测试技术-第4讲-信号的调理与记录
第四章信号的调理与 记录1
第四章 信号调理与记录电桥 调制与解调 滤波器 信号的放大 测试信号的显示与记录被测信号第四章 信号调理与记录信号 传感器 调理与处理 显示或控 制装置信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。
1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能 直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需 要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。
12.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪 声，需要去掉噪声，提高信噪比。
2第一节 电桥ΔR、ΔL、ΔC 电桥 U(u)或I(i) 指示仪表或放大器一、直流电桥U o = U ab − U ad• 电桥特点：电路简单， 高精确度和灵敏度。
•电桥分类： − 按激励电压的性质分 ⎧直流电桥 电桥 ⎨ ⎩交流电桥 − 按输出方式分 ⎧不平衡电桥 电桥 ⎨ ⎩平衡电桥3⎛ R1 R4 ⎞ U ab − U ad = R1 I 1 − R4 I 2 = ⎜ ⎜ R + R − R + R ⎟U e ⎟ 2 3 4 ⎠ ⎝ 1 R1 R3 − R2 R4 b = U ( R1 + R2 ) (R3 + R4 ) eR1R2 c Uo R3若使电桥平衡 (U o = 0) 则 R1 R3 = R2 R4a R4I1 I2 d Ue 直流电桥即电桥平衡条件： 相对桥臂电阻乘积相等4（1）单臂电桥接 法Uo =(R1 + R2 ) (R3 + R4 )bRR1 R3 − R2 R4Ue（2）半桥双臂连接Uo =(R1 + R2 ) (R3 + R4 )bRR -Δ R2R1 R3 − R2 R4Ue若R1 = R2 = R3 = R4 = R0Δ1+RRR2 I1 I2 c Uo R3 d Ue 半桥单臂51+Δ则(R + ∆R) ⋅ R0 − R02 U Uo = 0 (2R0 + ∆R) ⋅ 2R0 e=− ∆R Ue 4R0 + 2∆Ra R4a R4I1 I2c Uo R3 dUo =(R0 + ∆R)R0 − (R0 − ∆R)R0 U2R0 × 2R0Uo = ∴ ∆R Ue 2R0eUe半桥双臂6∆R Ue 又∆R << R0 , 所以 Uo ≈ − 4R01（3）全桥接法Uo =R1 R3 − R2 R4 U (R1 + R2 ) (R3 + R4 ) ebR Δ-Δ R21、不平衡直流电桥（1）单臂连接： （2）半桥双臂连接：c UoRUo ≈Uo =∆R Ue 4R0∆R Ue 2R0R1+RaI1 I2-Δ R43+Uo ==(R0 + ∆R) − (R0 − ∆R) (2 R0 )22Ue4 R0 ∆R Ue 2 4 R0d Ue全桥接法7RΔ2（3）全桥接法：Uo =∆R Ue R0R全桥接法灵敏度最大 不平衡电桥缺点：Ue不稳定,环境温度 变化使会使Uo变化，从而产生测量误差 8∴Uo =∆R Ue R02、平衡直流电桥(零位测量法)工作原理： • ∆R = 0(被测量为零）时， 电桥平衡 ⎧G = 0 ⎨ ⎩H = 0R1 R5 R4 R3 H R2 G二、交流电桥 • 交流电桥特点 特点：– 电桥四臂：R、L、C； – 电源：交流电压• 交流电桥平衡条件： Z 1 Z 3 = Z 2 Z 4 平衡条件：• ∆R ↑ ,电桥失衡 ⇒ 电位器 H b ， 电桥平衡 ⎧G = 0 ⎨ ⎩ H ∝ ∆R⎧ Z 1 Z 3 = Z 2 Z 4 (阻抗的模 ⎪ ⇒⎨ ⎪ϕ 1 + ϕ 3 = ϕ 2 + ϕ 4 (阻抗角 ) ⎩)特点：测量精度取决于 H 的精 确度，与 U e 无关。
4第四章信号的调理与记录
频率与载波同，但相位上差 ，幅值
仍为载波的
1 4
S
g
倍。
工程测试技术与信息处理 第 4 章
3．动态简谐应变 nsint
电桥输出电压
Uy 1 4SgnsintEsint
1 8 S gn E s in [ ( ) t 2 ] 8 1 S gn E s in [ ( ) t 2 ]
电桥的和差特性
工程测试技术与信息处理 第 4 章
测量方式：
1、不平衡电桥（又称偏位法），上述电 桥是在不平衡条件下才有电压输出。
特 点：适宜于动态测量，但电源电压、环 境温度有变化时，会引起电桥输出产生误 差。动态应变仪用该法。
工程测试技术与信息处理 第 4 章
2、平衡电桥（零位法）
特点：适宜于静态测 量。若设有自动平衡 则可测低频动态。测 量误差与电源电压无 关。静态电阻应变仪 用该法 。
Z Z e Z Z e j13 01 03
j24
02 04
工程测试技术与信息处理 第 4 章
交流电桥平衡须同时满足
Z101Z033Z022Z044
即交流电桥平衡的条件为：相对两臂阻抗 之模的乘积应相等，并且它们的阻抗角之 和也必须相等。
工程测试技术与信息处理 第 4 章
工程测试技术与信息处理 第 4 章
2、有些传感器输出的是电信号中混杂有干 扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。
工程测试技术与信息处理 第 4 章
