测试技术教学课件 chapter6

1、第第6 6章章 信号的调理与记录信号的调理与记录2便于信号的传输与处理。便于信号的传输与处理。 1.1.传感器输出的电信号很微弱，大多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，有析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。的还要进行阻抗变换。 3.3.某些场合，为便于信号的远距离传输，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。需要对传感器测量信进行调制解调处理。 2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声

2、，提高信噪比。噪比。6.06.0变换与调理的目的变换与调理的目的3电桥电桥a 、c两端接电源两端接电源ui，称，称供桥端供桥端；b、d两端接输出电压两端接输出电压uo，称，称输出端输出端。 将电阻将电阻r r( (应变片应变片) )、电感、电感l l、电容、电容cc等电参数变为电压等电参数变为电压uu或或电流电流ii信号后输出的一种测量电路。信号后输出的一种测量电路。 6.16.1电电 桥桥4电桥电桥 根据桥臂阻抗性质的不同为根据桥臂阻抗性质的不同为 : 电阻电桥电阻电桥 电容电桥电容电桥 电感电桥电感电桥 根据供桥电源分为根据供桥电源分为 : 直流电桥直流电桥: 采用直流电源采用直流电源只用

3、于只用于测量电阻测量电阻r的变化的变化 交流电桥：采用交流电源交流电桥：采用交流电源测量电阻测量电阻r 、电容、电容c 、 电感电感l的变化的变化1. 电桥的分类电桥的分类52. 直流电桥直流电桥 四个桥臂由电阻四个桥臂由电阻r1、r2、r3和和r4组成。组成。1r3r4r2i2r1iouiuabdc采用采用直流电源直流电源的电桥称为直流电桥的电桥称为直流电桥 直流电桥直流电桥vr1r2r3r46平衡条件平衡条件r1r3=r2r4 1r3r4r2i2r1iouiuabdc直流电桥直流电桥iourrrrrrrru)(43214231电桥的输出：电桥的输出：平衡的条件：平衡的条件：推导推导7为了简

4、化设计，为了简化设计，r2=r3=r4=r0 ，而，而 r1=r0+ riurrr2401r3r4r2i2r1iouiuabdc直流电桥直流电桥r0r u0u u iiourrrrrrrrrrurrrrrrrru)()()(0000000043214231)(400rrrrui电桥的灵敏度定义为电桥的灵敏度定义为 00/ rrusob4iu8单片单片 单臂单臂半桥半桥r1r3r2r4 双臂双臂半桥半桥r1r3r2r4 全桥全桥r1r3r2r4 半半桥、桥、单单臂臂输输出出 全全桥、桥、四四臂臂输输出出 半半桥、桥、双双臂臂输输出出 四片四片 两片两片 9单臂单臂半桥半桥r1r3r2r4 双臂双

5、臂半桥半桥r1r3r2r4 全桥全桥r1r3r2r4 半桥、单臂输出半桥、单臂输出 全桥、四臂输出全桥、四臂输出 半桥、双臂输出半桥、双臂输出 iourru022iu00/rrusoiourru0iu00/rruso00/rruso4iuiourru04iourrku0iokurrus00/推导推导推导推导10电桥测量的误差电桥测量的误差非线性误差非线性误差温度误差温度误差 直流电源的电压稳定性造成的误差直流电源的电压稳定性造成的误差iourrru240iourru04iourru02iourru01r3r4r2i2r1iouiuabdc直流电桥直流电桥11电桥的输出电桥的输出uo激励电压激励

6、电压ui电阻电阻r0的相对变化的相对变化传感器传感器允许允许功耗功耗限制限制传感器传感器灵敏灵敏度度限制限制电桥的连接方式电桥的连接方式半桥单臂、半半桥单臂、半桥双臂、全桥桥双臂、全桥电桥灵敏度电桥灵敏度s激励电压激励电压ui电桥的连接方式电桥的连接方式12平衡条件平衡条件3.交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥4231zzzz111jezz 222jezz 333jezz 444jezz z1、z2、z3、z4为阻抗的模，而1、2、3、4为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。 z1z3ej(1+3)=z2z4ej(2+4) 42314231zzzz平衡条件平衡条件13电容电桥电容电桥1r3r

