机械工程测试技术基础4

传感器输出信号的基本形式

1、电信号，如电压、电流或电荷量2、电参数的变化，如电阻、电感和电容等信号并不能被读取或者记录

1、非电压信号难以被直接显示2、信号太微弱

3、信号本身还携带不期望的信息或噪声因此，传感器的输出信号尚需经过调理、放大、滤波等处理，然后被显示或记录。第4章信号的调理和记录信号调理的目的：便于信号的传输与处理传感器输出的信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大。有些传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行处理。有些传感器输出的是电信号，但信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。本章学习要求了解电桥工作原理了解信号调制解调原理了解信号滤波器工作原理了解测试信号的显示与记录

§4.1电桥电阻应变片，其电阻的变化量只有0.0001～0.1欧的变化量，如此微小的电阻变化量，是很难用测量仪器直接测量出来，常用的就是采用一定形式的电桥，将其转换为电压的变化，再进行放大。

电桥是将电阻、电感、电容等参量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。由于桥式测量电路简单，并具有较高精确度和灵敏度(特点),因此在测量装置中被广泛应用。按照其激励电压的性质，可分为直流与交流电桥；按照输出方式，可分为不平衡桥式电路与平衡桥式电路。一、直流电桥基本结构：如图所示，由四个阻抗构成四个桥臂。A和C接入直流电源作为电桥的激励电源，B和D端为输出端。在直流电源激励下,图中线路b、d的电势相等时,即输出电压为0，称为电桥的平衡。此时桥路电流为：a、b之间与a、d之间电位差：输出电压：由此可以看出，若要使电桥平衡，输出为零，应满足：3、在测试技术中，一般根据工作中电阻值参与变化的桥臂数可分为单臂电桥连接、半桥式与全桥式联接，如图5－2所示。四个阻抗臂都感受被测量的变化称之为全桥。4、输出特性（1）单臂电桥连接输出电压为了简化设计，取相邻两桥臂电阻相等，即若，则输出电压一般

可见，电桥的输出与激励电压成正比，且在一定条件下，与成正比。灵敏度（2）半桥双臂接法输出灵敏度

与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与成完全线性关系。（3）全桥接法输出

灵敏度

显然，电桥接法不同，灵敏度也不同，全桥接法可以获得最大的灵敏度。5、和差特性当输出所以从这个等式中我们可以看出：当一对相对边感受大小相等、方向相同的信号时，电桥输出不为0，感受大小相等、方向相反的信号时，输出为0。当相邻边感受大小相等、方向相反的信号时，电桥输出不为0；而感受大小相等、方向相同的信号时，输出为0。因此，我们把相对边称为同变输入端——工作时接入同变信号；把相邻边称为差变输入端——工作时接入差变信号。这样电桥才有最大输出。这就是电桥的和差特性。利用这一特性，通常电桥可用于合理布置应变片和连接电桥等，使灵敏度得到提高。6、和差特性的应用举例悬臂梁受弯矩力和拉伸力同时作用时，现要求分别测出弯矩力和拉伸力，应该如何布片，如何接桥？分析：悬臂梁在受弯矩力作用时，上侧面为拉应变，下侧面为压应变；在受到拉伸力时作用时，上、下侧面均为拉应变。利用电桥的和差特性，在测弯矩力时，将应变片贴于悬臂梁的上、下侧面，同时在接桥时把应变片接在电桥的相邻桥臂上，另外两个桥臂为固定电阻。这样，在弯矩力F作用下，dR1=-dR2,同时dR3=dR4=0,电桥输出为而在拉伸力作用下，由于dR1=dR2，所以电桥的输出电压仅反映的是弯矩力作用的结果而与拉伸力无关。而在测量拉伸力时，只要把上、下侧面的应变片、连接在电桥的相对桥臂上即可，这时电桥的输出电压仅反映的是拉伸力作用的结果而与弯矩力大小无关。

4-1、解：1）单臂电桥输出电压，当应变为2με时

当应变为2000με时的输出电压为

2）双臂电桥输出电压，当应变为2με时

当应变为2000με时的输出电压为

二、交流电桥

交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。电路结构与直流电桥完全一样，其平衡关系式在交流电桥中也可适用。把各阻抗用指数式表示并代入：若此式成立，必须同时满足下列两等式：i为各阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差

Z0i为各阻抗的模

纯电阻时电流与电压同相位，＝0；电感性阻抗，＞0；电容性阻抗，＜0。交流电桥平衡必须满足两个条件，即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。图4－7是一种常用电容电桥：

根据平衡条件有，上式的实数和虚数部分分别相等，则有下面两个平衡条件：

图4-5是一种常用电感电桥，电桥平衡条件为：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4-6）。为此，除了有电阻平衡外，还须有电容平衡。三、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的电桥，一般有下列两种形式。图4-11a是用于电感比较仪中的电桥，感应耦合的绕组W1、W2与阻抗Z3、Z4构成电桥的四个臂。绕组W1、W2相当于变压器的二次边绕组，这种桥路又称变压器电桥。平衡时，指零仪G指零。另一种形式如图4-8b所示，电桥平衡时，绕组W1、W2的激磁效应互相抵消，铁心中无磁通，所以指零仪G指零。带感应耦合臂的电桥与一般电桥比较，具有较高的精确度、灵敏度以及性能稳定等优点。例：4-2第一问答：不能提高灵敏度，因为半桥双臂时，其输出电压当两桥臂各串联电阻应变片时，其电阻的相对变化量为：即仍然没有发生变化，故灵敏度不变。§4.2调制与解调目的：主要解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。

