轧制自动控制第四章信号的加工

1、第四章第四章 信号的加工信号的加工4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 电桥电桥4.3 4.3 调制与解调调制与解调4.4 4.4 电阻应变仪电阻应变仪4.5 4.5 例题例题4.1 4.1 概述概述 1）信号加工的目的信号加工的目的传感部分是将被测物理量变化过程的信号转化成为各种电路参数（如电阻、自感和互感等），或电源性参数（如电压、电荷等）形式的信号。为了用信号进一步推动显示、记录仪器和控制器，或将此信号输入计算机作信号分析和处理，需对传感器输出的信号进行加工。4.1 4.1 概述概述 2）信号加工的内容信号加工的内容模拟、数字转换技术模拟、数字转换技术 在信号送入计算机以前和计算机处理

2、后送出时都要作特殊处理。电桥技术电桥技术 将电路性参数转换为可供传输、运算、处理、显示和记录的电压或电流信号；调制与解调技术调制与解调技术 使信号在后续加工过程中处于最佳工作频段；滤波技术滤波技术 在信号中排除噪声或选出有用部分；非线形校正技术非线形校正技术 对在传感器及后续环节中所出现的一些误差作必要的补偿和校正；4.2 4.2 电桥电桥4.2.1 4.2.1 电桥电路及其分类电桥电路及其分类4.2.2 4.2.2 直流电桥直流电桥4.2.3 4.2.3 电桥特性电桥特性4.2.4 4.2.4 桥路的温度补偿桥路的温度补偿4.2.5 4.2.5 电桥的平衡电桥的平衡4.2.1 4.2.1 电

3、桥电路及其分类电桥电路及其分类 1）电桥电路电桥电路它是由四个电阻 作为桥桥臂臂,头尾相接而成。可取一、二或四个桥臂为应变片。四个电阻的连接点叫做电桥的端点端点。 接电源叫电源端电源端； 接平衡指示器或后续放大器叫输出端输出端；DB、CA、41 RR最简单的电桥电路如图5-2所示，称为惠斯登电桥惠斯登电桥。4.2.1 4.2.1 电桥电路及其分类电桥电路及其分类 2）电桥电路的分类电桥电路的分类 按桥臂应变片受应变作用不同，可分为单臂工作、双臂单臂工作、双臂工作、四臂工作电桥工作、四臂工作电桥； 按输出端负载要求不同，可分为电压输出电桥电压输出电桥和电流输电流输出电桥出电桥。 按供桥电源不同，

4、电桥可分为直流电桥直流电桥和交流电桥交流电桥； 按四个桥臂电阻相等与否，可分为对称电桥对称电桥与非对称电桥非对称电桥。(1) 等臂电桥等臂电桥， 即(2) 电源端对称电桥电源端对称电桥，即(3) 输出端对称电桥输出端对称电桥，即4321RRRR4321,RRRR4231,RRRR对称电桥可分为三种形式：4.2.2 4.2.2 直流电桥直流电桥 1 1）直流电压桥）直流电压桥2110RRRUUBA假设输入端是一个恒压源；又假设输出端所接负载内阻极大（如接放大器），可视为开路。此时电桥只有电压输出。把整个电桥分为 和 两个支路， 由分压公式可得 、 两点电位：ABCBADCD4330RRRUUDA

5、0432132410433211)(URRRRRRRRURRRRRRUUUADBABD故电桥的输出电压为：若使电桥输出电压 ，即电桥处于平衡状态，仅当桥臂电阻满足如下条件0BDU4.2.2 4.2.2 直流电桥直流电桥 2）直流电压桥的平衡条件它表明，直流电桥的平衡条件直流电桥的平衡条件仅仅是电桥相对臂的电阻乘积相等，而与供桥电压和电桥负载无关。为了保证测量的准确性，在测量之前应使电桥处于平衡状态。3241RRRR4321RRRR或假设电桥初始处于平衡状态，当桥臂应变片受应变作用，各桥臂阻值分别有 变化时,电桥的输出电压会产生相应的变化:4321RRRR、0334424343221122121

6、04243332434222111221244332211)()()()()()(URdRRdRRRRRRdRRdRRRRRUdRRRRdRRRRdRRRRdRRRRdRRUdRRUdRRUdRRUdU4.2.2 4.2.2 直流电桥直流电桥 3）直流电压桥的微分方程0432132410433211)(URRRRRRRRURRRRRRUBD4.2.2 4.2.2 直流电桥直流电桥 4）直流电压桥的输出电压与应变的关系)()(33224411221021RRRRRRRRRRURRUUBD)()(33224411221021kkkkRRURR考虑到电桥初始平衡条件 且 ,直流电桥的微分方程可简化为

