《机械工程测试技术》第四章

1、2020年8月6日，星期四，1。机械工程测试技术基础，第4章信号调节、处理和记录，第1节电桥：将电阻、电感和电容等参数转换成电压或电流输出的测量电路。其输出可由指示仪器测量或送至放大器放大。分类：根据励磁电压(1) DC桥；(2)交流电桥按输出方式(1)不平衡电桥电路；(2)平衡电桥电路，2020年8月6日，星期四，2。机械工程试验的技术基础。当电桥的输出端被视为开路且电流输出为零时，电桥电流为：(4-1)，输出电压为(4-3)。因此，如果电桥平衡且输出为零，它应满足以下要求：(4-4)，(。A)、B)、C)、图4-2 DC大桥连接方式A)半桥单臂B)半桥双臂C)全桥，在实际测试中，桥臂分为半

2、桥和全桥连接，见图4-2，2020年8月6日，星期四，4。机械工程试验的技术基础，为了简化电桥设计，让R1=R2=R3=R4=R0让R1成为电阻R1的电阻增量。根据公式(4-3)，这是一种输出电压为0的半桥单臂连接方法。可以看出，在R1 R0条件下，电桥的输出电压Uy与激励电压U0成正比，与R1/R0成正比。由于R1 R0，2020年8月6日，星期四，5，机械工程测试的技术基础，有两个桥臂电阻随测量值变化：当R1=R2=R3=R4=R0；当R1=R2=R: (4-6)时，四个桥臂的电阻值随测量值变化：当R1=R2=R3=R4=R0，当R1=R2=R3=R4=R: (4-7)，半桥双臂连接法，全

3、桥法，2020年8月6日，星期四2)如果两个相邻桥臂的电阻相对于两个桥臂的电阻方向相反或方向相同，则输出电压的变化将相互叠加。减去桥、相邻臂的和和差特征，并添加臂。2020年8月6日，星期四，7，机械工程测试技术基础，传感器可以三种形式连接到桥梁。当半桥与一个臂相连时，桥的输出电压为2020年8月6日，星期四，8。机械工程试验的技术基础，当半桥与两臂相连，工作桥臂相邻连接时，两个电阻的极性应相反；当工作桥臂相对连接时，两个电阻的极性应该相同。电桥的输出电压是2020年8月6日星期四9时，机械工程试验的技术基础，整个电桥连接时，相对电桥臂的电阻按同一极性变化；相邻桥臂的电阻根据相反的极性而变化。

4、电桥的输出电压为2020年8月6日，星期四，10，这是机械工程测试技术的基础。显然，不同的电桥方法输出电压不同，三种电桥的输出电压之比为1: 2: 4，这是全桥的最大值。注意：(1)尽量采用全桥法改善输出信号。(2)相对桥臂的电阻变化特性相同，但相邻桥臂的电阻变化特性相反。(3)非线性问题上述桥梁在测量变化引起的不平衡状态下工作。缺点是当电源电压不稳定或环境温度变化时，电桥的输出会发生变化，从而导致测量误差。平衡电桥测量方法可用于此目的，如图4-3所示。2020年8月6日，星期四，11，机械工程测试技术基础，当电桥因测量不平衡时，调整R5使输出G仪表显示为零，电位器的校准与电桥臂电阻值的变化成

5、正比，所以H的指示值可以直接表示测量值。这种测量方法的特点是G总是零，所以它是“零测量法”。测量精度取决于可调电位器的精度，与电源电压无关。通用平衡桥测量适用于手动平衡调整的静态测量。2020年8月6日，星期四，12，机械工程测试技术基础，图4-3悬臂梁力测量的电桥法，R2，R4，R3，R1，2020年8月6日，星期四，13，机械工程测试技术基础，2020年8月6日，星期四，14，机械工程测试技术基础，F，2020年8月6日由于交流电桥除阻抗外还包含电抗，因此采用交流励磁电压。如果阻抗、电流和电压用复数表示，DC电桥的平衡关系也适用，当电桥平衡时必须满足(4-8)，每个阻抗用指数形式表示，代入

