第13章测试信号的转换与调理

测试技术基础测试技术基础第十三章测试信号的转换与调理信号的调制与解调信号的滤波本章内容：测试技术基础电桥§13.0电桥电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测量的测量。1、测量电桥应变片电桥按其电源性质的不同可以分为直流电桥和交流电桥。直流电桥只能测量电阻，而交流电桥可用于测量电阻、电感和电容的变化。

§13.0电桥直流电桥的工作原理

平衡条件：输出定义电桥的灵敏度为：工作时，各桥臂阻值变化，则输出电压U0

0实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，通常R1=R2=R3=R4=R0,即为等臂电桥.

§13.0电桥直流电桥的联接方式:

a)半桥单臂b)半桥双臂c)全桥

半桥单臂：电桥平衡时，邻臂电阻之比相等，设其比值为n，即得所以半桥单臂电桥的灵敏度为：实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，通常R1=R2=R3=R4=R0,即为等臂电桥.

§13.0电桥通常

输出电压为半桥双臂:全桥接法:

电桥的工作特性:

1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采用半桥双臂或全桥方式。在R0<<R0条件下，电桥的输出与

R0/R0成正比；全桥接法可以获得最大的输出，其灵敏度为半桥单臂接法的4倍。§13.0电桥2）电桥的和差特性全桥接法：4桥臂均为工作应变片相邻桥臂：应变极性相同时，电桥输出电压与两应变差有关；应变极性相反时，电桥输出电压与两应变和有关。相对桥臂：输出电压与应变的关系和相邻桥臂正好相反。§13.0电桥电桥的和差特性的实际应用：①提高灵敏度——半桥双臂或全桥联接

相对桥臂：同极性相邻桥臂：反极性②实现温度补偿——全桥自动补偿半桥双臂：邻臂(同一温度场)③消除非测量载荷的干扰影响

§13.0电桥测量用应变片补偿用应变片测量P消除M的影响

§13.0电桥2、温度误差及补偿温度误差——附加应变

3)其他：基底材料、粘合剂等受温度影响1)电阻温度效应2)敏感栅与被测试件材料线膨胀系数不同而产生的电阻变化§13.0电桥§13.0电桥

桥路补偿法——电桥的和差特性全桥自动补偿；半桥邻臂3、应变片的布置和接桥方式利用适当的布片和组桥方式消除温度变化和复合载荷作用的影响，获得最大的输出灵敏度。1）应变片应布置在弹性元件产生应变最大的位置，并沿主应力方向贴片；贴片处的应变尽量与外载荷呈线性关系（避开非线性区），同时应注意使该处不受非待测载荷的干扰影响。2）根据电桥的和差特性，选择适当的接桥方式，可以使输出的灵敏度最大，同时又能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿。§13.0电桥§13.0电桥应变片应变片的布置和接桥方式§13.0电桥交流电桥将直流电桥的电阻R用阻抗Z代替，阻抗写成复指数形式，则交流电桥平衡条件为：

交流电桥平衡必须满足两个条件：相对两臂阻抗之模的乘积应相等，并且它们的阻抗角之和也必须相等，前者称为交流电桥模的平衡条件，后者称为相位平衡条件。§13.0电桥交流电桥有不同的组合，常用的有电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻，而另外两臂接入相同性质的阻抗，例如都是电容或电感。a)电容电桥 b)电感电桥

图a电容电桥的平衡条件

图b所示的电感电桥，其平衡条件

§13.0电桥§13.0电桥直流电桥采用直流电源作激励电源，稳定性好；电桥的平衡电路简单，其输出为直流量，可用直流仪表测量，精度高；电桥的连接导线不会形成分布电容，因此对连接导线的方式要求低；缺点：易引入工频干扰；作直流放大时，由于直流放大器一般比较复杂，且易受零漂和接地电位的影响。直流电桥适合于静态量的测量。交流电桥输出为交流信号（调幅波），外界工频干扰不易被引入电路；但要求供桥电源稳定性好。交流放大电路简单，且没有零漂的影响。直流电桥交流电桥信号调理的目的是便于信号的传输与处理。信号调理的目的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号进行调制解调处理。§13.1调制与解调§13.1调制与解调1目的解决微弱缓变信号放大以及信号传输问题。-101-101-101-101-101

先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中提取出放大后的缓变信号。例：交流电桥Vin~R1R4R2R3V§13.1调制与解调

调制：利用某种信号来控制或改变另一信号(高频的正、余弦或方波)的某个参数(幅值、频率或相位)的过程。可分为调幅、调频和调相。调制波：调制中的控制信号(低频信号)

载波：载送低频信号的高频信号(正、余弦或方波)

已调制波：经调制所得的高频信号(调幅波、调频波和调相波)

解调：从已调制波中恢复出原有低频调制信号的过程2基本概念§13.1调制与解调3种类调制信号x(t)0t载波信号z(t)0t§13.1调制与解调根据载波受调制参数不同，可分为三类。a)幅度调制(AM)b)频率调制(FM)c)相位调制(PM)§13.1调制与解调

