【山东农业大学现代测试原理课件】6信号的调理
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【山东农业大学现代测试原理课件】2机械测试信号分析
2 T
T /2
-T / 2
x(t ) dt
ak =
2 T /2 x(t ) cos( k0t )dt T -T / 2
bk =
0t T /2 t = 0, T / 2 -T / 2 t 0
-T -T/2
2 T /2 x(t ) sin( k0t )dt T -T / 2
1
x(t)
0 ω0 3ω0 A π /4 -T -T/2 0 x(t)
a0 =
ak =
2 T
T /2
-T / 2
x(t ) dt
2 T /2 x(t ) cos( k0t )dt T -T / 2
bk =
2 T /2 x(t ) sin( k0t )dt T -T / 2
-T / 2 t T / 2
第二章
机械测试信号分析
问题1：对于给定的信号放大器，放大不同的振动信号 是否具有同样的误差? 问题2：某车床车削工件发现精度不合格，如何分析其 原因？
本章内容
2.1 信号的表示与分类 2.2 时域分析 2.3 频谱分析 2.4 时频分析 2.5 机械信号的检验与预处理 重点： 掌握频谱特性； 了解时域分析、时频分析常用方法。
0 -1
T/2
T
t
3ω0
5ω0
7ω0
9ω0
ω
有没有相谱图？
结论：周期信号一定是由有限多个或无限多个简谐信号叠加而成。
a0 x(t ) = + (ak cosk0t + bk sin k0t ) 2 k =1
2.3.1 周期信号的频谱分析
示例2：三角波——均值不为0的偶函数
x(t ) = t T a0 = 4 0 ak = 2T k 2p 2 bn = 0 x(t ) = T 2T 1 1 - 2 (cos ot + cos 3ot + cos 5ot + ...) 4 p 9 25
第三章测试信号调理电路PPT课件
图4-5 相敏检波解调工作原理
(a)相敏检波器 (b)，(c)ui 、ux 的极性相同 (d)，(e) ui 、ux 的极性相反
+ U+
的为反相输入端(输出电压的
相位与该输入电压的相位相反)
当集成运放工作在线性放大区时的条件是：
(1) U U (2) I I 0
注：(1)即:同相输入端与反相输入端的电位 相等，但不是短路。我们把满足这个条件称为 "虚短"
(2)即:理想运放的输入电阻为∞,因此集 成运放输入端不取电流。
第五章 信号调理,处理与记录
被测量经传感器转换为电量后，最终要送到 处理或显示设备以便输出测试结果。然而有些传 感器输出的电量可能过于微弱，且变化缓慢不易 传输及无法驱动处理和显示设备；有些传感器输 出的电量特别容易受到外界的干扰，为了能有效 的解决这这些问题，需对传感器输出的信号进行 技术处理即调理，以及将被测量不失真地传给处 理器或显示设备。
将式(4-2)代入(4-1)得：
F[x(t)z(t)] 0.5X ( f ) ( f f0 ) 0.5X ( f ) ( f f0 )
(4-3)
图4-2是式(4-3)的图形表示，调制信号x(t)与载波z(t)的乘积在频域上相
当于将x(t)在原点处的频谱图形移至载波频率处，但幅值减小了一半。调幅
第一节 电桥
电桥电路的作用就是 将传感器转换元件输 出的电参量的变化转 换成电压量的变化
直流电桥
交流电桥
B
A
R4
D
C RL
R3
E
1.直流电桥的平衡条件及测量连接方式
若在输出端B,D两点之间的负载为无穷大，即接 入的仪表或放大器的输入阻抗较大时。可以视为 开路，这时有电桥的电流为：
(a)相敏检波器 (b)，(c)ui 、ux 的极性相同 (d)，(e) ui 、ux 的极性相反
+ U+
的为反相输入端(输出电压的
相位与该输入电压的相位相反)
当集成运放工作在线性放大区时的条件是：
(1) U U (2) I I 0
注：(1)即:同相输入端与反相输入端的电位 相等，但不是短路。我们把满足这个条件称为 "虚短"
(2)即:理想运放的输入电阻为∞,因此集 成运放输入端不取电流。
第五章 信号调理,处理与记录
被测量经传感器转换为电量后，最终要送到 处理或显示设备以便输出测试结果。然而有些传 感器输出的电量可能过于微弱，且变化缓慢不易 传输及无法驱动处理和显示设备；有些传感器输 出的电量特别容易受到外界的干扰，为了能有效 的解决这这些问题，需对传感器输出的信号进行 技术处理即调理，以及将被测量不失真地传给处 理器或显示设备。
将式(4-2)代入(4-1)得：
F[x(t)z(t)] 0.5X ( f ) ( f f0 ) 0.5X ( f ) ( f f0 )
