测试技术(第六章)
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一、信号变换与调理的概念
1、信号变换与调理的原因
2、信号调理与变换的内容
放大 电桥对电参数的变换 调制解调 滤波
二、传感器常用的测量电路
（一）放大器 对微弱的电信号进行放大。放大器电路有分立元器件构成的 和集成电路。 1、集成运算放大器 集成运算放大器是具有高放大 倍数，带深度负反馈的直接耦合放 大器。其输入网络和反馈网络由线 性或非线性元件组成，可对输入信 号进行多种数学运算和处理。 实际应用中有线性工作区和饱 和（非线性）工作区。 “虚短” “虚断”
调节R3值可方便地调节电路的增益。
（二）电桥电路 电桥是一种可将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电 压或电流输出的测量电路。电桥测量电路简单，灵敏度和测量 精度高，广泛应用于测量装置中。 1、直流电桥 四个电阻组成四个桥臂，a、 c为输入端，b、d为输出端。 电桥后接大输入阻抗的放大 器或仪表时，电桥输出端可认为 是开路，其输出电压为：
（1）调幅实为缓变信号与高频信号的相乘运算，设缓变信号 x(t ) 的频谱为 X ( f ) ，取高频载波信号为 y(t ) cos2f 0t ，其Байду номын сангаас谱为
1 1 cos 2f 0t ( f f 0 ) ( f f 0 ) 2 2 1 1 x(t ) cos 2f 0t X ( f ) ( f f 0 ) X ( f ) ( f f 0 ) 2 2 1 1 X ( f f0 ) X ( f f0 ) 2 2
2、交流电桥 交流电桥以交流电压激励，四个桥臂可为电阻、电容和 电感。用阻抗来描述，交流电桥的平衡关系式可表示为：
z1 Z01e j1 , z2 Z02e j2 , z3 Z03e j3 , z4 Z04e j4
则有:
z1 z3 z2 z4
Z 01 Z 03 Z 02 Z 04 1 3 2 4
“电压跟随器”为其特 况
R3 当 =K时，U 0 K (Ui Ui ) R1 R2
Rf
2、测量放大器 在传感器工作环境恶劣，输入信号微弱，输出阻抗较大时， 可用测量放大器（仪表放大器），它有更好的性能。
在R1 R2 , R3 R4 R5 R6时 U 0 U dif (1 2 R1 / R3 )
此即交流电桥平衡需满足的两个条件。在电桥调平衡时 需要调节几个参数。
利用交流电桥可把电容式、电感式等传感器的电参数变 化转换成为电压的变化。
对于纯电阻交流电桥，因交流电源使导线之间存在分 布电容，相当于并联于各桥臂，也不是纯电阻电桥，除了电 阻平衡，还需要电容平衡。
在动态应变仪中的纯电阻交流电桥，桥臂并联有可调电容 C2和可变电阻R3，分别实现电容平衡和电阻平衡。
根据测量中电阻值参与变化的桥臂数，一般有如下三种连接 方式。
在 R1 R2 R3 R4 R0时，称为等臂电桥。实际桥臂 电阻的变化量 R
R0 。
R e0 4 R0
对于半桥单臂电桥，电阻传感器 R1 发生阻值变化 R时， 输出电压为：ey
对于半桥双臂电桥，电阻传感器 R1、R2发生等值（但反向） 阻值变化 时，输出电压为： R
交流电桥的供桥电源必须有良好的电压波形(频率单一性) 和频率稳定性。一般用音频交流电源（5～10kHz） 采用交流电桥时，影响测量误差的因素较多，如分布电容、 感应作用等等。
下图为变压器式电感交流电桥（也叫带感应耦合臂的电 桥），左侧相当于变压器的二次边绕组，右侧接入的是差动 式电感传感器，把电感量的变化转换成电压量的输出。 与一般电桥相比，它具有较高的精确度、灵敏度和稳定性。
对于全桥电路，四个电阻传感器发生等值阻值变化 R 时， 输出电压为：
R ey e0 2 R0
e0 R1 R2 R3 R4 因为： ey ( ) 4 R0 R0 R0 R0
R ey e0 R0
