一般根据工作时电阻值参与变化的桥臂数将连接方式分为单臂电桥、差动半桥和差动全桥三种，如下图。〔a〕单臂电桥〔b〕差动半桥〔c〕差动全桥2．电桥的连接方式在测试技术中，一般根据工作3．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，这就是电桥的加减特性。3．电桥的加减特性与应用相邻桥臂电阻的阻值变

例5-1桥路温度补偿。如左图a所示试件，欲测量作用在其上的力F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R1和R2。R1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，如左图b所示。R1和R2处于相同温度场中，并按右图接入电桥的相邻臂上。例5-1桥路温度补偿。如左图a所示试件，例5-2在半桥测量中利用加减特性提高测量灵敏度。测量如左图所示的纯弯试件时，应变片R1和R2分别贴于试件的上下两外表，并按右图所示电桥接线。例5-2在半桥测量中利用加减特性提高测量例5-3试件受力情况如图a所示，应变片R1和R3贴在上外表，R2和R4贴在对称于中性层的下外表，并按图b组成全等臂电桥。〔a〕应变片粘贴位置〔b〕电桥连接方式例5-3试件受力情况如图a所示，应变片R5.1.2交流电桥交流电桥电路如下图，其鼓励电压e0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。

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，并且它们的阻抗角之和也必须相等，前者称为交流电桥模的平衡条件，后者称为相位平衡条件。5.1.2交流电桥交流电桥电路如下图，其右图是一种常用电容电桥，相邻两臂为纯电阻R2、R3，另外相邻两臂为电容C1、C4。R1、R4为电容介质损耗的等效电阻。c

欲使电桥达到平衡，必须同时满足两个条件，即电阻平衡条件和电容平衡条件右图是一种常用电容电桥，相邻两臂为纯电阻R2右图是一种常用的电感电桥，相邻两臂为纯电阻R2、R3，另外相邻两臂为电感L1、L4，R1、R4为电感线圈的等效电阻。左图是一种用于动态应变仪中的具有电阻和电容预调平衡的纯电阻电桥。电阻R1、R2和可变电阻R3用来调节电桥的电阻平衡，改变开关K的位置及调节可变电阻R3右图是一种常用的电感电桥，相邻两臂为纯电阻R5.1.3带感应耦合臂的电桥

带感应耦合臂的电桥是将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成电桥，一般有图中a、b两种形式。C〔a〕变压器电桥图a是用于电感比较仪中的电桥，感应耦合绕阻W1、W2〔阻抗为Z1、Z2〕和阻抗Z3、Z4构成电桥的四个臂，W1、W2相当于变压器的副边绕阻，这种桥路又称为变压器电桥。当Z1Z3=Z2Z4时，电桥平衡，指零仪G指零。〔b〕差动变压器式电桥

另一种形式如图b所示，电桥平衡时，绕阻W1、W2两段磁通大小相等、方向相反，激磁效应互相抵消，铁芯中无磁通，指零仪G指零。5.1.3带感应耦合臂的电桥带感应耦合臂5.2调制与解调调制是指利用被测缓变信号来控制或改变高频振荡波的某个参数〔幅值、频率或相位〕，使其按被测信号的规律变化，以利于信号的放大与传输。一般把控制高频振荡波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，根据调制原理不同，分别称为调幅波、调频波，如下图。解调那么是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号〔调制波〕。5.2调制与解调调制是指利用被测缓变信号5.2.1调幅及其解调1．原理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，如右图所示。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与载波频谱卷积的运算，是频率“搬移〞的过程。5.2.1调幅及其解调1．原理调幅是将高〔a〕时域〔b〕频域〔a〕时域假设把调幅波再次与原载波信号相乘，那么频域信号将再一次进行“搬移〞，这次频移是把以坐标原点为中心的已调波频谱搬移至以载波为中心处。由于载波频谱与原来调制时的相同而使第二次“搬移〞后的频谱有一局部“搬移〞到原点处，所以频谱中包含有与原调制信号相同的频谱和附加的高频频谱两局部，其结果如下图。同步解调假设把调幅波再次与原载波信号相乘，那么频域信2．包络检波包络检波在时域内的流程如下图。调幅波经过包络检波〔整流、滤波〕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，就可以恢复原调制信号x(t)。2．包络检波包络检波在时域内的流程如下图。调3．相敏检波

