第五章 信号的获取与调理

第五章信号的获取与调理

本章学习要求：1.了解传感器的分类，掌握常用传感器测量原理和选用2.掌握典型传感器测量电路3.了解模拟信号放大电路原理4.了解信号调制解调原理5.了解信号滤波器工作原理工程测试技术第五章、信号的获取与调理1.传感器定义传感器是将被测物理量转化为与之相对应的的便于传输或处理的另一种物理量的装置。物理量电量

目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。2.传感器的构成

传感器由敏感元件与变换元件组成。敏感元件直接感受被测物理量，并将其转换为与被测量有确定关系的易变成电量的其它量的元件变换元件将某些物理量直接转换为与之有确定关系的电量的元件V3.传感器的分类1)按输入量分类常见的被测输入物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,

旋转角,转数,质量,重量,力,

压力,真空度,力矩,风速,流速,

流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩2)按输出量分类参数式传感器(无源传感器):将输入的工程参数变化转变为电参数变化的传感器(从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.)例如:电阻应变片.发电式传感器(有源传感器):将输入的工程参数信号直接转变为电信号输出(直接由被测对象输入能量使其工作.)

例如:热电偶温度计,磁电式速度计.机械式,电气式,光学式,流体式等.3)按工作的物理基础分类:4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.

例如:电容式和电感式传感器.4.传感器的基本特性及标定传感器可视为一个独立的系统。传感器电参数被测物理量基本特性：

静态特性和动态特性标定：用实验的方法求传感器特性曲线的过程

静态标定和动态标定

5.1.1

电阻应变式传感器电阻应变式传感器通常有两种用法：一是直接利用材料的应变效应或压阻效应，把应变转换为电阻的变化，承担这种转换功能的元件称为电阻应变片；另一种是将应变片贴在各种形式的弹性敏感元件上，被测物理量作用于敏感元件上使其发生弹性变形，贴在敏感元件上的电阻应变片再将变形转换为电阻的变化，此类传感器称为电阻应变式传感器。5.1

电阻式传感器1)工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数应变片的电阻R为代入有：金属丝：金属丝体积不变：有：对金属材料，导电率变化很小：金属丝式应变片：灵敏度半导体式应变片简化为：优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。灵敏度应变计金属丝式应变片半导体应变片电阻应变片材料2)应变片的主要参数

4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。

1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用

b×L表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。3）电阻应变式传感器的使用

1）电阻应变片的温度补偿：

一、应变片电阻丝的温度效应引起的输出电阻的变化二、被测物体与应变片线膨胀系数不同引起的输出电阻的变化

温度补偿方法：1.自补偿

2.桥路补偿2）电阻应变片的选择、粘贴技术

1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆。3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘性能，应大于500M欧。7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。4)电阻应变式传感器的应用：测力电阻式温度传感器：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。按材料热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。热电阻＝电阻体（最主要部分）＋绝缘套管＋接线盒作为热电阻的材料要求：

★电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度；

★电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸；

★热容量要小，以便提高热电阻的响应速度；

★在测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；

★电阻与温度的关系最好接近于线性；

★应有良好的可加工性，且价格便宜。使用最广泛的热电阻材料是铂和铜5.1.2

热电阻式传感器一、金属热电阻及其特性热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。1、铂电阻铂易于提纯，在高温和氧化性介质中物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度；制成的铂电阻输出－输入特性接近线性。铂电阻的电阻值与温度之间的关系：A、B、C——常数铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范围较小时，均采用铜电阻。2、铜电阻铜在-50～150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出－输入特性接近线性，价格低廉。铜电阻阻值与温度变化之间的关系：式中A、B、C—常量当温度高于100℃时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。3.热敏电阻NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性式中RT,R0——热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值()；

T0,T——介质的起始温度和变化温度（K）；

t0,t——介质的起始温度和变化温度（℃）；

B——热敏电阻材料常数，一般为2000～6000K，其大小取决于热敏电阻的材料。等效电路分析:xL5.1.3

电位计式电阻传感器L-变阻器总长;x-电刷移动量.R-总电阻;RL电刷电阻;EE1Lx=RRL=EE1x=L*E1/EEE11EE1=xLRmR+Lx()-VRmRxR-Rx负载5.1.4电阻式传感器的应用

