第四章_信号的调理与记录详解

G
R4
R3
U0 图4-3 平衡电桥
第一节 电桥
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和差特性： 相邻两桥臂电阻同向变化，产生的输出电压的变化将 相互抵消； 相邻两桥臂电阻反向变化，产生的输出电压的变化将 相互叠加； 邻臂相减，对臂相加。 和差特性应用实例： –悬臂梁作敏感元件测力：为提高灵敏度，常在梁的上， 下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥 的相邻两桥臂。 –柱形梁作敏感元件测力：四个纵向应变片俩俩串联， 接入相对桥臂;横向应变片主要起温度补偿作用。
R1±Δ R1
Uy a
a
a
R4 Δ R4பைடு நூலகம்
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在实际测试中，桥臂分为半桥式与全桥式联接，见图4-2，在图a 中表示半 桥联接，工作中只有一个臂阻值随被测的量而变化。设ΔR1是电阻 R1 的电 阻增量。根据式（4-3），此是输出电压为 R1 R1 R4 Uy ( )U 0 R1 R1 R2 R3 R4 为了简化桥路设计，令 R1= R2 = R3= R4= R0 ，则输出电压为 R1 Uy U0 4 R0 2R1
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由此可知，若使电桥平衡，输出为零，应满足 R1 R4 R1 R3 R2 R4 R1 R3 R2 R4 0 R2 R3 由式（4-4），如果适当选择各桥臂电阻值，可使输出电压与被测量引起 的电阻变化量有关。
b R1±Δ R1 R2 c R4 d U0 a) R3 b b R2 Δ R2 c R4 d U0 b) 图4-2 直流电桥的连接方式 a)半桥单臂 b)半桥双臂 c)全桥 R3 R1±Δ R1 Uy R2 Δ R2 c R3±Δ R3 d U0 c)
5. A/D、D/A转换：与计算机相联系。
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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。
分类 ：按激励电压（1）直流电桥
（2）交流电桥 按输出方式（1）不平衡桥式电路
a
b R1 I1 I2 R4 d U0 R3
R2
c Uy
可采用平衡电桥测量法，见图4-3。
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当被测量引起电桥不平衡时，
H R1 R5 R2
调节 R5 使输出 G 仪表显示零，
电位器上的标定与桥臂电阻值变 化成比例，故 H指示值可以直接 表达被测量，这种测法特点是 G 始终为零，因此为“零位测量法” 测量精度取决于可调电位器的精 确度，与电源电压无关。一般平 衡电桥测量适用于静态测量，以 手工调平衡。
信号调理的原因
1. 2. 3. 4. 5. 传感器输出的电信号非常微弱，需要放大和变换。 传感器输出的电参量需要转变为电能量。 降噪，提高信噪比。 分离有用分量。 模数转换。
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第四章 信号调理、处理和记录概述
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信号调理的种类
1. 参量变换型：常用于参量型传感器，将电参量变换成电压和电流量。
被测量 参量型传感器 ΔR, ΔL, ΔC 电桥、谐振电路 ΔV, ΔI
2. 阻抗变换、幅度调节
被测量 发电型传感器 ΔU, ΔI 放大、衰减、阻抗匹配、变换 V, I 输出
3. 调制、解调
被测量 传感器 调制 调制波 放大、传送 解调
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；
第四章 信号调理、处理和记录
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第四章 信号调理、处理和记录
第一节 电桥
第二节 调制与解调
第三节 滤波器
第四节 信号的指示和记录装置
第四章 信号调理、处理和记录概述
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概述
信号调理的作用
对传感器输出的原始信号或系统中某一环节的输出信号进行再 加工，以满足下一环节输入要求的需要。
R1 U0 （4-5） 4 R0 可见，电桥输出 Uy 电压与激励电压 U0 成正比，并且在ΔR1<< R0条件下， 与ΔR1/ R0成比例。 图4-2b为半桥双臂接法。工作中有两个桥臂阻值随被测量而变化，即
因为ΔR1<< R0，所以
Uy
R1 R1
R2 R2
根据式（4-3），当R1= R2 = R3= R4= R0；ΔR1=ΔR2=ΔR 时电桥输出为 R1 Uy U0 （4-6） 2 R0
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图4-2c为全桥接法，工作中四个桥臂阻值随被测量而变化，即
R1 R1 R2 R2
R3 R3
R4 R4
（4-7）
同理当R1= R2 = R3= R4= R0，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR 时电桥输出为
R1 Uy U0 R0
显然，电桥接法不同，输出电压也不同，三种接法电桥输出之比为 1：2：4，全桥最大。 注意：（1）尽量采用全桥接法，提高输出信号。 （2）对面桥臂阻值变形性质相同，相邻桥臂阻值变形性质相反。 （3）非线性问题 。（非线性为ΔR/R的平方） 上述电桥是在由被测量变化引起不平衡状态下工作的，缺点是电源电压不稳 定，或者环境温度有变化时，都会引起电桥输出变化，产生测量误差。为此
（2）平衡桥式电路
按工作原理（1）偏值法 （2）归零法
图4-1 直流电桥
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一．直流电桥
图4-1是直流电桥的基本形式。以电阻R1，R2，R3，R4作为四个桥臂，a、 c两端接入直流电源U0，在b、d两端为输出电压Uy。当电桥输出端后接较大输 入电阻的仪表或放大器时，可视为开路，电流输出为零，此时桥路电流为
b
I1
U0 R1 R2
U0 I2 R3 R4
R1 a I1 I2
R2
c R3 d Uy
a, b之间与a, d之间电位差为
R4
R U ab I1 R1 1 U 0 R1 R2
输出电压为
R U ad I 2 R4 4 U 0 R3 R4
图4-1 直流电桥
U0
R1 R3 R2 R4 R1 R4 U y U ab U ad U0 U0 U 0 （4-4） R1 R2 R3 R4 ( R1 R2 )(R3 R4 )