定义：所谓调制就是使一个信号的某些参数在另一个信号的控制下而发生变化的过程。最终从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调。载波调制信号调制波为了进行有效的传输，必须采用几百khz以上的高频振荡信号作为载体，将携带信息的低频电信号“装载”到高频振荡信号上（调制），然后经天线发送出去，到了接受端后，再把低频电信号从高频振荡信号上卸取下来（解调）．不调制各电台发出的信号频率就会相同，用户无法选择；通过调制，各信号被搬移到不同的频率范围，接收机可选择接收，从而实现多路复用。

调制：把缓变信号（调制信号）变成高频交变信号的过程

解调：把高频交变信号变成缓变信号的过程

载波：未经调制的高频振荡信号

分类：

调制：Modulation调幅(Amplitudemodulation--AM）调频（Frequencymodulation-FM)调相（Phasemodulation--PM)

调幅：载波的幅值随调制信号而变化的过程

调频：载波的频率随调制信号而变化的过程

调相：载波的相位随调制信号而变化的过程4.2.1幅值调制与解调一、原理

调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化的过程。调制器（乘法器）

调制信号

载波

调幅波

以频率为f0的余弦信号作为载波进行讨论一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其频谱图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。二、频域分析所以，若以高频余弦信号作载波，把信号x(t)和载波信号相乘，其结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至载波频率f0处，其幅值减半。可以看出，所谓调幅过程相当于频谱”搬移过程。

从调幅原理看，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。

为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽相对中心频率（载波频率）应越小越好。

实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号。调幅：从频域上：相当于频率的搬迁过程。从低频搬迁到高频。频谱形状保持不变（f0>>fm)。从时域上：用x（t）去控制改变y（t）的幅值，使xm（t）的幅值随着x（t）的变化而变化，频率仍与x（t）相同。三、调幅信号的解调方法常用的有同步解调、包络检波和相敏检波法（一）同步解调若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”。若用一个低通滤波器滤去中心频率为2f0的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（只是其幅值减小为一半，这可用放大处理来补偿），这一过程称为同步解调。“同步”指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位。在时域分析中也可看到：低通滤波器将频率为2f0的高频信号滤去，则得到：（二）、包络检波（整流检波）若把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，使偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状，如图所示。把该调幅波进行简单的半波或全波整流、滤波，并减去所加的偏置电压就可以恢复原调制信号。这种方法又称作包络分析。xm(t)=[A+x(t)]cos2πf0t

（三）、相敏检波

交变信号过零线时符号发生突变（+、-），与之对应的调幅波相位（与载波比较）也相应地发生180°的相位跳变。利用载波信号与调幅信号比相，便既能反映出原信号的幅值又能反映其极性。采用相敏检波时，对原信号可不必再加偏置。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。0~a段：x(t)为正，y(t)和xm(t)同相

当载波电压为正半周时，因为同相，A、B变压器次级端的相位极性相同，载波电压加到桥路1、3端，D1、D2导通，D3、D4截止。调幅电压加到桥路2、4端，D1、D4导通，D2、D3截止。由于D2、D3、D4均属截止状态，惟有D1导通。

所以，电流的流向只有一个可能性

当载波电压为负半周时，A、B变压器次级端的相位极性同时改向，载波电压加到桥路1、3端，D3、D4导通，D1、D2截止。调幅电压加到桥路2、4端，D2、D3导通，D1、D4截止。由于D1、D2、D4均属截止状态，惟有D3导通。

所以，电流的流向只有一个可能性

可见在0~a段，电流经负载的电流方向始终是由上到下，输出电压为正值。去掉了波形中的负信号。a~b段：x(t)为负，y(t)和xm(t)反相

当载波电压为正半周时，因为反相，A、B变压器次级端的相位极性相反，载波电压加到桥路1、3端，D1、D2导通，D3、D4截止。调幅电压加到桥路2、4端，D2、D3导通，D1、D4截止。由于D1、D3、D4均属截止状态，惟有D2导通。

所以，电流的流向只有一个可能性

当载波电压为负半周时，载波电压加到桥路1、3端，D3、D4导通，D1、D2截止。调幅电压加到桥路2、4端，D1、D4导通，D2、D3截止。由于D1、D2、D3均属截止状态，惟有D4导通。

所以，电流的流向只有一个可能性

可见在a~b段，电流经负载的电流方向始终是由下到上，输出电压为负值。去掉了波形中的正信号。调幅应用——动态电阻应变仪。

ResistanceStrainMeter电阻应变仪

利用电阻应变片作为传感元件来测量应变的专用电子仪器称为电阻应变仪。

（按频率分类）

静态电阻应变仪（5Hz

）

静动态电阻应变仪（0~200Hz）

动态电阻应变仪（0~1500Hz）

超动态电阻应变仪（几十千赫兹）电阻应变仪分类调频是利用信号x（t）的幅值调制载波的频率，或者说调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波。

4.2.2