相敏检波常用的有半波相敏检波和全波相敏检波。图a所示为一开关式全波相敏检波电路。输出信号x0(t)如图b所示。〔a〕电路图〔b〕波形图3．相敏检波相敏检波常用的有半波相敏检波和全动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例，如下图。动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例5.2.2调频及其解调调频〔频率调制〕是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器的输出是等幅波，但其振荡频率和信号电压成正比。调频常用的方案是基于压控振荡器〔VCO〕原理，如下图。C采用乘法器的压控振荡器5.2.2调频及其解调调频〔频率调制〕是

调频波的解调称为鉴频或频率检波，相对应的有多种方案。图为一种简单的鉴频电路，该变换通常分两步完成：第一步先将等幅的调频波转换为幅值随频率变化的调频调幅波；第二步检测幅值的变化，得到原调制信号。〔a〕鉴频器〔b〕频率电压特性曲线调频波的解调称为鉴频或频率检波，相对应的有多5.3滤波器5.3.1概述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，而极大地衰减其他频率成分。一般分四类，即低通、高通、带通和带阻滤波器，如下图。〔a〕低通滤波器〔b〕高通滤波器〔c〕带通滤波器〔d〕带阻滤波器5.3滤波器5.3.1概述滤波器是一〔1〕低通滤波器低通滤波器从0～fc2频率之间的幅频特性平直，它可以使信号中低于fc2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于fc2的频率成分受到极大的衰减。〔2〕高通滤波器高通滤波器与低通滤波器相反，在频率fc1～∞之间的幅值特性平直，它可以使信号中高于fc1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于fc1的频率成分受到极大的衰减。〔3〕带通滤波器带通滤波器的通频带在fc1～fc2之间，它可以使信号中高于fc1而低于fc2的频率成分几乎不受衰减地通过，而其他成分受到极大的衰减。〔4〕带阻滤波器带阻滤波器与带通滤波器相反，阻带在频率fc1～fc2之间，它使信号中高于fc1而低于fc2的频率成分受到极大的衰减，其余频率成分几乎不受衰减地通过。〔1〕低通滤波器〔3〕带通滤5.3.2理想滤波器

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，其通带和阻带之间有明显分界线的滤波器。左图为理想低通滤波器的幅频及相频特性曲线，右图为脉冲响应函数。

理想低通滤波器是不可能存在的。同理可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。5.3.2理想滤波器理想滤波器是指能使通理想低通滤波器对单位阶跃的响应，如下图。〔a〕无相角滞后，时移t0=0〔b〕有相角滞后，时移t0≠0滤波器的高分辨能力和测量时的快速响应是互相矛盾的。假设用滤波的方法企图从信号中选取某一很窄的频率成分〔例如希望做高分辨力的频谱分析〕，就需要足够的时间。假设建立时间不够，就会产生谬误和假象。理想低通滤波器对单位阶跃的响应，如下图。〔a〕无相角滞后，5.3.3实际滤波器1．实际滤波器的根本参数以下图表示理想带通〔虚线〕与实际带通〔粗实线〕滤波器的幅频特性。对于实际滤波器，由于其特性曲线没有明显的转折点，通带中幅频特性也并非常数，需要用更多的参数来描述实际滤波器的性能。（1）波纹幅度d（2）截止频率（3）带宽B和品质因数Q值（4）倍频程选择性（5）滤波器因数（或矩形系数）5.3.3实际滤波器1．实际滤波器的根本参数2．RC滤波器RC滤波器RC无源滤波器一阶RC低通滤波器一阶RC高通滤波器RC有源滤波器RC有源低通滤波器RC有源带通滤波器2．RC滤波器RC滤波器RC无源滤波器一阶RC低通滤波器一阶3．恒带宽滤波器要使滤波器在所有频段都具有同样良好的频率分辨力，可采用恒带宽的滤波器。以下图是恒带宽比和恒带宽滤波器的特性对照图，图中滤波器的特性都画成理想的。〔a〕恒带宽比滤波器〔b〕恒带宽滤波器3．恒带宽滤波器要使滤波器在所有频段都具有同4．数字滤波器数字滤波器的根本工作原理是利用线性时不变系统对输入信号进行加工和变换，改变输入序列的频谱或信号波形，让有用的信号分量通过，抑制无用的信号分量输出。数字滤波器只能处理离散信号。

