傳感器與測(cè)試技術(shù)第五章課件

1、第5章 信號(hào)調(diào)理電路5.1測(cè)量電橋5.2調(diào)制與解調(diào)5.3 濾波器5.1 測(cè)量電橋5.1.1 直流電橋1電橋的工作原理 電橋是將電阻、電感、電容等電參量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路，其輸出既可用指示儀表直接測(cè)量，也可以送入放大器放大。 右圖是直流電橋的基本形式。R1、R2、R3、R4稱為橋臂電阻，e0為供橋直流電壓源。2電橋的連接方式 在測(cè)試技術(shù)中，一般根據(jù)工作時(shí)電阻值參與變化的橋臂數(shù)將連接方式分為單臂電橋、差動(dòng)半橋和差動(dòng)全橋三種，如圖所示。（a）單臂電橋 （b）差動(dòng)半橋 （c）差動(dòng)全橋3電橋的加減特性與應(yīng)用 相鄰橋臂電阻的阻值變化方向相反，相對(duì)橋臂電阻的阻值變化方向相同時(shí)，電橋輸出

2、反映相加的結(jié)果；而相鄰橋臂電阻的阻值變化方向相同，相對(duì)橋臂電阻的阻值變化方向相反時(shí)，電橋輸出反映相減的結(jié)果，這就是電橋的加減特性。 例5-1 橋路溫度補(bǔ)償。如左圖a所示試件，欲測(cè)量作用在其上的力F時(shí)，采用兩片敏感元件材料、原始電阻值和靈敏系數(shù)都相同的應(yīng)變片R1和R2。R1貼在試件的測(cè)點(diǎn)上，R2貼在與試件材質(zhì)相同的不受力的補(bǔ)償塊上，如左圖b所示。R1和R2處于相同溫度場(chǎng)中，并按右圖接入電橋的相鄰臂上。 例5-2 在半橋測(cè)量中利用加減特性提高測(cè)量靈敏度。測(cè)量如左圖所示的純彎試件時(shí)，應(yīng)變片R1和R2分別貼于試件的上下兩表面，并按右圖所示電橋接線。 例5-3 試件受力情況如圖a所示，應(yīng)變片R1和R3貼

3、在上表面，R2和R4貼在對(duì)稱于中性層的下表面，并按圖b組成全等臂電橋。（a）應(yīng)變片粘貼位置 （b）電橋連接方式5.1.2 交流電橋 交流電橋電路如圖所示，其激勵(lì)電壓e0采用交流方式，電橋的四個(gè)臂可以是純電阻，也可以是包含有電容、電感的交流阻抗。 交流電橋平衡必須滿足兩個(gè)條件：相對(duì)兩臂阻抗之模的乘積應(yīng)相等，并且它們的阻抗角之和也必須相等，前者稱為交流電橋模的平衡條件，后者稱為相位平衡條件。 右圖是一種常用電容電橋，相鄰兩臂為純電阻R2、R3，另外相鄰兩臂為電容C1、C4。R1、R4為電容介質(zhì)損耗的等效電阻。c 欲使電橋達(dá)到平衡，必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件，即電阻平衡條件和電容平衡條件 右圖是一種常用的

4、電感電橋，相鄰兩臂為純電阻R2、R3，另外相鄰兩臂為電感L1、L4，R1、R4為電感線圈的等效電阻。 左圖是一種用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀中的具有電阻和電容預(yù)調(diào)平衡的純電阻電橋。電阻R1、R2和可變電阻R3用來調(diào)節(jié)電橋的電阻平衡，改變開關(guān)K的位置及調(diào)節(jié)可變電阻R35.1.3 帶感應(yīng)耦合臂的電橋 帶感應(yīng)耦合臂的電橋是將感應(yīng)耦合的兩個(gè)繞組作為橋臂而組成電橋，一般有圖中a、b兩種形式。C（a）變壓器電橋 圖a是用于電感比較儀中的電橋，感應(yīng)耦合繞阻W1、W2（阻抗為Z1、Z2）和阻抗Z3、Z4構(gòu)成電橋的四個(gè)臂，W1、W2相當(dāng)于變壓器的副邊繞阻，這種橋路又稱為變壓器電橋。當(dāng)Z1Z3 = Z2Z4時(shí)，電橋平衡，指零儀

5、G指零。（b）差動(dòng)變壓器式電橋 另一種形式如圖b所示，電橋平衡時(shí)，繞阻W1、W2兩段磁通大小相等、方向相反，激磁效應(yīng)互相抵消，鐵芯中無磁通，指零儀G指零。5.2 調(diào)制與解調(diào) 調(diào)制是指利用被測(cè)緩變信號(hào)來控制或改變高頻振蕩波的某個(gè)參數(shù)（幅值、頻率或相位），使其按被測(cè)信號(hào)的規(guī)律變化，以利于信號(hào)的放大與傳輸。 一般把控制高頻振蕩波的緩變信號(hào)稱為調(diào)制波；載送緩變信號(hào)的高頻振蕩波稱為載波；經(jīng)過調(diào)制的高頻振蕩波稱為已調(diào)波，根據(jù)調(diào)制原理不同，分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波，如圖所示。 解調(diào)則是對(duì)已調(diào)波進(jìn)行鑒別以恢復(fù)緩變的測(cè)量信號(hào)（調(diào)制波）。5.2.1 調(diào)幅及其解調(diào)1原理 調(diào)幅是將高頻正弦或余弦信號(hào)（載波）與測(cè)量信號(hào)（

