測(cè)試技術(shù)第六章課件

工程測(cè)試技術(shù)——郭世偉第六章信號(hào)變換與調(diào)理一、信號(hào)變換與調(diào)理的概念1、信號(hào)變換與調(diào)理的原因2、信號(hào)調(diào)理與變換的內(nèi)容放大電橋?qū)﹄妳?shù)的變換調(diào)制解調(diào)濾波二、傳感器常用的測(cè)量電路（一）放大器對(duì)微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大。放大器電路有分立元器件構(gòu)成的和集成電路。1、集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器是具有高放大倍數(shù)，帶深度負(fù)反饋的直接耦合放大器。其輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)由線性或非線性元件組成，可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行多種數(shù)學(xué)運(yùn)算和處理。實(shí)際應(yīng)用中有線性工作區(qū)和飽和（非線性）工作區(qū)?！疤摱獭薄疤摂唷?、測(cè)量放大器在傳感器工作環(huán)境惡劣，輸入信號(hào)微弱，輸出阻抗較大時(shí)，可用測(cè)量放大器（儀表放大器），它有更好的性能。調(diào)節(jié)R3值可方便地調(diào)節(jié)電路的增益。（二）電橋電路電橋是一種可將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的測(cè)量電路。電橋測(cè)量電路簡(jiǎn)單，靈敏度和測(cè)量精度高，廣泛應(yīng)用于測(cè)量裝置中。1、直流電橋四個(gè)電阻組成四個(gè)橋臂，a、c為輸入端，b、d為輸出端。電橋后接大輸入阻抗的放大器或儀表時(shí)，電橋輸出端可認(rèn)為是開路，其輸出電壓為：此時(shí)稱為“電橋平衡”在時(shí)，稱為等臂電橋。實(shí)際橋臂電阻的變化量。對(duì)于半橋單臂電橋，電阻傳感器發(fā)生阻值變化時(shí)，輸出電壓為：對(duì)于半橋雙臂電橋，電阻傳感器發(fā)生等值（但反向）阻值變化時(shí)，輸出電壓為：對(duì)于全橋電路，四個(gè)電阻傳感器發(fā)生等值阻值變化時(shí)，輸出電壓為：

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注意各電阻值的變化方向：相鄰兩橋臂阻值變化極性要相反，相對(duì)兩橋臂阻值變化應(yīng)相同。利用這一電橋和差特性，可提高電橋的測(cè)量靈敏度和進(jìn)行溫度補(bǔ)償。上述電橋是在不平衡條件下工作的，為不平衡橋式電路。這種方式的輸出電壓受電源電壓的穩(wěn)定性、環(huán)境溫度變化影響較大，有較大的測(cè)量誤差。為此可采用平衡電橋（見下圖）：調(diào)節(jié)電位器H，改變電阻R5觸點(diǎn)位置，總使電橋平衡。根據(jù)觸點(diǎn)位置的變化標(biāo)示橋臂阻值的變化，電位器H上的標(biāo)度與橋臂電阻值的變化成比例。讀數(shù)時(shí)電表G始終指零，故又稱為“零位測(cè)量法”。該方法的測(cè)量誤差取決于可調(diào)電位器的精確度，與電源電壓無(wú)關(guān)。一般靜態(tài)應(yīng)變儀常采用該平衡電橋，有手動(dòng)調(diào)平衡方式，自動(dòng)調(diào)平衡方式（以伺服電機(jī)自動(dòng)調(diào)整電位器的位置）。直流電橋的特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單；對(duì)連接導(dǎo)線要求低；直流電橋只能測(cè)電阻值的變化；所需的直流放大器比較復(fù)雜且易受零漂和接地電位的影響。在動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀中的純電阻交流電橋，橋臂并聯(lián)有可調(diào)電容C2和可變電阻R3，分別實(shí)現(xiàn)電容平衡和電阻平衡。交流電橋的供橋電源必須有良好的電壓波形(頻率單一性)和頻率穩(wěn)定性。一般用音頻交流電源（5～10kHz）采用交流電橋時(shí)，影響測(cè)量誤差的因素較多，如分布電容、感應(yīng)作用等等。下圖為變壓器式電感交流電橋（也叫帶感應(yīng)耦合臂的電橋），左側(cè)相當(dāng)于變壓器的二次邊繞組，右側(cè)接入的是差動(dòng)式電感傳感器，把電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓量的輸出。