7、4r2i2r1iouiuadc1c4c电容电桥电容电桥 42134231crcrrrrr平衡条件：平衡条件：电感电桥电感电桥1r3r4r2i2r1iouiuabdc1l4l电感电桥电感电桥 24314231rlrlrrrr平衡条件：平衡条件：推导推导推导推导14应用应用：等截面弹性悬臂梁自由度端受力为等截面弹性悬臂梁自由度端受力为p，梁宽为，梁宽为b，梁长为梁长为l，梁厚为，梁厚为h，金属应变片距离梁的自由度端为，金属应变片距离梁的自由度端为l0，应变片灵敏度为，应变片灵敏度为sk，测量电路为直流电桥，测量电路为直流电桥, 试求出试求出梁末端受力梁末端受力p。15pffff160216zmpl

8、wbh026plebh e则应变片轴向应变则应变片轴向应变为：为：式中，式中， e为应变片弹性模量为应变片弹性模量解解: 力力p使悬臂梁产生弯曲变形，梁截面抗弯模量使悬臂梁产生弯曲变形，梁截面抗弯模量wz与弯与弯矩矩m成正比，则正应力成正比，则正应力 为：为：17如果电桥激励电压为如果电桥激励电压为ui，则输出电压，则输出电压uo为为:0oi0runurn =1/41/21半桥单臂半桥单臂半桥双臂半桥双臂全桥全桥12340rrrrr令：令：且，应变片电阻变化量的绝对值为：且，应变片电阻变化量的绝对值为：0r12340rrrrr 1820oi16kbhpesunul00krsr0oii26kkp

9、luns unsubh e又，金属应变片的电阻变化为又，金属应变片的电阻变化为:则则:故故:19电桥应用电桥应用83201 1 基本放大电路基本放大电路 反馈电阻反馈电阻rfrf值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。移，一般为几十千欧至几百千欧。r1r1的取值应远大于信的取值应远大于信号源号源uiui的内阻的内阻。 6.2 6.2 信号的放大与隔离信号的放大与隔离212)2)同相放大器同相放大器 同相放大器也是最基本的电路 ，其闭环电压增益av为:11rrafv223) 3) 交流放大电路交流放大电路 r2一般取几十千欧。耦合电容

10、c1、c3可根据交流放大器的下限频率 来确定。 )2/()103(31llfrcc21rrafv 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容c1、c2及c3为隔直电容。 lf232 2 测量放大器测量放大器在许多测试场合，传感器输出的信号往往很微弱，而且伴随有很大的共模电压（包括干扰电压），一般对这种信号需要采用测量放大器，又称仪表放大器。 211111igigourrurru122221igigourrurru2656341341ooourrrrrurru645321,rrrrrrgiiovfrrrruuua134212124 隔离放大器应用于高共模电压环境下的小

11、信号测量，是一种特殊的测量放大电路，其输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合。3 3 隔离放大器隔离放大器隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等几部分组成。25可用作输入、输出隔离的有光、超声波、无线电波和电磁等方式。在隔离放大电路中采用的隔离方式主要有电磁(变压器、电容)耦合和光电耦合。26隔直电路隔直电路2084 4 应用电路应用电路27声音信号声音信号广播电台广播电台的发射塔的发射塔 接收接收调制调制modulation解调解调demodulation6.36.3调制与解调调制与解调28声音信号声音信号广播电台广播电台的发射塔的发射塔 利用缓变信号控制高频信号的某个

12、参数利用缓变信号控制高频信号的某个参数(幅值、频率或相位幅值、频率或相位)变化的过程。变化的过程。调制调制modulation已调波已调波1）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输）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）提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比 1.调制的目的调制的目的音频信号音频信号29 先将先将微弱微弱的的缓变信号缓变信号加载到加载到高频交流信号高频交流信号中中去，然后利用去，然后利用交流放大器进行放大交流放大器进行放大，最后再从放，最后再从放大器的输出信号中取出大器的输出信号中取出放大了的缓变信号放大了的缓变信号。 30调制是使一个信号的某

13、些参数在另一信号的控制下调制是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。发生变化的过程。 前一信号称为载波前一信号称为载波，一般是，一般是较高频率较高频率的交变信号。的交变信号。 后一信号（控制信号）称为后一信号（控制信号）称为调制信号调制信号。最后输出的是最后输出的是已调制波已调制波。2 2 定义定义312.调制的种类调制的种类调制信号调制信号载波信号载波信号)2cos()(000tfatya) 幅值调制幅值调制(简称调幅，简称调幅，am，amplitude modulation)b) 频率调制频率调制(简称调频，简称调频，fm，frequency modulation)c) 相

