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1、第四章第四章 信号调理、处理和记录信号调理、处理和记录测试技术测试技术第四章第四章 信号调理、处理和记录信号调理、处理和记录目的：目的：提高信噪比，将信号转换成便于处理、接收和显示的形式提高信噪比，将信号转换成便于处理、接收和显示的形式 内容：内容：电桥，调制，解调，滤波器，记录仪；电桥，调制，解调，滤波器，记录仪；第一节第一节 电桥电桥电桥：电桥：将将 R L C 等的变化等的变化电压或电流电压或电流特点：特点：精度较高，灵敏度较高精度较高，灵敏度较高1、直流电桥、直流电桥当输出端后接输入电阻较大时，当输出端后接输入电阻较大时，电流输出可视为零；电流输出可视为零；分类：分类：按激励按激励 直
2、流电桥直流电桥 按输出按输出 不平衡桥路不平衡桥路 电压电压 交流电桥交流电桥 方式方式 平衡桥路平衡桥路 电桥平衡时：电桥平衡时：即：即：当当 测量时，使输出电压与被测量引起的电阻变化量有关；测量时，使输出电压与被测量引起的电阻变化量有关；直流电桥的连接方式：直流电桥的连接方式：时，时，且且 半桥单臂半桥单臂半桥双臂半桥双臂全臂全臂电桥的灵敏度：电桥的灵敏度：上述电桥是在不平衡的条件下工作的；上述电桥是在不平衡的条件下工作的；缺点：缺点：当当 不稳定或环境温度有变化时，不稳定或环境温度有变化时，变变 ,从而引起测量误差从而引起测量误差 平衡电桥：平衡电桥：零位测量法零位测量法二、交流电桥二、
3、交流电桥交流激励电压，四臂可为交流激励电压，四臂可为L R C平衡：平衡：阻抗角，：阻抗角，各桥臂电流与电压的相位差各桥臂电流与电压的相位差纯电阻：纯电阻：感性阻抗：感性阻抗：容性阻抗容性阻抗 电容电桥：电容电桥：平衡时：平衡时：要达到平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数；要达到平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数；电感电桥：电感电桥：注意：注意：纯电阻交流电桥，除电阻平衡外，纯电阻交流电桥，除电阻平衡外，还须有电容平衡；（导线间分布电容的存在）还须有电容平衡；（导线间分布电容的存在）三、带感应耦合臂的电桥三、带感应耦合臂的电桥例例1悬臂梁受力悬臂梁受力 F 和和 的作用，要求应变片测出引起的
4、作用，要求应变片测出引起梁弯曲的力梁弯曲的力 F，试画出应变片的粘贴位置与电桥的连接方，试画出应变片的粘贴位置与电桥的连接方式图。式图。解解:若要进一步提高电桥的灵敏度，可采用：若要进一步提高电桥的灵敏度，可采用：例例2使用电阻应变仪时，以下措施能否提高电桥灵敏度使用电阻应变仪时，以下措施能否提高电桥灵敏度 1.半桥双臂各串联一片半桥双臂各串联一片2.半桥双臂各并联一片半桥双臂各并联一片解：解：（1）当半桥双臂各串联）当半桥双臂各串联 一片应变片时：一片应变片时：串联后电桥灵敏度串联后电桥灵敏度：串联前电桥灵敏度：串联前电桥灵敏度：所以此法所以此法不能不能提高电桥的灵敏度。提高电桥的灵敏度。2
5、.半桥双臂各并联一片半桥双臂各并联一片解：解：（1）当半桥双臂各并联）当半桥双臂各并联 一片应变片时：一片应变片时：并联后电桥灵敏度并联后电桥灵敏度：并联前电桥灵敏度：并联前电桥灵敏度：所以此法所以此法不能不能提高电桥的灵敏度。提高电桥的灵敏度。第四章第四章 信号的调理与记录信号的调理与记录 （测试技术）（测试技术）经传感器后的信号需经过经传感器后的信号需经过：调理、放大、滤波等一系列的加工处理调理、放大、滤波等一系列的加工处理目的：目的：将微弱电压信号放大将微弱电压信号放大 将非电信号转换为电压信号将非电信号转换为电压信号 抑制干扰噪声，提高信噪比抑制干扰噪声，提高信噪比 便于传输及后续环节