1应变式力传感器被测物理量：荷重或力。主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等。图3.9圆柱（筒）式力传感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圆柱面展开图；（d）桥路连线图

1.柱（筒）式力传感器2

应变式压力传感器

主要用来测量流动介质的动态或静态压力。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。在压力p作用下，膜片产生径向应变εr和切向应变εt，表达式分别为：膜片式压力传感器变阻器式传感器产品案例：重量的自动检测--配料设备

比较重量设定原材料原理：弹簧->力->位移

->电位器->电阻案例：煤气包储量检测煤气包钢丝原理：钢丝->收线圈数

->电位器

->电阻案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理：电机->转角

->电位器

->电阻案例：桥梁固有频率测量案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。案例：冲床生产记数和生产过程监测案例：机器人握力测量案例：振动式地音入侵探测器

适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量与真空介电常数ε0(8.854×10－12F/m)、极板间介质的相对介电常数εr、极板的有效面积A以及两极板间的距离d有关：

若被测量的变化使式中d、A、εr三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。C=ε0εrA/d

5.2电容式传感器5.2.1工作原理:下图为这种传感器的原理图。当传感器的εr和A为常数，初始极距为δ0，由式(4-1)可知其初始电容量C0为1

变极距型电容传感器

变极距型电容传感器原理图当动极端板因被测量变化而向上移动使δ0减小Δδ0时，电容量增大ΔC则有

可见，传感器输出特性C＝f(δ)是非线性的，如右图所示。电容相对变化量为

如果满足条件(Δδ0/δ0)<<1，上式可按级数展开成

(5-1)略去高次(非线性)项，可得近似的线性关系和灵敏度S分别为

和

如果考虑式(5-1)中的线性项及二次项，则

由上讨论可知：(1)变极距型电容传感器只有在|Δδ0/δ0|很小(小测量范围)时，才有近似的线性输出；(2)灵敏度S与初始极距δ0的平方成反比，故可用减少δ0的办法来提高灵敏度。例如在电容式压力传感器中，常取δ0＝0.1～0.2mm，C0在20～100pF之间。由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01μm的线位移，故在微位移检测中应用最广。差动变极距电容式的灵敏度可改善非线性，提高灵敏度和线性范围。

原理结构如下图所示。它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。设动极板相对定极板沿长度ｌ0方向平移Δｌ时，则电容为

2.变面积型电容传感器单片式中间极移动式其中则有电容的相对变换量为很明显，这种传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。它的灵敏度为必须指出，上述讨论只在初始极距δ0精确保持不变时成立，否则将导致测量误差。为减小这种影响，可以使用图b)所示中间极移动的结构。3.变电介质型电容式传感器柱式7电容的增量正比于被测液位高度，可测量一种流体的液位高度平板式8电容变化与电介质的移动量L成线性关系可用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织器、木材或煤等非导电固体介质的湿度。变介质型电容传感器的灵敏度变介质型电容传感器的输出特性是线性的5.2.2电容传感器的应用

1)电容式传感器的电容量很小,要尽量减少外电场的干扰

2)注意极板的绝缘,减少漏电的影响

3)注意环境温度变化对电容式传感器的影响

1电容式传感器的等效电路LcCRsRpCLc简化计算有效电容Ce:两点注意：工作频率等于或接近谐振频率时，谐振频率破坏了电容的正常作用。因此，工作频率应该先择低于谐振频率。电容式传感器的有效电容除与位移有关外，还与角频率有关。因此，在实际应用时必须与标定的条件（ω）相同。2.电容式差压传感器173电容式加速度传感器18结构形式简单，使用方便，移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大4.容栅式位移传感器产品.陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。

压力变送器产品.电容式液位传感器（液位计/料位计）电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的电容发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化。5.3电感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出,这种装置称为电感式传感器电感式传感器具有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点,其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,在工业自动控制系统中被广泛采用。电感式传感器种类很多,本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式三种传感器。5.3.1

