机械工程测试技术基础（张军）第四章.ppt

第四章 信号调理、处理和记录 4-1 电桥与电路 与电阻应变式传感器配套使用的电阻应变仪结构框图 常用敏 感元件 及结构 弹性变形式的力传感器 （1） 圆柱式电阻应变式力传感器 （2） 梁式拉压力传感器 为了获得较大的灵敏度，可采用梁式结构。 应变式扭矩传感器 例如，当测量弹性轴的扭矩时，将应变片R1、R2按照图9-14a所示的方向贴在弹性轴上 。如果在弹性轴上粘贴四片应变片并将它们接成半桥或全桥，就能消除附加横向剪力的 影响，如图9-14b所示。 弹性轴截面最常用的是圆 柱形，如图9-15所示。 图9-16 传感器的工作原理图。 电阻应变片的接桥与布片 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。 按激励电压分：直流和交流 按输出分：不平衡桥式电路和平衡桥式电路 1、直流电桥 当R1 = R2 =R3 =R4 时，Uy =0 R1 * R3 =R2 *R4 为电桥平衡条件 电阻应变片与接入电桥的方法 半桥单臂 R1 为工作应变片， R2 、R3 、R4 为固定标 准电阻，且R1 =R2 =R3 =R4 =R0 工作应变片的 电阻增量R1=R0 电 桥输出电压： 半桥双臂 R1 、R2为工作应变片， R3 、R4为固定标准电阻 ，且R1 =R2 =R3 =R4 =R0 工作应变片的电阻增量 |R1|=|R2|， 电桥输出电压： 半桥双臂的特点：（与半桥单臂比较） 输出电压高1倍 没有线性误差 具有消除拉压力干扰的作用 全桥四臂 R1 、R2 、R3 、R4为工作应变片，且R1 =R2 =R3 =R4 =R0 ，工作应变片的电阻增量 |R1|=|R2|=|R3|=|R4|， 电桥输出电压： 全桥输出电压高，有补偿 作用 上述电桥是在不平衡条件下工作的， 缺点是：当电源电压不稳定，或者环境温 度有变化时，都会引起电桥输出的变化， 从而产生误差。 平衡电桥为“零位测量法”，“零位”即测量过程中，通过调电位 器，使电表指针指0，电桥平衡电位器指针的位置表示电阻应变片 的变化量。 一般静态应变仪采用这种平衡电桥，并以手动实现平衡。 在电子电位计、XY记录仪中用伺服电机调节电位器的位置实现 自动平衡调节。 平衡电桥 二、交流电桥 供桥电压的正弦交流电压为： 直流电桥推导出Uy 与R 的关系仍然适用。 1、交流电桥的平衡条件 因 为正弦交流电（频率为1015KHz），所 以，各桥臂为受阻抗 平衡条件： 2、电容电桥 平衡条件： 3、电感电桥 平衡条件： 4电阻交流电桥的分布电容 5、具有平衡调节的交流电桥 S 两位开关 R1 、R2 限流电阻 R3 电阻调节平 衡电位器 C电容调节平衡 差动电容器 6 、带感应耦合臂的电桥 用差动式三绕组电感传感器，将被测位移量转换为互感的变化 具有较高的精确度，灵敏度及性能稳定 4-2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而发 生变化的过程。 前一个信号称为载波，一般为较高频率的交变信号。 后一信号（控制信号）称为调制信号。 最后输出是已调制波。已调制波一般都便于放大和传 输。 最终从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调。 根据载波受调制的参数不同，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、调频和调相 一、调幅及其解调 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。 由傅立叶变换的性质，在时域中两个信号相乘，则 对应在频率域中这两个信号进行卷积： 余弦信号频率域图形是一对脉冲谱线，一个函数与脉 冲卷积的结果，就是将其图形由坐标原点平移至该脉 冲函数（频率f0）处，其幅值减半。 调幅过程相当于频谱“搬移”过程。 1、原理 若把调幅波与原载波信号相乘，则频域图形将再 次进行“搬移”，如果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 是幅值减小一半，可以用放大处理来补偿），这个过程称为 同步解调。 时域中也可以看到： 调幅的目的是使缓变信号便于放大和传输。