6、的处理便于传输及后续环节的处理第二节第二节 调制与解调调制与解调第二节第二节 调制与解调调制与解调调制：使一个信号的某些参数在另一个信号调制：使一个信号的某些参数在另一个信号 的控制下而发生变化的过程；的控制下而发生变化的过程；载波：载波：一般为较高一般为较高 频率的交变信号频率的交变信号 调制信号：调制信号：已调制波：已调制波：调幅调幅 (AM)(AM)调制调制 调频调频 (FM)(FM)调相（调相（PMPM）调制与解调调制与解调目的：目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，先将微弱的缓变信号加载到高频
7、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取出放大了的缓变信号。出信号中取出放大了的缓变信号。解调：从已调制波中恢复出调制信号解调：从已调制波中恢复出调制信号一一 调幅及其解调调幅及其解调（一）原理（一）原理调幅：调幅：将一个高频简谐信号（载波）与测试信号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（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信的变化而变化。测试信的变化而变化。幅度调制与解调过程（数学描述）幅度调制与解调过程（数学描述）乘法器x(t)y(t)x m(t)乘法器滤波器y(t)x(t)
8、解调：解调：把调幅波再次与原载波信号相乘把调幅波再次与原载波信号相乘同步解调：同步解调：解调时所乘的信号与调制时的解调时所乘的信号与调制时的 载波信号具有相同的载波信号具有相同的频率频率和和相位相位；注意：注意：1载波频率载波频率 与原信号中的最高频率与原信号中的最高频率 一般要求：一般要求：数倍或几十倍于数倍或几十倍于 2调幅器实际上是一个乘法器；调幅器实际上是一个乘法器；例：电桥就是一个调制器例：电桥就是一个调制器全桥全桥:载波：载波：调制信号：调制信号：调幅波：调幅波：(二二)整流检波和相敏检波整流检波和相敏检波解调解调：电桥调幅与相敏检波的电桥调幅与相敏检波的典型实例典型实例：动态电阻
9、应变仪动态电阻应变仪相敏检波：相敏检波：既能鉴别调制信号的幅值又能反映其极性。既能鉴别调制信号的幅值又能反映其极性。二、调频及其解调二、调频及其解调调频：调频：利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器 输出的是等幅波，但其振荡频率的偏移量与信输出的是等幅波，但其振荡频率的偏移量与信 号电压成正比。当信号电压为零时，调频波的号电压成正比。当信号电压为零时，调频波的 频率就等于中心频率；信号电压为正时频率提频率就等于中心频率；信号电压为正时频率提 高，负值时则降低。高，负值时则降低。调频波：调频波：（一）直接调频测量电路（一）直接调频测量电路如：变极距型电容
10、传感器：如：变极距型电容传感器：小范围：小范围：调频波的瞬时频率：调频波的瞬时频率：载波频率，或中心频率：载波频率，或中心频率：频率偏移，与调制信号的幅值成正比：频率偏移，与调制信号的幅值成正比将电容作为自激振荡回路中的一个调谐参数，将电容作为自激振荡回路中的一个调谐参数，则：电路的振荡频率：则：电路的振荡频率：在在 附近附近直接调频电路直接调频电路：被测量的变化被测量的变化 -振荡频率的变振荡频率的变化化转变为转变为调频的特点：调频的特点：优点：优点：抗干扰能力强。抗干扰能力强。因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，因为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，而干扰波的干
11、扰作用则主要表现在振幅并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中之中 缺点：缺点：占频带宽度大，复杂占频带宽度大，复杂 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。调制是一种非线性调制。习题习题4-5 已知已知:调幅波调幅波求求:1)所包含的各分量的频率及幅值所包含的各分量的频率及幅值 2)绘制调制信号和调幅波的频谱绘制调制信号和调幅波的频谱解解:频率频率(KHZ)8.5 9.5 10 10.5 11.5幅值幅值:10 15 100
