教学材料汽车测试技术-5

5.1电桥

1.电桥平衡条件直流电桥工作原理如图5一1所示，四个桥臂电阻R1,R2,R3,R4为纯电阻。电桥的a,c两端接入直流电源e0，另两端h,d为电桥的输出ey。电桥的输出电压为h,d两端的电位差，即返回下一页5.1电桥

2.电桥特性在实际测试前，电桥已预调平衡，电桥输出电压只与桥臂电阻的变化有关。当四个桥臂电阻R1,R2,R3,R4发生的电阻变化分别为△R1,△R2,△R3,△R4后，电桥就失去平衡，此时电桥输出电压为下一页返回上一页5.1电桥通过上述电桥特性分析，可以发现:①两相邻桥臂上电阻产生的应变相减:若两邻臂应变数值相等，当应变同符号时，输出电压自动相减;当应变异符号时，输出电压自动相加。②两相对桥臂上电阻产生的应变相加:若两对臂应变数值相等，应变同符号时，输出电压自动相加;当应变异符号时，输出电压自动相减。上一页下一页返回5.1电桥3.电桥灵敏度电桥灵敏度定义为单位电阻变化率所对应的电桥输出电压。4.温度补偿在测量时，若被测构件和所粘贴的应变片的工作环境温度发生变化，应变片本身将因温度变化产生应变ξt。显然，应变ξt在结构不承载时仍然存在，因此，当结构承受载荷时，这个应变就会与由载荷作用而产生的应变叠加在一起输出，使测量到的输出应变中包含了因环境温度变化而引起的应变ξt必然对测量结果产生影响。利用电桥的加减特性，可以对应变片进行温度补偿，通常采用补偿块补偿法或工作片补偿法。上一页下一页返回5.1电桥1)补偿块补偿法使用两个同样的应变片，一片粘贴在试件上，另一片粘贴在与试件同材料、同温度条件但不受力的补偿块上。根据电桥的加减特性，将这两片应变片接入相邻桥臂上，由于温度的变化，工作片和补偿片上产生相同的因温度引起的应变，在桥路中自动抵消，对电桥输出没有影响，达到温度补偿的作用。2)工作片补偿法在同一被测试件上粘贴两个工作应变片，接入相邻臂应变片既可以起到温度补偿的作用，又能测量真实的应变。上一页下一页返回5.1电桥5.布片和接桥根据已知的应力分布规律、电桥特性、测量目的，合理地布片(即应变片在试件上的位置和方向)和接桥，可以准确地测出各种载荷。零件在实际工作中，往往会受到几种不同性质的外力作用，采用不同方式的布片和接桥，可消除某种外力的影响，而测得在一种外力作用下的应变。上一页返回5.2放大器在测试中，由于传感器或测量电路的输出信号电压、电流或电荷信号很微弱，不足以直接用于后续的转换处理，或驱动显示、记录装置，所以需要进行放大处理。对微弱的信号放大是检测系统中必须解决的问题。对测试系统中的放大器的要求包括:(1)不耗散或基本不耗散信号的能量而改变原信号。(2)线性，即放大倍数不随信号大小而变化，且放大倍数高。(3)动态范围宽。(4)低相移或无相移。(5)幅频特性恒定。(6)噪声小。(7)输出量不受负载大小影响。下一页返回5.2放大器5.2.1基本放大器常用的信号放大器有很多种，可根据不同的要求选用。这里着重讨论三种基本放大器，即反相输入放大器、同相输入放大器和交流放大器。1.反相输入放大器图5-7(a)所示为基本的反相输入放大器电路。其特点是输入信号都加在运算放大器的反相输入端。根据理想运算放大器的特性，其同相输入端与反相输入端电压近似相等，流入运算放大器输入端的电流近似为零。反相放大器放大倍数为上一页下一页返回5.2放大器2.同相输入放大器为解决反相输入放大器存在输入阻抗R1较低的问题，而采用图5-7(b)的同相输入放大器电路，可以得到较高的输入阻抗。其特点是输入信号加在同相输入端，而反馈信号加在反相输入端。同样由于理想运算放大器特性，可以分析出放大器的放大倍数为上一页返回5.3信号的调制与解调传感器的输出往往是一些缓变的微小电信号，如果直接采用级间直接藕合式直流放大器对微小电信号进行放大，将会受到零点漂移的影响。