测试技术基础课件：信号变换调理和记录 -

信号变换、调理和记录5.1电桥

5.2信号的调制解调5.3信号的滤波器5.4信号记录仪器▼▼▼▼本章重点变换及调理的目的直流电桥，交流电桥熟悉信号的调制，同步解调，包络检波解调，相敏检波解调在测量电路中的应用信号的滤波器，恒带宽滤波器，恒带宽比滤波器信号记录仪器5.1电桥

将电阻R(应变片)、电感L、电容C等电参数变为电压ΔU或电流ΔI信号后输出的一种测量电路。

输出既可以用于指示仪，也可以送入放大器。

传感器将某种物理量的变化转化为电阻，电容或者电感的变化，因此电桥电路具有很强的实用价值。根据供桥电源：直流电源和交流电源根据输出测量方式：平衡输出电桥（零位法测量）——静态测试不平衡输出电桥（偏位法测量）——动态测试5.1电桥

平衡电桥：依据电桥平衡条件进行测量的电桥称为平衡电桥，操作繁琐、测量时间长。不平衡电桥是通过直接测量电桥非平衡状态下流经指示器的电流或两端电压大小来测量集总参数元件，操作简便、测量时间短、易实现数字化测量。5.1电桥

电桥a

、c两端接电源Ui，称供桥端；b、d两端接输出电压Uo，称输出端。

将电阻R(应变片)、电感L、电容C等电参数变为电压ΔU或电流ΔI信号后输出的一种测量电路。5.1电桥

测量电路简单可靠较高的灵敏度测量范围宽容易实现温度补偿特点：电桥电桥根据桥臂阻抗性质的不同为:电阻电桥

电容电桥

电感电桥根据供桥电源分为:直流电桥:采用直流电源——只用于测量电阻R的变化

交流电桥：采用交流电源——测量电阻R

、电容C

、电感L的变化1.电桥的分类2.直流电桥四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。采用直流电源的电桥称为直流电桥直流电桥VR1R2R3R42.直流电桥补充——整流电路整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。平衡条件R1·R3=R2·R4

直流电桥电桥的输出：平衡的条件：推导选择桥臂电阻值作为输入，使电桥的输出电压只与被测量引起的电阻变化量有关，在测量装置无输入时，电桥无输出。为了简化设计，R2=R3=R4=R0

，而

R1=R0+ΔR直流电桥R0＋ΔR

U0＋ΔUΔU电桥的灵敏度定义为单片单臂半桥R1R3R2R4

双臂半桥R1R3R2R4

全桥R1R3R2R4

半桥、单臂输出全桥、四臂输出半桥、双臂输出四片两片单臂半桥R1R3R2R4

双臂半桥R1R3R2R4

全桥R1R3R2R4

半桥、单臂输出全桥、四臂输出半桥、双臂输出统一表示：推导推导结论采用不同的桥式接法，输出的电压灵敏度不同；全桥的接法在输入量相同的情况下可以获得最大的输出；当传感器的结构条件允许时，应尽可能采用全桥接法。电桥测量的误差非线性误差半桥、单臂输出：半桥、双臂输出：全桥、四臂输出：直流电桥采用半桥单臂接法时，其输出电压近似正比于ΔR0/R0，是因为输出电压的非线性造成的。减少非线性误差的办法是采用半桥双臂和全桥接法，不仅消除了非线性误差，而且输出灵敏度也成倍提高。电桥测量的误差温度误差直流电桥温度的变化造成双臂电桥接法中的ΔR1≠ΔR2，及全桥接法中的ΔR1≠ΔR2或者ΔR3≠ΔR4。所以在贴应变片时尽量使各应变片的温度一致，从而有效地减少温度误差。电桥测量的干扰电桥输出为ΔR0/R0与供桥电压Ui的乘积。由于ΔR0/R0是一个非常小的量，不能忽略电源电压不稳定所造成的干扰。措施：(1)电桥的信号引线采用屏蔽电缆。

(2)屏蔽金属网应该与电源至电桥的负接线端连接，并应该与放大器的机壳、地隔离。(3)放大器应该具有高共模抑制比（差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力）。电桥测量的干扰平衡条件3.交流电桥交流电桥而电桥的供桥电源采用交流电压电桥四个臂可以是电容，电感或电阻平衡条件3.交流电桥交流电桥而其中，Z1、Z2、Z3、Z4为阻抗的模，而φ1、φ2、φ3、φ4为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。Z1Z3ej(φ1+φ3)=Z2Z4ej(φ2+φ4)