自感式传感器的工作原理总磁阻线圈匝数两式联立得:δ线圈铁芯衔铁Δδ图4-1变磁阻式传感器I为线圈中所通交流电的有效值。空气导磁率磁导率导磁率H/m而其中如果A保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙式自感传感器若保持δ不变，使A随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器，输出特性

L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图所示。设电感传感器初始气隙为δ0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ，当衔铁处于初始位置时，初始电感量为当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0-Δδ，则此时输出电感为L=L0+ΔL，得变隙式电压传感器的L-δ特性当Δδ/δ0<<1时，可将上式用台劳级数展开成如下的级数形式：由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即2互感型--差动变压器WW1W2Esx-x工作原理:互感现象.EwEout3.电涡流式传感器工作原理

电涡流式传感器原理图（a）传感器激励线圈;（b）被测金属导体根据电磁感应定律，金属导体置于变化着的磁场中，这种电流在金属体内自身闭合，称为电涡流这种现象称为涡流效应。根据电涡流效应做成的传感器就称为电涡流传感器。电涡流传感器的等效电路如图所示：根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：解得等效阻抗Z的表达式为式中：Req——线圈受电涡流影响后的等效电阻1.自感式压力传感器

变间隙式差动电感压力传感器5.3.2电感式传感器的应用轴向式电感测微计结构示意图2.

互感型轴向电感测微计

电涡流式传感器由于具有测量范围大，灵敏度高，结构简单，抗干扰能力强，可以实现非接触式测量等优点，被广泛地应用于工业生产和科学研究的各个领域，可以用来测量位移、振幅、尺寸、厚度、热膨胀系数、轴心轨迹和金属件探伤等。3电涡流式传感器的应用

1.位移计2.振动计教材P.67思考题3个4-1、4-3、4-7，习题3个4-2、4-4、4-65.4

发电式传感器5.4.1压电式传感器

1.变换原理:压电效应

某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为正压电效应。反之称为逆压电效应。+串联+--+-+并联+--+-F+Q=d×F-特点：结构简单、体积小、重量轻；工作频带宽；灵敏度高；信噪比高；工作可靠；测量范围广等。用途：主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。压电材料：单晶体、多晶体

下面为单晶体---石英Z轴称光轴X轴称电轴Y轴称机械轴xy纵向及横向压电效应Qx=kpFx纵向压电效应，机械强度高，适用于高压测量Qy=kpFy·b/a横向压电效应，机械强度低，但可增大b/a提高灵敏度，适用于低压测量yxba纵向及横向压电效应纵向压电效应（适用于高压）在纵向力作用下石英表面产生电荷横向压电效应（适用于低压）在横向力作用下石英表面产生电荷

+—++++++++++++++FYFYFYFYFYFYFYFYFYFYFY-------------------产品压力变送器加速度计力传感器

5.4.2压电式传感器的应用

压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。

一、压电式测力传感器

右图是一种利用石英晶体的纵向压电效应，将“力”转换成“电荷”并通过二次仪表转换成电压的压电式力传感器。它具有气密性好、硬度高、刚度大、动态响应快等优点。目前，测力传感器已组成各种锤头（钢、铝、尼龙、橡胶）型测力锤，可以测量动态力、准静态力和冲击力。压电式测力传感器外形示意图二、压电式加速度传感器压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它的主要优点是；灵敏度高、体积小、重量轻、测量频率上限较高、动态范围大。但它易受外界干扰，在测试前需进行各种校验。如厂的YD型压电式加速度传感器就是典型的一种其外形如下图所示，有端面和侧面引出两种基本形式，它主要用于各种机械振动的测量。压电式传感器的外形示意图

结构：压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压电片并联。质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷。测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。基座壳体弹簧质量块压电片

磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。

5.5

磁电式传感器5.5.1磁电式传感器的基本原理

2分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N3信号调理

交流放大器

动圈式传感器线速度型

角速度型测速电机

1磁电式振动速度传感器的结构原理

图5.1.2磁电式振动传感器的结构原理图1-弹簧片2-永久磁铁3-阻尼器4-引线5-芯杆6-外壳7-线圈8-弹簧片5.5.2磁电式传感器的应用基本工作原理：该传感器在使用时，把它与被测物体紧固在一起，当物体振动时，传感器外壳随之振动，此时线圈、阻尼环和芯杆的整体由于惯性而不随之振动，因此它们与壳体产生相对运动，位于磁路气隙间的线圈就切割磁力线，于是线圈就产生正比于振动速度的感应电动势。该电动势与速度成一一对应关系，可直接测量速度，经过积分或微分电路便可测量位移或加速度。

线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。 用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，而感应电动势的频率取决于磁通变化的频率。

结构：开磁路、闭磁路2磁电式转速传感器开磁路磁阻式转速传感器1－永久磁铁3－感应线圈2－软铁4－齿轮结构比较简单，但输出信号较小，当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。闭磁路磁阻式转速传感器闭磁路磁组式转速传感器内、外齿轮的齿数相同，当转轴联结到被测轴上与被测图闭磁路磁组式转速传感器轴一起转动时，内外齿轮的相对运动使磁路气隙发生变化，因而磁阻发生变化并使贯穿于线圈的磁通量变化，在线圈中感应出电势。与开磁路情况相同，也可通过感应电动势频率测量转速。

3磁电式扭矩传感器磁阻式传感器

磁电式车速传感器5.6光电传感器

光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。光敏电阻某些半导体材料的电阻随光照强度的增大而减小。利用这一性质制成光敏电阻。照相机自动测光光控灯工业控制光电池

光生伏特效应----指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。光电池是一种直接把光能转变成电能的元件，是常用的光生伏特型器件。---+++PN光电三极管光电三极管与普通三极管相似，有e、b、c三个极，但基极不引线，而封装了一个透光孔。光照着e-b

之间的PN结时，就能获得较大的集电极电流输出。硅管-----常用于可见光的测试锗管-----常用于红外光的测试应用光电传感器在工业上的应用可归纳为四种基本形式----辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。1光电转速传感器2312

31(a)(b)光电数字式转速表工作原理图

下图是光电数字式转速表的工作原理图。图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。

5.6.2光电式传感器应用2光电耦合器光电耦合器是由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。根据结构和用途不同可分为光电隔离器和光电开关。3表面粗糙度光电传感器4透射式光电测孔传感器案例：光电鼠标就是利用LED与光电三极管组合来测量位移。亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。5.7CCD固态图象传感器

MOS(MetalOxideSemiconductor)光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元(MOS)。

MOS电容器（a）MOS电容截面；（b）势阱图在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。01111100光敏管阵列并联串联转换器运算电路显示电路结束信号驱动脉冲CCD特点:(1)非接触检测;(2)响应快;(3)可靠性高,维修简便;(4)测量精度高;(5)体积小,重量轻;容易与计算机连接(6)对被测物体需要强光照射;(7)受被测物体以外的光的影响.应用:(1)宽度测量;(2)外径测量;(3)主轴径向跳动测量.

条形码扫描器GREY=RED*0.299+GREEG*0.587+BLUE*0.114

数码相机5.7.2固态图像传感器的工程应用

固态图像传感器用于非电量测量，是以非接触的方式测量，以光为媒介的光电转换，在传真，文字识别，图像识别等领域已获得广泛应用。1.铝板宽度的自动检测2.二维零件尺寸的在线检测3.机器人视觉系统5.8霍尔传感器

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

1霍尔元件霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。

5.8.2霍尔传感器的应用霍尔式转速传感器霍尔位置开关霍尔式损伤探测

热电偶温度计(热电偶)

热电效应

将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。5.9热电式传感器ABTT0k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量，T——接触处的温度,NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。接触电势NA>NB

温差电势A材料的温差电势可表示为

式中符号同前式。T>T0

热电偶闭合回路的总热电势

由A和B两种导体组成的热电偶闭合回路，设两端温度接点温度分别为T和T0，且T>T0，NA>NB；那么回路中存在两个接触电势EAB(T)和EAB(T0)，两个温差电势EA(T,T0)和EB(T,T0)。因此回路的总热电势为(其方向由最大的接触电势EAB（T）决定)