调幅是将一个高频正弦信号(或称载波)与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。缓变信号调制高频信号放大放大高频信号解调放大缓变信号4幅值调制幅度调制与解调过程(波形分析)乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器滤波器z(t)x(t)-101-101-101-101-101-1014幅值调制幅度调制与解调过程(频谱分析)乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器滤波器z(t)x(t)4幅值调制幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器滤波器z(t)x(t)4幅值调制解调方法之一：同步解调

解调时，所乘信号必须保证其频率和相位与原载波信号相同，故称同步解调。

-505-101-505-101-505-101-505-101-505-1015幅值解调解调方法之二：整流检波

若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号都具有正电压。

调幅之前5幅值解调解调二极管检波低通滤波调幅5幅值解调

相敏检波是利用交变信号在过零位时正、负极性发生突变，使调幅波相位（与载波信号比较）也相应地产生180°相位跳变，从而既反映原信号的幅值又反映其相位。

特点:

(1)可以鉴别调制信号的极性；

(2)不必对调制信号加直流偏置。解调方法之三：相敏检波5幅值解调解调：相敏检波(e)滤波后波形(d)相敏检波后波形(b)载波(c)放大后调幅波(a)调制信号exR(t)e0e01e02=KR(t)5幅值解调典型相敏检波电路(a)过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180º变化。y(t)t0x(t)t06幅值调制的失真(b)重叠失真：当载波频率f0

小于被测信号最高频率fm

时，调幅波频谱将出现频率重叠．要求：

f0＞fm

Y(f)-f0f006幅值调制的失真动态电阻应变仪

电桥由振荡器提供等幅高频振荡电压（相当于载波）。被测量(力、应变等，相当于调制波)通过电阻应变片控制电桥输出。电桥输出为调幅波，放大后，经相敏检波与低通滤波，提取出被测信号。7幅值调制与解调的应用8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。因此，调频波是一种等幅波，但其疏密度（即频率）随信号x(t)的幅值变化而变化。§13.1调制与解调其中锯齿波调频正弦波调频8频率调制与解调§13.1调制与解调鉴频：变压器耦合的谐振回路鉴频第一步：先将等幅调频波转换为幅值随频率变化的调频调幅波;调频波的解调称为鉴频或频率检波第二步：检测幅值的变化，得到原调制信号。8频率调制与解调鉴频：8频率调制与解调回路输入为等幅调频波，当频率偏离谐振频率时，输出幅值随之下降。通常在谐振回路特性曲线的亚谐振接近直线段进行频率电压变换。频率与相同，幅度受频率变化而变化。优点：抗干扰能力强。

调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20倍；频率调制是一种非线性调制，调频系统较之调幅系统更为复杂。

调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而外界干扰主要影响信号的幅值。

缺点：占频带宽度大，复杂8频率调制与解调滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。§13.2滤波Krohn-Hite™滤波器1滤波器分类（根据滤波器选频作用）

低通高通§13.2滤波带通带阻1滤波器分类（根据滤波器选频作用）

§13.2滤波2滤波器的串/并联低通滤波器和高通滤波器是两种最基本的滤波器形式，其它滤波器可看做为这两种滤波器的组合。低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器§13.2滤波3理想滤波器

理想滤波器指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内频率成分都衰减为零的滤波器。§13.2滤波理想滤波器的物理不可实现

理想滤波器在时域内的脉冲响应函数为函数。脉冲响应的波形沿横坐标向左、右无限延伸。3理想滤波器

给理想滤波器一个脉冲激励，在时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已有响应了。故物理不可实现。

理想滤波器的单位阶跃响应

滤波器阶跃响应的建立时间和带宽成反比。通带越宽，衰减的高频分量越少，信号能量更多、更快地通过，因此建立时间越短。滤波器的带宽表示它的频率分辩能力。通带窄，则分辨力高——滤波器的高分辩能力与测量时的快速响应要求相矛盾。3理想滤波器4实际滤波器

理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。

0fA§13.2滤波1)截止频率

：所对应的频率。2)纹波幅度：绕幅频特性均值波动值3)带宽和品质因数：上下两截止频率间的范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数。4实际滤波器4)倍频程选择性W

在上截止频率fc2与2fc2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。

倍频程衰减量以dB/oct表示(Octave，倍频程)。衰减越快(即W值越大)，滤波器的选择性越好。4实际滤波器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与带宽之间的关系，可分为两种。§13.2滤波1)恒带宽带通滤波器中心频率为上下截止频率的算术平均值。5恒带宽、恒带宽比滤波器2)恒带宽比带通滤波器中心频率为上下截止频率的几何平均值。带宽与中心频率的比值称相对宽度。5恒带宽、恒带宽比滤波器倍频程滤波器5恒带宽、恒带宽比滤波器6滤波电路(1)无源滤波器

由无源器件（R、L、C）构成的滤波