机械工程测试技术第四章信号调理与记录.ppt

第四章信号调理与记录 6 0变换及调理的目的6 1电桥6 2信号的调制解调6 3信号的滤波器 6 0变换与调理的目的 便于信号的传输与处理 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 将电阻R 应变片 电感L 电容C等电参数变为电压 U或电流 I信号后输出的一种测量电路 a c两端接电源Ui 称供桥端 b d两端接输出电压Uo 称输出端 6 1电桥 电桥 根据桥臂阻抗性质的不同为 电阻电桥电容电桥电感电桥根据供桥电源分为 直流电桥 采用直流电源 只用于测量电阻R的变化交流电桥 采用交流电源 测量电阻R 电容C 电感L的变化 电桥 1 电桥的分类 直流电桥 2 直流电桥 采用直流电源的电桥称为直流电桥四个桥臂由电阻R1 R2 R3和R4组成 电桥的输出 平衡的条件 R1 R3 R2 R4 推导 温敏电阻 直流电桥 平衡条件 直流电桥 R1 R Uo U U 平衡的条件 R1 R3 R2 R4电桥的输出 这时 电桥平衡吗 R1 R 为了简化设计 R2 R3 R4 R0 而R1 R0 R 直流电桥 电桥的灵敏度定义为 单片 半桥 单臂输出 全桥 四臂输出 半桥 双臂输出 四片 两片 半桥 单臂输出 全桥 四臂输出 半桥 双臂输出 统一表示 推导 推导 常用调平衡 电桥测量的和差特性 温度补偿 提高输出 全桥 四臂输出 直流电桥 平衡条件 3 交流电桥 交流电桥 而 其中 Z1 Z2 Z3 Z4为阻抗的模 而j1 j2 j3 j4为阻抗角 是各桥臂电流与电压之间的相位差 平衡条件 电容电桥 电容电桥 平衡条件 电感电桥 电感电桥 平衡条件 推导 推导 声音信号 调制Modulation 解调Demodulation 6 2调制与解调 声音信号 利用缓变信号控制高频信号的某个参数 幅值 频率或相位 变化的过程 已调波 1 实现缓变信号的传输 特别是远距离传输 2 提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比 1 调制的目的 音频信号 2 调制的种类 调制信号 载波信号 a 幅值调制 简称调幅 AM AmplitudeModulation b 频率调制 简称调频 FM FrequencyModulation c 相位调制 简称调相 PM PhaseModulation 缓变信号x t 高频简谐信号y t A0cos 2pf0t f0 3 幅值调制 调幅 及其解调 调幅是将一个高频简谐信号y t 载波信号 与缓变信号 调制信号 x t 相乘 使载波信号y t 的幅值随缓变信号x t 的幅值变化而变化过程 幅值调制后的信号称为调幅波 调制信号 载波信号 调幅波 1 调幅的时域表达 假设调制信号x t 的最高频率成分为fm 载波信号y t cos2pf0t f0 fm 则有调幅波 2 调幅的频域表达 如果 则 调制信号 载波信号 调幅波 时域 频域 音频信号 广播电台的发射塔 调幅AM 调幅波 载波信号 对已调波进行鉴别以恢复缓变信号的过程 调幅波 恢复所需要的缓变信号 3 幅值解调的目的 接收 解调Demodulation 4 同步解调 同步解调 a 调幅波频谱 b 载波信号频谱 c 同步解调后频谱 Xm f 0 f0 f0 Xm f Y f 0 f0 f0 x t 0时 0 t1 xm t 与y t 同相 检波器输出uf t 0 x t 0时 t1 t2 xm t 与y t 反相 检波器输出uf t 0 1 1 2 2 5 相敏检波解调 推导 相敏检波器 3 3 t1 t1 1 3 2 2 1 3 t1 t2 t2 t2 解调 音频信号 6 电阻交流电桥的幅值调制 不同接法的电桥可表示为 当 R R0 R t Ui E0cos2pf0t时 Uo KR t E0cos2pf0t 交流电桥的输出电压Uo随R t 的变化而变化 即Uo的幅值受R t 的控制 其频率为输入电压信号Ui的频率 即2pf0 x t cos2p ot X d o X d o 2 X o X o 2 全桥 四臂输出 R t E0cos2pf0t 当 R R0 R t Ui E0cos2pf0t时 Uo KR t E0cos2pf0t Ui E0cos2pf0t实际上载波信号 R t 即电桥的输入 R R0 实际上是调制信号 R t 对载波信号E0cos2pf0t进行了幅值调制 Uo实际上是调幅信号 交流电桥是一个调幅器 调幅器实际上是一个乘法器 x t cos2p ot X d o X d o 2 X o X o 2 例6 1 动态应变仪 4 频率调制与解调 调频是利用信号x t 的幅值调制载波的频率 或者说 调频波是一种随信号x t 的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波 x t Acos 2pf0t f 调频原理 调制信号x t 最高频率分量为 m 载波信号y t Y0cos 2p 0t j0 0 m t 0 f 0 kFMx t 调频时Y0和j0不变 0 t kFM为比例常数 kFM 0 低频信号电压为正值时调频波的频率升高 负值时则降低 低频信号电压为零时 调频波的频率就等于高频信号的频率 谐振电路 电抗到电压的转化 谐振电路 把电容 电感等电参量的变化转为电压变化的电路 高频振荡器 谐振电路的频率 谐振电路作调频器 调频及解调电路 鉴频器 调频波 调频调幅波 幅值检波 鉴频器电压 频率特性曲线 亚谐振区 等幅调频波的频率等于回路谐振频率 