机械工程测试信号调理.ppt
第四章 信号调理与记录,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。,信号调理的原因,1.传感器输出的电信号非常微弱，需要放大和变换。,2.传感器输出的电参量需要转变为电能量。,3.降噪，提高信噪比。,4.分离有用分量。,5.模数转换。,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,R,L,C,V,I,电桥、谐振电路,2.阻抗变换、幅度调节,被测量,发电型传感器,放大、衰减、阻抗匹配、变换,U,I,V,I,3.调制、解调,被测量,解调,传感器,调制波,调制,放大、传送,输出,第一节 电桥,电桥是将电阻、电容、电感等参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路.电桥按其电源性质的不同可以分为直流电桥和 交流电桥。,一、直流电桥,输出电压与各臂电阻间的关系：,时称为电桥平衡,输出电压 U0=0,在测试过程中，根据电桥工作中的电阻值变化的桥臂情况可以分为单臂、半桥双臂和全桥式联接方式。,单臂电桥,工作中只有一个桥臂阻值随被测量的变化而变化，图中R1的阻值增加了R。,电桥的灵敏度,双臂电桥,有两个桥臂阻值随被测量而变化。,差动变化,电桥的灵敏度,全臂电桥,四个桥臂阻值随被测量而变化。,差动变化,电桥的灵敏度,单臂电桥,双臂电桥,全臂电桥,在RR0的条件下,电桥的灵敏度,电桥的输出与R/R0成线性关系,电桥的输出与R/R0成线性关系,二、交流电桥,供桥电源为交流，仍为基本电桥电路的形式，但是在各个臂内可能串、并联有电感、电容、电阻或其组合。因此除了电阻之外还有我们所说的电抗。,电桥的平衡条件：,交流电桥的平衡条件：,阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。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。,差动电容耦合电感比臂电桥,电容式传感器,标准电感Lc,输出电压 U0=0,有两个桥臂电容值随被测量而变化。,根据电路原理：,电桥的灵敏度,=常数,令：,=常数,k,n,要合理选择C和L,第二节 调制与解调,调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调制信号。最后的输出是已调制波。,解调:最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。根据载波受调制的参数不同，调制可分为调幅（AM）,调频（FM）,调相（PM）.,第三节 滤波器,滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围的信号通过，同时极大地衰减其它频率成分。滤波器的这种筛选功能在测试技术中可以起到消除噪声及干扰信号等作用，在自动检测、自动控制、信号处理等领域得到广泛的应用。,滤波器的种类 根据滤波器的选频特性 低通滤波器(LP)：通频带0fc 高通滤波器(HP)：通频带fC 带通滤波器(BP)：通频带fC1fC2 带阻滤波器(BS)：通频带0fC1与fC2（阻带:fC1 fC2）,1)低通滤波器从0f2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。,2)高通滤波器与低通滤波相反，从频率f1，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。,3)带通滤波器它的通频带在f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。,4)带阻滤波器 与带通滤波相反，阻带在频率f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。,理想滤波器,理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。,实际滤波器,理想滤波器是不能实现的。,在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。,实际滤波器需要用更多的概念和参数去描述它，主要参数有纹波幅度、截止频率、带宽、品质因数、倍频程选择性等。,1、一阶RC低通滤波器,传递函数,令=RC，称时间常数。,2、RC高通滤波器,令RC=，则传递函数,3、RC带通滤波器,带通滤波器可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。,分别调节高、低通环节的时间常数（及），就可得到不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。,第四节 信号的放大,通常传感器的输出信号都很弱。一般都需放大电路放大，才使于后续处理。放大电路应具有以下性能：,1、足够的放大倍数。,2、高输入阻抗，低输出阻抗。,3、高共模抑制能力。,4、低温漂，低噪声，低失调电压和电流。,第五节 测试信号的现实与记录,被测量经过测试系统后。最后的环节就是指示和记录装置。为人们提供指示值和记录数据来了解和分析测试结果。,显示与记录是反映被测量变化过程的信号。,记录仪器可以模拟记录和数字记录两大类。,记录分为：显性记录、隐性记录。,显性记录：可直接观察所测信号的变化情况。如：光线示波器、各种笔式记录仪。,隐性记录：了不能直接观察所测信号变化特征。要通过其它设备，才能显示出来。如：磁带、磁盘记录等。,4-1 以阻值R=120，灵敏度S=2的电阻应变片与阻值R=120的固定电阻组成的电桥，供桥电压为3V，并假定负载为无穷大，当应变片的应变值为2和2000时，分别求出单臂、双臂电桥的输出电压，并比较两种情况下的电桥的灵敏度。,解：（1）单臂电桥输出电压,当应变片为2时,当应变值为2000时,（2）双臂电桥输出电压,当应变片为2时,当应变值为2000时,双臂电桥比单臂电桥的电压输出灵敏度提高一倍。,4-2 有人在使用电阻应变片时，发现灵敏度不够，于是试图在工作电桥上增加电阻应变片数以提高灵敏度。试问，在下列情况下，是否可提高灵敏度？说明为什么？1）半桥双臂各串联一片。2)半桥双臂各并联一片。,解：(1)未增加电阻应变片时，半桥双臂的灵敏度为：,当半桥双臂各串联一片时：,所以不能提高灵敏度。,当半桥双臂各并联一片时：,所以也不能提高灵敏度。,
