机械工程测试技术基础

第四章 信号的调理与记录本章学习要求：1.掌握电桥的工作原理及特性 # 2.掌握信号调制与解调的原理

3.掌握滤波器的分类及其参数4.了解模拟信号放大电路原理

5. 了解测试信号的显示与记录

第四章

信号调理与记录

★ 信号调理的目的信号调理的的目的是便于信号的传输、处理与记录。 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.有些传感器输出的是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 对传感器测量信进行调制解调处理。

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信号调理与记录

信号调理装置按工作原理有 1°转换器：将传感器输出信号转换成便于传输、 放大、处理的装置。 例如：电桥：可将R、C、L→u或i; D/A:数字量→模拟量 A/D:模拟量→数字量 调制器：对信号进行调制； 解调器：对已调信号进行鉴别并还原。 2°放大器：将信号进行放大。 例如：电压(直流、交流)放大器； 电荷放大器

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3°运算器：将信号进行相应的运算，获取所需信 号。 例如：加法器、乘法器、积分器、微分器 4°滤波器：对信号进行滤波处理。 例如：低通滤波器、高通滤波器 5°整流器：对信号进行整流检波处理。 例如：相敏整流器 可见，信号调理环节很多，其功能也很丰富，而这 些环节前期课程已作过详细介绍。所以，本章仅 从测试的角度讨论电桥、调制与解调、滤波器、 放大器的基本概念。

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载波放大式应变仪的组成及工作原理 载波放大式应变仪由电桥、电桥平衡装置、放大 器、振荡器、相敏检波器、滤波器和稳压电源组成。

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4.1 电桥电桥分类： ●按桥压分： 直流电桥； 恒流源电桥； 恒压源电桥 交流电桥

●按输出方式分：功率电桥(按低阻抗负载) 电压电桥(按高阻抗负载)

4.1 电桥4.1.1 直流电桥若：R1=R2=R3=R4=R 全等臂电桥 R1=R2=Ra R3=R4=Rb 对称等臂半桥 R1=R4=Ra R2=R3=Rb 非对称等臂半桥

1、工作原理 ▲ ) U sc与R的关系 1

U sc U AB U AD U sr U sr R1 R4 R1 R2 R3 R4 R1 R3 R2 R4 U sr R1 R2 R3 R4

B

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4.1.1 直流电桥 ▲直流电桥平衡( U sc 0)条件：R1 R4 R2 R3

或

R1 R3 R2 R4 0相对桥臂电阻之积相等。

4.1.1 直流电桥2) U sc与 R的关系 设R1 R, 则 ( R1 R ) R3 R2 R4 U sc U sr R1 R R2 R3 R4 对全等臂电桥，则 U sr R 1 R U sc U sr

4 R 2 R 4 R 1 R 2R U sr R R 当 R R, U sc , U sc 4 R R

4.1.1 直流电桥 2、电桥的加减特性设Ri Ri , 且Ri Ri R1 R4 由U sc ( )U sr R1 R2 R3 R4 利用全微分方程可得电桥输出为 U sc i 1 4

U sc Ri Ri

R1 R2 R1 R3 R4 R3 R3 R4 R4 R1 R2 R2 U sr 2 2 2 2 R1 R2 R1 R1 R2 R2 R3 R4 R3 R3 R4 R4 若电桥满足初始平衡条件，则 R1 R2 R3 R4 R1 R2 U sc U sr 2 R R R R R1 R2 1 2 3 4

4.1.1 直流电桥

R1 R4 令： 桥臂电阻比 R2 R3 R3 R4 R1 R2 2 2 2 R1 R2 R3 R4 1 电桥输出一般表达式为 R1 R2 R3 R4 U sc U sr 2 R R R R 1 1 2 3 4 U sc 令： 0 1, U sc输出最大，所以

4.1.1 直流电桥可得电桥加减特性表达式(输出一般表达式)

1 R1 R3 R2 R4 U U sr sc 4 R R R R U sr K 1 2 3 4 4电桥输出公式的使用前提条件： 1)先决条件是：电桥起始是平衡的； 2)无论各电阻如何变化，一定要在平衡点附 近；

4.1.1 直流电桥 电桥加减特性的讨论： ①单臂工作 只有一只电阻R产生ΔR变化时， 电桥输出电压1 R 1 U sc U sr K U sr 4 R 4

4.1.1 直流电桥 ②双臂工作▲设R1产生正ΔR的变化，R2产生负ΔR的变化， 且变化的绝对值相等； 即 1 , 2 , , 3 0 ,

4 0

1 R 1 电桥输出 U sc U sr K U sr 2 R 2

▲若R1,R2产生ΔR的绝对值相等，符号相 同时，即 1 , ,则Usc=0,电桥无输 2 出，两工作臂的作用互相抵消。

4.1.1 直流电桥 ③四臂工作 设R1、R3产生正ΔR的变化，R2、R4产生 负ΔR的变化，且ΔR绝对值相等，即R1、R3产 生正应变，R2、R4产生负应变，且应变的绝 对值相等，则电桥的输出

R U sc U sr K U sr R为单臂工作的4倍。

4.1.1 直流电桥电桥加减特性

说明：虽为直流电桥形式，但对交流电 桥形式也完全适用。

4.1.1 直流电桥★重要结论：

当相邻桥臂为异号或相对桥臂为同 号的电阻变化时，电桥的输出可相加； 当相邻桥臂为同号或相对桥臂为异号的 电阻变化时，电桥的输出应相减。 ★电桥输出的八字原则:

相邻相减，相对相加。

4.1.1 直流电桥 3、电桥的线性 若△R/R>0.1,用上式计算电桥输出会引起较大 非线性误差。用相对误差表示为' U sc U sc U sc 100 % 1

' 100 % ' U U sc sc ' 其中：U sc 电桥实际输出电压

U sc 电桥线性输出电压 分析可得 R1 R1 R2 R1 R4 R2 R2 R3 R1 R4 R1 R2 R3

4.1.1 直流电桥当 1时 1 R1 R2 R3 R4 2 R1 R2 R3 R4 单臂工作时： U sr R 1 U 4 R 1 R 2R U sr R U sc 4 R U sc 1 R 1 ' 100 % 100 % U 2 R sc ' sc

4.1.1 直流电桥半桥或全桥工作时： 若组桥合理，(即：相邻臂异号，相对臂同号。) 电桥非线性误差可以大大减少，甚至为零。而电桥输 出增加。07-3-12#

4.电桥的平衡装置

在测量前，应将电桥调平衡。 但由于接入电桥的每个应变片不 可能绝对相同，各桥臂的连接导 线及接触电阻也不可能完全一样， 因而需设置电阻平衡装置。方法：桥臂中串联小阻值电阻。

H R1 R2 G R4 R3

R5

U0

4.1.2 交流电桥 1、交流电桥平衡条件

Z1 Z 3 Z 2 Z 4

或

Z1 Z 4 Z 2 Z3