平衡条件电桥四个臂可以是电容，电感或电阻电容电桥电容电桥平衡条件：电感电桥电感电桥平衡条件：推导推导▲采用5kHz～10kHz高频振荡作为供桥电源，消掉外界工频干扰。

除了电阻、电容、电感等通用电桥外，还有带有感应耦合臂的电桥等形式的电桥。带有感应耦合臂的电桥(变压器电桥）例1单臂电桥工作臂应变片的阻值为120欧母，固定电阻为120欧母，电阻应变片的灵敏度为S=2，电阻温度系数rf=2*10-5/度，线胀系数为3×10－6/度，求当工作臂温度升高10度时相当于应变值是多少？若试件的E=2*1011N.m2，则试件产生的应力为多少。提示：声音信号广播电台的发射塔接收调制Modulation解调Demodulation5.2调制与解调声音信号广播电台的发射塔

利用缓变信号控制高频信号的某个参数(幅值、频率或相位)变化的过程。调制Modulation已调波1）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输2）提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比

1.调制的目的→音频信号2.调制的种类调制信号载波信号a)幅值调制(简称调幅，AM，AmplitudeModulation)b)频率调制(简称调频，FM，FrequencyModulation)c)相位调制(简称调相，PM，PhaseModulation)缓变信号x(t)高频简谐信号2.调制的种类b)频率调制(简称调频，FM，FrequencyModulation)3.幅值调制（调幅）及其解调

调幅是将一个高频简谐信号y(t)（载波信号）与缓变信号（调制信号）x(t)相乘，使载波信号y(t)的幅值随缓变信号x(t)的幅值变化而变化过程。幅值调制后的信号称为调幅波。调制信号载波信号调幅波(1).调幅的时域表达

假设调制信号x(t)的最高频率成分为，载波信号(2).调幅的频域表达如果则，则有调幅波：调制信号载波信号调幅波ƒ时域频域调幅总结：

调幅过程相当于频谱“搬移”过程——幅值调制得到广泛应用的理论依据。幅值调制工程应用价值

广播电台将声频信号频移至各自分配的高频，超高频频段上，既方便放大和传递，也可避免各电台之间的干扰。音频信号广播电台的发射塔调幅AM调幅波载波信号广播电台的发射塔

对已调波进行鉴别以恢复缓变信号的过程。调幅波恢复所需要的缓变信号(3).幅值解调的目的接收解调Demodulation(4).电阻交流电桥的幅值调制电桥可表示为当ΔR/R0=R(t)，Ui=E0cos2πf0t时U0=KR(t)E0cos2πf0t交流电桥的输出电压U0随R(t)的变化而变化，即U0的幅值受R(t)的控制，其频率为输入电压信号Ui的频率，即2πf0

x(t)cos2πƒot↔½[X(ƒ)*δ(ƒ-ƒo)+X(ƒ)*δ(ƒ+ƒo)]=½[X(ƒ-ƒo)+X(ƒ+ƒo)]全桥、四臂输出R(t)E0cos2πf0t

当ΔR/R0=R(t)，Ui=E0cos2πf0t时U0=KR(t)E0cos2πf0tUi=E0cos2πf0t实际上载波信号

R(t)，即电桥的输入ΔR/R0，实际上是调制信号

R(t)对载波信号E0cos2πf0t进行了幅值调制U0实际上是调幅信号

交流电桥是一个调幅器。调幅器实际上是一个乘法器.x(t)cos2πƒot↔½[X(ƒ)*δ(ƒ-ƒo)+X(ƒ)*δ(ƒ+ƒo)]=½[X(ƒ-ƒo)+X(ƒ+ƒo)]2.调幅波的解调a)同步解调b)整流检波解调c)相敏检波解调为了从调幅波中将原测量信号恢复出来，就必须对调幅波进行解调，解调方法：(1).同步解调