3、某些场合，为便于信号的远距离传输， 需要对传感器测量信号进行调制解调处理。
工程测试技术与信息处理 第 4 章
第一节
电桥
工程测试技术与信息处理 第 4 章
大和传输。最后的输出是已调制波。
测试技术第四章信号调理、处理和记录
第四章信号调理、处理和记录信号转换电路——测量电路，用来测量传感器输出的电信号，如电阻、电压、电感电容、电荷量、频率等量的大小。
若从传感器到显示环节的整体来看，信号转换电路具有传输的作用，在传输过程中又将信号进行了若干的变换，如放大、调制解调、滤波等。
目的是将传感器输出的信号转换为人易于观测（显示）的信号形式，因此称为转换电路。
第一节电桥电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。
一、分类：1．按激励电压的性质：直流电桥和交流电桥。
直流电桥：电源为直流，元件只能是直流元件——电阻。
交流电桥：电源为交流，元件可以是电阻、电容、电感。
2．按输出方式：非平衡电桥和平衡电桥二、电桥分析（一）非平衡电桥1. 非平衡电桥分析电桥输出端后接输入电阻较大的仪表或放大器时，可视为开路，电流输出为零。
Z为阻抗，U为电源（电源可以是直流也可以是交流）。
Z为纯电阻时Z=Z R=RZ为电容时Z=Z C=1/ωCyZ 为电感时 Z=Z L =ωL4302211,R Z U I R Z U I o+=+=021111U Z Z Z Z I U ab +==043442U Z Z Z Z I U ad +==()()043214231U Z Z Z Z Z Z Z Z U U U ad ab y ++-=-=2. 电桥平衡条件：要使电桥平衡，输出为零U y ＝0，应满足4231Z Z Z Z =3. 电桥形式在一般情况下，电桥都做成对称型和等臂型。
对称型⎩⎨⎧==4231Z Z Z Z 或 ⎩⎨⎧==4321Z Z Z Z等臂型Z 1=Z 2=Z 3=Z 4 （二）平衡电桥当桥路中某一参数发生变化，打破了桥路的平衡，使电桥的输出有了变化，通过反馈（手动或自动）调节某一桥臂上的可变电阻，以使桥路重新达到平衡状态（即桥路输出为零）。
如图，设被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时指示仪表G 及可调电位器H 指零。
第四章信号的调理与记录62页PPT
I1
a
I2
RZ 44
d
RZ 22 c eU y0
RZ 33
eU 0e
不平衡电桥
二、电桥的平衡
河北科技大学机械学院
1、直流电桥平衡bLeabharlann UabR1
R1 R2
Ue
Uad
R4 R3 R4
Ue
R1
I1
a
I2
R4
d
eU 0e
R2 c
R3
U0Uab Uad
eU y0
(R1R1R R32)(R R32R 4R4)Ue
Ue
U 0 ( ( R R 1 1 R R 1 1 ) R R ( 3 2 R R 3 ) 2 )( R R ( 3 2 R R 3 2 )R R 4 ( 4 R R 4 4 ) )U e
河北科技大学机械学院
U e(2R R ( R R 1 1 R R 2 2 ) 2 ( R R 3 R 3 R 4) R 4)
定义： 调制是指利用某种低频信号来控制或改变高频振 荡信号的某个参数（幅值、频率或相位)。
a) 调幅(AM)
b)调频 (FM)
c)调相 (PM)
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一、调幅与解调
1、调幅
调幅是将一个高频载波信号（此处采用余弦 波）与被测信号（调制信号）相乘，使载波信号 幅值随被测信号的变化而变化．
y(t) cos2f0t
1(
2
f
f0
)
1
2
(
f
f0)
x(t)cos2f0t
1 2
X( f
)( f
第四章机械工程测试技术-信号调理及记录
调制波
解调
输出
调制
放大、传送
4. 品质调节： 线性化处理—扩大测量范围，减少非线性失真；
滤
波—保持有用信号，消除干扰；
倍频、细分—提高测量精度；
5. A/D、D/A转换：与计算机相联系。
第一节 电桥
第一节 电桥
电桥是将电阻、电感、电容等参量的变
化转换为电压或电流输出的一种测量电路。
b
分类 ：按激励电压（1）直流电桥
即高频信号的幅值
xm(t)
Xm (f)=X(f)*Y(f)
2fm
随测试信号的变化而变
0
t
- f0
0
f0 f
化,如交流电桥。
a)
b)
图4-13 调幅过程 a) 时域 b)频域
第二节 调制与解调
2. 调幅信号的频谱分析
载波为余弦信号，由δ函数的时移性质可知，其频谱是一对脉冲谱线 ：
调幅波：
cos2f0t 1 2(ff0)1 2(ff0)
L4 R4
R3
d
L1R3 L4R2 （4-14）
U0 图4-5 电感电桥
第一节 电桥
对于纯电阻交流电桥，即使各桥臂均为电阻，但由于导线间存在分 布电容，相当于在各桥臂上并联一个电容（见图4-6），为此除了电阻平 衡外，还需要电容平衡。
注意（1）一般情况下交流供桥电压具有良好的电压波形与频率稳定度， 如果电压波形畸变，基波易达到平衡，将有高次谐波电压输出。
第一节 电桥
使用电桥电路时，还需要调节零位平衡，即当工作臂电阻 变化为零时，使电桥的输出为零。图4-5给出了常用的差动串 联平衡与差动并联平衡方法。
图4-5 零位平衡调节 a）差动串联平衡 b）差动并联平衡
机械工程测试技术 第4章信号调理的调理与记录