解调 的目的是为了恢复原信号。 载波频率f0必须高于原信号中最高频率fm才能 使已调制波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠 。实际载波频率常至少数倍甚至十倍于调制信号 。 幅值调制装置实质上是一个乘法器。电桥本质上 也是一个乘法器。 二、整流检波（包络检波）和相敏检波 若把调制信号进行偏置，叠加一个直流 分量，使偏置后的信号都具有正电压，那 么调幅波的包络线将具有原调制信号的形 状，把该调幅波xm(t)简单地整流、滤波就 可恢复原调制信号。整流后注意减去所加 的偏置电压。 若所加偏置电压未能使信号电压都在零线一侧， 就需要用相敏检波技术 0-a段，载波为正时，V1导通，电流的流向是 d1VD125c负载地d 0-a段，载波为负时，变压器A和B极性同时改变 ，电流的流向是 d3VD345c负载地d a-b段，载波为正时，变压器B极性如图中所示，变 压器A与图中相反，VD2导通，电流的流向是 52VD23d地负载c5 a-b段，载波为负时，电流的流向是 54VD4d地负载c5 0-a段，载波为正时，V1导通，电流的流向是 d1VD125c负载地d 0-a段，载波为负时，变压器A和B极性同时改变，电流的流向是 d3VD345c负载地d a-b段，载波为正时，变压器B极性如图中所示，变 压器A与图中相反，VD2导通，电流的流向是 52VD23d地负载c5 a-b段，载波为负时，电流的流向是 54VD4d地负载c5 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。这种电路相当于在0a段把xm(t)的零线下的负部翻上去 ，而在ab段把正部翻下来，所检测的信号uf是经过“翻转”后 信号的包络。 动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例。 第三节 滤波器 滤波器是一种选频装置,可以使信号中特定的频率成分 通过,而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中,利 用滤波器的这种筛选作用,可以滤除干扰噪声或进行频 谱分析。 一、滤波器分类 (1)低通滤波器 (2)高通滤波器 (3)带通滤波器(4)带阻滤波器 根据滤波器的选频作用 这四种滤波器的特性是互有联系的。 高通滤波器的幅频特性A2(f)可看作是1-A1(f),A1(f)是低通滤 波器的幅频特性,故可以用低通滤波器做负反馈回路而获得。 带阻滤波器是低通和高通的组合,而带通滤波器则可以是以带阻 做负反馈而获得。 根据构成滤波器的元件类型: 可分为RC、LC或晶体谐振滤波器; 根据构成滤波器的电路性质: 可分为有源滤波器和无源、滤波器; 根据滤波器所处理的信号性质: 分为模拟滤波器与数字滤波器等等。 本节所述内容是属于模拟滤波器范围 广义地,任何装置对输入的频率成分都有一定“筛选“作 用,因此都可以看成是一个滤波器。 二、理想滤波器 根据线性系统的不失真传输条件,理想测量系统的 频率响应函数应是 若滤波器的频率响应H(f)满足下列条件： 则称为理想滤波器 如无相角滞后,即t0=0,则时域脉冲响应函数： 在输入(t)到来之前,即t1/2RC时,RC起积分器作用，对高频成分衰减为- 20dB/10倍频（-6dB/倍频程）。串联几个一阶低通滤波 器。但产生负载效应。 2.RC高通滤波器 微分方程： 传递函数： 频率响应函数： 幅频特性：或 相频特性：或 同样可以证明,当 时,RC高通滤波器的输出与 输入的微分成正比,起着微分器的作用。 当时 ， 滤波器的-3dB截止频率为 当 时， A(f)=1; (f)0。即当f相当大时,幅频特性接近于1,相移趋 于零,此时RC高通滤波器可视为不失真传输系统。 3.RC带通滤波器 带通滤波器可以看成是低通滤波器和高通滤波器串 联组成。 如一阶高通滤波器的传递函数为 一阶低通滤波器的传递函数为 则串联后传递函数为H(s)=H1(s)H2(S) 幅频特性为： 相频特性为： 串联所得的带通滤波器以原高通的截止频率为下截 止频率 串联所得的带通滤波器以原低通的截止频率为上截 止频率 分别调节高、低通环节的时间常数(1及2),就可得到 不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。 