注意各电阻值的变化方向：相邻两桥臂阻值变化极性要相反， 相对两桥臂阻值变化应相同。 利用这一电桥和差特性，可提高电桥的测量灵敏度和进行温 度补偿。 上述电桥是在不平衡条件下工作的，为不平衡桥式电路。这 种方式的输出电压受电源电压的稳定性、环境温度变化影响较大， 有较大的测量误差。 为此可采用平衡电桥（见下图）：调节电位器H，改变电阻 R5触点位置，总使电桥平衡。根据触点位置的变化标示桥臂阻值 的变化，电位器H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例。读数时 电表G始终指零，故又称为“零位测量法”。该方法的测量误差 取决于可调电位器的精确度，与电源电压无关。 一般静态应变仪常采用该平衡电桥，有手动调平衡方式，自 动调平衡方式（以伺服电机自动调整电位器的位置）。 直流电桥的特点：电路简单；对连接导线要求低；直流电桥 只能测电阻值的变化；所需的直流放大器比较复杂且易受零漂和 接地电位的影响。
（三）调制与解调
调制：用缓变信号控制高频振荡信号的某个参数——幅值、 频率、相位，使其随缓变信号做有规律的变化。 缓变信号称为调制信号，高频信号称为载波（被调制信号）， 经过调制的高频信号称为已调信号。 调幅信号，调频信号，调相信号
解调：是利用检波、滤波或其他技术从已调波中恢复出缓变 信号的过程，相当于调制的反过程 。 采用调制解调技术的原因：1、提高信号抗干扰能力，以便 信号的放大和远距离传输；2、多路信号的单信道传输；3、在测 试技术中某些传感器的工作原理就是调制的过程，当然也需要解 调才能得到被测信号；等。 1、调幅及其解调
ey
R2 R4 R1R3 ey e0 ( R1 R2 )( R3 R4 )
在满足关系R1R3 R2 R4时，ey 0 此时称为“电桥平衡”
把一个桥臂电阻换成为电阻传感器，当被测物理量的变化引 起桥臂电阻的变化时，会引起输出电压的变化。变化前电桥平衡 时，输出电压为零，变化后电桥失衡，输出电压的大小、正负与 被测物理量的变化有确定的对应关系。此即不平衡式直流电桥的 测量原理（偏位测量法）。
1、信号变换与调理的原因
2、信号调理与变换的内容
放大 电桥对电参数的变换 调制解调 滤波
二、传感器常用的测量电路
（一）放大器 对微弱的电信号进行放大。放大器电路有分立元器件构成的 和集成电路。 1、集成运算放大器 集成运算放大器是具有高放大 倍数，带深度负反馈的直接耦合放 大器。其输入网络和反馈网络由线 性或非线性元件组成，可对输入信 号进行多种数学运算和处理。 实际应用中有线性工作区和饱 和（非线性）工作区。 “虚短” “虚断”
调节R3值可方便地调节电路的增益。
（二）电桥电路 电桥是一种可将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电 压或电流输出的测量电路。电桥测量电路简单，灵敏度和测量 精度高，广泛应用于测量装置中。 1、直流电桥 四个电阻组成四个桥臂，a、 c为输入端，b、d为输出端。 电桥后接大输入阻抗的放大 器或仪表时，电桥输出端可认为 是开路，其输出电压为：
（1）调幅实为缓变信号与高频信号的相乘运算，设缓变信号 x(t ) 的频谱为 X ( f ) ，取高频载波信号为 y(t ) cos2f 0t ，其Байду номын сангаас谱为
1 1 cos 2f 0t ( f f 0 ) ( f f 0 ) 2 2 1 1 x(t ) cos 2f 0t X ( f ) ( f f 0 ) X ( f ) ( f f 0 ) 2 2 1 1 X ( f f0 ) X ( f f0 ) 2 2
2、交流电桥 交流电桥以交流电压激励，四个桥臂可为电阻、电容和 电感。用阻抗来描述，交流电桥的平衡关系式可表示为：
z1 Z01e j1 , z2 Z02e j2 , z3 Z03e j3 , z4 Z04e j4
则有:
z1 z3 z2 z4
Z 01 Z 03 Z 02 Z 04 1 3 2 4