S
其中dl l
Sg
dR / R dl / l
1
2
常数
可得：
U0
Ui 4
Sg
1－2
3
4
11
13:02
第四章 信号的调理与记录
如图所示，悬臂梁受力F作用，要求出F，并且要考虑温度
的影响。试画出应变片的粘贴位置与电桥的连接方式图。
F
F R1 R2 R1
13:02
ey
ex
12
第四章 信号的调理与记录
如相邻两桥臂电阻同时变化，所产生的输出电压的变化相互抵消 如相邻两桥臂电阻反相变化，所产生的输出电压的变化相互迭加
10 13:02
第四章 信号的调理与记录
直流电桥的计算：
根据4 -11式：U0
1 4
DR1 － DR2 R1 R2
DR3 R3
DR4 R4
U i
由第三章金属丝应变片：
dR R
(1 2)
半桥双臂接法最大输出:
uo
DR0 2R0
ui
R1 R1 DR1, R2 R2 m DR2
全桥接法最大输出: 13:02
uo
DR0 R0
ui
R1 R1 DR1, R2 R2 m DR2， R3 R3 DR3, R4 R4 m DR4
8
第四章 信号的调理与记录
定义电桥的灵敏度为
S U0 DR R
9 13:02
第四章 信号的调理与记录
直流电桥的和差特性： 如图4－2c，当R1 R2 R3 R4 R;
uo
(
R1
R1R3 R2
)(
R2 R3
R4 R4
)
Ui
信号的调理与记录
滤波器
二、滤波器性能分析
测试技术与信号处理
1.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。
以理想的低通滤波器为例，其特性为
H(f) A0e-j2ft0 0
-fcffc 其 他
|H( f )|
H(f) A00
-fc f fc 其他
调制与解调
测试技术与信号处理
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，因为频率调制是一种非线性调制。
调制与解调
调制与解调
相敏检波电路
+-
-
+-
+
测试技术与信号处理
- +- + +-
调制与解调
VD1 或VD3通
+ +
-L-L
H-H
-H
LL
测试技术与信号处理
+
①②
+
① 调幅信号x(t) > 0时
注意：y(t)的振幅大于xm(t)的振幅
若y(t) > 0，则VD1通：d→1→VD1 →2→5→R1→地→d
若y(t) < 0，则VD3通：d→3→VD3 →4→5→R1→地→d
滤波
滤波器
测试技术与信号处理
•滤波器分类（根据滤波器的选频作用分类）
低通
高通
滤波器
带通
测试技术与信号处理
带阻
滤波器
机械工程测试技术基础(第三版)段富海-第四章 信号调理与记录
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DATE: 2019/2/1
PAGE: 2
§4-1 电桥
一、直流电桥
U y U ab U ad I 1 R1 I 2 R4 R1 R4 U o R1 R2 R3 R4 R1 R3 R2 R4 U o ( R1 R2 )(R3 R4 )
当某一桥臂随被测量变化时， 电桥失去平衡，调节电位器H，改 变电阻R5触电位置，可使电桥重新 平衡，电表G指针回零。
电位器H上的标度与桥臂电阻 值的变化成比例，故H的指示值可 以直接表达被测量的数值。
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DATE: 2019/2/1
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Uy
灵敏度：
R0 U0 R0
U0
S
Uy R / R
全桥输出电压高，有补偿作用
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§4-1 电桥
电桥的和差特性： 若相邻两桥臂电阻同向变化（两电阻同时增大或同时 减小），所产生的输出电压的变化将相互抵消； 若相邻两桥臂电阻反向变化（两电阻一个增大一个减 小），所产生的输出电压的变化将相互叠加。
x(t ) cos 2 f 0t cos 2 f 0t x(t ) 1 x(t ) cos 4 f 0t 2 2
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§4-2 调制与解调
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DATE: 2019/2/1
测试_第四章_信号的调理与记录
《机械工程测试技术》第四章信号调理、处理和记录主讲：王建军山东理工大学∙机械工程学院∙测控系机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录本章学习要求：1.掌握电桥的工作原理及特性#2.掌握信号调制与解调的原理3.掌握滤波器的分类及其参数4.了解模拟信号放大电路原理5.了解测试信号的显示与记录★信号调理的目的信号调理的的目的是便于信号的传输、处理与记录。
1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。
信号调理装置按工作原理有1°转换器：将传感器输出信号转换成便于传输、放大、处理的装置。
例如：电桥：可将R、C、L→u或i；D/A：数字量→模拟量A/D：模拟量→数字量调制器：对信号进行调制；解调器：对已调信号进行鉴别并还原。