当漂移信号大小接近或超过被测信号时，经过逐级放大后，被测信号会被零点漂移淹没。如果直接用阻容藕合式交流放大器放大，虽然可以抑制零点漂移，但交流放大器的低频特性不好，会导致被测信号失真。可见，对于微小电信号采用级间直接藕合式直流放大器或阻容藕合式交流放大器进行放大都会遇到困难，所以，一般先把缓变信号变为适当频率的交流信号，然后用交流放大器放大，最后再恢复原来的缓变信号。信号的这种变换过程就是调制与解调。下一页返回5.3信号的调制与解调“同步”指解调时所乘的信号与调幅时的载波信号具有相同的频率和相位。在时域分析中也可以看到2.相敏检波图5一13(a),(b)和(c)表示了载波、调制信号及调幅后经放大的调幅波波形。从图中可以看出载波随调制信号变化的结果，调幅波的包络线接近于调制信号。为使调幅波的包络线不失真地描述被测信号，必须使载波频率远远大于调制信号(被测信号)的频率，实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号的频率。上一页下一页返回5.3信号的调制与解调2.解调(鉴频)调频波的解调电路又叫鉴频器。它的作用是将调频波频率的变化变换成电压幅值的变化。鉴频器有多种，在一些测试仪器中，常常采用变压器藕合的谐振回路方法，如图5一18所示。上一页返回5.4滤波器5.4.1滤波器的分类滤波器按选频作用可分为四类，即低通、高通、带通和带阻滤波器，图5一19表示了这四种滤波器的幅频特性。除了上述的按幅频特性分类外，滤波器还可按有源和无源分为有源滤波器和无源滤波器。由电阻、电容和电感等元件构成的滤波器不用电源就可进行滤波，这类滤波器就称为无源滤波器。但在实际应用中，由于损耗能量和带负载能力差等原因，在不少场合受到限制，目前采用由运算放大器和阻容滤波网络构成的有源滤波器就可克服上述无源滤波器的不足。按电路的元件类型，滤波器还可分为RC滤波器和LC滤波器等。下一页返回5.4滤波器5.4.2理想滤波器理想滤波器是一个理想化的模型，是根据滤波网络的某些特性理想化而定义的，在物理上是不能实现的系统，但对了解滤波器的传递特性是有作用的。在第3章曾介绍过，对于一线性测试系统，不失真传输条件就是其输出y(t)和y(t)输入应满足:上一页下一页返回5.4滤波器5.4.3实际滤波器实际滤波器与理想滤波器不同，其幅频特性如图5一21所示。对于理想的滤波器只需规定截止频率就可以完全说明它的性能，因为在截止频率之间的幅频特性为常数，截止频率以外的幅频特性为零。实际滤波器的通带与阻带之间没有严格的界线，幅频特性也不是常数。在通带与阻带之间有一个过渡带，在过渡带内的频率成分会受到不同程度的衰减，因此需要更多的参数来描述实际滤波器的性能。上一页下一页返回5.4滤波器RC有源滤波器上述仅由阻容元件组成的RC无源滤波器，具有线路简单、体积小、成本低的优点，但它们都是低阶系统，由于过渡带衰减慢，因此选择性差。将几个一阶滤波器串联起来可以提高阶次，但极间藕合的负载效应会使信号逐级减弱，采用有源滤波器可以克服这些缺点。RC有源滤波器是用RC无源网络和运算放大器等有源器件结合在一起构成的。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。RC网络则通常作为运算放大器的负反馈网络。上一页返回5.5信号的传输及干扰抑制5.5.1信号的传输一个测量系统，由于某种原因使得各组成部分的位置相隔一定距离，它们之间必须通过某种通道来传输信息。有时，即使各部件相互靠得较近，由于系统的一个部分相对于另一部分而运动，也存在信号传输问题。这里将讨论信号的导线传输、集流环(或称集流器)和无线传输。1.导线传愉测量系统的各组成部分通常是用导线或电缆连接来传输电信号的。