数字滤波器与模拟滤波器相比精度高、稳定性好、灵活性强和可预见性、不要求阻抗匹配以及可实现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能等。数字滤波器经典滤波器现代滤波器4．数字滤波器数字滤波器的根本工作原理是利用5.3.4MATLAB在滤波器分析中的应用举例MATLAB信号处理工具箱有许多工具函数用来分析滤波器的特性，包括时域分析、频域分析、任意输入响应、零极点位置等。常用的滤波器分析函数如表所示。5.3.4MATLAB在滤波器分析中的应用举例传感器与测试技术传感器与测试技术第5章信号调理电路5.1测量电桥5.2调制与解调5.3滤波器第5章信号调理电路5.1测量电桥5.2调制与解调5.35.1测量电桥5.1.1直流电桥1．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。右图是直流电桥的根本形式。R1、R2、R3、R4称为桥臂电阻，e0为供桥直流电压源。5.1测量电桥5.1.1直流电桥1．电桥的工作原理2．电桥的连接方式在测试技术中，一般根据工作时电阻值参与变化的桥臂数将连接方式分为单臂电桥、差动半桥和差动全桥三种，如下图。〔a〕单臂电桥〔b〕差动半桥〔c〕差动全桥2．电桥的连接方式在测试技术中，一般根据工作3．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，这就是电桥的加减特性。3．电桥的加减特性与应用相邻桥臂电阻的阻值变

例5-1桥路温度补偿。如左图a所示试件，欲测量作用在其上的力F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R1和R2。R1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，如左图b所示。R1和R2处于相同温度场中，并按右图接入电桥的相邻臂上。例5-1桥路温度补偿。如左图a所示试件，例5-2在半桥测量中利用加减特性提高测量灵敏度。测量如左图所示的纯弯试件时，应变片R1和R2分别贴于试件的上下两外表，并按右图所示电桥接线。例5-2在半桥测量中利用加减特性提高测量例5-3试件受力情况如图a所示，应变片R1和R3贴在上外表，R2和R4贴在对称于中性层的下外表，并按图b组成全等臂电桥。〔a〕应变片粘贴位置〔b〕电桥连接方式例5-3试件受力情况如图a所示，应变片R5.1.2交流电桥交流电桥电路如下图，其鼓励电压e0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。

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，并且它们的阻抗角之和也必须相等，前者称为交流电桥模的平衡条件，后者称为相位平衡条件。5.1.2交流电桥交流电桥电路如下图，其右图是一种常用电容电桥，相邻两臂为纯电阻R2、R3，另外相邻两臂为电容C1、C4。R1、R4为电容介质损耗的等效电阻。c

欲使电桥达到平衡，必须同时满足两个条件，即电阻平衡条件和电容平衡条件右图是一种常用电容电桥，相邻两臂为纯电阻R2右图是一种常用的电感电桥，相邻两臂为纯电阻R2、R3，另外相邻两臂为电感L1、L4，R1、R4为电感线圈的等效电阻。左图是一种用于动态应变仪中的具有电阻和电容预调平衡的纯电阻电桥。电阻R1、R2和可变电阻R3用来调节电桥的电阻平衡，改变开关K的位置及调节可变电阻R3右图是一种常用的电感电桥，相邻两臂为纯电阻R5.1.3带感应耦合臂的电桥

带感应耦合臂的电桥是将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成电桥，一般有图中a、b两种形式。C〔a〕变压器电桥图a是用于电感比较仪中的电桥，感应耦合绕阻W1、W2〔阻抗为Z1、Z2〕和阻抗Z3、Z4构成电桥的四个臂，W1、W2相当于变压器的副边绕阻，这种桥路又称为变压器电桥。当Z1Z3=Z2Z4时，电桥平衡，指零仪G指零。〔b〕差动变压器式电桥