(4-3)
图4-2是式(4-3)的图形表示，调制信号x(t)与载波z(t)的乘积在频域上相
当于将x(t)在原点处的频谱图形移至载波频率处，但幅值减小了一半。调幅
第一节 电桥
电桥电路的作用就是 将传感器转换元件输 出的电参量的变化转 换成电压量的变化
直流电桥
交流电桥
B
A
R4
D
C RL
R3
E
1.直流电桥的平衡条件及测量连接方式
若在输出端B,D两点之间的负载为无穷大，即接 入的仪表或放大器的输入阻抗较大时。可以视为 开路，这时有电桥的电流为：
信号的调理和检测系统的集成
13.1 信号调理
传感器输出电信号普通都比较微弱，功率 较小。信号调理电路会将传感器输出转换 为电流、电压和频率等便于测量电信号， 输出功率最少要到达mV级。惯用信号调理 电路有电桥电路、放大电路、调制与解调 电路和滤波电路等。
信号的调理和检测系统的集成
第1页
13.1.1 电桥
电桥作用是将传感 器输出电阻、电容和电 感等电参量改变转换成 为电压或电流信号，在 信号调理电路中应用较 为广泛。电桥电路按照 激励电源类型能够分为 直流电桥和交流电桥两 种。
2) 半桥交流电桥输出电压为：
3) 全桥交流电桥输出电压为：
信号的调理和检测系统的集成
第6页
3.电容电桥和电感电桥
信号的调理和检测系统的集成
第7页
13.1.2 放大 1.基本应用电路 （1）反相放大器（2）同相放大器
信号的调理和检测系统的集成
第8页
（3）差动放大器
信号的调理和检测系统的集成
第9页
起源于系统外部其它电气设备所产生电火花、机械 干扰、热干扰、化学干扰或各种电操作干扰，称为人为干 扰（或工业干扰）。人为干扰主要是放电噪声干扰和电气 设备干扰。
信号的调理和检测系统的集成
第21页
1.放电噪声干扰 2.电气设备干扰 13.3.2 干扰传输路径 1.静电感应干扰 2.电磁感应干扰 3.附加热电势和化学电势 4.振动 5.辐射电磁耦合干扰 6.电源线干扰 7.公共阻抗干扰 8.泄漏电阻干扰
（4）交流放大器
信号的调理和检测系统的集成
第10页
2. 测量放大器
信号的调理和检测系统的集成
第11页
3. 增益调控测量放大器
信号的调理和检测系统的集成
第12页
4.隔离放大器
传感器输出电信号普通都比较微弱，功率 较小。信号调理电路会将传感器输出转换 为电流、电压和频率等便于测量电信号， 输出功率最少要到达mV级。惯用信号调理 电路有电桥电路、放大电路、调制与解调 电路和滤波电路等。
信号的调理和检测系统的集成
第1页
13.1.1 电桥
电桥作用是将传感 器输出电阻、电容和电 感等电参量改变转换成 为电压或电流信号，在 信号调理电路中应用较 为广泛。电桥电路按照 激励电源类型能够分为 直流电桥和交流电桥两 种。
2) 半桥交流电桥输出电压为：
3) 全桥交流电桥输出电压为：
信号的调理和检测系统的集成
第6页
3.电容电桥和电感电桥
信号的调理和检测系统的集成
第7页
13.1.2 放大 1.基本应用电路 （1）反相放大器（2）同相放大器
信号的调理和检测系统的集成
第8页
（3）差动放大器
信号的调理和检测系统的集成
第9页
起源于系统外部其它电气设备所产生电火花、机械 干扰、热干扰、化学干扰或各种电操作干扰，称为人为干 扰（或工业干扰）。人为干扰主要是放电噪声干扰和电气 设备干扰。
信号的调理和检测系统的集成
第21页
1.放电噪声干扰 2.电气设备干扰 13.3.2 干扰传输路径 1.静电感应干扰 2.电磁感应干扰 3.附加热电势和化学电势 4.振动 5.辐射电磁耦合干扰 6.电源线干扰 7.公共阻抗干扰 8.泄漏电阻干扰
（4）交流放大器
信号的调理和检测系统的集成
第10页
2. 测量放大器
信号的调理和检测系统的集成
第11页
3. 增益调控测量放大器
信号的调理和检测系统的集成
第12页
4.隔离放大器
信号的调理和记录幻灯片资料
第五章 信号的调理和记录
➢ 传感器输出信号的基本形式 1、电信号，如电压、电流或电荷量 2、电参数的变化，如电阻、电感和电容等
➢ 信号并不能被读取或者记录 1、非电压信号难以被直接显示
2、信号太微弱 3、信号本身还携带不期望的信息或噪声
➢因此，传感器的输出信号尚需经过调理、放大、滤波 等处理，然后被显示或记录。
U0
R1
R1 R1 R1 R2 R2
R4 R3 R4
Ue
R 2R0 Ue
灵敏度
SRU/0R12Ue
与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出 与 R/成R0完全线性关系。
2020/10/4
（3）全桥接法
R 1R 2R 3R 4R 0
R 1 R 2 R 3 R 4 R
输出
R U0 R0 Ue