长的传输导线，由于内部或外部原因而影响测量精度，有时甚至使测试工作难以进行。下一页返回5.5信号的传输及干扰抑制此外，测量系统的电干扰是测量实践中经常遇到的问题。电干扰是由于外部环境对导线传输引入的干扰信号，或称干扰电压。它主要是干扰源以电压、电流、辐射电磁场的形式，通过电磁感应、静电(电容)藕合于传输导线，是与所传递的信息无关的电能。在测量系统中，传感器输出的模拟电信号常常频率较宽、电平较低，这样低的电平信号对电干扰十分敏感，所以在组成测试系统时，要避开干扰源和采取各种可能的抑制干扰的措施。上一页下一页返回5.5信号的传输及干扰抑制2.集流环(或集流器)如果传感器必须安装在旋转着的被测试件上，例如测试汽车半轴转矩、应变片贴在旋转的半轴上，就必须提供某种方法，在旋转部件和静止部件(如测试仪器)之间，把激励电流输入传感器并取走输出信号，实现数据传输和激励电源的传输。如果涉及的转角比较小，则可采用连续的柔软导体。在有的情况下，旋转运动只有几圈，则可让连接导线在旋转轴上绕圈或退绕。但是，当被测试件高速连续旋转时，就需要在旋转部件和静止部件之间采用集流环。集流环通常可分为接触式(如滑环式、水银槽式)和非接触式(如旋转变压器式集流环)。上一页下一页返回5.5信号的传输及干扰抑制3.信号的无线传愉测量系统的每一组成部分通常都是用导线连接的。而对于高速旋转部件和不易接触的移动部件的测试，在传感器和测量记录仪器之间常常难以实现导线连接，有时因测距太远或地形和空间的限制，也很难用导线直接连接，这时宜采用无线传输方式，即采用无线电波传输的无线电遥测。虽然对旋转部件的测试可采用集流环，但由于目前大规模集成电路和微型电路的迅速发展，装在转动机械上的传感器、放大器及发射机具有体积小、质量轻、耗电少、便于安装、使用可靠及测试精确等优点，所以普遍采用无线电遥测来取代集流环。上一页下一页返回5.5信号的传输及干扰抑制无线电遥测系统，根据传输方式可分为直接式和载波式两种。直接式就是把被测物理量变成电压或电流信号，不经调制，直接由发送线圈传送磁力线，使并列安装的接收线圈产生磁感应电压，即用变压器的电磁藕合进行无线传输的测试方法。该方法简单，但只能作近距离传输，且不利于多路传输。为实现远距离传输，多采用载波式遥测系统。所谓载波式就是把由被测量变换而来的电信号，再经调制到声频以上的载波上去传送。上一页下一页返回5.5信号的传输及干扰抑制5.5.2干扰抑制信号的干扰存在于各种测试系统中，因此测试信号在测试系统不断地变换和传递过程中，各种干扰信号也随被测信号一起变换和传递，所获测试结果总是不可避免地受到干扰，严重的干扰甚至会使测试系统不能正常工作。信号干扰的类型很多，不同类型的干扰有不同的抑制方法，在测试过程中，对测试精度的要求不同，所采取的抑制措施也不一样。按照干扰形成的原因，可分为自然干扰和人为干扰。按照干扰源的位置来分，有外部干扰和内部干扰。外部干扰来源于设备(受感器)之外，与本设备的设计无关。内部干扰是由于设计不良或功能原理所产生的。按照干扰原理分，有电场干扰、磁场干扰与电磁场干扰。上一页下一页返回5.5信号的传输及干扰抑制2.常用杭干扰技术由于信号的干扰无处不在，要保证系统可靠工作，进行抗干扰设计是一项不可忽视的工作。合理屏蔽、接地、隔离和平衡等都是有效的抗干扰措施，下面逐一进行介绍。1)屏蔽技术屏蔽技术是利用金属材料对电磁波具有良好的吸收和反射能力来抗干扰的，一般分为三静电屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽上一页下一页返回5.5信号的传输及干扰抑制电磁屏蔽主要是抑制高频电磁场的干扰。高频电磁场会在导电性能良好的金属导体内产生涡流。涡流产生的反磁场可以被用来抵消高频磁场，从而实现电磁屏蔽。