测试__信号的调理与记录

纯电阻时电流与电压同相位， ＝0；电感性阻抗，＞0； 电容性阻抗， ＜0。 交流电桥平衡必须满足两个条件，即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。 下图是一种常用电容电桥：
1 R1 jC R3 R4 1 R R1R3 3 R2 R4 jC1 1 R2 jC4
x(t ) y(t ) X ( f ) *Y ( f )
余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线
1 cos 2f 0 t [ ( f f 0 ) ( f f 0 )] 2
1 1 x(t ) cos 2f 0t X ( f ) * ( f f 0 ) X ( f ) * ( f f 0 )] 2 2
U ab I1 R1 U ad R1 U0 R1 R2
R4 I 2 R4 U0 R3 R4
输出电压：
R1 R1 R3 R2 R4 R4 U y U ab U ad U R R R R 0 R R R R U 0 2 3 4 1 2 3 4 1
串联
并联
•直流电桥的优点是采用了直流电源作为激励电源，而直 流电源稳定性高。另外电桥的平衡电路简单，仅需对纯 电阻的桥臂调整即可，平衡调节简单。
•直流电桥的缺点是易引入工频干扰。由于输出为直流量， 故需对其作直流放大，而直流放大器一般比较复杂，易 受零漂和接地电位的影响。 •因此，直流电桥适用于静态量的测量。
R
R
用悬臂梁做敏感元件测力
若R1、 R2 、 R3 、 R4 、在相邻桥臂， 则电压输出相互抵 消。
若在相对桥臂则电 压输出叠加
电桥的平衡装置
在测量前，应将电桥调平衡。但由于接入电 桥的每个应变片不可能绝对相同，各桥臂的连接 导线及接触电阻也不可能完全一样，因而需设置 电阻平衡装置。 方法：桥臂中串联或并联小阻值电阻。
机械工程测试技术基础
第五章 机械量测试系统的基本环节
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
4.掌握信号的放大与滤波
3. 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。
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。其输出既可用指示仪表直接 测量，也可以送入放大器进行放大。 由于桥式测量电路简单，并具有较高精确度和灵敏 度，因此在测量装臵中被广泛应用。 按照其激励电压的性质，可分为直流与交流电桥； 按照输出方式，可分为不平衡桥式电路与平衡桥式电路。
Z 2 Z02e j2
j (1 3 )
Z3 Z03e j3 Z 4 Z04e j
j ( 2 4 )
4
Z01Z03e
Z02 Z04e
若此式成立，必须同时满足下列两等式：
Z 01Z 03 Z 02 Z 04 1 3 2 4
平衡调节复杂
(1)同步解调 若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“搬移”，。若用一个低通滤波器滤去中心频率为 2f0的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（只是其幅 值减小为一半，这可用放大处理来补偿），这一过程称为 同步解调。“同步”指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。在时域分析中也可看到：
R 1± Δ
b
±
输出
R
2
R
1
R2 Δ
I1 I2 R4
c
R3
wk.baidu.com
Uy
d
灵敏度
1 S U0 R / R 2
Uy
U0
与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与 R / R0 成完全线性关系。
可用于温度补偿
（3）全桥接法
R 1± Δ
R U0 输出 U y R0
灵敏度 S
b
±
R
2
R
1
R2 Δ
调理的内容
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
低频、慢变的信号-高频信号
上述信号分别称为 调制信号：控制高频振荡信号的低频信号。 载 波：载送缓变信号的高频振荡信号。 已调制波：经过调制的高频振荡波。 （调幅波、调频波、调相波） 解调：从已调制波中恢复出调制信号的过程。 本节讨论调幅及其解调。
根据载波受调制的参数的不同，调制可分为 调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。 使载波的幅值、频率或相位随调制信号而 变化的过程分别称为调幅、调频或调相。
由此可以看出，若要使电桥平衡，输出为零，应满足：
R1R3 R2 R4
若电桥中任一电阻产生变化,则输出电压也产生相应的变化.