由此可以看出，若要使电桥平衡，输出为零，应满足：
2020/10/4
R1R3R2R4
➢桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。当 被测量为某一初始值并未发生变化时希望电桥输出 为0。 ➢当某一桥臂电阻发生变化使电桥的平衡发生破坏 时，通过手动或自动的方法对电桥的某一调整环节 进行调整，使电桥重新恢复平衡，其电阻的变化可 以从调整值获得。
一、原理 调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制 信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化 的过程。
以频率为f0的余弦信号作为载波进行讨论
x (t ) 调制器 xm(t)x(t)co2sf0t
调制信号 （乘法器） 调幅波
y(t)co2sf0t
载波
2020/10/4
二、频域分析
由傅立叶变换的卷积质性：
因此，我们把相对边称为同变输入端——工 作时接入同变信号；把相邻边称为差变输入端 ——工作时接入差变信号。这样电桥才有最大 输出。这就是电桥的和差特性。利用这一特性 ，通常电桥可用于合理布置应变片和连接电桥 等，使灵敏度得到提高。
➢ 传感器输出信号的基本形式 1、电信号，如电压、电流或电荷量 2、电参数的变化，如电阻、电感和电容等
➢ 信号并不能被读取或者记录 1、非电压信号难以被直接显示
2、信号太微弱 3、信号本身还携带不期望的信息或噪声
➢因此，传感器的输出信号尚需经过调理、放大、滤波 等处理，然后被显示或记录。
U0
R1
R1 R1 R1 R2 R2
R4 R3 R4
Ue
R 2R0 Ue
灵敏度
SRU/0R12Ue
与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出 与 R/成R0完全线性关系。
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（3）全桥接法
R 1R 2R 3R 4R 0
R 1 R 2 R 3 R 4 R
输出
R U0 R0 Ue
由此可以看出，若要使电桥平衡，输出为零，应满足：
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R1R3R2R4
➢桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。当 被测量为某一初始值并未发生变化时希望电桥输出 为0。 ➢当某一桥臂电阻发生变化使电桥的平衡发生破坏 时，通过手动或自动的方法对电桥的某一调整环节 进行调整，使电桥重新恢复平衡，其电阻的变化可 以从调整值获得。
一、原理 调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制 信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化 的过程。
以频率为f0的余弦信号作为载波进行讨论
x (t ) 调制器 xm(t)x(t)co2sf0t
调制信号 （乘法器） 调幅波
y(t)co2sf0t
载波
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二、频域分析
由傅立叶变换的卷积质性：
因此，我们把相对边称为同变输入端——工 作时接入同变信号；把相邻边称为差变输入端 ——工作时接入差变信号。这样电桥才有最大 输出。这就是电桥的和差特性。利用这一特性 ，通常电桥可用于合理布置应变片和连接电桥 等，使灵敏度得到提高。
机械工程测试技术6信号的调理
∆R UO ≈ US 4R0
在电桥电路中灵敏度定义： 在电桥电路中灵敏度定义：
U S= ∆R R0
O
单臂电桥灵敏度： 单臂电桥灵敏度：
UO U S S= = ∆R 4 R0
（2）双臂工作电桥（半桥） 双臂工作电桥（半桥） 双臂工作电桥 两个邻边桥臂有相 同的微电阻变化。 同的微电阻变化。
若 : R1 = R0 − ∆R R4 = R0 + ∆R
(2)利用谐振电路：把被测参数的变化直接转化 利用谐振电路： 利用谐振电路 为振荡器频率的变化。 为振荡器频率的变化。
∆L
•谐振电路 谐振电路
等效阻抗： 等效阻抗：
1 1 + 1 R + j ωL j ωC 1 ( R + j ωL ) j ωC ∴ Z eq = 1 + R + j ωL j ωC
当Z1Z3-Z2Z4=0 时，电桥输出 为零，达到平衡 ，则： 为零，
交流电桥
Z1 Z 3 = Z 2 Z 4