與一般電橋相比，它具有較高的精確度、靈敏度和穩(wěn)定性。（三）調(diào)制與解調(diào)調(diào)制：用緩變信號(hào)控制高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)——幅值、頻率、相位，使其隨緩變信號(hào)做有規(guī)律的變化。緩變信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)，高頻信號(hào)稱為載波（被調(diào)制信號(hào)），經(jīng)過調(diào)制的高頻信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。調(diào)幅信號(hào)，調(diào)頻信號(hào)，調(diào)相信號(hào)載波頻率f0應(yīng)大于緩變信號(hào)的最大頻率fm，一般應(yīng)大于幾倍甚至數(shù)十倍。調(diào)幅裝置實(shí)為一乘法器（2）調(diào)幅波解調(diào)①同步解調(diào)把已調(diào)制波與原載波信號(hào)再相乘，可得到原緩變信號(hào)和倍頻信號(hào)的迭加，后者可再由一低通濾波器除去。需要良好的線性乘法器件②包絡(luò)檢波（又叫整流檢波）過程：加直流信號(hào)偏置，整流，濾波，減去偏置信號(hào)。若所加的偏置信號(hào)不能使信號(hào)電壓在零線一側(cè)，簡(jiǎn)單地整流就不能恢復(fù)原信號(hào)。這種檢波方法利用了二極管的單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐返妮敵鰳O性換向。負(fù)載電阻Rf上的電壓信號(hào)仍為高頻信號(hào)，其包絡(luò)線就是原緩變信號(hào)，需要低通濾波才能恢復(fù)為原測(cè)量信號(hào)。動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀就是交流電橋調(diào)制和相敏檢波的典型實(shí)例。2、調(diào)頻與鑒頻頻率調(diào)制是用緩變信號(hào)控制高頻信號(hào)的頻率，輸出的調(diào)制信號(hào)是頻率隨調(diào)制信號(hào)變化的疏密不等的等幅波，其頻率偏移量（相對(duì)于中心頻率）和調(diào)制信號(hào)電壓成正比。調(diào)頻信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，但信號(hào)抗干擾能力很強(qiáng)，便于信號(hào)的傳輸和數(shù)字處理。頻率調(diào)制的方法很多，現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹直接調(diào)頻測(cè)量電路。在被測(cè)量小范圍變化時(shí)，以電容、電感作為自激振蕩器的諧波回路的一個(gè)調(diào)諧參數(shù)，則電路的諧振頻率為調(diào)頻波的解調(diào)又叫鑒頻，方法很多，現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹諧振式鑒頻器原理（又叫變壓器耦合的諧振回路鑒頻）。如下圖所示，鑒頻電路原線圈輸入調(diào)頻信號(hào)，次級(jí)線圈輸出為調(diào)幅波，其幅值受控于輸入頻率，再進(jìn)行解調(diào)即可。常利用亞諧振區(qū)曲線的近似直線部分（線性關(guān)系）。設(shè)時(shí)，頻率為，電容值變化時(shí)，振蕩頻率值也會(huì)發(fā)生線性變化：則（四）濾波器濾波器是一種選頻裝置，有“篩選頻率”的作用——對(duì)信號(hào)中的某些頻率成分有極大的衰減，而對(duì)其它頻率衰減小或有放大作用（稱為“通過”）。在信號(hào)處理、測(cè)試技術(shù)中應(yīng)用非常廣泛。模擬式濾波器數(shù)字式濾波器 按選頻作用分：低通、高通、帶通、帶阻 無(wú)源濾波器有源濾波器 截止頻率，帶寬（通帶、阻帶） 理想低通濾波器在帶寬內(nèi)滿足不失真條件。 理想濾波器的物理不可實(shí)現(xiàn)。通帶寬大小對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響濾波器的分辨率與測(cè)量快速性要求相矛盾理想帶通與實(shí)際帶通濾波器的幅頻特性實(shí)際濾波器種類：1、無(wú)源濾波器由無(wú)源三元件構(gòu)成RC濾波器的基本特征2、有源濾波器