若：R1=R2=R3=R4=R R1=R4=Ra R2=R3=Rb R1=R4=Ra R2=R3=Rb
全等臂电桥 对称等臂半桥 非对称等臂半桥
▲
半桥单臂接法
半桥双臂接法
全桥接法
一、调幅及其解调 （一）原理 调幅是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。 现以频率为f0的余弦信号作为载波进行讨论。
xm t xt cos2f 0t
由傅里叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应 在频域中这两个信号进行卷积，即:
，则输出电压
R Uy U0 4 R0 2R
，所以
1 U0 灵敏度 S R / R 4
U0
Uy
因
R R0
R Uy U0 4R0
（2）半桥双臂接法
R1 R1 R4 Uy U 0 a R1 R1 R2 R2 R3 R4 R U0 2 R0
二、交流电桥
交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容 或电阻。因此，除了电阻外还包含电抗。如果阻抗、电流及电 压都用复数表示，则关于直流电桥的平衡关系式在交流电桥中 也可适用，即电桥达到平衡时必须满足 Z1Z3 Z 2 Z 4 把各阻抗用指数式表示并代入上式：
Z1 Z01e j1
1 低通滤波器将频率为2f0的高频信号滤去，则得到： x(t ) 2
x(t ) 1 x(t ) cos 2f 0t cos 2f 0t x(t ) cos 4f 0t 2 2
图4-10调幅过程 a）时域b）频域
由此可见，调幅的目的是使缓变信号便于放大和传输。 解调的目的则是为了恢复原信号。广播电台把声音信号调制 到某一频段，既便于放大和传送，也可避免各电台之间的干 扰。在测试工作中，也常用调制一解调技术使在一根导线中 传输多路信号。
Uy R / R
U0
a
± R4
I1 I2
c
± Δ R3
Uy
d
U0
R 3
可用于温度补偿
R4 Δ
当四个阻值都发生变化时，根据公式得
U y （R1 R1）（R3 R3）-(R2 +R2 )( R4 +R4 ) = U 0 （R1 R1 R2 +R2）（R3 R3 R4 +R4 )
U y U ab U ad
R1 R4 U 0 R1 R2 R3 R4
电桥的和差特性(差动特性) 1.若相邻两桥臂同向变化（同时增大或减小）,输出电压相互抵消; 2.若相邻两桥臂反向变化（一个增大一个减小）,输出电压相互叠加.
相邻同相减，相邻反相加
+ -
一、直流电桥
下图是直流电桥的基本形式。电阻R1、R2、R3、R4作为 四个桥臂，在a、c两端接入直流电源U0，在b、d两端输出电 压Uy 。 当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。此时桥路电流为：
I1 U0 R1 R2 I2 U0 R3 R4
a、b之间与a、d之间电位差：
（1）半桥单臂接法
R
1
b
R 1± Δ
输出电压
R2
R1 R R4 Uy R R R R R U 0 2 3 4 1
即
若
a
R4
I1 I2
R3
c
Uy
为了简化设计，取相邻两桥臂电阻相等，
d
R1 R2 R0，R3 R4 R'0
R0 R'0
从调幅原理看，载波频率f0必须高于原信号中的最高频 率fm才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。为 了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽(2 fm)相对中心 频率（载波频率f0）应越小越好。实际载波频率常至少数倍甚 至数十倍于调制信号。
R2 jC4
根据平衡条件，上式的实数和虚数 部分分别相等，则平衡条件： R3 R2 R1R3 R2 R4 C1 C4
右图是一种常用电感电桥，电桥平 衡条件应为：
R1R3 R2 R4
L1R3 L4 R2
图4-5 电感电桥
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了一 电阻交流电桥的分布电容 个电容。为此，除了有电阻平衡外， 还须有电容平衡。
一个函数与单位脉冲函数 卷积的结果，就是将其图形由 坐标原点平移至该脉冲函数处。 所以，若以高频余弦信号作载 波，把信号x(t)和载波信号相 乘，其结果就相当于把原信号 的频谱图形由原点平移至载波 频率 f0处，其幅值减半，如图 所示。
图4-10调幅过程 a）时域b）频域
(二)调幅信号的解调方法
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，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。
图示一种用于动态应 变仪中的具有电阻、电容 平衡的纯电阻电桥。电容 C2是一个差动可变电容器， 当扭动电容平衡旋钮时， 电容器左右两部分的电容， 其一增加，另一则减少， 使并联到相邻两臂的电容 值改变，以实现电容平衡。
带有电阻、电容平衡的交流电阻电桥
在一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良 好的电压波形与频率稳定度。如电源电压波形畸变 （即包含了高次谐波），对基波而言，电桥达到平衡， 而对高次谐波，电桥不一定能平衡，因而将有高次谐 波的电压输出。 一般采用音频交流电源［（5～10）kHz］作为电 桥电源。这样，电桥输出将为调制波，外界工频干扰 不易从线路中引入，并且后接交流放大电路简单而无 零漂。
由于
R1R3 R2 R4
并省去
R
的乘积项
Uy
R1R2 R1 R2 R3 R4 ( )(1 ) 2 U 0 ( R1 R2 ) R1 R2 R3 R4
R1 R4 R2 R2 R3 + + （ ） R1 R4 R1 R2 R3 = R2 R1 R4 R2 R2 R3 1+ + + + （ ） —非线性误差 R1 R1 R4 R1 R2 R3
交、直流电桥的异同点
(以输出为正电压的单臂电桥为例) ★相同点：输出电压的幅值都与被测的信号（应变）成正比； ★不同点：
直流电桥
交流电桥
输出的是正或负的直流电压， 输出的是正弦调幅波； 与应变同频率变化。
从输出电压的正或负，可以 判断是拉应变还是压应变。
可通过输出与参考桥压的相 位相同或是相反来判断拉、 压应变的关系；
既有电阻调平衡，又有电容 调平衡。
只要电阻调平衡。
第二节 调制与解调
一些被测量，如力、位移等，经过传感器变换以后，常 常是一些缓变的电信号。从放大处理来看，这类信号除 用直流放大外，目前较常用的还是先调制而后用交流放 大。
调制就是利用低频信号来控制或改变高频振荡的某个参 数(幅值,频率,相位)的过程。 目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输、转换 问题。 最终从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调。