Z是复数，可以写成： 是复数，可以写成： 是复数 交流电桥的平衡条件： 交流电桥的平衡条件：
Z=Ze
jϕ
Z1 Z 3 e
或
j (ϕ1 +ϕ3 )
= Z2 Z4 e
j (ϕ 2 +ϕ 4 )
X(f)
Y(f)
y(t)
-f0
f0
调制信号、 调制信号、载波与已调制波
幅值调制的频谱
2、电桥调幅 当某一桥臂阻值发生变化电 桥电压输出为
1 ∆R ey = ei 4 R
电源电压为高频正弦波， 电源电压为高频正弦波，即
ey
ei = Ei sin ω i t
ei
《信号调理电路》PPT课件
RG
R4
R1
-
R3
+
+
-+
R2
+
R2
增益可调的双运放电压调整电路
精选PPT
Vo
14
5.2电平调整
电路的输出为
Vo
R4 R3
R4 RG
R4R2 R3RG
R4R2 R3R1
Vi1
R4 R3
R4 RG
R4R2 R3RG
1Vi2
R4R2 R3R1
Vref
选取电阻值，使 R4R 1 R2R 3输出简化为：
Vo1R R3 42R RG 4V 精i选2PP T Vi1 Vref
15
5.2电平调整
Vshift R5
R6
R2
RG
R4
Vref
R1
Vi1 Vi2
-
R3
+
+ R2
-+ +
R2
-+
+ R2
Vo
具有正负零位电压调整的三运放电压调整电路
R1= R4， R2= R3， R5= R6 精选PPT
16
放大器本身的噪声影响； Et 4kTRf
放大器参数影响：输入失精调选PP电T 流、输入失调电压9
5.2电平调整
5.2.4有源电平调整实例
某差动压力传感器的输出为33mV~58mV，数据 采集卡输入范围为0.5V~4.5V，因此中间需要电 平调整电路。
调整电路应具有如下特性：
33mV~58mV调整成0.5V~4V（留0.5V余量）
a b c
Ha Hb Hc 相对湿度RH%
湿敏电阻修精正选后PPT的特性曲线
信号的调理与显示记录精品PPT课件
2. 直流电桥的输出特性
考虑右图所示直流电桥 的输出特性，分析输出电 压和各桥臂应变之间的定 量关系。
U BD
U BA
U DA
U0 R1 R1 R2
U 0 R4 R3 R4
R1
R1R3 R2
R2R4
R3
R4
U0
设电桥四臂阻值相等R1=R２=R３=R４=R，且增量分别为ΔR1、 ΔR３、ΔR２ 、ΔR４，则电桥的输出为：
的电阻变同时为 拉应变或压应变，则输出电压为两者之差； 若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电 压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性 一致，输出电压为两者之和；反之为两者 之差——电桥和差特性(加减特性)。
➢ 供桥电压越高，输出电压越大，所以提高供桥电压可以提高电 桥的灵敏度。但是当供桥电压增大时，通过应变片的电流也较 大，易引起蠕变和零漂。
Uy
R1 R R1 R2 R
R4 R3 R4
U0
设相邻桥臂的阻值相等，亦即：
R1=R2=R0,R3=R4=R0‘,又若R0=R0’,则
Uy
4
R0
R 2R
U
0
若ΔR<<R0,则
Uy
R 4R0
U0
（2）半桥双臂连接形式：工作时有两个桥臂电阻值随被测 量而变化，即： R1＋ΔR1， R2 ＋ΔR2，则由式（4-1） 可 证 明 ， 当 R1=R2=R0 ， ΔR1 ＝ － ΔR2 ＝ ΔR ，
定义：电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流 输出的一种测量电路。
特点：桥式电路简单可靠，精度和灵敏度很高，应用广泛。 分类：
根据其所采用的激励电源类型： 直流电桥 交流电桥
根据输出测量方式的不同： 不平衡电桥 平衡电桥
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ey 1 R E 2 R0
直流电桥应用
问题：弯曲力与拉力同时作用， 仅测量悬臂梁纯弯曲力 方法：半桥——R1、R2差动变化
R1 R2 R1 F’ F F’
选择： 则有：
R1
R2
特点：
ey
R3
E
R4
1）F’的变化 不影响测量结 果； 2）温度的误 差得到补偿。
应变片粘贴位置
电桥连接方式
2、电桥
ey
灵敏度：
1 R V E 单臂： 4 R0
半桥： V 1 2
R R0
E
全桥： V R E R0
单桥：一个桥臂阻值变化，灵敏度最小，不常用
半桥：二个桥臂阻值变化，灵敏度为单臂的2倍，常用
全桥：四个桥臂阻值变化，灵敏度为单臂的4倍，常用
F
2、电桥
F′
R1 R2 R3 R4 R0
第六章
测试技术—— 信号的调理(4)
问题：
1.