“电压跟随器”为其特 况
R3 当 =K时，U 0 K (Ui Ui ) R1 R2
Rf
2、测量放大器 在传感器工作环境恶劣，输入信号微弱，输出阻抗较大时， 可用测量放大器（仪表放大器），它有更好的性能。
在R1 R2 , R3 R4 R5 R6时 U 0 U dif (1 2 R1 / R3 )
此即交流电桥平衡需满足的两个条件。在电桥调平衡时 需要调节几个参数。
利用交流电桥可把电容式、电感式等传感器的电参数变 化转换成为电压的变化。
对于纯电阻交流电桥，因交流电源使导线之间存在分 布电容，相当于并联于各桥臂，也不是纯电阻电桥，除了电 阻平衡，还需要电容平衡。
在动态应变仪中的纯电阻交流电桥，桥臂并联有可调电容 C2和可变电阻R3，分别实现电容平衡和电阻平衡。
根据测量中电阻值参与变化的桥臂数，一般有如下三种连接 方式。
在 R1 R2 R3 R4 R0时，称为等臂电桥。实际桥臂 电阻的变化量 R
R0 。
R e0 4 R0
对于半桥单臂电桥，电阻传感器 R1 发生阻值变化 R时， 输出电压为：ey
对于半桥双臂电桥，电阻传感器 R1、R2发生等值（但反向） 阻值变化 时，输出电压为： R
交流电桥的供桥电源必须有良好的电压波形(频率单一性) 和频率稳定性。一般用音频交流电源（5～10kHz） 采用交流电桥时，影响测量误差的因素较多，如分布电容、 感应作用等等。
下图为变压器式电感交流电桥（也叫带感应耦合臂的电 桥），左侧相当于变压器的二次边绕组，右侧接入的是差动 式电感传感器，把电感量的变化转换成电压量的输出。 与一般电桥相比，它具有较高的精确度、灵敏度和稳定性。
对于全桥电路，四个电阻传感器发生等值阻值变化 R 时， 输出电压为：
R ey e0 2 R0
e0 R1 R2 R3 R4 因为： ey ( ) 4 R0 R0 R0 R0
R ey e0 R0
注意各电阻值的变化方向：相邻两桥臂阻值变化极性要相反， 相对两桥臂阻值变化应相同。 利用这一电桥和差特性，可提高电桥的测量灵敏度和进行温 度补偿。 上述电桥是在不平衡条件下工作的，为不平衡桥式电路。这 种方式的输出电压受电源电压的稳定性、环境温度变化影响较大， 有较大的测量误差。 为此可采用平衡电桥（见下图）：调节电位器H，改变电阻 R5触点位置，总使电桥平衡。根据触点位置的变化标示桥臂阻值 的变化，电位器H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例。读数时 电表G始终指零，故又称为“零位测量法”。该方法的测量误差 取决于可调电位器的精确度，与电源电压无关。 一般静态应变仪常采用该平衡电桥，有手动调平衡方式，自 动调平衡方式（以伺服电机自动调整电位器的位置）。 直流电桥的特点：电路简单；对连接导线要求低；直流电桥 只能测电阻值的变化；所需的直流放大器比较复杂且易受零漂和 接地电位的影响。
（三）调制与解调
调制：用缓变信号控制高频振荡信号的某个参数——幅值、 频率、相位，使其随缓变信号做有规律的变化。 缓变信号称为调制信号，高频信号称为载波（被调制信号）， 经过调制的高频信号称为已调信号。 调幅信号，调频信号，调相信号
解调：是利用检波、滤波或其他技术从已调波中恢复出缓变 信号的过程，相当于调制的反过程 。 采用调制解调技术的原因：1、提高信号抗干扰能力，以便 信号的放大和远距离传输；2、多路信号的单信道传输；3、在测 试技术中某些传感器的工作原理就是调制的过程，当然也需要解 调才能得到被测信号；等。 1、调幅及其解调
ey
R2 R4 R1R3 ey e0 ( R1 R2 )( R3 R4 )
在满足关系R1R3 R2 R4时，ey 0 此时称为“电桥平衡”
把一个桥臂电阻换成为电阻传感器，当被测物理量的变化引 起桥臂电阻的变化时，会引起输出电压的变化。变化前电桥平衡 时，输出电压为零，变化后电桥失衡，输出电压的大小、正负与 被测物理量的变化有确定的对应关系。此即不平衡式直流电桥的 测量原理（偏位测量法）。