磁屏蔽主要用来防止低频磁通干扰。上述的电磁屏蔽材料如铜、铝和镀银铜板对低频磁场干扰的屏蔽效果很差，因此在强低频磁场的工作现场，必须用高导磁材料如玻莫合金制成屏蔽罩。上一页下一页返回5.5信号的传输及干扰抑制2)接地技术正确的接地能够有效地抑制外来干扰，同时可以提高仪器本身的可靠性，减少仪器自身产生的干扰因素，也是屏蔽技术的重要保证。常见的接地方法有安全接地、信号接地、电缆屏蔽层的接地等。为了人身和设备的安全，电子设备的机壳、底座都应接大地。(1)信号接地。在相当多的电路中，常以直流电源的正极线或负极线作为信号地线，但是交流零线不能作为信号地线。因为一段交流零线两端可能有数百微伏至数百毫伏的电压，这对低电平信号是一个非常严重的干扰。上一页下一页返回5.5信号的传输及干扰抑制(2)电缆屏蔽层的接地。当放大器与传感器距离较远时，信号传输线都要采用屏蔽导线，并且屏蔽层应接地，以防止外界干扰。频率低于1MHz时，屏蔽层应一端接地，以防止电流在屏蔽层流通造成对信号的干扰，同时还可避免屏蔽与地形成环路，从而可防止磁场干扰。3)隔离技术接地是为了在信号传输、处理过程中取得一个公共的参考点，然而可能引入共阻藕合干扰和地环路电流干扰。抑制这类干扰的方法是采用隔离技术。上一页下一页返回5.5信号的传输及干扰抑制(1)隔离变压器。两个不同的接地点总会存在一定的电位差，由此会形成地环路电流，从而对信号电路直接形成干扰。而采用隔离变压器可以阻隔地环路电流。电路输出信号经变压器藕合到下级电路，则地环路被截断。应该指出，变压器不能传输直流信号或接近直流的低频信号，而电屏蔽层对高频信号会产生涡流，形成对高频信号的磁屏蔽，不利于信号的传输，因此这种办法只在一定频率范围内适用。上一页下一页返回5.5信号的传输及干扰抑制(2)光电藕合。采用光电藕合可以截断两电路之间的地环路。发光二极管的发光强度随电路1输出电流大小而变化。光强的变化使光电晶体管电流变化，从而将电路1信号传到电路2。光电器件的发光管和晶体管之间无导线连接，因此它既传输信号又截断了地环路。光电藕合传输信号的精度较差，在模拟系统中很少采用;对于数字信号，因为只考虑逻辑电平，其电平精度无关紧要，因此在数字系统中普遍采用。特别是数据采集系统中，在A/D转换之后通过光电藕合与数字系统连接，从而将模拟地与数字地分开。上一页下一页返回5.5信号的传输及干扰抑制(3)隔离放大器。在模拟系统前端用隔离放大器能避免形成地环路。隔离放大器可以抗300V以上的共模干扰，而且使输入电路、输出电路、电源电路三者无公共地线。4)平衡技术平衡技术是指在双线电路中设计平衡电路，使得两根导线以及连接这两根导线的所有元件对地都具有相同的阻抗。如果两根线所拾取的干扰相等，总干扰将因相互抵消而为零。常见的双绞线采用的就是平衡结构。信号线采用双绞线时，双绞线每个小环路的电磁感应相互抵消。上一页返回5.6信号的显示与记录装置5.6.1笔式记录仪笔式记录仪是在指针式仪表的基础上，将记录笔代替指针，用笔尖(墨水笔、电笔等)在记录纸上描绘被测量相对于时间或某一参考量之间函数关系的一种记录仪器。一般笔式记录仪根据其结构可分为可动线圈式、可动铁芯式和感应式等几种。笔式记录仪结构简单，指示与记录能同时进行，但其灵敏度较低。由于笔式记录仪的活动部分具有一定的转动惯量，致使其工作频率不高。因此，这种记录仪只适合于长时间慢变化信号、要求指示与记录同时进行的场合。下一页返回5.6信号的显示与记录装置5.6.2光线示波器光线示波器是利用细光束在感光相纸或感光胶卷上感光记录信号，是一种可以显示和记录各种电量与物理量变化过程波形曲线的仪器。它利用电磁转换原理将变化的信号通过光线记录在记录纸上。它主要由振动子系统、光学系统、记录纸传动系统及时标系统等组成。振动子相当于一个磁电式检流计。振动子中的可动