另一种形式如图b所示，电桥平衡时，绕阻W1、W2两段磁通大小相等、方向相反，激磁效应互相抵消，铁芯中无磁通，指零仪G指零。5.1.3带感应耦合臂的电桥带感应耦合臂5.2调制与解调调制是指利用被测缓变信号来控制或改变高频振荡波的某个参数〔幅值、频率或相位〕，使其按被测信号的规律变化，以利于信号的放大与传输。一般把控制高频振荡波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，根据调制原理不同，分别称为调幅波、调频波，如下图。解调那么是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号〔调制波〕。5.2调制与解调调制是指利用被测缓变信号5.2.1调幅及其解调1．原理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，如右图所示。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与载波频谱卷积的运算，是频率“搬移〞的过程。5.2.1调幅及其解调1．原理调幅是将高〔a〕时域〔b〕频域〔a〕时域假设把调幅波再次与原载波信号相乘，那么频域信号将再一次进行“搬移〞，这次频移是把以坐标原点为中心的已调波频谱搬移至以载波为中心处。由于载波频谱与原来调制时的相同而使第二次“搬移〞后的频谱有一局部“搬移〞到原点处，所以频谱中包含有与原调制信号相同的频谱和附加的高频频谱两局部，其结果如下图。同步解调假设把调幅波再次与原载波信号相乘，那么频域信2．包络检波包络检波在时域内的流程如下图。调幅波经过包络检波〔整流、滤波〕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，就可以恢复原调制信号x(t)。2．包络检波包络检波在时域内的流程如下图。调3．相敏检波

相敏检波常用的有半波相敏检波和全波相敏检波。图a所示为一开关式全波相敏检波电路。输出信号x0(t)如图b所示。〔a〕电路图〔b〕波形图3．相敏检波相敏检波常用的有半波相敏检波和全动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例，如下图。动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例5.2.2调频及其解调调频〔频率调制〕是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器的输出是等幅波，但其振荡频率和信号电压成正比。调频常用的方案是基于压控振荡器〔VCO〕原理，如下图。C采用乘法器的压控振荡器5.2.2调频及其解调调频〔频率调制〕是

调频波的解调称为鉴频或频率检波，相对应的有多种方案。图为一种简单的鉴频电路，该变换通常分两步完成：第一步先将等幅的调频波转换为幅值随频率变化的调频调幅波；第二步检测幅值的变化，得到原调制信号。〔a〕鉴频器〔b〕频率电压特性曲线调频波的解调称为鉴频或频率检波，相对应的有多5.3滤波器5.3.1概述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，而极大地衰减其他频率成分。一般分四类，即低通、高通、带通和带阻滤波器，如下图。〔a〕低通滤波器〔b〕高通滤波器〔c〕带通滤波器〔d〕带阻滤波器5.3滤波器5.3.1概述滤波器是一〔1〕低通滤波器低通滤波器从0～fc2频率之间的幅频特性平直，它可以使信号中低于fc2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于fc2的频率成分受到极大的衰减。〔2〕高通滤波器高通滤波器与低通滤波器相反，在频率fc1～∞之间的幅值特性平直，它可以使信号中高于fc1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于fc1的频率成分受到极大的衰减。〔3〕带通滤波器带通滤波器的通频带在fc1～fc2之间，它可以使信号中高于fc1而低于fc2的频率成分几乎不受衰减地通过，而其他成分受到极大的衰减。〔4〕带阻滤波器带阻滤波器与带通滤波器相反，阻带在频率fc1～fc2之间，它使信号中高于fc1而低于fc2的频率成分受到极大的衰减，其余频率成分几乎不受衰减地通过。〔1〕低通滤波器〔3〕带通滤5.3.2理想滤波器

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，其通带和阻带之间有明显分界线的滤波器。左图为理想低通滤波器的幅频及相频特性曲线，右图为脉冲响应函数。

理想低通滤波器是不可能存在的。同理可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。5.3.2理想滤波器理想滤波器是指能使通理想低通滤波器对单位阶跃的响应，如下图。〔a