线圈中的耦合电流最大 a 低通滤波器 Lowpassfilter b 高通滤波器 Highpassfilter c 带通滤波器 bandpassfilter d 带阻滤波器 bandstopfilter 6 3滤波器 滤波器是一种选频装置 可以使信号中特定频率成分通过 而极大地衰减其他频率成分 1 滤波器分类 根据滤波器的选频作用分 2称为低通滤波器的上截止频率 1 2分别称为带通滤波器的下 上截止频率 通带 通带 通带 通带 通带 阻带 阻带 阻带 阻带 阻带 理想滤波器 1称为高通滤波器的下截止频率 c 带通滤波器 bandpassfilter d 带阻滤波器 bandstopfilter 通带 通带 阻带 通带 阻带 阻带 理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真 阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器 2 理想滤波器 H 2p A 2p ejj 2p A 2p A0 const j 2p 2p t0 物理不可实现 理想滤波器在时域内的脉冲响应函数h t 为sinc函数 脉冲响应的波形沿横坐标左 右无限延伸 给理想滤波器一个脉冲激励 从图中可以看出 在t 0时刻单位脉冲输入滤波器之前 即在t 0时 滤波器就已经有响应了 h t d t 在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没有严格的界限 存在一个过渡带 3 实际滤波器 1 截止频率 幅频特性值等于 所对应的频率 2 带宽B 上下两截频间的频率范围称为带宽 3 纹波幅度d 波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应小于 3dB 滤波器带宽B fc2 fc1 3dB 5 品质因数Q 中心频率和带宽之比称为品质因数 6 倍频程选择性W 指在上截止频率fc2与2fc2之间 下截止频率fc1与fc1 2之间幅频特性的衰减值 即频率变化一个倍频程时的衰减量 4 中心频率f0 7 滤波器因素l 滤波器选择性 l B 60dB B 3dB 4 RC无源滤波器 在测试系统中 常用RC滤波器 因为这一领域中信号频率相对来说不高 而RC滤波器电路简单 抗干扰强 有较好的低频性能 并且选用标准阻容元件 1 一阶RC低通滤波器 令t RC 称为时间常数 傅立叶变换 频响函数 当 1 2pRC时 j 相频特性近似于一条通过原点的直线 当 1 2pRC时 c2 1 2pRC 上截止频率 H jw A 1 A 1 当 1 2pRC时 起积分器作用 令RC t代入 作傅立叶变换 得频响函数 当 1 2pt 即 1 2pRC时 当 1 2pRC时 A 1 j 0 下截止频率 c1 1 2pRC A 1 2 一阶RC高通滤波器 当 1 2pRC时 起微分器作用 3 一阶RC带通滤波器 可以看成是低通和高通两个滤波器串联而成 高通 低通 频响函数 幅频特性和相频特性 c2 1 2pt2 1 2pR2C2 上截止频率 下截止频率 c1 1 2pt1 1 2pR1C1 一阶RC带通滤波器 5 恒带宽 恒带宽比滤波器 实际滤波器频率通带通常是可调的 根据实际滤波器中心频率f0与带宽B之间的数值关系 可以分为两种 2 恒宽比带通滤波器 1 恒带宽带通滤波器 品质因素Q 相同Q值 恒宽比 中心频率 n越大 带宽B越大 恒宽比带通滤波器 n为倍频程数 若n 1为倍频程滤波器 推导 c2 2n c1 n2 2n n1 带宽越窄 分辨力越高 低频分辨力较高 高频分辨力较低 信号通带越宽 需要的恒带宽滤波器越多 恒带宽滤波器 带宽为20Hz 例6 2 设有一信号是由幅值相同而频率分别为 940Hz和 1060Hz的两正弦信号合成 其频谱如图所示 c 用1 10倍频程滤波器分析结果 d 用恒带宽滤波器分析结果 案例 机床轴心轨迹的滤波处理 6 滤波器的应用 案例 机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信号中的高频噪声 以便于观察轴心运动规律 钢管无损探伤实验 滤除信号中的零漂和低频晃动 便于门限报警 直流电桥 当电桥输出端接入仪表或放大器时 电桥输出端可视为开路状态 电流输出为零 此时 桥路电流为 a b之间电位差为 a d之间电位差为 电桥输出电压为 平衡条件 或 直流电桥 此时 桥路电流为 b c之间电位差为 d c之间电位差为 电桥输出电压为 返回 两片 半桥 双臂输出 当R1 R1 R1 R2 R2 R2时 由于 R1 R2 R3 R4 R0 R R1 R2 所以 返回 半臂 双臂平衡条件 四片 全桥 四臂输出 当R1 R1 R1 R2 R2 R2 由于 R1 R2 R3 R4 R0 R R1 R2 所以 R3 R3 R3 R4 R2 R4时 电桥的灵敏度定义为 返回 全桥 四臂平衡条件 电容电桥 两相邻桥臂为纯电阻R2 R3 另相邻两臂为电容C1 C4 R1 R4视为电容介质损耗的等效电阻 根据平衡条件 电桥平衡条件 返回 电容电桥 电感电桥 根据平衡条件 电桥平衡条件 返回 电感电桥 当调制信号x t 0时 0 t1时间内 调幅波xm t 与载波y t 在每一时刻都同相 1 xm t 0 y t 0 2 xm t 0 y t 0 1 2 3 4 5 相敏检波解调 二极管的导通与截止完全由B的次级的输出决定 要求B的次级输出远大于A的次级输出 1 xm t 0 y t 0 二极管D3 D4导通 在负载上形成两个电