工程測(cè)量技術(shù)-第22章測(cè)量系統(tǒng)

工程測(cè)試技術(shù)2測(cè)量系統(tǒng)的組成及基本特性1信號(hào)調(diào)理方法作業(yè)：為什么傳感器輸出信號(hào)一般要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理？傳感器輸出的電信號(hào)大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去。其主要原因是：1，大多數(shù)傳感器輸出的電信號(hào)很微弱，需要進(jìn)一步放大;2，有些傳感器輸出的是電參量，要轉(zhuǎn)換為電能量;3，輸出信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比;4，若測(cè)試工作僅對(duì)部分頻段的信號(hào)感興趣，則有必要從輸出信號(hào)中分離出所需的頻率成分;5，當(dāng)采用數(shù)字式儀器、儀表和計(jì)算機(jī)時(shí)，模擬輸出信號(hào)還要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)等等。因此，傳感器的輸出信號(hào)要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，使之與后續(xù)測(cè)試環(huán)節(jié)相適應(yīng)。常用信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)有：電橋、放大器、濾波器、調(diào)制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等2電橋

電橋轉(zhuǎn)換原理電橋是用來(lái)測(cè)量參量式傳感器的可變電阻、電容或電感的電路，它是將這些參量的變化變換為電壓或電流信號(hào)的電路。電橋按其激勵(lì)電源類(lèi)型可分為直流電橋和交流電橋兩種。3電橋直流電橋:相對(duì)聯(lián)接點(diǎn)a與c上接電源e0，另兩個(gè)相對(duì)聯(lián)接點(diǎn)b與d上引出作為電橋的輸出端。直流電橋的工作原理當(dāng)一個(gè)橋臂由一個(gè)微變化電阻式傳感器構(gòu)成時(shí)，被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電阻傳感器的微電阻變化ΔR，此電阻的變化將引起直流電橋輸出電壓的變化ey。這一ey就可以用來(lái)估計(jì)ΔR也就是估計(jì)被測(cè)物理量的變化。4電橋原理●平衡條件VER1R3R2R45不平衡時(shí)當(dāng)R1+?R1，R2+?R2，R3+?R3和R4+?R4時(shí)，平衡時(shí)從而當(dāng)6單臂電阻變化時(shí)令：7電橋4交流電橋電感電容●平衡條件傳感器傳感器8電橋結(jié)構(gòu)形式與直流電橋相同。但在電路具體實(shí)現(xiàn)上與直流電橋有兩個(gè)不同點(diǎn)：一是其激勵(lì)電源是高頻交流電壓源，或電流源，二是交流電橋的橋臂可以是純電阻，但也可以是包含有電容、電感的交流阻抗。9電橋電橋的接法：?jiǎn)伪?/p>

半橋全橋10電橋輸出電壓就反映了橋臂電阻變化的情況。在ΔR＜＜R0的條件下，即微電阻變化測(cè)量半橋單臂半橋雙臂全橋方式輸出與輸入為線(xiàn)性關(guān)系，靈敏度成倍提高。11電橋電橋的使用性能及特點(diǎn)電橋測(cè)量電路簡(jiǎn)單，測(cè)量精度和靈敏度高，對(duì)各橋臂阻抗變化引起的電壓變化值能自動(dòng)加減輸出，在工程測(cè)試中用途廣泛。直流電橋的特點(diǎn)是平衡電路簡(jiǎn)單，對(duì)聯(lián)接導(dǎo)線(xiàn)要求較低，可采用直流儀表測(cè)量，直流電源的穩(wěn)定程度容易保證，但要求后接比較復(fù)雜的直流放大器。交流電橋要求工作電源的電壓波形沒(méi)有畸變，頻率必須穩(wěn)定。交流電橋一般采用音頻交流電源，后接電路采用簡(jiǎn)單的交流放大器。12信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)調(diào)制是工程測(cè)試信號(hào)在傳輸過(guò)程中常用的一種調(diào)理方法，主要是為了解決微弱緩變信號(hào)的放大問(wèn)題。工程中的一些物理量，如力、位移、溫度等，經(jīng)過(guò)傳感器變換后，常常是微弱的直流或相對(duì)緩變的電信號(hào)，直接送入直流放大器或交流放大器會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移或信號(hào)失真。所以，為了很好地解決緩變信號(hào)的放大問(wèn)題，引入了稱(chēng)為調(diào)制與解調(diào)的方法。