2°放大器：将信号进行放大。
例如：电压（直流、交流）放大器；电荷放大器3°运算器：将信号进行相应的运算，获取所需信号。
例如：加法器、乘法器、积分器、微分器4°滤波器：对信号进行滤波处理。
例如：低通滤波器、高通滤波器5°整流器：对信号进行整流检波处理。
例如：相敏整流器可见，信号调理环节很多，其功能也很丰富，而这些环节前期课程已作过详细介绍。
所以，本章仅从测试的角度讨论电桥、调制与解调、滤波器、放大器的基本概念。
载波放大式应变仪的组成及工作原理载波放大式应变仪由电桥、电桥平衡装置、放大器、振荡器、相敏检波器、滤波器和稳压电源组成。
第四章信号调理与记录电桥分类：●按桥压分：直流电桥；恒流源电桥；恒压源电桥交流电桥●按输出方式分：功率电桥（按低阻抗负载）电压电桥（按高阻抗负载）4.1 电桥第四章信号调理与记录若：R 1=R 2=R 3=R 4=R 全等臂电桥R 1=R 2=R a R 3=R 4=R b 对称等臂半桥R 1=R 4=R a R 2=R 3=R b 非对称等臂半桥1、工作原理▲4.1.1 直流电桥B()()sr sr sr AD AB sc sc U R R R R R R R RR R R U R R R U U U U R U 43214231443121)1++-=+-+=-=的关系与4.1 电桥▲直流电桥平衡（）条件：3421R R R R =或4231=⋅-⋅R R R R 相对桥臂电阻之积相等。
测试技术第4章
U ad I 2 R4
输出电压：
R1 R1 R3 R2 R4 R4 U y U ab U ad U U R R 0 R R 0 ( R R )(R R ) U 0 2 3 4 1 2 3 4 1
直流电桥
直流电桥的平衡条件： R1 R3 R2 R4 常用的电桥连接形式：
t 0 kx t
此时调频信号可表示 x f (t ) A cos 0t k x(t )dt 0
图4-10
调制信号加偏置的调幅波 b）偏置电压不够大
a）偏置电压足够大
相敏检波
为了使信号具有判别信号相位和选频的能力， 需采用相敏检波电路。 要实现正确的解调必须要求参考信号的幅值 远大于调幅信号的幅值，使开关器件的通断 完全由参考信号决定。其中x(t)为原信号； y(t)为载波，xm(t)为调幅波。电路设计使变 压器B二次边的输出电压大于A二次边的输出 电压，即满足参考信号的幅值大于调幅信号 的幅值。
当被控制的量为高频振荡信号的频率时，称为调频(FM)； 已调制信号为调频波； 当被控制的量为高频振荡信号的相位时，称为调相(PM)； 已调制信号为调相波； 调制与解调的应用： 应用分析：传感器输出的低频微弱信号需要放大。直流放 大，存在零漂和级间耦合，容易失真；交流放大，抗零漂， 故一般先将低频信号调制为高频信号，再交流放大，最后 解调。
2、整流检波和相敏检波 调幅波解调（检波）： 从已调制信号中检出调制信号的过程。 有三种方法：同步解调、包络检波、相敏检波。 同步解调：已调制信号Xm(t)与载波y(t)再次相乘， 经低通滤波器，检出调制信号。 整流检波（包络检波）： 幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值 变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一 致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。 这种方法称为整流检波或包络检波。
第四章 信号的调理与记录
第一节
电
桥
电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转换为电压或电流输 出的一种测量电路，由于桥式测量电路简单可靠，而且具有很 高的精度和灵敏度，因此在测量装置中被广泛采用。
按激励电源的类型可分为：
{
直流电桥 交流电桥 不平衡式电桥
按输出方式分为：
{ 平衡式电桥
不平衡式电桥应用更为广泛。下面仅对不平衡式电桥加以介绍。
调制的种类
幅值调制
y ( t ) [ A x ( t )] cos( 2 ft )
频率调制
y ( t ) A cos{ 2 [ f 0 x ( t )] t }
相位调制
y ( t ) A cos{ 2 ft [ 0 x ( t )]}
一、幅值调制与解调 1．幅值调制 幅值调制是将一个高频载波信号(此处采用余弦波)与被测信 号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随被测信号的变化 而变化。
在t1～t2区间，调制信号x(t)为负，调幅波xm(t)相对于载波 y(t)的极性相差180°。 当载波电压为正时，VD2导通，电流的流向是 5→2→VD2→3→d→地→R1→5 当载波电压为负时，VD4导通，电流的流向是 5→4→VD4→1→d→地→R1→5 可见在t1～t2区间，流经负载R1的电流方向始终是由下向上， 输出电压u0(t)为负值。 综上所述，相敏检波是利用二极管的单向导通作用将电路输 出极性换向。简单地说，这种电路相当于在0～t1段把xm(t) 的负部翻上去，而在t1～t2段把xm(t)的正部翻下来。若将 u0(t)经低通滤波器滤波，则所得到的信号就是xm(t)经过 “翻转”后的包络。
x m ( t ) x ( t ) cos 2 f 0 t
