机械测试技术及其应用CH+5+信号调理处理和记录

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2/3/20231第5章信号调理、处理和记录SignalCondition,ProcessandRecord5.1电桥(BridgeCircuit)5.2调制与解调(ModulationandDemodulation)5.3滤波器(WaveFilter)5.4信号的指示和记录装置

(IndicationandRecordEquipmentsofSignal)返回2/3/20235.1电桥

(BridgeCircuit)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。按照激励电压的性质，分为直流电桥和交流电桥；按照输出方式，分为不平衡桥式电路和平衡桥式电路。电桥:分类:1.直流电桥电桥(2/19)2/3/2023R1R3R4R2uiuoI1I2abdc2/3/2023(2)电桥的平衡条件

(1)电桥输出电压电桥(3/19)直流电桥的连接方式

(a)半桥单臂(b)半桥双臂(c)全桥

电桥(4/19)R3R4R2uiuoI1I2abdcR3R4uiuoI1I2abdcuiuoI1I2abdc11RRD±11RRD±22RRDm11RRD±22RRDm44RRDm33RRD±342uu1234uu12u1211RRD±11RRD±22RRDm11RRD±22RRDm44RRDm33RRD±电桥(5/19)如电桥开始处于平衡状态,当各桥臂电阻发生微小变化时电桥失去平衡,其输出为(3)电桥的灵敏度一般R很小，即R<<R，又由于电桥开始时平衡，即所以2/3/2023电桥(6/19)

半桥单臂接法:

半桥双臂接法:

全桥接法

:实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，往往取桥臂电阻相等，即

2/3/2023定义电桥的灵敏度

则三种接法的灵敏度比分别为1：2：4。电桥(7/19)注意：相邻两臂电阻增量符号相反；相对两臂电阻增量符号相同。2/3/2023例:如图所示，悬臂梁受力F作用，要求出F，并且要考虑温度的影响。试画出应变片的粘贴位置与电桥的连接方式图。电桥(8/19)F电桥(9/19)FR1R2R1R1R3R2R4eyex轴向粘贴位置如何考虑？2/3/2023解:力F使悬臂梁产生纯弯曲变形，温度使梁产生拉伸变形F电桥(10/19)2/3/2023电桥(11/19)R1R3R2R4eyexFR1R2R12/3/2023如果上述测试灵敏度不够,怎么办?改成全桥。电桥(12/19)R1R3R2R4eyexFR1,3R2,4R1R3灵敏度是半桥接法的2倍。2/3/2023电桥(13/19)另外：轴向粘贴在变形最大的位置，可得到最大的灵敏度。由如下两等式可以求出力F2/3/20232.交流电桥

在已知输入电压及电阻的情况下，电桥可以通过输出电压的变化测出电阻的变化值。当输入电源为交流电源时，上述等式仍旧成立。

把电容、电感写成矢量形式时，电桥平衡条件式可改写为写成复指数形式

电桥平衡条件为(1)电桥平衡条件电桥(14/19)2/3/2023此式成立的条件为等式两边阻抗的模、阻抗角相等，即

因此，交流电桥需要两只旋钮调平衡，一只用于调整阻抗的模，一只用于调整阻抗角。

交流电桥有不同的组合，常用的有电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻，而另外两臂接入相同性质的阻抗，例如都是电容或电感。电桥(15/19)2/3/2023交流电桥图1)电容电桥的平衡条件

电桥(16/19)cdbR3aR1uouiI1I2R4R2C1C2(a)电容电桥 cdbR3aR1uouiI1I2R4R2L1L2(b)电感电桥 2/3/20232)电感电桥的平衡条件电桥(17/19)cdbR3aR1uouiI1I2R4R2L1L2电感电桥 2/3/20233)具有电阻、电容平衡的交流电阻电桥

调电阻平衡调电容平衡电桥(18/19)2/3/2023交流电桥的平衡条件针对供桥电源只有一个频率的情况下推出的。当供桥电源有多个频率成分时，得不到平衡条件，也即电桥是不平衡的。因此，交流电桥对供桥电源要求具有良好的电压波形和频率稳定性。采用交流电桥时，还要注意影响测量误差的一些参数，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。(2)交流电桥的特点电桥(19/19)2/3/2023§5.2调制与解调

(ModulationandDemodulation)传感器输出的电信号一般为较低频率分量（在直流至几十千赫兹之间），当被测信号比较弱时，为了实现信号的传输尤其是远距离传输，可以采用直流放大或调制与解调。信号传输过程中容易受到工频及其他信号的干扰，若采用直流放大则在传输过程中必须采用有限措施抑制干扰信号的影响。实际中往往采用更有效的先调制而后交流放大，将信号从低频区推移到高频区，也可以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。2/3/2023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。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调制信号。对应于信号的三要素：幅值、频率和相位，根据载波的幅值、频率和相位随调制信号而变化的过程，调制可以分为调幅、调频和调相，其波形分别称为调幅波、调频波和调相波。调制与解调(2/26)单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级2/3/2023载波、调制信号及调幅、调频波图(a)载波信号(b)调制信号(c)调幅波形(d)调频波形调制与解调(3/26)(a)(b)(c)(d)2/3/20231.幅值调制与解调

设调制信号为，其最高频率成分为，载波信号为，。则有调幅波：

由傅里叶变换的卷积性质调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号（调制信号）相乘，使载波信号的幅值随测试信号的变化而变化。(1)幅值调制的工作原理调制与解调(4/26)2/3/2023则而调制与解调(5/26)2/3/2023调幅过程相当于“频谱”搬移过程。调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送。如在电话电缆、有线电视电缆中，由于不同的信号被调制到不同的频段，因此在一根导线中可以传输多路信号。为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽相对于中心频率（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频率。调制与解调(6/26)2/3/2023(2)幅值调制信号的解调

1)同步解调解调的目的是为了恢复被调制的信号。调幅波载波调幅波与载波时域乘积，频域卷积调制与解调(7/26)2/3/2023从时域看：

2)整流检波解调对调制信号进行偏置，使其大于零。将该调制波进行整流（半波或全波）、滤波并消除直流偏置即可恢复原信号。调制与解调(8/26)整流检波解调(a)(b)(c)(d)(e)(f)2/3/2023调制与解调(9/26)2/3/20233)相敏检波解调

相敏检波又称相敏整流。其特点是相敏检波的解调输出既能反映调制信号电压的幅值，又能反映调制信号电压的极性。

调制与解调(10/26)2/3/2023调制与解调(11/26)2/3/2023相敏检波器设计时要求B的二次边的输出大于A的二次边输出。回路i1起点回路i2起点++电压:从负正,为(+)正;负载从上下为(+)正调制与解调(12/26)2/3/2023由上两图知，x(t)>0时，无论调制波是否为正，相敏检波器的输出波形均为正，即保持与调制信号极性相同。这种电路相当于在0~a段对xm(t)全波整流，解调后的频率比原调制波高一倍。调制与解调(13/26)2/3/2023调制与解调(14/26)2/3/2023由上两图知，x(t)<0时，不管调制波极性如何，相敏检波器的输出波形均为负，保持与x(t)一致。同时，电路在a~b段相当于对xm(t)全波整流后反相，解调后的频率为原调制波的两倍。调制与解调(15/26)2/3/20234)调幅应用——动态电阻应变仪

调制与解调(16/26)电桥放大器相敏检波低通滤波显示记录载波振荡器x(t)x(t)0t0ty(t)电阻应变片0tx’m(t)0tx’(t)0txm(t)2/3/20232．调频及其解调

(1)

原理利用调制信号的幅值控制载波信号频率的过程。调频波是等幅波，但频率的变化量与调制信号幅值成正比。

调频波的瞬时频率可表示为

f=f0+f=f0+Kx(t)f0为载波频率，也称中心频率。f为频率偏移，与调制信号x(t)幅值成正比。

调制与解调(17/26)2/3/2023调频波与调制信号幅值的关系图

调制与解调(18/26)2/3/2023设调制信号

载波信号为

调频时载波的幅值和初始相位角不变，瞬时频率围绕着f0随调制信号电压作线性的变化：由上式可见，频率偏移与调制信号的幅值成正比，与调制信号的频率无关，这是调频波的基本特征之一。

调制与解调(19/26)2/3/2023实现信号的调频和解调的方法甚多。在测量系统中，常利用电抗元件组成调谐振荡器，以电抗元件（电感或电容）作为传感器参量，以它感受被测量的变化，作为调制信号的输入，振荡器原有的信号振荡信号作为载波。当有调制信号输入时，振荡器输出即为被调制了的调频波。当电容C和电感L并联组成振荡器的谐振回路时，电路的谐振频率将为：

调制与解调(20/26)2/3/2023无信号输入时，x(t)=0，谐振电路的谐振频率为有信号输入时，x(t)≠0，谐振电路的谐振频率为调制与解调(21/26)2/3/2023对上式求微分得谐振频率的绝对变换量:在载波频率f0附近有C1=C0，所以调制与解调(22/26)2/3/2023谐振频率的表达式为用Kf表示调制与解调(23/26)2/3/2023无信号时，谐振电路的输出电压有信号时，谐振电路的输出电压调制与解调(24/26)2/3/2023

(2)调频波的解调调频波是以正弦波频率的变化来反映被测信号的幅值变化。调频波的解调是先将调频波变换成调频调幅波，然后进行幅值检波。调频波的解调由鉴频器完成。鉴频器通常由线性变换电路与幅值检波电路组成。调制与解调(25/26)2/3/2023(a)

鉴频器

(b)频率-电压特性曲线调制与解调(26/26)ufC1L1L2C2CRu0ua频率电压线性变换部分幅值检波ua0

n0t∆tua0uat02/3/20235.3滤波器

(WaveFilter)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，同时极大地衰减其他频率成分。滤波器的这种筛选功能在测试技术中可以起到消除噪声、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。2/3/20231.滤波器的分类低通滤波器：通频带0~f2。高通滤波器：通频带f1~带通滤波器：通频带f1~f2带阻滤波器：通频带0~f3与f4~（阻带：f3~f4）(1)

根据滤波器的选频特性分类高通滤波器幅频特性=1-低通滤波器幅频特性带阻滤波器是高通和低通的组合滤波器(2/23)2/3/2023(2)根据滤波器的元件类型分类RC、LC、晶体谐振及开关电容滤波器。(3)根据滤波器的电路性质分类有源、无源滤波器。(4)根据滤波器的信号性质分类模拟、数字滤波器。滤波器(3/23)2/3/20232.理想滤波器

(1)理想滤波器模型及脉冲响应

无过渡带且在通频带内满足不失真测试条件的滤波器称为理想滤波器。理想滤波器的频率响应函数为理想滤波器的脉冲响应函数为sinc函数，若无相角滞后（t0=0）：滤波器(4/23)2/3/2023任何现实系统都不可能具有这种预知未来的能力在输入(t)到来以前,滤波器有与输入相对应的输出理想低通滤波器是不存在的.理想高通、带通、带阻滤波器也是不存在的滤波器(5/23)ffc0-fc(f)2t0A00ffc-fc|H(f)|(a)理想低通滤波器频率特性t01/2fc1/fc-1/2fc-1/fc2A0fch(t)tt00h(t)(b)理想低通滤波器脉冲响应函数2/3/2023

(2)理想滤波器的阶跃响应1)单位阶跃输入

2)滤波器的阶跃响应：滤波器(6/23)2/3/2023若不考虑前、后皱波，输出从0(a点)到应有的稳定值A0(b点)之间的所需建立时间为：上截止频率3)阶跃响应波形图

4)响应时间滤波器(7/23)理想低通滤波器对单位阶跃输入的响应0ttbtaay(t)A00.5A0b(a)无相角滞后，时移t0=00ty(t)tbt0taaA00.5A0b(b)有相角滞后，时移t0≠02/3/2023如果按稳态响应值的0.1~0.9作为计算建立时间的标准，则滤波器通频带越宽（fc越高），建立时间越短，响应速度越快。其物理意义是：输入信号突变处（间断点）必然含有丰富的高频分量。低通滤波器阻衰了高频分量，结果将输出波形“圆滑”。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，故建立时间短，反之建立时间长。滤波器(8/23)2/3/2023低通滤波器对阶跃响应的建立时间Te与带宽B成反比，即：

BTe=常数该结论对高通、带通及带阻滤波器均成立。滤波器带宽表示其频率分辨力，通带越窄，分辨力越高，显然，高分辨力与响应速度是互相矛盾的。如果要用滤波的方法从信号中提取某一很窄的频率成分（如作谱分析），必须有足够的时间。5)高分辨力与响应速度的关系:滤波器(9/23)2/3/20233.实际滤波器

(1)实际滤波器的基本参数理想带通滤波器（虚线）与实际带通滤波器（实线）的幅频特性图滤波器(10/23)2/3/2023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。带宽B决定频率分辨力。将中心频率f0（

，几何平均）与带宽B之比称为滤波器的品质因素。f0确定，品质因素Q越大，滤波器分辨力越高。或

指在上截止频率fc2与2fc2之间，或者在下截止频率fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减量，即频率变化一个倍频程的衰减量。带宽B和品质因素Q倍频程选择性W滤波器(11/23)2/3/2023倍频程选择性用dB/oct表示，有时也采用10倍频程选择性用dB/dec表示。倍频程选择性表明滤波器过渡带内幅频曲线的倾斜程度，它决定了滤波器对带宽外频率成分衰减的能力。显然W越大，滤波器选择性越好。理想滤波器=1，通常=1~5。有些滤波器因器件影响（如电容漏阻），阻带衰减达不到-60dB，可用-40dB或-30dB带宽与-3dB带宽的比值表示。滤波器因数（矩形系数）滤波器选择性的另一种表示法。用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比值表示。滤波器(12/23)2/3/2023(2)RC调谐式滤波器的基本参数

1)一阶RC低通滤波器

低频段近于不失真传输。高频段近于积分器。高频衰减率﹣20dB/dec（﹣6dB/oct）滤波器(13/23)CRuyuxf1/2

1A(f)0f-450-9000φ(f)1/2RC低通滤波器2/3/20232)一阶RC高通滤波器

低频段近于微分器。高频段近于不失真传输。

滤波器(14/23)uyuxRC高通滤波器2/3/2023(3)RC带通滤波器带通滤波器可由低通和高通滤波器串联组成。为了消除串联时负载效应的影响，通常用输出跟随器或运算放大器实现隔离。因此，实际带通滤波器通常是有源的。不考虑负载效应时，带通滤波器传递函数为滤波器(15/23)C1R2C2R1uyuxH1(s)H2(s)X(s)Y(s)RC带通滤波器2/3/20234.恒带宽比与恒带宽滤波器

对信号做频谱分析或摘取信号中某些频率成分时，可以通过多个中心频率不同的带通滤波器实现，各个滤波器的输出反映了信号在该通频带内的量值。带通滤波器实现谱分析可有两种方式：一是由一中心频率可调的带通滤波器独立构成；二是使用各自中心频率固定，但又按一定规律相隔的滤波器组。显然后者可以实现“实时”谱分析。对滤波器组，各滤波器的通带应相互邻接，覆盖整个感兴趣的频带。即前一滤波器的﹣3dB上截止频率为后一相邻滤波器的﹣3dB下截止频率。滤波器组具有相同的增益（对各中心频率而言）。滤波器(16/23)2/3/2023(1)倍频程频谱分析装置中心频率固定Q=f/B。Q相同，中心频率f越高，带宽B越宽。滤波器(17/23)2/3/2023(2)恒带宽比滤波器（恒定百分比带通滤波器）特点：，即品质因数恒定。显然，中心频率f0

越高，带宽越大。恒带宽比滤波器的低端截止频率fc1与高端截止频率fc2之间常满足如下关系：n称为倍频程数。n=1称为倍频程滤波器；

n=1/3称为1/3倍频程滤波器。滤波器(18/23)2/3/2023由于：从而有：n=1时，Q=1.41；n=1/3时，Q=4.38；n=1/5时，Q=7.2。对邻接的滤波器组，易得：。

只要选定n值，即可设计覆盖给定频率范围的邻接式滤波器。显然，倍频程数越小，Q值越大，滤波器分辨力越高。滤波器(19/23)2/3/2023中心频率/Hz1631.563125250…带宽/Hz11.3122.2744.5588.39176.78…中心频率/Hz12.516202531.5405063…带宽/Hz2.93.74.65.87.39.311.614.6…倍频程滤波器

1/3倍频程滤波器高频段分辨率低滤波器(20/23)2/3/2023(3)恒带宽滤波器

恒带宽滤波器带宽恒定。在所有频带内都具有良好的频率分辨力。恒带宽滤波器一般不宜固定中心频率。而是利用一个定带宽、定中心频率的滤波器加上可变参考频率的差频变换来适应各种不同中心频率的定带宽滤波的需要。滤波器(21/23)2/3/2023常用恒带宽滤波器有相关滤波和跟踪滤波两种。滤波器(22/23)......fA(f)01002004006008001000(a)恒带宽带通滤波器......fA(f)01002004006008001000(b)恒带宽比带通滤波器恒带宽与恒带宽比带通滤波器比较2/3/2023中心频率在不同频率时均有输出(4)三种滤波器测量结果比较滤波器(23/23)04020幅值/dB9401060f/Hz(a)实际信号04020幅值/dB630800100012501600f/Hz(b)1/3倍频程分析结果f/Hz04020幅值/dB9401060(c)1/10倍频程分析结果(d)恒带宽滤波器分析结果940106004020幅值/dBf/Hz三种滤波器测量结果比较2/3/20235.4

信号的指示和记录装置

(IndicationandRecordEquipmentsofSignal)信号指示与记录装置是测试系统的最后一个环节，也是进一步了解、分析和研究测量结果的重要环节。选择指示与记录装置，首先关心的是其响应能力，即能否正确地跟踪测量信号的变化，并把它如实的记录下来（随动系统）。通常把记录装置对正弦信号的响应能力称为记录装置的频率响应特性，它决定了记录装置的工作频率范围。2/3/2023信号的指示和记录装置(2/7)2/3/20231.磁光盘记录器

信号的指示和记录装置(3/7)硬盘：硬盘存储器主要由磁头、盘片、硬盘驱动器和读/写控制电路组成，盘片用铝合金或玻璃等材料制成，其表面涂有磁性材料，硬盘存储器根据磁头和盘片结构的不同可以分