6、方程(4-8)和(4-9)。如果这个方程成立，下面两个方程必须同时满足，(4-10)，2020年8月6日，星期四。1和4是阻抗角，是每个桥臂的电流和电压之间的相位差。等式(4-10)表明交流电桥的平衡必须满足两个条件：(1)两个相对支路的阻抗模的乘积应该相等；(2)它们的阻抗角之和必须相等；为了满足上述平衡条件，交流电桥的每个支路可以有不同的组合。常用的电容和电感电桥有两个相邻的臂与电阻相连(例如，Z02=R2，Z03=R3，2=3=0)，而其他两个臂与相同性质的阻抗相连，如电容或电感，保持1=4。2020年8月6日，星期四，17，机械工程测试技术基础，图4-4是一个常用的电容电桥，纯电阻R2

7、和R3与2和3相邻，电容C1、C4、R1和R4与另外两个支路相邻，可视为电容介质损耗的等效电阻。根据平衡条件，如果上述公式的实部和虚部相等，则有以下两个平衡条件，(4-11)和(4-12)。为了平衡电桥，必须同时调整电阻和电容的两个参数，以使电阻和电容平衡。2020年8月6日，星期四，18，机械工程测试技术基础，图4-5是一个感应桥，两个相邻的腿是电感器L1，L4和电阻器R2，R3。根据方程(4-10)的平衡条件，实部和虚部分别相等，(4-13)，(4-14)，2020年8月4日，2020年8月6日，机械工程测试技术基础，图4-7显示了一个用于动态应变仪的电阻和电容平衡的纯电阻电桥，C2是一个

8、差动可变电容，当电容平衡旋钮被拧动时，左右电容中的一个增加，另一个减少，实现电容平衡。2020年8月6日，星期四，机械工程测试技术基础。注：(1)交流电源桥的电压一般应具有良好的电压波形和频率稳定性。如果电压波形失真，即使基波平衡，也会有高次谐波电压输出。(2)音频交流电源(510千赫)通常用作电源。外部工频干扰不易干预，放大电路简单无零点漂移。(3)使用交流电桥时，必须注意一些影响测量误差的因素。例如，元件之间的互感；非感应电阻的剩余阻抗；相邻交流电路感应电桥；元件之间以及元件和地之间的泄漏电阻和分布电容。2020年8月6日，星期四，22，机械工程测试技术基础，第2节调制与解调，一些测量信号

9、(如力和位移)经过传感器转换后往往是慢变信号。从放大处理的角度来看，这种信号除了DC放大外，还先经过调制，再经过交流放大。调制过程，其中一个信号的某些参数在另一个信号的控制下发生变化。前者信号称为载波(高频交流信号)，后者信号称为调制信号，最后输出调制波。调制波通常易于放大和传输。解调从调制波中恢复调制信号的过程。载波调制分类：调幅、调频和调相。它们的调制波分别称为调幅、调频和调频。图4-9显示了载波、调制信号、调幅和调频波。本节重点介绍幅度调制、频率调制和解调。2020年8月6日，星期四，23，机械工程测试技术基础，(1)调幅原理调幅将高频谐波信号(载波)与测试信号(调制信号)相乘，使高频信

10、号的幅度随着测试信号的变化而变化。振幅调制及其解调，从傅里叶变换性质可以看出，两个信号在时域的相乘对应于这两个信号频谱在频域的卷积，即余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线，以频率为f0的余弦信号为载波进行讨论。 因此调幅过程相当于频谱。2020年8月6日，星期四，25，机械工程测试技术基础，如果调幅波再次乘以原始载波信号，频域图形将再次“移动”。 如果使用低通滤波器滤除中心频率为2f0的高频分量，则可以再现原始信号的频谱(只有幅度减半，可以放大)。“同步”是指解调期间的相乘信号与调制期间的载波信号具有相同的频率和相位。(4-16)，(2)同步解调，2020年8月6日，星期四，26，机械工程测试技术