测试技术基础第四章 信号调理、处理和记录
– 调幅（AM）----调幅波 调幅（ ） 调幅波 – 调频（FM）----调频波 调频（ ） 调频波 – 调相（PM）----调相波 调相（ ） 调相波
过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调制信号。 过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调制信号。 载波 调制信号 最后的输出是已调制波 已调制波。 最后的输出是已调制波。
• 半桥双臂法
输出电压
R + ∆R R4 1 1 − Uy = R + ∆R + R − ∆R R + R U0 1 2 2 3 4 1 ∆R = U0 2R0
灵敏度
1 = U0 S= ∆R / R 2
Uy
与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍， 与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输 ∆R / R0 出与 成完全线性关系
Page: 19
Page: 20
一、调幅及其解调
• 定义：调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制 定义：调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（
信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。 信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。
பைடு நூலகம்
• 调幅原理
由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应在频 由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘， 域中这两个信号进行卷积， 域中这两个信号进行卷积，即 余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线
Page: 24
解 调1
1）同步解调 ） 把调幅波再次与原载波信号相乘， 把调幅波再次与原载波信号相乘， 则频域图形将再一次进行“ 则频域图形将再一次进行“搬 移”。 若用一个低通滤波器滤去中心频 2 f0 的高频成分， 率为 的高频成分，那么将可 以复现原信号的频谱（幅值减小 以复现原信号的频谱（ 为一半），这一过程称为同步解 为一半），这一过程称为同步解 ），这一过程称为 调。 “同步”指解调时所乘的信号 同步” 与调制时的载波信号具有相 与调制时的载波信号具有相 同的频率和相位。 同的频率和相位。
测试技术第四章 信号调理与记录)
e j2pf0t ( f f0 )
e j2pf0t ( f f0 )
x(t) y(t) X( f )Y ( f )
则xm(t)
x(t) cos 2pf0t
Ym (
f
)
1 X(
2
f
) (
f
f0)
X( f
)( f
f0 )
1 X(
2
f
f0)
X(
f
f0 )
测试技术基础 时域
½
0
f0
2fm
Y(f )
½
f0
0
f0
(a)调幅波频谱
ƒ
(b)载波信号频谱
ƒ
低通
Xm(f )*Y(f )
1/4
1/4 1/41/2
-fc
-f0 -fm
0
fc
fm f0
2fm
2fm
同步解调
1/4 2fm
(c)同步解调后频谱
ƒ
测试技术基础
xm(t)
0
第四章 信号调理与记录
解调
t
1/2
−f0
2fm
x(t) 音频信号
测试技术基础
第四章 信号调理与记录
第四章 信号调理与记录
4.0 变换及调理的目的
▼
4.1 电桥
▼
4.2 信号的调制解调
▼
4.3 信号的滤波器
▼
测试技术基础
4.0 变换与调理的目的
便于信号的传输与处理。
1.传感器输出的电信号很微弱，大多数 不能直接输送到显示、记录或分析仪器 中去，需要进一步放大，有的还要进行 阻抗变换。 2.有些传感器输出的电信号中混杂有干 扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。 3.某些场合，为便于信号的远距离传输， 需要对传感器测量信进行调制解调处理。
传感与测试技术-信号的调理与记录
数据采集系统实现原理
介绍数据采集系统的组成和实现 原理，包括传感器、信号调理、 数据采集卡等。
数据采集后的图形分析
辅助控制系统
用图表等形式展示采集到的数据， 并通过分析和处理实现对数据的 管理和应用。
将采集到的数据应用到机器人、 自动化工程等中，实现辅助控制 和优化。
LabVIEW软件在数据采集中的应用
滤波器设计
介绍RC滤波器、LC滤波器、数字 滤波器等滤波器的设计方法和实 现过程。
滤波在信号处理中的应用
介绍如何选择合适的滤波器来对 原始信号进行处理，去除噪声和 干扰。
调制技术与解调技术
1 调制技术
2 解调技术
3 选型
介绍AM、FM、PM等调制 技术的基本原理及其在通 信与广播中的应用。
介绍如何将调制信号复原 成原始信号的技术和方法。
数据可视化
通过可视化的方法展示处理后的数据，帮助我们更好地理解和分析数据的规律和特点。
信号分析