同步解调(a)调幅波频谱(b)载波信号频谱(c)同步解调后频谱(d)调制信号频谱(2).整流检波解调

时域上：幅值调制前，对调制波预加一直流分量A，使之不再具有正负双向极性，调制后，解调时，对调制波进行整流和检波，去掉直流分量A。(2).整流检波解调

问题：所加的偏置电压未能使信号电压都位于零位的同一侧，调幅后的波形使用简单的整流检波就不容易恢复原调制信号，造成失真。

分界的零点上可能有漂移。(2).相敏检波解调相敏检波器装置：相敏检波器相敏检波器即可以反映出调制信号的幅值，又能反映出调制信号的极性（相位）的解调器。调幅波过零线，它的相位相当于载波的相位变化了180度。t2t1x(t)>0时(0~t1)，xm(t)与y(t)同相，检波器输出uL(t)>0x(t)<0时(t1~t2)，xm(t)与y(t)反相，检波器输出uL(t)<01122(2).相敏检波解调相敏检波器33t1t1132213t1t2t2t2装置：相敏检波器(2).相敏检波解调电流回路为e→g→RL→f→3→c→D3→d→2规定电流向下流过负载电阻RL时，解调器的输出uL为正，则xm(t)在0～t1时间内的每一个周期前半周期时(2).相敏检波解调电流回路为e→g→RL→f→4→a→D1→b→1规定电流向下流过负载电阻RL时，解调器的输出uL为正，则xm(t)在0～t1时间内的每一个周期后半周期时(2).相敏检波解调电流回路为1→b→D2→c→3→f→RL→g→e规定电流向上流过负载电阻RL时，解调器的输出uL为负，则xm(t)在t1～t2时间内的每一个周期前半周期时(2).相敏检波解调电流回路为2→d→D4→a→4→f→RL→g→e规定电流向上流过负载电阻RL时，解调器的输出uL为负，则xm(t)在t1～t2时间内的每一个周期后半周期时(2).相敏检波解调总结：在调制信号时，无论调幅波是否为正，通过相敏检波器解调后的波形都为负，保持了与原调制信号的极性(相位)一致。同时解调后的频率比原来调制信号的频率提高了一倍。在调制信号(2).相敏检波解调在调制信号问题：输出波形的包络线即所需要的解调信号，但是它包含载波信号，如何将被测信号分离？解决方法：被测信号的最高频率fm<=(1/10~1/5)f0

(载波频率)，在相敏检波器的输出端接一个适当频带的低通滤波器，达到解调目的。解调音频信号应用：动态电阻应变仪(3).实验：同步调制与解调实验

上述调制方法，将信号x(t)直接与载波y(t)相乘．这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与y(t)相位相同的y(t)方能复原出原信号，故称同步解调．

Labview中怎么实现信号的调制和解调？SineWaveVI4.频率调制与解调

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.x(t)Acos(2πf0t+Φ)调频原理x(t)=X0cos2πƒmt调制信号载波信号y(t)=Y0cos(2πƒ0t+φ0),ƒ0»ƒm

ƒ(t)=ƒ0+kfX0cos2πƒmt调频时Y0和φ0不变

kf为比例常数,kf>0谐振电路电抗到电压的转化谐振电路

把电容、电感等电参量的变化转为电压变化的电路高频振荡器谐振电路的频率：调频及解调电路谐振电路作调频器调频及解调电路谐振频率为：结论：LC振荡回路的振动频率f与谐振参数的变化呈线性关系，即振荡频率f受控于被测信号x(t)电容C0的变化量为：按泰勒级数展开忽略高阶项：鉴频器调频波－>调频调幅波－>幅值检波调频波ef经过变压器耦合后，加在L1,C1组成的谐振电路上，而在L2,C2

并联振荡回路两端获得电压-频率特性曲线，将

经过二极管进行半波整流，经过滤波，复现被测量信号

，完成解调的过程。鉴频器电压－频率特性曲线亚谐振区等幅调频波的频率等于回路谐振频率，线圈中的耦合电流最大▲(a)低通滤波器(Lowpassfilter)(b)高通滤波器(Highpassfilter)(c)带通滤波器(bandpassfilter)

(d)带阻滤波器(bandstopfilter)

5.3滤波器

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分．1.滤波器分类(根据滤波器的选频作用分)

ƒ2称为低通滤波器的上截止频率

ƒ1、ƒ2分别称为带通滤波器的下、上截止频率

通带通带通带通带通带阻带阻带阻带阻带阻带理想滤波器ƒ1称为高通滤波器的下截止频率

(c)带通滤波器(bandpassfilter)

(d)带阻滤波器(bandstopfilter)

通带通带阻带通带阻带阻带

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的滤波器。2.理想滤波器H(ƒ)=A(ƒ)ejφ(2πƒ)A(ƒ)=A0=constφ(ƒ)=-2πƒt0

物理不可实现

理想滤波器在时域内的脉冲响应函数h(t)为sinC函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。给理想滤波器一个脉冲激励，从图中可以看出，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前，即在t＜0时，滤波器就已经有响应了。h(t)δ(t)-3dB