2.
3.
测量中为什么常用电桥作为传感器的调 理电路？ 精密测量中为什么要采用电荷放大器对 压电传感器信号进行放大？ 有源滤波器与无源滤波器性能的主要区 别是什么？
内容
1. 概述 2. 电桥 3. 信号的调制和解调 4. 信号的放大 5. 信号的滤波
1、概述
（2）分压调幅
3、调制与解调
U BD
e0 k 1 2 3 4 4
Z1 Z3
调幅:——交流电桥调幅
U e U sm sin 0t R R sin t ( 0 ) R U o . R .U sm .sin t sin 0t
3、调制与解调 1)调制与解调的作用
传输 直流放大器存在零漂及级间耦合问题，难以不失真 •发射 交流放大器工作在较高频段，利于信号的远程传输 •耦合
调制目的是将微弱缓变信号提高到高频
耦 合 器
调制
放大
缓变信号
高频信号
放大高 频信号
解调
放大缓 变信号
用微弱的缓变信号控制高频交流信号，然后交流放大、传输， 最后再解调出放大的信号
频率调制(FM)： y(t ) A cos(2 [ f0 x(t )]t )
相位调制(PM)： y(t ) A cos(2ft [0 x(t )])
3、调制与解调
三种调制波的基本波形
幅度调制(AM)
频率调制(FM)
相位调制(PM )
测试技术中常用调幅及调频。
相敏检波器的鉴相与选频特性
1）信号电压与载波同相，输出为正；信号 电压与载波反相，输出为负； 2）输出电压的大小仅与信号电压成正比， 而与载波电压无关。
•滤波
电压、电流、频率 便于处理、接收或 显示记录
1、概述
调理内容
信号调理
交流 电量 电量 调制 测量 交流电桥 调频器 放大器 放大器 解调器 鉴频器 滤波器 滤波器
传感器
直流 电量
直接 测量 直流电桥
放大器
信 号 处 理
放大器
滤波器
电桥 调制解调 放大器 滤波
2、电桥
1）基本概念 电桥是将电阻、电感、电容等电参数的变化变为电压或电流输出的 一种转换电路 与传感器配接的电桥主要采用不平衡电桥测量。
2、电桥
特殊的交流电桥——带感应耦合臂的电桥
i1 Z4
e1 e0 W1
Z4 V
W1 W2 e0 i2
V
i
W2 e2 Z3
Z3
若用差动电容传感器的电容， 或用差动变压器式电感传感器 的电感代替Z3、Z4,此电桥就可 测量参数的变化。
也可用差动变压器式电感传 感器代替感应耦合臂W1、W2,此 电桥就是电感式传感器的转换 电路。
3、调制与解调 2)术语
调制：用被测信号控制高频信号的过程 调制信号： 载波信号： 已调信号： 解调：从已调信号中恢复被测信号的过程
3、调制与解调
3)分类
对象：高频交流信号: z (t ) A cos(2ft )
工具：低频慢变信号: x(t)
分类：
幅度调制(AM)： y(t ) [ A * x(t )]cos(2ft )
进一步提高灵敏度：
•
2组差动变化，全桥。
ey
R1 R2 F F
‘
R E R0
R1
R2
ey
R3 E R4
R4 R1
应变片粘贴位置
电桥连接方式
2、电桥 直流电桥的特点
优点： 所需高稳定度的直流电源容易获得 电桥输出是直流，可以用直流仪表测量 对连接导线要求较低
电桥的平衡电路简单
被测量引起电感或电容发生变化， 并联回路的阻抗也发生变化，电压 Ux也要发生变化.