根据采集到的信号进行分析和研究，常用的方法有时域分析、频域分析等。
信号记录技术
信号记录系统
介绍信号记录系统的组成和建立 过程，包括记录仪、传感器、存 储介质等。
记录设备
数据分析与应用
对记录仪的类型和性能进行介绍， 以及如何选择合适的设备方案。
根据具体的应用场景选择 合适的调制和解调方法， 保证信号传输的质量。
数字信号处理技术
基本概念
介绍数字信号处理技术的基本 概念，如采样率、量化误差等。
数字滤波器
数字滤波器的种类和应用，帮 助信号更好地适应数字化的处 理方式。
傅里叶变换
将信号从时域转换到频域，帮 助信号更好地表示及分析处理。
数据采集系统及应用
测试技术-课件 第四章.ppt
R1 — 5 。 可见在t1—t2区间，流经负载负载R1的电流方向始终是由下向上，输出电
１、频率调制的基本概念 频率调制——指利用调制信号控制高频载波信号频率变化 的过程。
在频率调制中载波幅值保持不变，仅载波的频率随调制信 号的幅值成比例变化。
（t)0kx(t)
xf(t)Acos[0tk x(t)dt0]
２、频率调制的方法
常用的频率调制方法有：直接调频法和间接调频法
间接调频法——间接调频器由窄带角度调制器和频率倍乘器 等组成
的变化，即采取了频率调制。
一、幅值调制与解调 1、幅值调制
xm(t)x(t)cos2f0t
2、调幅信号的频域分析
x(t)y(t)X(f)*Y(f)
cos2f0t1 2(f f0)1 2(f f0)
x ( t) c o s 2 f0 t 1 2 X ( f) * ( f f0 ) 1 2 X ( f) * ( f f0 )
（３）相敏解调
相敏检波的特点是可以鉴别调制信号的极性，所以采用相 敏检波时，对调制信号不必再加直流偏置。
相敏检波利用交变信号在过零位时正、负极性发生突变， 使调幅波的相位(与载波比较)也相应地产生1800的相位跳 变，这样便既能反映出原调制信号的幅值，又能反映其极 性。
当调制信号x(t)为正时： 调幅波xm(t)与载波y(t)同相，这时，当载波电压为正时，VD1导通，电流 的流向是d—1—VD1—2—5—R1—地—d； 当载波电压为负时，变压器T1和T2的极性同时改变， VD3导通，电流的 流向是d—3—VD3—4—5—R1—地—d 。 可见为在正0值-t。1区间，流经负载R1的电流方向始终是由上到下，输出电压u0(t)
传感与测试技术-信号的调理与记录
交流电桥
电容电桥 平衡条件：
R1j1C1R3R4j1C4R2
RC R131R3 CRR24 4R2
R电阻平衡 C电容平衡
交流电桥
电感电桥 平衡条件：
R 1 jL 1 R 3 R 4 jL 4 R 2
R1R3 R3L1
R4R2 R2L4
R电阻平衡 L电感平衡
第二节 调制与解调
主要解决微弱缓变信号的放大以及信号的 传输问题。
调相（Phase modulation--PM)
调幅及其解调
幅值调制：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 随测试信号的变化而变化。
x (t ) 调制器 xm(t)x(t)co2sf0t
调制信号 （乘法器） 调幅波
y(t)co2sf0t
载波
调幅信号的实质
从时域上：用x（t） 去控制改变y（t） 的幅值，使xm（t） 的幅值随着x（t） 的变化而变化，频 率仍与y（t）相同。
直流电桥的输出特性
全桥接法
b
UoR1R 1R R32R R32R 4R4Ue
UoR0R22R 0R 20R2Uea
I1 I2
4R0R 4R02
U
e
d
Uo RR0 Ue
Ue
c Uo
单臂电桥接法：Uo 4RR0Ue
半桥接法：Uo
R 2R0
Ue
全桥接法：Uo RR0 Ue
全桥接法的灵敏度最高
第四章 信号的调理与记录
被测信号
信号
传感器
调理与处理
显示或控制 装置
信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。
1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能 直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需 要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。
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第4讲 信号的调理与记录机械工程测试与控制技术B第4讲 信号的调理与记录胡建中Email: hjz@ Web: 1 东南大学设备监控与故障诊断研究所Signal conditioning and record（讲义第7章）1 电桥 Electric Bridge 2 信号的放大与隔离 3 调制与解调 Modulation and Demodulation 4 滤波器 Filter2 东南大学设备监控与故障诊断研究所信号的调理与记录信号的调理与记录信号调理的目的非电量激励 装置 被测 对象 传 感 器电量信 号 调 理 信 号 处 理 显 示 记 录信号调理的的目的是便于信号的传输与处理观 察者传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到 显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还 要进行阻抗变换。