但是要注意高、低通两级串联时,应消除两级耦合时的相 互影响,因为后一级成为前一级的“负载“,而前一级又是后 一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者 用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是 有源的。 (三)滤波器的串接 滤波器的串接是为了加强滤波效果。两个中心频率相同 的滤波器串接,其总幅频特性将是两滤波器幅频特性的乘 积,因此通带外的频率成分将有更大的衰减斜率。 高阶滤波器就是由低阶滤波器串联接成。 不要忘记,在改善频率选择性的同时,串接后滤波器的总 的相频特性也将是各环节相频特性的叠加。 所以两个中心频率相同的带通滤波器串接的结果将使由 频率偏移而造成的相角变化更为剧烈。 四、恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器 为了对信号做频谱分析,或者摘取信号中某些特殊频率成分, 可将信号通过放大倍数相同而中心频率各个不同的多个带 通滤波器,各个滤波器的输出主要反映信号中在该通带频率 范围内的量值。 可以有两种做法:一种是使带通滤波器的中心频率是可调的,通 过改变RC调谐参数而使其中心频率跟随所需要量测的信号频 段。其可调范围一般是有限的。 另一种做法是使用一组各自中心频率固定的、但又按一定规 律相隔的滤波器组。 如果信号经过足够的功率放大,各滤波器的输入阻抗也足够 高,那么也可以把该滤波器组并联在信号源上,各滤波器的输 出同时显示或记录,这样就能瞬时获得信号的频谱结构。这 就成为“实时“的谱分析。 对用于谱分析的滤波器组,各滤波器的通带应该相互连接, 覆盖整个感兴趣的频率范围,这样才不致使信号中的频率 成分“丢失”。 通常的做法是前一个滤波器的-3dB上截止频率(高端)就是 后一个滤波器的-3dB下截止频率(低端)。这样二组滤波器 将覆盖整个频率范围,也是“邻接的“。当然,滤波器组应具 有同样的放大倍数(对其各个中心频率而言)。 (一)恒带宽比滤波器 若采用具有同样Q值的调谐滤波器做成邻接式滤波器组, 则该滤波器组是一些恒带宽比的滤波器构成的。实际上 Q值是带宽和中心频率之比值。滤波器的中心频率越高, 其带宽也越大(B=fn/Q) 假若一个带通滤波器的低端截止频率为fc1,高 端截止频率为fc2, fc2和 fc1的关系总是可以用下 式表示: 式中n称为倍频程数。若n=1称为倍频程滤波器;若 n=1/3，则称为1/3倍频程滤波器。 滤波器中心频率fn则为 故若为倍频程滤波器,n=1,得Q=1.41; 若n=1/3,则Q=4.38,若n=1/5则Q=7.2 对一组邻接的滤波器组也很容易证明:后一个滤波器的中心频 率fn2与前一个滤波器的中心频率fn1之间也应有下列关系: 只要选定n值就可设计覆盖给定频率范围的邻接式滤波器组 。例如对于n=1的倍频程滤波器将是: 中心频率(Hz) 16 31.5 63 125 250 带宽(Hz) 11.05 22.09 44.19 88.36 176.75 又例如对于1/3倍频程滤波器组将是: 中心频率(Hz) 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 带宽(Hz) 2.9 3.6 4.6 5.7 7.2 9.1 11. 5 14.5 (二)恒带宽滤波器 对一组增益相同的恒带宽比滤波器,其通频带在低频段内甚 窄,而在高频段内则较宽,因而滤波器组的频率分辨力在低频 段较好,在高频段则甚差。为使滤波器在所有频段都具有同 样良好的频率分辨力,可采用恒带宽的滤波器。 为提高滤波器的分辨能力,带宽应窄一些,这样为覆盖整个频率 范围所需要的滤波器数量就很大。 恒带宽滤波器就不宜做成固定中心频率的。 常用的恒带宽滤波器有相关滤波和变频跟踪滤 波两种 一般利用一个定带宽的定中心频率的滤波器加上可变 参考频率的差频变换来适应各种不同中心频率的定带 宽滤波的需要。 参考信号的扫描速度应能满足建立时间的要求,尤其 是滤波器带宽很窄的情况,参考频率变化不能过快。 实际使用中,只要对扫频的速度进行限制,使它不大于 (0.10.5)B2Hz/s,就能得到相当精确的频谱图。 