在参考端，若电流从导体A流向导体B.则导体A称正热电极，导体B称负热电极。

对于确定的材料A和B，NA和NB与T的关系已知，则上式可简写成下面的形式EAB(T,T0)=fAB(T)－

fAB(T0)

如果参考端温度T0保持恒定，这个热电势就是工作端温度T的单值函数，即

EAB(T,T0)=fAB(T)－C

可见热电偶测温有冷端温度补偿这一特殊问题。5.9.2热电偶的分类按其热电动势与温度的关系以及使用性能可分常用热电偶和特殊热点偶。按其适应的温度范围不同可分，高温热电偶、中温热电偶、低温热电偶。按结构形式不同分，铠装式，插入式和裸线式热电偶。5.10红外传感器——辐射式传感器红外辐射本质是热辐射以波的形式在空间直线传播，真空中以光速传播当物体温度低于1000℃时，向外辐射的不再是可见光，而是红外光红外线在通过大气层时,有三个波段透过率高,它们是2~2.6μm、3~5μm和8~14μm红外探测器热探测器利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。光子探测器利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象。5.11

信号的调理5.11.1

直流电桥的调理（P.91）ER1R2R3R4VBACD令：金属丝应变片：V与应变成线性关系,可以用电桥测量电压来测量应变直流电桥的三种基本工作方式（接法）：半桥单臂

半桥双臂全桥半桥单臂的灵敏度

半桥单臂

ε1半桥双臂的灵敏度：半桥双臂ε1-ε2全桥的灵敏度：全桥ε1-ε2ε4-ε3全桥的灵敏度最高交流电桥线路原理图●平衡条件5.11.2

交流电桥调理eUBC

Z2Z4Z1Z3ACDB复阻抗Z1Z2Z3Z4eZ1Z2Z3Z4e交流电桥调理电感电容传感器传感器5.12

信号的调制与解调1目的解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。

先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。例：交流电桥Vin高频VoR1R3R2R42种类调制信号(被测信号)x(t)0t载波信号z(t)0ta)幅度调制(AM)b)频率调制(FM)c)相位调制(PM)3幅度调制

调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化．缓变信号调制高频信号放大放大高频信号解调放大缓变信号幅度调制与解调过程（波形分析）---同步解调乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)“同步”是指解调时所乘信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位。

同步解调

由傅立叶变化的性质可知，在时域中两个信号相乘，则对应在频域中对这两个信号进行卷积。而由高等数学知识可知，一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其图形由坐标原点平移到该脉冲函数处。所以，若以高频余弦信号与测试信号相乘，其结果就相当于把测试信号（原始信号）频谱图形由原点平移至载波频率处（正负f0

处。因为余弦函数的频谱图形是一对脉冲函数。），其幅值减半。所以幅值调制过程就相当于频率搬移过程。同步解调：将调幅波与原载波信号再次相乘，则频域图形将再一次进行搬移，其结果就是在频谱图上，在正负2f0处有信号，其幅值变为原来的1／4.而在原点处也出现了幅值为1/2的信号，所以用低通滤波器后，再用放大处理来补偿，就可以复现原信号。这一过程称为同步解调。“同步”是指解调时所乘信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位。

幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)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z(t)相乘．这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与z(t)相位相同的z’(t)方能复原出原信号，故称同步解调．

非抑制调幅----整流检波若对信号x(t)进行偏置，即叠加一个直流分量D，加上偏置电压后，使偏置后的信号都具有正电压。00D调幅解调二极管检波低通滤波在整流后准确地减去所加的偏置电压。即实现了解调。

调幅波的波形失真a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180°的变化。b)重叠失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成．当载波频率fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠．要求:

fz＞fm

4频率调制

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.鉴频：T1T2T3T4F优点：抗干扰能力强。调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中．

缺点：占频带宽度大，复杂案例：旋转机械扭矩测量案例：铁路机车调度信号检测调制频率8.5Hz，绿灯调制频率23.5Hz，红灯

5.13信号放大１、根据被测对象的特性，测试系统中的放大器有一些特殊的要求：１）精度高，线性度好２）高输入