有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要 去掉噪声，提高信噪比。
某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器 测量信进行调制解调处理。
反 馈 、控 制3 东南大学设备监控与故障诊断研究所 东南大学设备监控与故障诊断研究所4信号的调理与记录被测量经传感器转换为电信号后，需要进行调理和处理 –以提高信噪比； –转换成更便于处理、接收和显示的形式 最终转换为仪表示值或输入计算机、控制装置。
泛 按照激励电压的性质，分为直流和交流电桥；按照输 出方式，分为不平衡桥式电路和平衡桥式电路 1 电桥 电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或 电流输出的一种测量电路 测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏，故应用广5 东南大学设备监控与故障诊断研究所 东南大学设备监控与故障诊断研究所61电桥1.1 直流电桥bR1电桥u0 = u ab − u ad = I1 R1 − I 2 R4ui I1 = R1 + R2ui I2 = R3 + R4=(=R1 R4 − )ui R1 + R2 R3 + R4R2aI1cuoI2R3 R4R1 R3 − R2 R4 ui ( R1 + R2 )( R3 + R4 )d ui7 东南大学设备监控与故障诊断研究所电桥的平衡条件 R1 R3 = R2 R48 东南大学设备监控与故障诊断研究所电桥直流电桥的联接方式b± R1 ∆R1电桥半桥单臂联接：工作中只有一个桥臂阻值随被测量的变化 而变化b± R1 ∆R1b± R1 ∆R1aR4I1R3R3∆R 干 R4I2c uo aR4I1I2c uoa4I1 I2c uoR ∆R ± 33uo = (R1 + ΔR1 R4 − )u i R1 + ΔR1 + R2 R3 + R4干 R2∆R 干 R2R2∆R22d uid uid ui实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的 最大灵敏度，往往取相邻两桥臂电阻相等，即' R1 = R2 = R0，R3 = R4 = R0a) 半桥单臂东南大学设备监控与故障诊断研究所b) 半桥双臂c) 全桥910 东南大学设备监控与故障诊断研究所电桥' 若 R0 = R0电桥电桥的灵敏度输出电压为uo =ΔR0 ui 4 R0 + 2ΔR0uo ≈ΔR0 ui 4 R0SB =u0 ΔR0 R0半桥双臂接法 u o = 全桥接法ΔR0 ui 2 R0ΔR0 ui R0R1 → R1 ± ΔR1 , R2 → R2 m ΔR2R1 → R1 ± ΔR1 , R2 → R2 m ΔR2， R3 → R3 ± ΔR3 , R4 → R4 m ΔR411则半桥单臂、半桥双臂、全桥三种接法的灵敏度比 分别为：1：2：4uo =12 东南大学设备监控与故障诊断研究所东南大学设备监控与故障诊断研究所2电桥如电桥开始处于平衡状态，当各桥臂电阻发生微小变化时电 桥失去平衡，若4个桥臂的阻值变化同号时 即为R0+ΔR1， R0+ΔR2， R0+ΔR3， R0+ΔR4，其输出为:电桥uo = 1 ΔR1 ΔR2 ΔR3 ΔR4 − ( − + )ui 4 R0 R0 R0 R0b± R1 ∆R1桥臂阻值变化对输出的影响： 相邻桥臂的阻值变化所产生的 输出电压为该两个桥臂各阻值变 化产生的输出电压之差；a± R2uo =( R0 + ΔR1 )( R0 + ΔR3 ) − ( R0 + ΔR2 )( R0 + ΔR4 ) ui ( R0 + ΔR1 + R0 + ΔR2 )( R0 + ΔR3 + R0 + ΔR4 ) 1 ΔR1 ΔR2 ΔR3 ΔR4 ( − + − )ui 4 R0 R0 R0 R0∆R2I1∆R4c∆R3± R4uo =相对桥臂的阻值变化所产生的 输出电压为该两个桥臂各阻值变 化产生的输出电压之和； 电桥和差特性13I2± R3uodui14东南大学设备监控与故障诊断研究所东南大学设备监控与故障诊断研究所电桥例：悬臂梁受力F作用，试用应变片测F的大小。
试画出应变 片的粘贴位置与电桥的连接方式图。
R1 F电桥如何连接电桥？ 半桥单臂方式R1bFR2aI1cR3I2R4uod如何粘贴应变片？东南大学设备监控与故障诊断研究所R115东南大学设备监控与故障诊断研究所ui16电桥如果要消除温度对测量的影响，如何粘贴应变片？ R1 F R2 F电桥如何连接电桥？ 半桥双臂方式aR4 R1bR2I1cR3I2uod两应变片相对于单应变片而言，有何好处？ 灵敏度提高，温度补偿R1ui如果测试的灵敏度不够，如何提高？17 18东南大学设备监控与故障诊断研究所东南大学设备监控与故障诊断研究所3电桥全桥方式bR1电桥电桥测量的误差及其补偿 R1 ,R3R2F对于电桥来说，误差主要来源于非线性误差和温度误差 减少非线性误差的办法是采用半桥双臂和全桥接法 半桥单臂输出电压为 uo =aR4I1cR3I2uoR2 ,R4ΔR0 ΔR ui ≈ 0 ui 4 R0 + 2ΔR0 4 R0d uiR1 R3半桥双臂接法 u o =19如何贴片？东南大学设备监控与故障诊断研究所 东南大学设备监控与故障诊断研究所ΔR0 ui 2 R020电桥温度误差是因为温度变化而引起阻值变化不同造成 的，即上述双臂电桥接法中ΔR1 ≠ -ΔR2等 减少温度误差的办法是在贴应变片时尽量使得各应变 片间的温度一致电桥优点 直流供电，所需的高稳定直流电源较易获得； 电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量； 对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥 的平衡电路简单。