12、 15 10（二）变压器耦合的谐振回路鉴频法（二）变压器耦合的谐振回路鉴频法鉴频：调频波的解调将频率变化 -调制信号电压幅值的变化 转变为转变为：等幅的调频波：二次边输出电压 的频率与 保持一致 回路的谐振频率 小范围内：例例 1 用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变，用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变，已知其变化规律为：已知其变化规律为：如果电桥激励电压：如果电桥激励电压：求此电桥的输出信号的频谱求此电桥的输出信号的频谱解：解：全桥：全桥：应变片：应变片：=常数常数 K第三节第三节 滤波器滤波器（选频）（选频）1.滤除干扰噪声作用作用 2.频谱分析一一.滤波器的分类滤波器的分类 按
13、选频:低通、高通、带通、带阻 下截止频率 上截止频率 注意：1。过渡带：不希望有，但不可避免 2滤波器特性的相互关联：3任何装置均可看成是一个滤波器，例：隔振台（低通）二、理想滤波器二、理想滤波器物理上不可实现线性系统的不失真条件：若滤波器的频率响应 为：h(t):脉冲响应函数讨论：讨论：滤波器的通频带宽滤波器的通频带宽 B和建立较稳定的输出和建立较稳定的输出 所需要的时间所需要的时间 之间的关系之间的关系；分辨力极其影响因素：分辨力极其影响因素：建立时间：按理论响应值（0.1-0.9）：即 的图形愈的图形愈 陡峭陡峭有：=常数 物理意义：物理意义：输入信号如有突变处必然含有丰富的高频分量，输
14、入信号如有突变处必然含有丰富的高频分量，低通滤波器阻衰了高频分量，其结果是把输出波形低通滤波器阻衰了高频分量，其结果是把输出波形 “圆滑圆滑”了。通带愈宽，阻衰的高频分量愈少，使信号了。通带愈宽，阻衰的高频分量愈少，使信号 能量更多、更快地通过，建立时间就短；反之，则长。能量更多、更快地通过，建立时间就短；反之，则长。分辨力 高分辨力与快速响应的要求相互矛盾 一般采用：三实际RC 调谐式滤波器(一)实际滤波器的基本参数1.纹波幅度 d幅频特性的平均值 一般要求：2.截止频率幅频特性等于 所对应的频率:：-3dB点 半功率点：3带宽B，品质因数Q 品质因数 分辨力 4.频程选择性滤波器对带宽外频
15、率成分衰阻的能力 即：频率变化一个倍频程时的衰减量 5、滤波器因数 理想:(二二)调谐式滤波器的基本特性调谐式滤波器的基本特性特点：简单，抗干扰性强，较好的低频性能，易实现 1一阶一阶RC 低通滤波器低通滤波器(1)(2)(3)为提高衰减，可将几个低通滤波器串联使用 2.RC高通滤波器高通滤波器(1).(2)(3)3.带通滤波器带通滤波器低通与高通串联前提：后一级不能从前一级吸收能量 为消除两级间耦合时的相互影响，两级间常用射极输出器或者运算放大器阻隔 4.滤波器的连接滤波器的连接中心频率相同的滤波器串接加强滤波效果四四.恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器“实时实时”的谱
16、分析的谱分析(一一)恒带宽比滤波器恒带宽比滤波器Q=常数 若 n=1 倍频程滤波器 n=倍频程滤波器 滤波器的中心频率：可见可见增加增加,分辨力提高分辨力提高可证明：可证明：对一组相邻接的滤波器对一组相邻接的滤波器：后一个滤波器的中心频率后一个滤波器的中心频率(二二)恒带宽滤波器恒带宽滤波器B恒定恒定 参考信号参考信号信号的扫描时间，扫描速度信号的扫描时间，扫描速度 第四节第四节 信号的指示和记录装置信号的指示和记录装置一一.动圈式磁电指示机构动圈式磁电指示机构二二 光线示波器光线示波器L：反射镜与记录纸之间的距离；：反射镜与记录纸之间的距离；：线圈无偏转时的反射角。：线圈无偏转时的反射角。例：例：输入信号输入信号 为周期为周期T=1ms,幅值为幅值为1的方波，的方波，如图如图1，低通滤波器幅频特性如图，低通滤波器幅频特性如图2，相频特性，相频特性 试求试求：y(t)解：解：由滤波器的幅频特性由滤波器的幅频特性:对高于对高于6KHZ的成分完全衰减的成分完全衰减由已知由已知: