测试技术第六章课件

工程测试技术——郭世伟第六章信号变换与调理一、信号变换与调理的概念1、信号变换与调理的原因2、信号调理与变换的内容放大电桥对电参数的变换调制解调滤波二、传感器常用的测量电路（一）放大器对微弱的电信号进行放大。放大器电路有分立元器件构成的和集成电路。1、集成运算放大器集成运算放大器是具有高放大倍数，带深度负反馈的直接耦合放大器。其输入网络和反馈网络由线性或非线性元件组成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。实际应用中有线性工作区和饱和（非线性）工作区。“虚短”“虚断”2、测量放大器在传感器工作环境恶劣，输入信号微弱，输出阻抗较大时，可用测量放大器（仪表放大器），它有更好的性能。调节R3值可方便地调节电路的增益。（二）电桥电路电桥是一种可将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的测量电路。电桥测量电路简单，灵敏度和测量精度高，广泛应用于测量装置中。1、直流电桥四个电阻组成四个桥臂，a、c为输入端，b、d为输出端。电桥后接大输入阻抗的放大器或仪表时，电桥输出端可认为是开路，其输出电压为：此时称为“电桥平衡”在时，称为等臂电桥。实际桥臂电阻的变化量。对于半桥单臂电桥，电阻传感器发生阻值变化时，输出电压为：对于半桥双臂电桥，电阻传感器发生等值（但反向）阻值变化时，输出电压为：对于全桥电路，四个电阻传感器发生等值阻值变化时，输出电压为：

因为：

注意各电阻值的变化方向：相邻两桥臂阻值变化极性要相反，相对两桥臂阻值变化应相同。利用这一电桥和差特性，可提高电桥的测量灵敏度和进行温度补偿。上述电桥是在不平衡条件下工作的，为不平衡桥式电路。这种方式的输出电压受电源电压的稳定性、环境温度变化影响较大，有较大的测量误差。为此可采用平衡电桥（见下图）：调节电位器H，改变电阻R5触点位置，总使电桥平衡。根据触点位置的变化标示桥臂阻值的变化，电位器H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例。读数时电表G始终指零，故又称为“零位测量法”。该方法的测量误差取决于可调电位器的精确度，与电源电压无关。一般静态应变仪常采用该平衡电桥，有手动调平衡方式，自动调平衡方式（以伺服电机自动调整电位器的位置）。直流电桥的特点：电路简单；对连接导线要求低；直流电桥只能测电阻值的变化；所需的直流放大器比较复杂且易受零漂和接地电位的影响。在动态应变仪中的纯电阻交流电桥，桥臂并联有可调电容C2和可变电阻R3，分别实现电容平衡和电阻平衡。交流电桥的供桥电源必须有良好的电压波形(频率单一性)和频率稳定性。一般用音频交流电源（5～10kHz）采用交流电桥时，影响测量误差的因素较多，如分布电容、感应作用等等。下图为变压器式电感交流电桥（也叫带感应耦合臂的电桥），左侧相当于变压器的二次边绕组，右侧接入的是差动式电感传感器，把电感量的变化转换成电压量的输出。与一般电桥相比，它具有较高的精确度、灵敏度和稳定性。（三）调制与解调调制：用缓变信号控制高频振荡信号的某个参数——幅值、频率、相位，使其随缓变信号做有规律的变化。缓变信号称为调制信号，高频信号称为载波（被调制信号），经过调制的高频信号称为已调信号。调幅信号，调频信号，调相信号载波频率f0应大于缓变信号的最大频率fm，一般应大于几倍甚至数十倍。调幅装置实为一乘法器（2）调幅波解调①同步解调把已调制波与原载波信号再相乘，可得到原缓变信号和倍频信号的迭加，后者可再由一低通滤波器除去。需要良好的线性乘法器件②包络检波（又叫整流检波）过程：加直流信号偏置，整流，滤波，减去偏置信号。若所加的偏置信号不能使信号电压在零线一侧，简单地整流就不能恢复原信号。这种检波方法利用了二极管的单向导通作用将电路的输出极性换向。负载电阻Rf上的电压信号仍为高频信号，其包络线就是原缓变信号，需要低通滤波才能恢复为原测量信号。动态应变仪就是交流电桥调制和相敏检波的典型实例。2、调频与鉴频频率调制是用缓变信号控制高频信号的频率，输出的调制信号是频率随调制信号变化的疏密不等的等幅波，其频率偏移量（相对于中心频率）和调制信号电压成正比。调频信号的频谱结构很复杂，但信号抗干扰能力很强，便于信号的传输和数字处理。频率调制的方法很多，现简单介绍直接调频测量电路。在被测量小范围变化时，以电容、电感作为自激振荡器的谐波回路的一个调谐参数，则电路的谐振频率为调频波的解调又叫鉴频，方法很多，现简单介绍谐振式鉴频器原理（又叫变压器耦合的谐振回路鉴频）。如下图所示，鉴频电路原线圈输入调频信号，次级线圈输出为调幅波，其幅值受控于输入频率，再进行解调即可。常利用亚谐振区曲线的近似直线部分（线性关系）。设时，频率为，电容值变化时，振荡频率值也会发生线性变化：则（四）滤波器滤波器是一种选频装置，有“筛选频率”的作用——对信号中的某些频率成分有极大的衰减，而对其它频率衰减小或有放大作用（称为“通过”）。在信号处理、测试技术中应用非常广泛。模拟式滤波器数字式滤波器 按选频作用分：低通、高通、带通、带阻 无源滤波器有源滤波器 截止频率，带宽（通带、阻带） 理想低通滤波器在带宽内满足不失真条件。 理想滤波器的物理不可实现。通带宽大小对系统响应的影响滤波器的分辨率与测量快速性要求相矛盾理想带通与实际带通滤波器的幅频特性实际滤波器种类：1、无源滤波器由无源三元件构成RC滤波器的基本特征2、有源滤波器