在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没有严格的界限，存在一个过渡带。3.实际滤波器

1)截止频率:幅频特性值等于所对应的频率2)带宽B：上下两截频间的频率范围称为带宽

3)波纹幅度d：波动幅度d与幅频特性平均值A0相比,越小越好，一般应小于-3dB。

恒带宽滤波器B=fc2-fc1恒带宽比滤波器B=fc2-fc1=fc1(2n-1)5)

品质因数Q:中心频率和带宽之比称为品质因数6)倍频程选择性W:指在上截止频率fc2与2fc2之间、下截止频率fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。4)中心频率fn:恒带宽滤波器：恒带宽比滤波器：7)滤波器因数λ:滤波器选择性

幅频特性的-60dB带宽与-3dB

带宽的比值理想滤波器λ=1，通常λ=1-5。4.RC滤波器

在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。1)一阶RC低通滤波器

令τ=RC，称为时间常数傅立叶变换，频响函数：当ƒ«1/2πRC时，φ(ƒ)-ƒ相频特性近似于一条通过原点的直线当ƒ=1/2πRC时，ƒc2=1/2πRC上截止频率:A(ƒ)≈1，A(ƒ)=1/令RC=τ代入，作傅立叶变换，得频响函数当ƒ=1/2πτ，即

ƒ=1/2πRC时，

当ƒ»1/2πRC时，下截止频率：ƒc1=1/2πRC

A(ƒ)=1/A(ƒ)≈1，φ(ƒ)=02)一阶RC高通滤波器3)一阶RC带通滤波器

可以看成是低通和高通两个滤波器串联而成。高通低通频响函数幅频特性和相频特性ƒc2=1/2πτ2=1/2πR2C2上截止频率:下截止频率：ƒc1=1/2πτ1=1/2πR1C1

一阶RC带通滤波器5.恒带宽、恒带宽比滤波器

实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率fn与带宽B之间的数值关系，可以分为两种。2)恒带宽比带通滤波器

1)恒带宽带通滤波器

B=fc2-fc1B=fc2-fc1=fc1(2n-1)品质因素Q相同Q值（恒宽比），中心频率ƒn越大，带宽B越大

恒带宽比带通滤波器

n为倍频程数若n=1为倍频程滤波器；推导ƒc2=2nƒc1

ƒn2=2nƒn1

带宽越窄，分辨力越高。低频分辨力较高，高频分辨力较低.信号通带越宽，需要的恒带宽滤波器越多。例6-2：设有一信号是由幅值相同而频率分别为ƒ=940Hz和ƒ=1060Hz的两正弦信号合成，其频谱如图所示。

(a)实际信号(b)用⅓倍频程滤波器分析结果(c)用1/10倍频程滤波器分析结果(d)用恒带宽滤波器分析结果

如图所示的周期性方波信号，让它通过一理想带通滤波器，该滤波器的增益为0dB，带宽B=30Hz，中心频率fn＝20Hz，试求滤波器输出波形的幅频谱及均值。例6-3：提示：该周期性方波的三角函数展开为：即滤波器的增益为1方波的周期为带宽B=30Hz，中心频率fn＝20Hz，则则fc2=35Hz，fc1=5Hz。ω0对于的频率为：Hz3ω0对于的频率为：f=36Hz因此，滤波器仅能使得y(t)的基波输出，而高于基波的谐波被全部衰减掉。故滤波器的输出为：输出波形的均值即为0。案例：机床轴心轨迹的滤波处理

5.滤波器的应用案例：机床轴心轨迹的滤波处理滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律

钢管无损探伤实验滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警Labview中怎么实现滤波器？5.4信号记录仪器

显示和记录仪器一般包括指示和显示仪表、记录仪器。从记录信号的性质来分，显示和记录仪又可分为模拟型和数字型两大类。

5.4信号记录仪器

显示仪表直接接收检测元件及变送器或传感器的输出信号，连续地显示、记录生产过程中各个被测参数的变化情况。声光式显示仪表

声光式显示仪表是以声音或光柱的变化反映被测参数超越极限或模拟显示被测参数的连续变化的仪表。XXS-10型闪光报警仪5.4.2光线示波器

示波器种类包括模拟示波器，数字示波器，其中数字示波器又包括数字荧光示波器，数字存储示波器等。1、光线示波器发展简史模拟示波器数字荧光示波器数字存储示波器

是一种常用的模拟式记录器，主要用于模拟量的数据记录，它将信号调整仪输入的电信号转换为光信号并记录在感光纸或胶片上，从而得到试验变量与时间的关系曲线。

1、模拟光线示波器定义(1)高的灵敏度；(2)记录信号的频率可达数千赫兹；(3)实现交叉记录，能最大限度地利用记录纸；(4)能够得到曲线形式的资料，并且直观性好。2、模拟光线示波器的特点：

