信号调理处理和记录

x (t )
x m ( t ) x ( t ) cos 2 f 0 t
y (t )
幅度调制与解调过程（数学描述）
x(t) y(t)
x (t ) y (t ) X ( f ) Y ( f )
y ( t ) cos 2 f 0 t 1 ( f f 0 ) 1 ( f f 0 ) 2 2
X(f)
100 10 15 15 10
-1.5
-1.0
0
1.0
1.5
f ( KHz )
Y(f)
1 2 1 2
-10
0
10
f ( KHz )
X ( f )*Y ( f )
50
5
50
7 .5
5 5 7 .5
7 .5
7 .5 5
0
f ( KHz )
x a (t )的成分：
频率(KHz) 8.5 幅值: 10
三、带感应耦合臂的电桥
例1．悬臂梁受力 F 和 F 的作用，要求应变片测出引起
梁弯曲的力 F，试画出应变片的粘贴位置与电桥的连接方 式图。
解:
R1 R2
F
F
'
F
F
'
F
'
R1
R3
R2
ey
R 2 R0
ey
e0
R4
e0
若要进一步提高电桥的灵敏度，可采用：
F
R1 , R 3
F
R2 , R4
'
U y ( f ) KEX ( f ) Y ( f ) KEU
X(f)
B 2 A 2 A 2 B 2
' y
50

5

0
5

50

f
Y(f)
1 2 5000 5000 1 2

0

f
U
B 4 A 4 5050 5005 A 4 4995 4950 B 4
' y
u y u ab u ad i1 ( R R ) / 2 i 2 R u0 R R 2 R 2R u0 R R 2 (R R) / 2 u0 2R R
uy
i2
u0
并联后电桥灵敏度：
S 后＝
uy R / R

u0 2
并联前电桥灵敏度：
S 前＝
转变为 直接调频电路：被测量的变化 ------- 振荡频率的变化
调频的特点：
优点：抗干扰能力强。
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 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
据： (cos( 2 ) 2 cos
2
1)
解调：把调幅波再次与原载波信号相乘
同步解调：解调时所乘的信号与调制时的 载波信号具有相同的频率和相位； 注意：1．载波频率 f 0 与原信号中的最高频率 f m 一般要求：f 0 数倍或几十倍于 f m
2．调幅器实际上是一个乘法器； 例：电桥就是一个调制器 全桥:
已调制波：x m (t ) 调幅 (AM) 调制 调频 (FM) 调相（PM）
解调：从已调制波中恢复出调制信号 调制与解调目的：
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。
一 调幅及其解调 （一）原理 调幅：将一个高频简谐信号（载波）与测试信号 （调制信号）相乘，使高频信号的幅值随 测试信的变化而变化。
调频波的瞬时频率：
f0
f
f f0 f
：载波频率，或中心频率 ：频率偏移，与调制信号的幅值成正比
（一）直接调频测量电路 如：变极距型电容传感器：
C
0 A
dC 0 A
1

2
d
小范围： dC d
将电容作为自激振荡回路中的一个调谐参数， 则：电路的振荡频率： f
即：R 1 R 3 R 2 R 4
当 R1 R 2 R 3 R 4 R
U
y
R3 1 R1 R 2 R4 ( )U 0 4 R R R R
测量时，使输出电压与被测量引起的电阻变化量有关； 直流电桥的连接方式：
R 1 R 2 R 3 R 4 R 0 时，
9.5 15
10 100
10.5 15
11.5 10
x a (t )的成分：
频率(KHZ) 8.5 幅值: 10
9.5 10 10.5 15 100 15
11.5 10
（二）变压器耦合的谐振回路鉴频法 鉴频：调频波的解调 转变为 将频率变化 -------- 调制信号电压幅值的变化
u f ：等幅的调频波
R R u0
R
应变片： S
R R
R (1 2 E ) =常数 K (t )
K ( t ) K ( A cos 10 t B cos 100 t )
u y KE ( A cos 10 t B cos 100 t ) sin 10000 t
调制是一种非线性调制。
已知:调幅波 x a ( t ) (100 30 cos t 20 cos 3 t ) cos w c t
其中 f c 10 KHZ f 500 HZ
求:1) x a (t ) 所包含的各分量的频率及幅值 2) 绘制调制信号和调幅波的频谱
解: 调制信号：
uy R / R

u0 2
所以此法不能提高电桥的灵敏度。
第四章 信号的调理与记录
（测试技术）
第二节 调制与解调
经传感器后的信号需经过： 调理、放大、滤波等一系列的加工处理 目的：将微弱电压信号放大 将非电信号转换为电压信号 抑制干扰噪声，提高信噪比 便于传输及后续环节的处理
第二节 调制与解调
调制：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； 载波：y (t ) 一般为较高 频率的交变信号 调制信号： x (t )
j 2 j 4
平衡： Z 01 Z 03 e
Z 02 Z 04 e
j ( 2 4 )
：阻抗角，

