傳感器與測試技術第五章課件

1、第5章 信號調理電路5.1測量電橋5.2調制與解調5.3 濾波器5.1 測量電橋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換為電壓或電流輸出的一種測量電路，其輸出既可用指示儀表直接測量，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 在測試技術中，一般根據(jù)工作時電阻值參與變化的橋臂數(shù)將連接方式分為單臂電橋、差動半橋和差動全橋三種，如圖所示。（a）單臂電橋 （b）差動半橋 （c）差動全橋3電橋的加減特性與應用 相鄰橋臂電阻的阻值變化方向相反，相對橋臂電阻的阻值變化方向相同時，電橋輸出

2、反映相加的結果；而相鄰橋臂電阻的阻值變化方向相同，相對橋臂電阻的阻值變化方向相反時，電橋輸出反映相減的結果，這就是電橋的加減特性。 例5-1 橋路溫度補償。如左圖a所示試件，欲測量作用在其上的力F時，采用兩片敏感元件材料、原始電阻值和靈敏系數(shù)都相同的應變片R1和R2。R1貼在試件的測點上，R2貼在與試件材質相同的不受力的補償塊上，如左圖b所示。R1和R2處于相同溫度場中，并按右圖接入電橋的相鄰臂上。 例5-2 在半橋測量中利用加減特性提高測量靈敏度。測量如左圖所示的純彎試件時，應變片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，應變片R1和R3貼

3、在上表面，R2和R4貼在對稱于中性層的下表面，并按圖b組成全等臂電橋。（a）應變片粘貼位置 （b）電橋連接方式5.1.2 交流電橋 交流電橋電路如圖所示，其激勵電壓e0采用交流方式，電橋的四個臂可以是純電阻，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條件：相對兩臂阻抗之模的乘積應相等，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為電容介質損耗的等效電阻。c 欲使電橋達到平衡，必須同時滿足兩個條件，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。 左圖是一種用于動態(tài)應變儀中的具有電阻和電容預調平衡的純電阻電橋。電阻R1、R2和可變電阻R3用來調節(jié)電橋的電阻平衡，改變開關K的位置及調節(jié)可變電阻R35.1.3 帶感應耦合臂的電橋 帶感應耦合臂的電橋是將感應耦合的兩個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，感應耦合繞阻W1、W2（阻抗為Z1、Z2）和阻抗Z3、Z4構成電橋的四個臂，W1、W2相當于變壓器的副邊繞阻，這種橋路又稱為變壓器電橋。當Z1Z3 = Z2Z4時，電橋平衡，指零儀

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

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

7、，最后再將所加直流分量去掉，就可以恢復原調制信號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所示為一開關式全波相敏檢波電路。輸出信號x0(t)如圖b所示。（a）電路圖 （b）波形圖 動態(tài)電阻應變儀是電橋調幅與相敏檢波的典型實例，如圖所示。5.2.2 調頻及其解調 調頻（頻率調制）是利用信號電壓的幅值控制一個振蕩器，振蕩器的輸出是等幅波，但其振蕩頻率和信號電壓成正比。調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 調頻波的解調稱為鑒頻或頻率檢波，相對應的有多種方案。圖為一種簡單的鑒頻電路，該變換通常分兩步完成：第一步先將等幅的調頻波轉換

8、為幅值隨頻率變化的調頻調幅波；第二步檢測幅值的變化，得到原調制信號。（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信號的幅值和相位都不失真，阻帶內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。理想低通濾波器對單位階躍的響應，如圖所示。 （a）無相角滯后，時移t0=0 （b）有相角滯后，時移t00 濾波器的高分辨能力和測量時的快速響應是互相矛盾的。若用濾波的方法企圖從信號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），就需要足夠的時間。若建立時間不夠，就會產生謬誤和假象。5.3.3 實際濾波器1實際濾波器的基本參數(shù) 下圖表示理想帶通（虛線）與實際帶通（粗實線）濾波器的幅頻特性。對于實際濾波器，由于其特性曲線沒有明顯的轉折點，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照圖，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不變系統(tǒng)對輸入信號進行加工和變換，改變輸入序列的頻譜或信號波形，讓有用的信號分量通過，抑制無用的信號分量輸出。數(shù)字濾波器只能處理離散信號。 數(shù)