Z U x Ue RZ
理论
3、调制与解调 解调
实际
定义：从调幅信号中恢复原 有用被测信号的过程 分类：同步解调、整流检波 和相敏检波三种，其中相敏 检波最常用 相敏检波能同时鉴别信号的 幅值和相位 常用相敏检波电路由四个二 极管组成环形结构，利用其 单向导通作用将电路输出极 性换向
调制信号
2、电桥
交流电桥的应用
Z1 Z3
如果交流电桥电感或电容或电阻发生变化， 交流电桥输出电压计算式为：
U BD e0 k 1 2 3 4 4
1、 2、 3、 4分别为桥臂阻抗变化率。 式中，
e
理想电感测量
•
取：Z1＝R1、Z2＝R2
z3 jL1 , z4 jL2
Z1Z4=Z2Z3
Z Zoe ，上式可以表示为： 若用幅值与相位表示，
j
z1 z4 z2 z3
1 4 2 3
平衡条件
可见,平衡必须同时满足两个条件： 相对桥臂阻抗幅值之积相等、相位之和相等。
2、电桥
如果桥路只有一个电容 或一个电感，其它为纯 电阻可以平衡吗？
由于交流电桥必须满足两个平衡条件，使用中必须合理搭 配电桥中的四臂元件，电桥才能平衡。即： 当相邻两臂为纯电阻时，则另两臂应同为纯电容，或同为 纯电感或同为纯电阻。 当相对臂为纯电阻时，则另一对边臂必须一个为电感，一 个为电容。 由于每个交流电桥实际上有两个平衡条件，电桥中需要有两个可 调的参量，两个量互相牵扯，调节比较复杂。实验时需要对这两个 参量反复调节，才能使电桥调到完全平衡。 因此，交流电桥的平衡调节要比直流电桥的调节困难一些。
R、C、L 的阻抗Z 是什么？
Z1
Z3
e
2、电桥
交流电桥平衡条件
Z2
Z4
U0
交流电桥的基本工作原理与直流电桥相似，只不过用复阻抗 代替电阻，用交流电源代替直流电源，桥路的输出电压为： Z3 Z1Z 4 Z 2 Z 3 Z1 U0 ( )e e Z1 Z 2 Z 3 Z 4 (Z1 Z 2 )(Z 3 Z 4 ) 可见，交流电桥平衡的条件为相对桥臂阻抗之积相等，即：
缺点： 直流放大器比较复杂 易受零漂和接地电位的影响
2、电桥
优势:
易于放大
Z1 Z3
3）交流电桥
e
R、L、C均可测量
Z2
Z4
组成：
0
U 激励源：高频电源e 桥臂为：电阻R、电容C、电感L 用复阻抗Z表示桥臂参数，4个桥臂为复阻抗Z1～Z4 , 为复数 Z=R, Z 1 / jC, Z jL
测试系统
信号处理
测
传感器
信号调理 显示
数据采集 数据处理
试
对 象
执行ห้องสมุดไป่ตู้元
电
控制驱动
源
1、概述
信号调理
原因：传感器输出信号微弱，不便于直接传输、采集处理和存储显示。
对象
功能
目的
电参数
• • •
电阻 电容 电感
信号调理
•隔离 •变换
规范/标准信号
• •
传感器
电信号
• • •
电压 电流 电荷
•放大
R2 R3 R1R4
相对臂乘积相等 a）与输入电压成正比
忽略高阶小量并利用初始平衡条件，得：
R1R2 R1 R2 R3 R4 ey ( )E 2 ( R1 R2 ) R1 R2 R3 R4
b）与桥臂电阻变化率 的代数和成正比
c) 相邻臂电阻变换率 符号相反（相减）， 而相对臂电阻变换率 符号相同（相加）。
Z2 Z4
•
平衡条件： R1L2 R2 L1
取：Z1＝R1、Z2＝R2
理想电容测量
•
U0
•
z3 1/ jC1 , z4 1/ jC2
平衡条件： R1 / C2 R2 / C1
2、电桥
实际电容总存在损耗，可用电阻表示损耗。 对于损耗小的电容，将其等效为一个电阻与一个纯电容的串联。
带感应耦合臂的电桥具有较高的精度和灵敏度，性能稳定，频率 范围宽，近年来得到广泛应用。
2、电桥 交流电桥的特点
交流供电电源除应有足够的功率外，还必须具有良好的电压波形 和频率稳定性,否则引起误差，扰乱电桥平衡。 一般由振荡器输出音频信号作为电桥电源。 优点： 可测量电阻、电感、电容 输出为调制波，外界工频干扰不易从线路引进 后接的交流放大电路简单而无零飘 缺点： 电桥的平衡电路复杂
构成：
四臂 激励电源
Z1
Z3
Ue
Z2
Z4
U 输出电压：直接测量、进行放大 特点：结构简单，精确度和灵敏度高，易消除温度及环境影响 分类：按照所采用电源不同，分为直流电桥和交流电桥
直流电桥应用
问题：弯曲力与拉力同时作用， 仅测量悬臂梁纯弯曲力 方法：半桥——R1、R2差动变化
R1 R2 R1 F’ F F’
选择： 则有：
R1
R2
特点：
ey
R3
E
R4
1）F’的变化 不影响测量结 果； 2）温度的误 差得到补偿。
应变片粘贴位置
电桥连接方式
2、电桥
ey
灵敏度：
1 R V E 单臂： 4 R0
半桥： V 1 2
R R0
E
全桥： V R E R0
单桥：一个桥臂阻值变化，灵敏度最小，不常用
半桥：二个桥臂阻值变化，灵敏度为单臂的2倍，常用
全桥：四个桥臂阻值变化，灵敏度为单臂的4倍，常用
F
2、电桥
F′
R1 R2 R3 R4 R0
第六章
测试技术—— 信号的调理(4)
问题：
1.