13信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)下圖描述了一種連續(xù)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)過(guò)程。14信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)用于緩變信號(hào)放大的。調(diào)制式直流放大器工作原理如圖。15信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)振蕩器：振蕩器向調(diào)制器和解調(diào)器提供一高頻等幅振蕩信號(hào)，載送緩變信號(hào)，因此稱(chēng)為載波。載波頻率一般為500kHz~20MHz。調(diào)制器：調(diào)制器的作用是將輸入的緩變信號(hào)加載到載波上，調(diào)制器的輸出信號(hào)稱(chēng)為已調(diào)波。已調(diào)波的幅值反映了緩變信號(hào)的變化，緩變信號(hào)在此稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)。16信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)交流放大器：由于被放大的信號(hào)為高頻交流信號(hào)，因此零漂與放大的矛盾和交流放大器低頻特性差的問(wèn)題得到了很好的解決。解調(diào)器：解調(diào)器的作用是從放大后的已調(diào)波信號(hào)中取出緩變信號(hào)。（相敏檢波+低通濾波）調(diào)制的類(lèi)型：利用調(diào)制信號(hào)可以控制載波的幅度、頻率和相位，分別稱(chēng)為調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相位（PM），已調(diào)波分別稱(chēng)為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。17信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)工程測(cè)試中常用的是調(diào)幅和調(diào)頻兩種方式，如圖。18濾波器2.2.2.3濾波器的原理什么是濾波器：凡是可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減或抑制其他頻率成分的裝置或系統(tǒng)都稱(chēng)之為濾波器。在動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀和諧振鑒頻器中，LC回路和RC回路可以將緩變的調(diào)制信號(hào)從高頻的載波中分離出來(lái)，這些電路起的作用就是濾波作用。在機(jī)械設(shè)備中，經(jīng)常采用各種隔振、防噪聲的裝置，這些裝置起的作用也是濾波作用。各類(lèi)儀器、儀表都有一定的工作頻率范圍，這說(shuō)明它們本身都有濾波作用。濾波器的類(lèi)型：根據(jù)頻率特性不同，濾波器分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器四類(lèi)。19模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換信號(hào)多是隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬電壓或電流。當(dāng)采用數(shù)字式儀器、儀表以及計(jì)算機(jī)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理或顯示時(shí)，有必要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程稱(chēng)為模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D），通常由模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)完成。反之，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和某些數(shù)字化測(cè)試系統(tǒng)中，需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件或模擬式顯示、記錄器，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程稱(chēng)為數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A），所用的裝置是數(shù)模轉(zhuǎn)換器。20記錄儀器信號(hào)進(jìn)一步加工放大后，必須通過(guò)記錄或顯示儀器，才能供直接觀(guān)察分析，或?qū)⑵浔４嫦聛?lái)，事后供后續(xù)儀器對(duì)所測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析、處理。