缺点 直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响21 22东南大学设备监控与故障诊断研究所东南大学设备监控与故障诊断研究所电桥直流电桥与干扰 电桥是在平衡条件下工作的，由于ΔR/R是一个十分小的 量，当电源电压不稳定所造成的干扰是不可忽略的。
为了 抑制干扰，通常采用如下措施 电桥的信号引线采用屏蔽电缆，即RVVP型号电缆 屏蔽电缆的屏蔽金属网应该与电源至电桥的负接线端连 接。
此地点应该与放大器的机壳地隔离 放大器应该具有高共模抑制比23东南大学设备监控与故障诊断研究所电桥1.2 交流电桥 在已知输入电压及电阻的情况下，电桥可以通过输出电压 的变化测出电阻的变化值。
当输入电源为交流电源时，直 流电桥的平衡条件仍适用 电容、电感写成矢量形式时，电桥平衡条件式可改写为：复指数形式v v v v Z1 Z 3 = Z 2 Z 4 v Z i = Z i e jϕ 1电桥平衡条件： Z 1 Z 3 e j (ϕ1 +ϕ 3 ) = Z 2 Z 4 e j (ϕ 2 +ϕ 4 )24东南大学设备监控与故障诊断研究所4电桥此式成立的条件为等式两边阻抗的模、阻抗角相等电桥bR2R1C1bR2R1⎧Z 1 Z 3 = Z 2 Z 4 ⎨ ⎩ϕ1 + ϕ 3 = ϕ 2 + ϕ 4交流电桥需要两只旋钮调平衡，一只用于调整阻抗的模， 一只用于调整阻抗角。
交流电桥有不同的组合，常用的有电容、电感电桥，其相 邻两臂接入电阻，而另外两臂接入相同性质的阻抗，例如 都是电容或电感。
25东南大学设备监控与故障诊断研究所aC2 R4I1I2R3cuoL1aL2 R4I1cuoI2R3d ui a) 电容电桥d ui b) 电感电桥电容电桥平衡条件( R1 + 1 j ω C1 ) R3 = ( R4 + 1 ) R2 j ω C2⎧ R1 R 3 = R 2 R 4 ⎪ R2 ⎨ R3 ⎪C = C 2 ⎩ 126东南大学设备监控与故障诊断研究所电桥电感电桥平衡条件为电桥电桥平衡条件： Z 1 Z 3 e j (ϕ1 +ϕ 3 ) = Z 2 Z 4 e j (ϕ 2 +ϕ 4 ) 交流电桥的平衡条件针对供桥电源只有一个频率的情况 下推出的。
当供桥电源有多个频率成分时，得不到平衡条 件，也即电桥是不平衡的。
因此，交流电桥对供桥电源要 求具有良好的电压波形和频率稳定性。
采用交流电桥时，还要注意影响测量误差的一些参数 电桥中元件之间的互感影响； 无感电阻的残余电抗； 邻近交流电路对电桥的感应作用； 泄漏电阻以及元件之间、元件与地之间的分布电容等；27 28东南大学设备监控与故障诊断研究所( R1 + j ω L1 ) R3 = ( R4 + j ω L2 ) R2⎧ R1 R3 = R2 R4 ⎨ ⎩ L1 R3 = L2 R2具有电阻、电容平衡的 交流电阻电桥 电阻平衡 电容平衡东南大学设备监控与故障诊断研究所电桥电桥交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对于交流电桥，除 了进行电阻平衡外，还要进行电抗平衡。
交流电桥对于供 桥电源要求也较高，必须具有良好的电压波形和频率稳定 度带感应耦合臂的电桥东南大学设备监控与故障诊断研究所29东南大学设备监控与故障诊断研究所305信号的放大与隔离2 信号的放大与隔离 传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号，其幅值或 功率不足以进行后续的转换处理，或驱动指示器、记 录器以及各种控制机构，因此需对其进行放大处理 传感器所处的环境条件、噪声对传感器的影响、测试 要求不同，所采用的放大电路的形式和性能指标要求也 不一样 数字测试系统要求放大电路增益能程控 对生物电信号以及强电、强电磁干扰环境下信号的放 信号放大目的 幅度增加 (1)抗干扰 (2)阻抗匹配31东南大学设备监控与故障诊断研究所 东南大学设备监控与故障诊断研究所大，需要采用隔离放大技术，以保证人身及设备的安全 并降低干扰的影响32调制与解调3 调制与解调 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。
传感器输出的电信号一般为较低频率分量（在直流至几 十千赫兹之间），当被测信号比较弱时，为了实现信号的 传输尤其是远距离传输，可以采用放大或调制与解调 信号传输过程中容易受到工频及其它信号的干扰，若采 用放大则在传输过程中必须采用有限措施抑制干扰信号的 影响33东南大学设备监控与故障诊断研究所 东南大学设备监控与故障诊断研究所实际中往往采用更有效的先调制而后交流放大，将信号从 低频区推移到高频区，也可以提高电路的抗干扰能力和信号 的信噪比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。