11、基础，低通滤波器滤除频率为2f0的高频信号，得到x(t)/2。可以看出，调幅的目的是将缓慢变化的信号转换成较高频率的信号，以便放大和传输。解调的目的是恢复原始信号。例如，广播中的声音信号被调制到某一频率，这便于传输和放大，并且可以避免干扰。在测试中，调制和解调技术通常用于在一根导线中传输多个信号。(频分复用)。调幅条件：(1)载波频率f0必须高于原始信号中的最高频率fm，以便调制波仍能保持原始信号的频谱模式。(2)为了减少放大器电路的失真，信号带宽2 fm相对于中心频率(载波频率)越小越好。2020年8月6日，星期四，27，机械工程测试技术基础，(3)校正、检测和解调以及相敏检测和解调。如果原

12、始调制信号有DC分量，整流后应准确减去施加的偏置电压。调制和同步解调需要一个性能良好的线性乘法器。如果调制信号被偏置，则叠加DC分量，使得偏置信号具有正电压。调制，整流(半波或全波)，滤波，调幅包络具有原始调制信号的形状，2020年8月6日，星期四，28，机械工程测试技术基础，图4-12调制信号加偏移调幅波，b)偏移电压不够大，如果施加的偏移电压不能使信号电压高于零线，则不能通过简单地对调幅波进行整流来恢复原始信号。(4)相敏检波、解调和调制，2020年8月6日，星期四，29，机械工程测试技术基础，用载波信号与它进行相位比较，可以反映原始信号的幅度和极性。注意交流信号过零线时符号(，-)的突变

13、，调幅波(与载波相比)相位在2020年8月6日(星期四)1800时发生变化，这是机械工程试验的技术基础，进行相敏检测时不需要对原始信号进行偏置。电路设计变压器b的二次输出电压大于变压器a的二次输出电压。2020年8月6日，星期四，31，机械工程测试技术基础，1x (t)为正，xm(t)与y (t)同相，如图0-a所示。当载波电压为正时，A和B的极性不重合这种相敏检测利用二极管的单向导通来改变电路输出的极性。该电路相当于在第0a节中调高xm(t)零线以下的负部分，在第ab节中调低正部分。检测到的信号u f是反相信号的包络。2020年8月6日，星期四，32，机械工程测试技术基础，图4-14所示的动

14、态应变仪是桥梁调幅和相敏检测的典型例子。图4-14动态电阻应变仪框图，2020年8月6日，星期四，33，机械工程试验技术基础，f0 -载频(中心频率)；F -频率偏移，与调制信号x (t)的幅度成比例。第二频率调制和解调频率调制使用信号电压的幅度来控制振荡器。振荡器输出恒定振幅的波，但其振荡频率偏移与信号电压成正比。当信号电压为零时，调频波的频率等于中心频率；当信号电压为正时，频率增加，当信号电压为负时，频率降低。因此，调频波是随信号密度变化的等幅波，调频波的瞬时频率可表示为：2020年8月6日星期四，34机械工程试验技术基础，载波：调频波，2020年8月6日星期四，35机械工程试验技术基础，

15、(一)如果自激振荡器的谐振电路中电容(或电感)作为调谐参数，则电路振荡频率为(4-17)。如果电容被作为电容传感器中的调谐参数，则方程(4-17)被微分，并且可以获得在f0附近存在C=C0，因此(4-18)，电路的振荡频率和调谐参数。2020年8月6日，星期四，36，机械工程测试技术基础，C0，C，2020年8月6日，星期四，37，机械工程测试技术基础，(2)压控振荡器的频率调制，其输出瞬时频率与输入正控制电压uX成线性关系，Ux，uZ，uy，乘法器，c，r，R2，a2，RF，R1，a1，RF，r0，uy，VW，图4-16带乘法器的压控振荡器，uw，ui，正反馈放大器，积分器，m，-uw，星期四，2020年8月6日，t，ui (t)，星期四，2020年8月6日，39，机械工程测试技术基础，假设A1输出开始时为uw，乘法器输出uz为正电压，A2输出电压将下降当低于-uw时，A1翻转，输出为-uw。同时，乘法器的输出，即A2输入，也变成负电压。