14、位调制相位调制(简称调相，简称调相，pm，phase modulation)缓变信号x(t)高频简谐信号)2cos()(*)(fttxaty0( )cos 2 ( )*y tafx tt0( )cos 2( )y taftx t323.幅值调制（调幅）及其解调幅值调制（调幅）及其解调 调幅是将一个调幅是将一个高频简谐信号高频简谐信号y(t)（载波信号）与（载波信号）与缓变信缓变信号号（调制信号）（调制信号）x(t)相乘相乘，使载波信号，使载波信号y(t)的的幅值幅值随随缓变缓变信信号号x(t)的幅值变化而变化过程。幅值调制后的信号称为的幅值变化而变化过程。幅值调制后的信号称为调调幅波。幅波。3

15、3tftxtftxatym00002cos)()2cos()()(调制信号载波信号调幅波)(txtftfaty00002cos)2cos()(1).调幅的时域表达调幅的时域表达34 假设调制信号假设调制信号x(t)的最高频率成分为的最高频率成分为 ，载波信号，载波信号(2).调幅的频域表达调幅的频域表达如果如果)()(fxtxtfty02cos)(tftxtym02cos)()(mf则则)()()()(21)(2cos)()(000fffxfffxfytftxtymm)(020ffetfj)()()()(fyfxtytxmff 0,，则有调幅波：，则有调幅波：)(020ffetfj)()(21

16、00ffxffxtfjtfjetxetx0022)()(2135调制信号载波信号调幅波)()(21)(2cos)()(000ffxffxfytftxtymm时域时域频域频域mfmf36音频信号音频信号广播电台广播电台的发射塔的发射塔 调幅调幅am调幅波调幅波载波信号载波信号37广播电台广播电台的发射塔的发射塔 对已调波进行鉴别以恢对已调波进行鉴别以恢复缓变信号的过程。复缓变信号的过程。调幅波调幅波恢复所需要的缓变信号恢复所需要的缓变信号(3).幅值解调的目的幅值解调的目的接收接收解调解调demodulation38(4). 同步解调同步解调 tftx04cos)(21tf02cos )(tym

17、)(21txtftx02cos)()4cos1 (21)(0tftxtf02cos39同步解调同步解调02 fmfmf(a)调幅波频谱调幅波频谱(b)载波信号频谱载波信号频谱(c)同步解调后频谱同步解调后频谱(d)调制信号频谱调制信号频谱40 x(t)0时时(0t1)， ym(t)与与y(t)同相，检波器输出同相，检波器输出uf(t)0 x(t)0时时(t1t2)， ym(t)与与y(t)反相，检波器输出反相，检波器输出uf(t)0 低频信号电压为正值时调频低频信号电压为正值时调频波的频率升高，负值时则降波的频率升高，负值时则降低。低频信号电压为零时，低。低频信号电压为零时，调频波的频率就等于

18、高频信调频波的频率就等于高频信号的频率。号的频率。 47谐振电路 电抗到电压的转化 谐振电路谐振电路 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 lcfn21谐振电路的频率：谐振电路的频率： 谐振电路作调频器 调频及解调电路调频及解调电路rclz izu 048鉴频器鉴频器调频波调频调幅波幅值检波49鉴频器鉴频器 电压频率特性曲线电压频率特性曲线亚谐振亚谐振区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50 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定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

19、率成分频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分 作用作用： （1 1）去除）去除无用信号无用信号、噪声噪声、干扰信号干扰信号以及以及信号处理信号处理 过程中引入的信号过程中引入的信号，如载波等如载波等; ; （2 2）分离不同频率的有用信号）分离不同频率的有用信号; ; （3 3）对测量仪器或控制系统的频率特性进行补偿。）对测量仪器或控制系统的频率特性进行补偿。51(a)低通滤波器低通滤波器(low pass filter)(b)高通滤波器高通滤波器(high pass filter)(c) 带通滤波器带通滤波器(band pass filter) (d) 带阻滤波器带阻滤波器(band sto