设有一个信号,系由幅值相同而频率分别为940Hz和 1060Hz的两正弦信号所合成,其频谱如图4-26a所示。 现用两种恒带宽比的倍频程滤波器和恒带宽跟踪滤波器 分别对它做频谱分析。 图4-26b是用1/3倍频程滤波器(倍频程选择性接近于 25dB,B/fn=0.23)分档测量的结果; 图4-26c是用相当于1/10倍频程滤波器(倍频程选择性 45dB,B/fn=0.06)测量并用笔式记录仪连续走纸记录的结 果。图4-26d是用恒带宽跟踪滤波器（-3dB带宽3Hz,- 60dB带宽12Hz，滤波器因数=4）的测量结果。 从中可见,1/3倍频程滤波器分析效果最差：它的带宽太大(例 如在fn=1000Hz时,B=230Hz),无法确切分辨出两频率成分的频率和幅 值。又由于它的倍频程选择性较差,以致当中心频率改为800施和 1250Hz时,尽管信号已不在滤波器的通频带中,滤波器输出仍然有相当 大的幅值。 因此这时仅就滤波器输出,人们无法辨别滤波器输出究竟 是来源于通频带中的频率成分还是通频带外的频率成分 。 相反,所采用的恒带宽跟踪滤波器的带宽窄、选择性好,足 以消除上述两方面的不确定性,达到良好的频谱分析效果 。恒带宽跟踪滤波器的频率分辨力可以达到很高。 五、开关电容滤波器 开关电容滤波器是70年代末期发展起来的新型单片滤波 器,具有价格低、体积小、性能好和使用灵活方便等优点, 已获得广泛应用。 这种滤波器是由MOS开关、MOS电容和运算放大器构成 的一种集成电路,是以开关电容代替RC滤波器中的电阻R. 这样滤波器的特性取决于开关频率和电路中有关电容之 比值。 由于集成电路技术可以精确而稳定地保持式(4-43)中 的电容比,也能将电容值做得很小,使开关电容电路尺寸 极小,在一芯片上可集成多个滤波器。 市场上正不断推出各种规格的开关电容滤波器,图4-30 是一种有三个信道的集成开关电容滤波器的特性曲线 。 它是1/3倍频程滤波器,相邻信道之间存在1/3倍频程的 关系。其中心频率可通过调节时钟频率在0.5Hz到 10KHz之间变动。滤波器平均Q值为4.7。用这种滤波 器可很方便地组成邻接式1/3倍频程分析仪。 第四节 信号的放大 信号放大电路应具有的性能： 足够的放大倍数 高输入阻抗，低输出阻抗 高共模抑制能力 低温漂、低噪声、低失调电压和电流 共模干扰往往是指同时加载在各个输入信号接口段的共有的信号干扰。共模 干扰是在信号线与地之间传输，属于非对称性干扰。（共模干扰是信号对地 的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共 态（同方向）电压迭加所形成。 ） 消除共模干扰的方法包括： （1）采用屏蔽双绞线并有效接地 （2）强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽 （3）布线时远离高压线，更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线 （4）不要和电控锁等易产生干扰的设备共用同一个电源 （5）采用线性稳压电源或高品质的开关电源(纹波干扰小于50mV) （6）使用差分式电路 一、基本放大电路 反相放大器的输入阻抗低，容易对传感器形成负载效应 同相放大器的输入阻抗高，但易引入共模干扰 差分放大器也不能提供足够的输入阻抗和共模抑制比 常用来提高输入阻抗的办法是在基本放大电路之前串接一级 射极跟随器。可使输入阻抗提到到109以上，射极跟随 器也常被称作阻抗变换器 二、仪器放大器 A1、A2接成射极跟随器形式，组成输入阻抗极高的差动输入级， 在两个射极跟随器之间的附加电阻RG具有提高共模抑制比的作用， A3为双端输入、单端输出的输出级，以适应负载的需要， 放大器的增益有电阻RG设定，典型的仪器放大器的增益设置范围从1 到1000. 输出电压与差动输入电压 的关系： INA114只需一只普通电阻就可以得到任意增益， 被广泛用在电桥放大器、热电偶测量放大器和数据 采集放大等场合。 拾音传感器输入放大器 热电偶信号放大电路 仪器放大器的应用 精密集成放大器AD522，非线性失真小、共模抑制比 高、低漂移、低噪声，非常适合对微弱信号的放大。 三、可编程增益放大器 在多回路监测系统中，由于各回路传感器信号的变化范围不 尽相同，必须提供多种量程的放大器，才能使放大后的信号 赋值变化范围一致（例如05V）。如果放大器的增益可以由 计算机输出的数字信号控制，则可通过改变计算机程序来改 变放大器的增益，从而简化系统的硬件设计和调试工作量。 这种可通过计算机编程来改变增益的放大器称为可编 程增益放大器 R1R4组成电阻网络，S1S4是电子开关，当外加控制信号y1y4为低 电平时，对应的电子开关闭合。 电子开关通过2-4译码器控制，当来自计算机I/O口的x1、x2为00、01、 10、11时，S1、S2、S3、S4分别闭合，电阻网络的R1、R2、R3、R4 分别接入到反相放大器的输入回路，得到4种不同的增益值。 也可以不用译码器，直接由计算机的I/O口来控制y1、y2、y3、y4，得 到24个不同大增益值。 可编程增益放大器的基本思路：用一组电子开关和一个 电阻网络相配合，来改变放大器的外接电阻值，以此达到改变放大 器增益的目的。 如果使用片内带有电阻网络的单片集成放大器，则可省去外加的电 阻网络，直接与合适的模拟开关、译码器配合构成使用的可编程 增益放大器。 将运算放大器、电阻网络、模拟开关以及译码器等电路集成到一块 芯片上，则构成集成可编程增益放大器。 第四节 信号的指示和记录装置 指示和记录装置是测试系统的最后和重要环节。人们总 是通过指示器提供的示值和记录器所记录的数据来了解 、分析和研究测量结果的。 在某些场合下,将被测信号记录存储起来,事后随时重放, 供人或仪器作进一步处理和分析是测试工作的重要组成 部分。 一、动圈式磁电指示机构 可转动线圈处于很强的辐射状的均匀磁场中,信号电流i通过 线圈所引起的电磁转矩将使线圈转动,直到电磁转矩与弹簧 的弹性转矩平衡为止。此时转角。与电流i成正比。这种机 构实质上是一个扭转型的二阶系统。完全可采用二阶系统的 有关理论来分析它。 本质上是电流敏感装置,当用它来测量电压时,必须保持电路 中电阻值的恒定。同时应当注意到温度增高时,线圈电阻将 加大、磁场强度和弹簧刚度将减小,前两者导致转角减小而 后者却使转角增大。 通常在电路中串接一个由锰铜合金制成的温度补偿电阻Rc。 一旦温度变化时,它所产生的影响正好抵消线圈电阻R0、磁 场强度和弹簧刚度三方面所产生的综合影响。 这种被称为达松瓦尔(Dhsonvd)机构经过某些改 进,可成为笔式记录器和光线示波器(图4-32)的 核心部分。 当达松瓦尔机构的指针改变成记录笔并加上一 套走纸机构,就成为笔式记录仪。作为二阶系统 而言,由于其“质量“(转动部件)较大,弹性刚度(游 丝刚度)较小,因而,其固有频率较低。目前常用 的笔式记录仪,在笔尖幅值1mm范围内,最高工作 频率可达125Hz。 二、光线示波器 在光线示波器中,达松瓦尔机构的转动部件已经变成振子( 图4-32)。其中以张丝的弹性扭转变形代替原转轴和游丝 的作用,用固定在张丝上并随之转动的反射镜的反射光线 来代替指针。该反射光线聚焦在匀速移动的感光纸上,实 现信号的记录。 和达松瓦尔机构原型比较,光线示波器的振子质量 变小了,刚性相对大了,因而具有较高的固有频率,其 工作频率也可达到4000Hz。 L反射镜与记录纸之间的距离;线圈无偏转时的 反射角。 三、伺服式记录仪 当待记录的直流信号电压ur与电位器的比较电压ub不等 时,则有u输出。该电压经调制、放大、解调后驱动伺 服电动机,并通过皮带等传动机构带动记录笔作直线运 动,实现信号的记录;同时又使电位器滑动触点随之移动, 改变ub的大小。待到ub=ur时, u=0,后续电路没有输出,伺 服电动机即停止转动,记录笔也不动了。 信号电压ur不断变化,记录笔也就跟随运动。如果电位器 的ub与其触点位移成线性关系,则记录笔的移动幅值与ur 的幅值成正比。当记录纸在走纸机构的驱动下,作匀速 移动,形成时间坐标,实现ur-t曲线的记录。 采用伺服式记录系统的优点是记录幅值准确性高,一般 误差小于全范围的02%0.5%。其主要缺点是只能记录 变化缓慢的信号,一般都在10Hz以下。工业上大量的工 况监测记录以及计算机的外围设备中的笔式绘图仪也是 采用这类记录仪。 四、采用阴极射线管的信号显示和记录装置 目前以阴极射线管(CRT )为核心器件发展出许多种信号显示 和记录系统。 阴极射线管是一种真空电子器件,由