2.
3.
测量中为什么常用电桥作为传感器的调 理电路？ 精密测量中为什么要采用电荷放大器对 压电传感器信号进行放大？ 有源滤波器与无源滤波器性能的主要区 别是什么？
内容
1. 概述 2. 电桥 3. 信号的调制和解调 4. 信号的放大 5. 信号的滤波
1、概述
（2）分压调幅
3、调制与解调
U BD
e0 k 1 2 3 4 4
Z1 Z3
调幅:——交流电桥调幅
U e U sm sin 0t R R sin t ( 0 ) R U o . R .U sm .sin t sin 0t
3、调制与解调 1)调制与解调的作用
传输 直流放大器存在零漂及级间耦合问题，难以不失真 •发射 交流放大器工作在较高频段，利于信号的远程传输 •耦合
调制目的是将微弱缓变信号提高到高频
耦 合 器
调制
放大
缓变信号
高频信号
放大高 频信号
解调
放大缓 变信号
用微弱的缓变信号控制高频交流信号，然后交流放大、传输， 最后再解调出放大的信号
频率调制(FM)： y(t ) A cos(2 [ f0 x(t )]t )
相位调制(PM)： y(t ) A cos(2ft [0 x(t )])
3、调制与解调
三种调制波的基本波形
幅度调制(AM)
频率调制(FM)
相位调制(PM )
测试技术中常用调幅及调频。
相敏检波器的鉴相与选频特性
1）信号电压与载波同相，输出为正；信号 电压与载波反相，输出为负； 2）输出电压的大小仅与信号电压成正比， 而与载波电压无关。
•滤波
电压、电流、频率 便于处理、接收或 显示记录
1、概述
调理内容
信号调理
交流 电量 电量 调制 测量 交流电桥 调频器 放大器 放大器 解调器 鉴频器 滤波器 滤波器
传感器
直流 电量
直接 测量 直流电桥
放大器
信 号 处 理
放大器
滤波器
电桥 调制解调 放大器 滤波
2、电桥
1）基本概念 电桥是将电阻、电感、电容等电参数的变化变为电压或电流输出的 一种转换电路 与传感器配接的电桥主要采用不平衡电桥测量。
2、电桥
特殊的交流电桥——带感应耦合臂的电桥
i1 Z4
e1 e0 W1
Z4 V
W1 W2 e0 i2
V
i
W2 e2 Z3
Z3
若用差动电容传感器的电容， 或用差动变压器式电感传感器 的电感代替Z3、Z4,此电桥就可 测量参数的变化。
也可用差动变压器式电感传 感器代替感应耦合臂W1、W2,此 电桥就是电感式传感器的转换 电路。
3、调制与解调 2)术语
调制：用被测信号控制高频信号的过程 调制信号： 载波信号： 已调信号： 解调：从已调信号中恢复被测信号的过程
3、调制与解调
3)分类
对象：高频交流信号: z (t ) A cos(2ft )
工具：低频慢变信号: x(t)
分类：
幅度调制(AM)： y(t ) [ A * x(t )]cos(2ft )
进一步提高灵敏度：
•
2组差动变化，全桥。
ey
R1 R2 F F
‘
R E R0
R1
R2
ey
R3 E R4
R4 R1
应变片粘贴位置
电桥连接方式
2、电桥 直流电桥的特点
优点： 所需高稳定度的直流电源容易获得 电桥输出是直流，可以用直流仪表测量 对连接导线要求较低
电桥的平衡电路简单
被测量引起电感或电容发生变化， 并联回路的阻抗也发生变化，电压 Ux也要发生变化.