6、調(diào)制波）相乘，使高頻載波信號(hào)的幅值隨測(cè)量信號(hào)的變化而變化，如右圖所示。 調(diào)幅過程在時(shí)域是調(diào)制波與載波相乘的運(yùn)算；在頻域是調(diào)制波頻譜與載波頻譜卷積的運(yùn)算，是頻率“搬移”的過程。（a）時(shí)域 （b）頻域 若把調(diào)幅波再次與原載波信號(hào)相乘，則頻域信號(hào)將再一次進(jìn)行“搬移”，這次頻移是把以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心的已調(diào)波頻譜搬移至以載波為中心處。由于載波頻譜與原來調(diào)制時(shí)的相同而使第二次“搬移”后的頻譜有一部分“搬移”到原點(diǎn)處，所以頻譜中包含有與原調(diào)制信號(hào)相同的頻譜和附加的高頻頻譜兩部分，其結(jié)果如圖所示。同步解調(diào)2包絡(luò)檢波 包絡(luò)檢波在時(shí)域內(nèi)的流程如圖所示。調(diào)幅波經(jīng)過包絡(luò)檢波（整流、濾波）就可以恢復(fù)偏置后的信號(hào)xA(t)

7、，最后再將所加直流分量去掉，就可以恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)x(t)。3相敏檢波 相敏檢波常用的有半波相敏檢波和全波相敏檢波。圖a所示為一開關(guān)式全波相敏檢波電路。輸出信號(hào)x0(t)如圖b所示。（a）電路圖 （b）波形圖 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀是電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實(shí)例，如圖所示。5.2.2 調(diào)頻及其解調(diào) 調(diào)頻（頻率調(diào)制）是利用信號(hào)電壓的幅值控制一個(gè)振蕩器，振蕩器的輸出是等幅波，但其振蕩頻率和信號(hào)電壓成正比。調(diào)頻常用的方案是基于壓控振蕩器（VCO）原理，如圖所示。C采用乘法器的壓控振蕩器 調(diào)頻波的解調(diào)稱為鑒頻或頻率檢波，相對(duì)應(yīng)的有多種方案。圖為一種簡(jiǎn)單的鑒頻電路，該變換通常分兩步完成：第一步先將等幅的調(diào)頻波轉(zhuǎn)換

8、為幅值隨頻率變化的調(diào)頻調(diào)幅波；第二步檢測(cè)幅值的變化，得到原調(diào)制信號(hào)。（a）鑒頻器（b）頻率電壓特性曲線5.3 濾波器5.3.1 概述 濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。一般分四類，即低通、高通、帶通和帶阻濾波器，如圖所示。（a）低通濾波器 （b）高通濾波器 （c）帶通濾波器 （d）帶阻濾波器 （1）低通濾波器 低通濾波器從0fc2頻率之間的幅頻特性平直，它可以使信號(hào)中低于fc2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于fc2的頻率成分受到極大的衰減。 （2）高通濾波器 高通濾波器與低通濾波器相反，在頻率fc1之間的幅值特性平直，它可以使信號(hào)中高于fc1的

9、頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于fc1的頻率成分受到極大的衰減。 （3）帶通濾波器 帶通濾波器的通頻帶在fc1fc2之間，它可以使信號(hào)中高于fc1而低于fc2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而其他成分受到極大的衰減。 （4）帶阻濾波器 帶阻濾波器與帶通濾波器相反，阻帶在頻率fc1fc2之間，它使信號(hào)中高于fc1而低于fc2的頻率成分受到極大的衰減，其余頻率成分幾乎不受衰減地通過。5.3.2 理想濾波器 理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零，其通帶和阻帶之間有明顯分界線的濾波器。左圖為理想低通濾波器的幅頻及相頻特性曲線，右圖為脈沖響應(yīng)函數(shù)。 理想低通濾波器

10、是不可能存在的。同理可以推論，理想的高通、帶通、帶阻濾波器都是不存在的。理想低通濾波器對(duì)單位階躍的響應(yīng)，如圖所示。 （a）無相角滯后，時(shí)移t0=0 （b）有相角滯后，時(shí)移t00 濾波器的高分辨能力和測(cè)量時(shí)的快速響應(yīng)是互相矛盾的。若用濾波的方法企圖從信號(hào)中選取某一很窄的頻率成分（例如希望做高分辨力的頻譜分析），就需要足夠的時(shí)間。若建立時(shí)間不夠，就會(huì)產(chǎn)生謬誤和假象。5.3.3 實(shí)際濾波器1實(shí)際濾波器的基本參數(shù) 下圖表示理想帶通（虛線）與實(shí)際帶通（粗實(shí)線）濾波器的幅頻特性。對(duì)于實(shí)際濾波器，由于其特性曲線沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通帶中幅頻特性也并非常數(shù)，需要用更多的參數(shù)來描述實(shí)際濾波器的性能。（1）波紋幅度

11、d（2）截止頻率（3）帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q值（4）倍頻程選擇性（5）濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù)）2RC濾波器RC濾波器RC無源濾波器一階RC低通濾波器一階RC高通濾波器RC有源濾波器RC有源低通濾波器RC有源帶通濾波器3恒帶寬濾波器 要使濾波器在所有頻段都具有同樣良好的頻率分辨力，可采用恒帶寬的濾波器。下圖是恒帶寬比和恒帶寬濾波器的特性對(duì)照?qǐng)D，圖中濾波器的特性都畫成理想的。（a）恒帶寬比濾波器（b）恒帶寬濾波器4數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器的基本工作原理是利用線性時(shí)不變系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加工和變換，改變輸入序列的頻譜或信號(hào)波形，讓有用的信號(hào)分量通過，抑制無用的信號(hào)分量輸出。數(shù)字濾波器只能處理離散信號(hào)。 數(shù)