工程测量技术-第22章测量系统

工程测试技术2测量系统的组成及基本特性1信号调理方法作业：为什么传感器输出信号一般要经过信号调理？传感器输出的电信号大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去。其主要原因是：1，大多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放大;2，有些传感器输出的是电参量，要转换为电能量;3，输出信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比;4，若测试工作仅对部分频段的信号感兴趣，则有必要从输出信号中分离出所需的频率成分;5，当采用数字式仪器、仪表和计算机时，模拟输出信号还要转换为数字信号等等。因此，传感器的输出信号要经过适当的调理，使之与后续测试环节相适应。常用信号调理环节有：电桥、放大器、滤波器、调制器、模数转换器等2电桥

电桥转换原理电桥是用来测量参量式传感器的可变电阻、电容或电感的电路，它是将这些参量的变化变换为电压或电流信号的电路。电桥按其激励电源类型可分为直流电桥和交流电桥两种。3电桥直流电桥:相对联接点a与c上接电源e0，另两个相对联接点b与d上引出作为电桥的输出端。直流电桥的工作原理当一个桥臂由一个微变化电阻式传感器构成时，被测物理量的变化转化为电阻传感器的微电阻变化ΔR，此电阻的变化将引起直流电桥输出电压的变化ey。这一ey就可以用来估计ΔR也就是估计被测物理量的变化。4电桥原理●平衡条件VER1R3R2R45不平衡时当R1+∆R1，R2+∆R2，R3+∆R3和R4+∆R4时，平衡时从而当6单臂电阻变化时令：7电桥4交流电桥电感电容●平衡条件传感器传感器8电桥结构形式与直流电桥相同。但在电路具体实现上与直流电桥有两个不同点：一是其激励电源是高频交流电压源，或电流源，二是交流电桥的桥臂可以是纯电阻，但也可以是包含有电容、电感的交流阻抗。9电桥电桥的接法：单臂

半桥全桥10电桥输出电压就反映了桥臂电阻变化的情况。在ΔR＜＜R0的条件下，即微电阻变化测量半桥单臂半桥双臂全桥方式输出与输入为线性关系，灵敏度成倍提高。11电桥电桥的使用性能及特点电桥测量电路简单，测量精度和灵敏度高，对各桥臂阻抗变化引起的电压变化值能自动加减输出，在工程测试中用途广泛。直流电桥的特点是平衡电路简单，对联接导线要求较低，可采用直流仪表测量，直流电源的稳定程度容易保证，但要求后接比较复杂的直流放大器。交流电桥要求工作电源的电压波形没有畸变，频率必须稳定。交流电桥一般采用音频交流电源，后接电路采用简单的交流放大器。12信号的调制与解调调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大问题。工程中的一些物理量，如力、位移、温度等，经过传感器变换后，常常是微弱的直流或相对缓变的电信号，直接送入直流放大器或交流放大器会产生零点漂移或信号失真。所以，为了很好地解决缓变信号的放大问题，引入了称为调制与解调的方法。13信号的调制与解调下图描述了一种连续信号的调制与解调过程。14信号的调制与解调用于缓变信号放大的。调制式直流放大器工作原理如图。15信号的调制与解调振荡器：振荡器向调制器和解调器提供一高频等幅振荡信号，载送缓变信号，因此称为载波。载波频率一般为500kHz~20MHz。调制器：调制器的作用是将输入的缓变信号加载到载波上，调制器的输出信号称为已调波。已调波的幅值反映了缓变信号的变化，缓变信号在此称为调制信号。16信号的调制与解调交流放大器：由于被放大的信号为高频交流信号，因此零漂与放大的矛盾和交流放大器低频特性差的问题得到了很好的解决。解调器：解调器的作用是从放大后的已调波信号中取出缓变信号。（相敏检波+低通滤波）调制的类型：利用调制信号可以控制载波的幅度、频率和相位，分别称为调幅（AM）、调频（FM）和调相位（PM），已调波分别称为调幅波、调频波和调相波。17信号的调制与解调工程测试中常用的是调幅和调频两种方式，如图。18滤波器2.2.2.3滤波器的原理什么是滤波器：凡是可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器。在动态电阻应变仪和谐振鉴频器中，LC回路和RC回路可以将缓变的调制信号从高频的载波中分离出来，这些电路起的作用就是滤波作用。在机械设备中，经常采用各种隔振、防噪声的装置，这些装置起的作用也是滤波作用。各类仪器、仪表都有一定的工作频率范围，这说明它们本身都有滤波作用。滤波器的类型：根据频率特性不同，滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四类。19模拟-数字转换信号多是随时间连续变化的模拟电压或电流。当采用数字式仪器、仪表以及计算机对这些信号进行处理或显示时，有必要将模拟量转换为数字量，这个转换过程称为模数转换（A/D），通常由模数转换器来完成。反之，在计算机控制系统和某些数字化测试系统中，需要将数字量转化成模拟量去驱动执行元件或模拟式显示、记录器，这个转换过程称为数模转换（D/A），所用的装置是数模转换器。20记录仪器信号进一步加工放大后，必须通过记录或显示仪器，才能供直接观察分析，或将其保存下来，事后供后续仪器对所测信号进行分析、处理。记录仪器可用来记录一物理量随时间变化的函数关系，也可记录两物理量之间的函数关系。常用两大类记录仪器，即显式记录仪器和隐式记录仪器。显式记录仪是一种能提供视觉能见波形的记录仪，能提供直接观测的波形，如各种笔式记录仪、光线示波器等。隐式记录仪器记录后不能直接观测到记录波形，需通过其他仪器设备才能显示出来，如各种磁记录仪。21显式记录仪器1、电压记录仪器，是用来记录已转化成电压的信号。优点：记录幅值精度高。缺点：记录缓变信号（10Hz下），由于机械惯量较大。记录仪器22记录仪器电流记录仪器，是用来记录电流信号的。笔式记录仪被记录信号电流馈入线圈，受磁场力的作用下线圈产生偏转，带动笔杆进行记录，电磁力与油丝复位力矩平衡，转角与记录笔的坐标相对应。工作频率不高。摩擦力大，误差大。232、电流记录仪器。

光线示波器利用被记录电流信号控制光束偏移在感光记录纸上记录信号的。频率可达10kHz记录仪器24记录仪器隐式记录仪器笔式记录仪和光线示波器虽然直观地记录了信号的时间历程，但却不能以电信号的方式再重放，这对于许多后续处理工作很不方便。缺点：磁带记录仪是利用铁磁性材料的磁化来进行记录的仪器，必须通过其它显示、记录仪器才能观察记录波形。优点：1,但它能多次反复重放，以电量输出（复现信号），便于与计算机或其他信号分析仪器联机使用，对于后续信号的分析和处理极为有利。2,它可以用与记录时不同的速度重放，从而实现信号的时间压缩和扩展。3,它也便于复制，也可以抹除并重复使用记录介质。4,磁带记录的存储信息密度大，还可作多通道同时记录，记录信号频率范围宽，存储的信息稳定性高，对环境（温度、湿度）不敏感，抗干扰能力强。25记录仪器26测量仪器的显示操作：模拟式：靠指针表的角位移、线位移来记录被测量。数字式：靠数碼显示器的数字、字符记录，数字打印。图形式：除具有模拟、数字显示作用外还能显示曲线、表格、图象、背景、变量场、物理量动态变化过程、色彩配合等。记录仪器27数据采集与处理系统数据的采集为了对温度、压力、流量、速度、位移等物理量进行测量和控制，都是通过传感器把上述物理量转换成能模拟物理量的电信号，即模拟电信号。将模拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，送入计算机，这就是数据的采集。数据的处理通常所采集到的数据，是被测对象的某些物理量经过非电量到电量的转换，又经过放大或衰减、采样、编码、传输等环节之后所呈现出来的一种数据形式。显然，这种形式的数据（或信号）对数据使用者来说既不直观，又没有明确的物理意义。281,必须把它们恢复成原来的物理量形式，并尽可能形象地给出它们的变化情况，这是数据处理的一个首要的任务。2,数据处理的另一重要任务就是要采取各种方