Z U x Ue RZ
理论
3、调制与解调 解调
实际
定义：从调幅信号中恢复原 有用被测信号的过程 分类：同步解调、整流检波 和相敏检波三种，其中相敏 检波最常用 相敏检波能同时鉴别信号的 幅值和相位 常用相敏检波电路由四个二 极管组成环形结构，利用其 单向导通作用将电路输出极 性换向
调制信号
2、电桥
交流电桥的应用
Z1 Z3
如果交流电桥电感或电容或电阻发生变化， 交流电桥输出电压计算式为：
U BD e0 k 1 2 3 4 4
1、 2、 3、 4分别为桥臂阻抗变化率。 式中，
e
理想电感测量
•
取：Z1＝R1、Z2＝R2
z3 jL1 , z4 jL2
Z1Z4=Z2Z3
Z Zoe ，上式可以表示为： 若用幅值与相位表示，
j
z1 z4 z2 z3
1 4 2 3
平衡条件
可见,平衡必须同时满足两个条件： 相对桥臂阻抗幅值之积相等、相位之和相等。
2、电桥
如果桥路只有一个电容 或一个电感，其它为纯 电阻可以平衡吗？
由于交流电桥必须满足两个平衡条件，使用中必须合理搭 配电桥中的四臂元件，电桥才能平衡。即： 当相邻两臂为纯电阻时，则另两臂应同为纯电容，或同为 纯电感或同为纯电阻。 当相对臂为纯电阻时，则另一对边臂必须一个为电感，一 个为电容。 由于每个交流电桥实际上有两个平衡条件，电桥中需要有两个可 调的参量，两个量互相牵扯，调节比较复杂。实验时需要对这两个 参量反复调节，才能使电桥调到完全平衡。 因此，交流电桥的平衡调节要比直流电桥的调节困难一些。
R、C、L 的阻抗Z 是什么？
Z1
Z3
e
2、电桥
交流电桥平衡条件
Z2
Z4
U0
交流电桥的基本工作原理与直流电桥相似，只不过用复阻抗 代替电阻，用交流电源代替直流电源，桥路的输出电压为： Z3 Z1Z 4 Z 2 Z 3 Z1 U0 ( )e e Z1 Z 2 Z 3 Z 4 (Z1 Z 2 )(Z 3 Z 4 ) 可见，交流电桥平衡的条件为相对桥臂阻抗之积相等，即：
缺点： 直流放大器比较复杂 易受零漂和接地电位的影响
2、电桥
优势:
易于放大
Z1 Z3
3）交流电桥
e
R、L、C均可测量
Z2
Z4
组成：
0
U 激励源：高频电源e 桥臂为：电阻R、电容C、电感L 用复阻抗Z表示桥臂参数，4个桥臂为复阻抗Z1～Z4 , 为复数 Z=R, Z 1 / jC, Z jL
测试系统
信号处理
测
传感器
信号调理 显示
数据采集 数据处理
试
对 象
执行ห้องสมุดไป่ตู้元
电
控制驱动
源
1、概述
信号调理
原因：传感器输出信号微弱，不便于直接传输、采集处理和存储显示。
对象
功能
目的
电参数
• • •
电阻 电容 电感
信号调理
•隔离 •变换
规范/标准信号
• •
传感器
电信号
• • •
电压 电流 电荷
•放大
R2 R3 R1R4
相对臂乘积相等 a）与输入电压成正比
忽略高阶小量并利用初始平衡条件，得：
R1R2 R1 R2 R3 R4 ey ( )E 2 ( R1 R2 ) R1 R2 R3 R4
b）与桥臂电阻变化率 的代数和成正比
c) 相邻臂电阻变换率 符号相反（相减）， 而相对臂电阻变换率 符号相同（相加）。
Z2 Z4
•
平衡条件： R1L2 R2 L1
取：Z1＝R1、Z2＝R2
理想电容测量
•
U0
•
z3 1/ jC1 , z4 1/ jC2
平衡条件： R1 / C2 R2 / C1
2、电桥
实际电容总存在损耗，可用电阻表示损耗。 对于损耗小的电容，将其等效为一个电阻与一个纯电容的串联。
带感应耦合臂的电桥具有较高的精度和灵敏度，性能稳定，频率 范围宽，近年来得到广泛应用。
2、电桥 交流电桥的特点
交流供电电源除应有足够的功率外，还必须具有良好的电压波形 和频率稳定性,否则引起误差，扰乱电桥平衡。 一般由振荡器输出音频信号作为电桥电源。 优点： 可测量电阻、电感、电容 输出为调制波，外界工频干扰不易从线路引进 后接的交流放大电路简单而无零飘 缺点： 电桥的平衡电路复杂
构成：
四臂 激励电源
Z1
Z3
Ue
Z2
Z4
U 输出电压：直接测量、进行放大 特点：结构简单，精确度和灵敏度高，易消除温度及环境影响 分类：按照所采用电源不同，分为直流电桥和交流电桥