优点：不足之处：(1)工作频率还不够宽；(2)记录曲线不能利用数字分析仪器或计算机进行处理；(3)感光记录纸价格较贵，且不能重复使用。5.4.2光线示波器1、数字光线示波器优缺点1)体积小、重量轻，便于携带。2)可以长期贮存波形，可以对存储的波形进行放大等多种操作和分析。3)特别适合测量单次和低频信号。4)可以通过GPIB、RS232、USB接口同计算机、打印机、绘图仪连接，可以打印、存档、分析文件。5)强大的波形处理能力，包括诸如频率、上升时间、脉冲宽度等等的测量。

优点：缺点：1)失真。2)可能出现混淆波形。3)测量复杂信号能力比较差。5.4.2光线示波器1、光线存储示波器5.4.2光线示波器1.工作原理振动子系统、光学系统、记录纸传动系统以及电气系统振动子系统包括：

振动子

磁系统恒温装置5.4.2光线示波器1.工作原理振动子系统、光学系统、记录纸传动系统以及电气系统振动子系统包括：

振动子

磁系统恒温装置5.4.2光线示波器5.4.3振动子特性MG+MC+Ma=Mi电磁转矩Mi=kii张丝的弹性反抗力矩MG=Gθ阻尼力矩惯性力矩J为转动惯量1、振动子的力学模型

光线示波器的振动子是一个二阶扭振系统2、振动子的静态特性i=常数稳态后：电流与转角之间的关系：当θ0很小，光点在记录纸上的偏移量与偏转角θ0的关系光路参数决定振动子结构决定003、振动子的动态特性幅频特性相频特性频率响应函数3、振动子的动态特性根据二阶系统动态测试不失真要求，应采用阻尼率=0.6～0.8，＜0.5～0.6的振动子，以确保测量精度。4、振动子的阻尼液体(油)阻尼（固有频率较高）:频率大于400HZ电磁阻尼（固有频率较低）:频率小于400HZ输入电流过大的情况解决方法a、高频低灵敏度振动子b、串、并联电阻液体阻尼（并联）电磁阻尼（先并后串）5、振动子的选用原则

振动子固有频率的选择固有频率至少应为记录信号最高频率的1.72倍灵敏度的选择满足固有频率的要求下尽量选高灵敏度额度电流的选择并联分流电阻（油阻尼），串、并联电阻（电磁阻尼）

将一个或多个变量随时间或另一变量变化的过程转换为可识别和读取的信号仪器。能保存所记录的信号变化以便分析处理。特点是能自动记录周期性或非周期性多路信号的缓慢变化过程和瞬态电平变化过程。1、记录仪的定义工作频率输入信号动态范围记录线性度分辨度失真度响应时间走纸准确度和稳定度

2、记录仪的主要技术指标5.4.4记

录

仪

1、检流计式笔录仪5.4.5笔式记录仪5.4.5笔式记录仪2、函数记录仪函数记录仪（X-Y函数记录仪），将通过传感器（压力传感器，电流传感器，位移传感器等）测得的变化用函数图像的形式绘制在记录纸上的仪器。5.4.6磁带记录仪磁带记录仪是利用铁磁性材料的磁化进行记录的仪器,用于记录交变电量信号或电量的瞬态变化过程。数字式磁带记录仪

将被记录信号放大后经过A/D转化成二进制代码脉冲，并由磁带记录下来。重放时将脉冲码经过D/A转化后再还原为模拟信号，恢复被记录的波形，也可将脉冲码直接输入到数字信号处理装置中进行后续处理及分析。1)数字存储示波器

示波器是使用极为广泛的显示(记录)仪器。用感光纸来记录信号的光线示波器目前已很少使用。以阴极射线管来显示信号的电子示波器，可分为模拟式和数字式两种，后者多为数字存储示波器。5.4.7新型记录仪

2)无纸记录仪

无纸记录仪是一种无纸、无笔、无墨水、无一切机械传动机构的全新记录仪器，它以微处理器为核心，将模拟信号转换成数字信号，存储在大容量芯片上，并利用液晶显示。3)光盘刻录机

光