記錄儀器可用來(lái)記錄一物理量隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系，也可記錄兩物理量之間的函數(shù)關(guān)系。常用兩大類(lèi)記錄儀器，即顯式記錄儀器和隱式記錄儀器。顯式記錄儀是一種能提供視覺(jué)能見(jiàn)波形的記錄儀，能提供直接觀(guān)測(cè)的波形，如各種筆式記錄儀、光線(xiàn)示波器等。隱式記錄儀器記錄后不能直接觀(guān)測(cè)到記錄波形，需通過(guò)其他儀器設(shè)備才能顯示出來(lái)，如各種磁記錄儀。21顯式記錄儀器1、電壓記錄儀器，是用來(lái)記錄已轉(zhuǎn)化成電壓的信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：記錄幅值精度高。缺點(diǎn)：記錄緩變信號(hào)（10Hz下），由于機(jī)械慣量較大。記錄儀器22記錄儀器電流記錄儀器，是用來(lái)記錄電流信號(hào)的。筆式記錄儀被記錄信號(hào)電流饋入線(xiàn)圈，受磁場(chǎng)力的作用下線(xiàn)圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)筆桿進(jìn)行記錄，電磁力與油絲復(fù)位力矩平衡，轉(zhuǎn)角與記錄筆的坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)。工作頻率不高。摩擦力大，誤差大。232、電流記錄儀器。

光線(xiàn)示波器利用被記錄電流信號(hào)控制光束偏移在感光記錄紙上記錄信號(hào)的。頻率可達(dá)10kHz記錄儀器24記錄儀器隱式記錄儀器筆式記錄儀和光線(xiàn)示波器雖然直觀(guān)地記錄了信號(hào)的時(shí)間歷程，但卻不能以電信號(hào)的方式再重放，這對(duì)于許多后續(xù)處理工作很不方便。缺點(diǎn)：磁帶記錄儀是利用鐵磁性材料的磁化來(lái)進(jìn)行記錄的儀器，必須通過(guò)其它顯示、記錄儀器才能觀(guān)察記錄波形。優(yōu)點(diǎn)：1,但它能多次反復(fù)重放，以電量輸出（復(fù)現(xiàn)信號(hào)），便于與計(jì)算機(jī)或其他信號(hào)分析儀器聯(lián)機(jī)使用，對(duì)于后續(xù)信號(hào)的分析和處理極為有利。2,它可以用與記錄時(shí)不同的速度重放，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)間壓縮和擴(kuò)展。3,它也便于復(fù)制，也可以抹除并重復(fù)使用記錄介質(zhì)。4,磁帶記錄的存儲(chǔ)信息密度大，還可作多通道同時(shí)記錄，記錄信號(hào)頻率范圍寬，存儲(chǔ)的信息穩(wěn)定性高，對(duì)環(huán)境（溫度、濕度）不敏感，抗干擾能力強(qiáng)。25記錄儀器26測(cè)量?jī)x器的顯示操作：模擬式：靠指針表的角位移、線(xiàn)位移來(lái)記錄被測(cè)量。數(shù)字式：靠數(shù)碼顯示器的數(shù)字、字符記錄，數(shù)字打印。圖形式：除具有模擬、數(shù)字顯示作用外還能顯示曲線(xiàn)、表格、圖象、背景、變量場(chǎng)、物理量動(dòng)態(tài)變化過(guò)程、色彩配合等。記錄儀器27數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集為了對(duì)溫度、壓力、流量、速度、位移等物理量進(jìn)行測(cè)量和控制，都是通過(guò)傳感器把上述物理量轉(zhuǎn)換成能模擬物理量的電信號(hào)，即模擬電信號(hào)。將模擬電信號(hào)經(jīng)過(guò)處理并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字量，送入計(jì)算機(jī)，這就是數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)的處理通常所采集到的數(shù)據(jù)，是被測(cè)對(duì)象的某些物理量經(jīng)過(guò)非電量到電量的轉(zhuǎn)換，又經(jīng)過(guò)放大或衰減、采樣、編碼、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)之后所呈現(xiàn)出來(lái)的一種數(shù)據(jù)形式。顯然，這種形式的數(shù)據(jù)（或信號(hào)）對(duì)數(shù)據(jù)使用者來(lái)說(shuō)既不直觀(guān)，又沒(méi)有明確的物理意義。281,必須把它們恢復(fù)成原來(lái)的物理量形式，并盡可能形象地給出它們的變化情況，這是數(shù)據(jù)處理的一個(gè)首要的任務(wù)。2,數(shù)據(jù)處理的另一重要任務(wù)就是要采取各種方