20、p filter) 1.滤波器分类滤波器分类(根据滤波器的选频作用分根据滤波器的选频作用分) 2称为称为低通滤波器低通滤波器的的上截止频率上截止频率 1、2分别称为分别称为带通滤波器带通滤波器的的下、上截止频率下、上截止频率 通带通带通带通带通带通带通带通带通带通带阻带阻带阻带阻带阻带阻带阻带阻带阻带阻带1 1称为称为高通滤波器高通滤波器的的下截止频率下截止频率 52高通高通低通低通过渡带过渡带通带通带阻带阻带53带通带通带阻带阻54 理想滤波器是指能使理想滤波器是指能使通带通带内信号的内信号的幅值幅值和和相位相位都都不失真不失真，阻带阻带内的频率成分都内的频率成分都衰减为零衰减为零的滤波器。

21、的滤波器。2.理想滤波器理想滤波器根据线性系统的不失真测试条件，根据线性系统的不失真测试条件，若滤波器的频率响应满足下列条件，则为理想滤波器：若滤波器的频率响应满足下列条件，则为理想滤波器：020)(ftjeafh0)(020ftjeafh其它cff 55(c) 带通滤波器带通滤波器(band pass filter) (d) 带阻滤波器带阻滤波器(band stop filter) 通带通带通带通带阻带阻带通带通带阻带阻带阻带阻带测试系统输入输出(激励)(响应)(tx)(ty)( fh0)( f0(a)幅频特性(b)相频特性acfcfcfcfff02 th(2 )=a(2)ej(2)a(2)

22、=a0=const (2)=-2t0 56)( fh0)( f0(a)幅频特性(b)相频特性acfcfcfcfff02 t)(2)2sin(2)()(0001ttfttffafhfthccc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，在给理想滤波器一个脉冲激励，从图中可以看出，在t=0t=0时刻单位时刻单位脉冲输入滤波器之前，即在脉冲输入滤波器之前，即在t t0 0时，滤波器就已经有响应了。时，滤波器就已经有响应了。h(t)(t)57dthxtxthty)()()()()(cabefttt61. 0

23、常数ebt带宽带宽决定决定着滤波器分离信号着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力，即中相邻频率成分的能力，即频率分辨力。频率分辨力。b越小，分辨越小，分辨力越高。力越高。低通滤波器的单位阶跃输入响应低通滤波器的单位阶跃输入响应ebt 5-1058-3db 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。 3.3.实际滤波器实际滤波器 1) 截止频率截止频率: 幅频特性值等于幅频特性值等于2/0a 所对应的频率所对应的频率 2)带宽带宽b：上下两截频间的频率：上下两截频间的频率 范围称为带宽范围称为带宽 3)纹波幅度纹波幅度d ：波动幅度：波动幅度d与幅频特与幅频特性平均值

24、性平均值a0相比应小于相比应小于-3db。 恒带宽滤波器恒带宽滤波器 b=fc2-fc1595)5) 品质因数品质因数q: q: 中心频率和带宽之比中心频率和带宽之比称为品质因数称为品质因数 6)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。衰减越快，选择性越好。 4)4)中心频率中心频率f f0 0: : 012ccfff7)7)滤波器因素滤波器因素:滤波器选择性滤波器选择性bfqndbdbbb360理想滤波器理想滤波器 = 1,一般要求滤波器一般要求滤波器1 5。604.rc无源滤波器无源滤波器

25、在测试系统中，常用在测试系统中，常用rc滤波器。因为这一领域中信号滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而频率相对来说不高。而rc滤波器电路简单，抗干扰强，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。有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。 611) 1) 一阶一阶rcrc低通滤波器低通滤波器 xyyuudtdurc令令=rc，称为时间常数，称为时间常数 11)(jjh2)2(11)(ffa)2()(farctgf傅立叶变换，频响函数：傅立叶变换，频响函数： 当当1/2rc时，时，2)2(11)(frcfa)2()(frcarctgf()-相频特性近似于一条通过原点