7、iRR 3241RRRR)(432410KUUUBD若应变片的 值均相同，且当电桥为等臂(或电源端对称)电桥时，电桥输出为：K0334424343221122121)()(URdRRdRRRRRRdRRdRRRRRdU当电桥的输出端所接负载的输入阻抗 较小（如电流表或示波器振子）时，电桥将为电流输出，这种桥又称电流桥或功率桥。 4.2.2 4.2.2 直流电桥直流电桥 5）直流功率桥gR043213241)(URRRRRRRRUUBD43432121RRRRRRRRR)()()()(21434321432103241RRRRRRRRRRRRRURRRRRRUIggg图5-3是电桥等效电路。图中

8、：4.2.2 4.2.2 直流电桥直流电桥 6）功率桥的电流输出当负载阻抗匹配负载阻抗匹配，即 时，电桥输出功率最大。此时：RRg2)()(20214343213241URRRRRRRRRRRRRUIg)()(2)(233224411432103322441143210KKKKRRRRURRRRRRRRRRRRUIg)(832410RKUIg若电桥为等臂电桥，则 ，此时 KKi4.2.2 4.2.2 直流电桥直流电桥 7）直流电桥的特点不论采用电压桥或功率桥，当满足 时，电桥的输出 均与 成正比； RR IU 或)(324133224411或RRRRRRRR当采用功率桥时，应满足负载阻抗匹配；

9、电压桥输出只与 ，而与原始电阻无关； iiRR功率桥输出不仅与 ，而且与原始电阻有关； iiRR4.2.3 4.2.3 电桥特性电桥特性1）电桥的加减特性当桥臂电阻分别产生 变化时，全等臂电桥的输出为)(443241032410KURRRRRRRRUUBD 相邻臂电阻(或应变) 变化，同号相减、异号相加； 相对臂电阻(或应变) 变化，同号相加、异号相减。4321RRRR、 图5-4为等强度梁，应变片分别贴在梁的上下面，并组成8个电桥。电桥的输出规律为：4.2.3 4.2.3 电桥特性电桥特性 2）桥臂的阻值特性4444000110KURRUnRRnURRUUBD以半等臂电桥为例。可见，当桥臂应

10、变片采用高阻值时，电桥输出并未增加。但可以通过提高供桥电压，增加电桥输出。(1)工作臂为高阻值当 有增量 时，1RRnRRRnRRR4321,4.2.3 4.2.3 电桥特性电桥特性 2）桥臂的阻值特性44144001010KURRUURRnUnRRUUBDRRniiniiBDi若当 有增量 时，1RniiR1可见，桥臂应变片相串联，电桥输出并未增加。但可以通过提高供桥电压，增加电桥输出。以半等臂电桥为例。（2) 工作臂为应变片串联RRRnRRR4321,由于取均值输出，可以消除附加载荷的影响。4.2.3 4.2.3 电桥特性电桥特性 2）桥臂的阻值特性44/44000110KURRUnRnR

11、URRUUBD当 桥臂中的n个 都有增量 时，1RRR以半等臂电桥为例：(3) 工作臂为应变片并联211)(1)(nRRnRRRnRRRRnKURRnUnRnRURRUUBD1414/440020110当 桥臂中只有一个 变化时1RR可见，桥臂应变片相并联，电桥输出并未增加。4.2.3 4.2.3 电桥特性电桥特性3）电桥灵敏度KIRRISKURRUSggIBDBDU或定义为：电桥的输出电压（或输出电流）与被测应变在电桥的一个桥臂上引起的电阻变化率之比：4.2.3 4.2.3 电桥特性电桥特性 4）电桥的桥臂系数则电桥的输出可用某一桥臂单独输出的倍数来表示：iiiiRRRRRRRRRRA仪32413241若令iBDKAUKURRRRRRRRUU4)(4403241032410对某一桥臂的电桥系数A变某一桥臂所测的真实应i仪器指示的读数应变仪其中：4.2.4 4.2.4 桥路的温度补偿桥路的温度补偿由于温度的变化会引起应变片电阻值的变化，会给测量结果带来相当大的误差，因此必须采取温度补偿措施。在图5-18中， 是技术参数完全相同技术参数完全相同的二枚应变片，将 （工作片）沿受力方向粘贴在被测构件表面上，将 （补偿片）贴在材质与被测试件相