Z 01 Z 03 Z 02 Z 04
1 3 2 4
各桥臂电流与电压的相位差 0 纯电阻： 感性阻抗： 0 容性阻抗
0
电容电桥： 平衡时：
x a ( t ) (100 30 cos t 20 cos 3 t )
载波： y ( t ) cos w c t
调幅波 ： x a ( t ) (100 30 cos t 20 cos 3 t ) cos w c t
x a (t ) y (t ) x (t ) X a ( f ) Y ( f )* X ( f )
电桥的灵敏度：
S
U R
y
R
上述电桥是在不平衡的条件下工作的； 缺点： 当 U 0 不稳定或环境温度有变化时，
U
y
变 ,从而引起测量误差
平衡电桥：零位测量法
( R1 R5 2 ) R3 ( R2 R5 2 R5 2 )R4 R5 2 R5 ) R4
( R1 R1
乘法器
x m(t) y(t)
x m ( t ) x ( t ) cos( 2 f 0 t )
x m ( t ) cos( 2 f 0 t ) x ( t ) cos ( 2 f 0 t )
2
乘法器
滤波器
x(t)
1 x ( t ) 1 x ( t ) cos( 2 ( 2 f 0 ) t ) 2 2
jwL
1
R 3
R 2 ( R 4 jwL 4 )
电感电桥：
R 1 R 3 jwL 1 R 3 R 2 R 4 jwL 4 R 2 R1 R 3 R 2 R 4 L1 R 3 L 4 R 2
注意：纯电阻交流电桥，除电阻平衡外，
还须有电容平衡；（导线间分布电容的存在）
测试技术
第四章 信号调理、处理和记录
第四章
信号调理、处理和记录
目的：提高信噪比，将信号转换成便于处理、接收和显示的形式 内容：电桥，调制，解调，滤波器，记录仪；
第一节 电桥
电桥：将 R L C 等的变化———电压或电流
特点：精度较高，灵敏度较高 分类： 按激励 电压 一、直流电桥
当输出端后接输入电阻较大时， 电流输出可视为零；
1 R1 jwc R1 R 3 1 R3 R4 jwc R2R4
1
1
4
R2
R3 jwc
R2 jwc
4
R1 R 3 R 4 R 2 R3 R2 C1 C4
要达到平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数；
R1
f C ( 1 2 )( 1 2
3 2

1 2 LC
)( LC )
L (
1
)
f
2 C
在 f0 附 近
f 1 f0 C 2 C0
C C0
f C ( 在小范围内）
C 2C 0 )
f f 0 f f 0 (1
即： f 被测量的变化
i2
u0
串联后电桥灵敏度：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
S 后＝
uy R / R

u0 2
串联前电桥灵敏度：
S 前＝
uy R / R

u0 2
所以此法不能提高电桥的灵敏度。
2.半桥双臂各并联一片
解： S
电桥
＝
uy R / R
R R R R
R R R R
i1
R R
（1）当半桥双臂各并联 一片应变片时：
直流电桥 交流电桥
按输出 方式
不平衡桥路 平衡桥路
I1
I2
U
0
R1 R 2
U
0
R3 R4
U
ab

R1 R1 R 2
U0
U
ad

R4 R3 R4
ab
U
0
U
y
U
U
ad

R1 R 3 R 2 R 4
R1
R 4 R 3 R 4
U
0
U 电桥平衡时： y
0
半桥单臂
U
y
半桥双臂
R
R1 R1 , R2 R2

4 R0 2R R 4 R0
U0
且
R1 R 2 R U
y
R R 0 U
y

R 2R0
U
0

U0
全臂
R1 R 2 R 3 R 4 R U
y

R R0
U
0
u a ：二次边输出电压
f n 回路的谐振频率
u a 的频率与 u f 保持一致
( eg , )
小范围内：u a f c ( L ) 被测参量
通过 u a 感知被测量
例 1 用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变， 已知其变化规律为： ( t ) A cos 10 t B cos 100 t 如果电桥激励电压：u 0 E sin 10000 t 求此电桥的输出信号的频谱 解： 全桥： u y
R3 R1
F'
例2．使用电阻应变仪时，以下措施能否提高电桥灵敏度
1.半桥双臂各串联一片 2.半桥双臂各并联一片
R R R R
R R
R R
解：
S 电桥 ＝
uy R / R
i1
R R
uy
（1）当半桥双臂各串联 一片应变片时：
u y u ab u ad i1 ( R R R R ) i 2 R u0 4R R 2R u0 (2 R 2R ) u0 2R R
uy R R u0
调幅波： 载波： 调制信号：
u0
R R
uy
(二) 整流检波和相敏检波
解调：
相敏检波：既能鉴别调制信号的幅值又能反映其极性。
电桥调幅与相敏检波的典型实例：动态电阻应变仪
二、调频及其解调
调频：利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器 输出的是等幅波，但其振荡频率的偏移量与信 号电压成正比。当信号电压为零时，调频波的 频率就等于中心频率；信号电压为正时频率提 高，负值时则降低。 调频波：
R5 ) R3 ( R2
R1 2 R 5
二、交流电桥
交流激励电压，四臂可为L R C
Z 1Z 3 Z 4 Z 2
Z 1 Z 01 e Z 3 Z 03 e
j 1 j 3
, Z 2 Z 02 e , Z 4 Z 01 e
j ( 1 3 )
(f)




0
4950

4995

5005

5050

f
第三节 滤波器 （选频） 一. 滤波器的分类
作用
1. 滤除干扰噪声 2. 频谱分析
按选频 :低通、 高通、带通、带阻 f 1 下截止频率 f 2 上截止频率
1) 低通滤波器
从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几 乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。