26、的直线相频特性近似于一条通过原点的直线 当当=1/2rc时，时，2， c2=1/2rc上截止频率上截止频率: |h(j)|= a()1，a() =1/62021| )(|fh(a)rc高通滤波器0211f21(b)幅频特性f)( f(c)相频特性cryuxuo45o90 xyyudturcu1令令rc=代入，作傅立叶变换，得频响函数代入，作傅立叶变换，得频响函数 1)()()(jjjh2)2(12)(fffa)21()(farctgf当当=1/2，即，即 =1/2rc时，时，2 当当1/2rc时，时，下截止频率：下截止频率： c1=1/2rc a() =1/a() 1，()=02) 2) 一阶

27、一阶rcrc高通滤波器高通滤波器 633) 3) 一阶一阶rcrc带通滤波器带通滤波器 可以看成是低通和高通两个滤波器串联而成。可以看成是低通和高通两个滤波器串联而成。 64高通高通低通低通1)()()(111jjjh11)(22jjh)()()(21jhjhjh)()()(21fafafa)()()(21fff频响函数频响函数幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性 c2=1/22=1/2r2c2上截止频率上截止频率: 下截止频率：下截止频率： c1=1/21=1/2r1c1 一阶一阶rcrc带通滤波器带通滤波器655.恒带宽、恒带宽比滤波器恒带宽、恒带宽比滤波器 实际滤波器频率通带通常是可调的

28、，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) 2) 恒宽比带通滤波器恒宽比带通滤波器 1) 1) 恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 1200122ccccffffff21ccnfff66品质因素品质因素q q bfqn相同相同q值（恒宽比），中心频率值（恒宽比），中心频率n越大越大 ，带宽，带宽b越大越大 恒宽比带通滤波器恒宽比带通滤波器 21ccnfff671631.563400020001000500125160008000检波放大bfqn22221nnn为倍频程数为倍频程数 若若n=1为倍频程滤波器；为倍频程滤波器；21ccnfff推导推导c2=2n c1 n2

29、=2n n1 68带宽越窄，分带宽越窄，分辨力越高。辨力越高。 低频分辨力较高，低频分辨力较高，高频分辨力较低高频分辨力较低. .信号通带越宽，需要的恒带宽滤波器越多信号通带越宽，需要的恒带宽滤波器越多。 恒带宽滤波器：带宽为恒带宽滤波器：带宽为20hz20hz69案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：机床轴心轨迹的滤波处理 6.滤波器的应用滤波器的应用70案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：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滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律 71微分微分21172积分积分21673高通滤波高通滤波低通滤波低通滤波18274积分滤波积分滤

30、波17775带通带通184带阻带阻18876bduu 1r3r4r2i2r1iouiuabdc直流电桥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。出为零。 此时，桥路电流为：此时，桥路电流为： 211rruii432rruiia a、b b之间电位差为：之间电位差为： iaburrrriu21111a a、d d之间电位差为：之间电位差为： iadurrrriu43442电桥输出电压为：电桥输出电压为： dbouu + )()(dabauuuuadabuuiurrrrrr434211iurrrr

31、rrrr)(43214231返回返回77iourrrrrrrru)(4321423111rr3r4r2i22rr1iouiuabdc两片两片 半桥、双臂输出半桥、双臂输出 当当r1 r1r1，r2 r2 r2 时，时，iiourrrrrrrrrrrrrrrurrrrrrrrru)()()(432211422114310434221111由于，由于，r1=r2=r3=r4=r0，r=r1=r2，所以，所以 iiiiiiourrurrrurrrrrurrrrrrrurrrrrrrrrrrrrrrurrrrrrrrru02002020020000000432211422114311434221111

32、24242222222)()()()(返回返回半臂、双臂平衡条件半臂、双臂平衡条件78iourrrrrrrru)(432142311r3r4r2i2r1iouiuabdc11rr3r4r2i2r1iouiuabdc11rr3r4r2i22rr1iouiuabdc11rr33rr44rr2i1iouiuabdc22rr四片四片 全桥、四臂输出全桥、四臂输出 当当r1 r1r1，r2 r2 r2 ，由于，由于，r1=r2=r3=r4=r0，r=r1=r2，所以，所以 r3 r3r3，r4 r2 r4时时iiiiiourrurrrurrrrrurrrrrrurrrrrrrrrrrru0200200000004433442211114442222iu电桥的灵敏度定义为电桥的灵敏度定义为 00/ rrusob返回返回全桥、四臂平衡条件全桥、四臂平衡条件791r3r4r2i2r1iouiuadc1c4c电容电桥电