機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)4

傳感器輸出信號(hào)的基本形式

1、電信號(hào)，如電壓、電流或電荷量2、電參數(shù)的變化，如電阻、電感和電容等信號(hào)并不能被讀取或者記錄

1、非電壓信號(hào)難以被直接顯示2、信號(hào)太微弱

3、信號(hào)本身還攜帶不期望的信息或噪聲因此，傳感器的輸出信號(hào)尚需經(jīng)過(guò)調(diào)理、放大、濾波等處理，然后被顯示或記錄。第4章信號(hào)的調(diào)理和記錄信號(hào)調(diào)理的目的：便于信號(hào)的傳輸與處理傳感器輸出的信號(hào)很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進(jìn)一步放大。有些傳感器輸出的是電參量，需要轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能進(jìn)行處理。有些傳感器輸出的是電信號(hào)，但信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。本章學(xué)習(xí)要求了解電橋工作原理了解信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理了解信號(hào)濾波器工作原理了解測(cè)試信號(hào)的顯示與記錄

§4.1電橋電阻應(yīng)變片，其電阻的變化量只有0.0001～0.1歐的變化量，如此微小的電阻變化量，是很難用測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量出來(lái)，常用的就是采用一定形式的電橋，將其轉(zhuǎn)換為電壓的變化，再進(jìn)行放大。

電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測(cè)量電路。其輸出既可用指示儀表直接測(cè)量，也可以送入放大器進(jìn)行放大。由于橋式測(cè)量電路簡(jiǎn)單，并具有較高精確度和靈敏度(特點(diǎn)),因此在測(cè)量裝置中被廣泛應(yīng)用。按照其激勵(lì)電壓的性質(zhì)，可分為直流與交流電橋；按照輸出方式，可分為不平衡橋式電路與平衡橋式電路。一、直流電橋基本結(jié)構(gòu)：如圖所示，由四個(gè)阻抗構(gòu)成四個(gè)橋臂。A和C接入直流電源作為電橋的激勵(lì)電源，B和D端為輸出端。在直流電源激勵(lì)下,圖中線(xiàn)路b、d的電勢(shì)相等時(shí),即輸出電壓為0，稱(chēng)為電橋的平衡。此時(shí)橋路電流為：a、b之間與a、d之間電位差：輸出電壓：由此可以看出，若要使電橋平衡，輸出為零，應(yīng)滿(mǎn)足：3、在測(cè)試技術(shù)中，一般根據(jù)工作中電阻值參與變化的橋臂數(shù)可分為單臂電橋連接、半橋式與全橋式聯(lián)接，如圖5－2所示。四個(gè)阻抗臂都感受被測(cè)量的變化稱(chēng)之為全橋。4、輸出特性（1）單臂電橋連接輸出電壓為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，取相鄰兩橋臂電阻相等，即若，則輸出電壓一般

可見(jiàn)，電橋的輸出與激勵(lì)電壓成正比，且在一定條件下，與成正比。靈敏度（2）半橋雙臂接法輸出靈敏度

與半橋單臂相比，靈敏度提高了一倍，電橋的輸出與成完全線(xiàn)性關(guān)系。（3）全橋接法輸出

靈敏度

顯然，電橋接法不同，靈敏度也不同，全橋接法可以獲得最大的靈敏度。5、和差特性當(dāng)輸出所以從這個(gè)等式中我們可以看出：當(dāng)一對(duì)相對(duì)邊感受大小相等、方向相同的信號(hào)時(shí)，電橋輸出不為0，感受大小相等、方向相反的信號(hào)時(shí)，輸出為0。當(dāng)相鄰邊感受大小相等、方向相反的信號(hào)時(shí)，電橋輸出不為0；而感受大小相等、方向相同的信號(hào)時(shí)，輸出為0。因此，我們把相對(duì)邊稱(chēng)為同變輸入端——工作時(shí)接入同變信號(hào)；把相鄰邊稱(chēng)為差變輸入端——工作時(shí)接入差變信號(hào)。這樣電橋才有最大輸出。這就是電橋的和差特性。利用這一特性，通常電橋可用于合理布置應(yīng)變片和連接電橋等，使靈敏度得到提高。6、和差特性的應(yīng)用舉例懸臂梁受彎矩力和拉伸力同時(shí)作用時(shí)，現(xiàn)要求分別測(cè)出彎矩力和拉伸力，應(yīng)該如何布片，如何接橋？分析：懸臂梁在受彎矩力作用時(shí)，上側(cè)面為拉應(yīng)變，下側(cè)面為壓應(yīng)變；在受到拉伸力時(shí)作用時(shí)，上、下側(cè)面均為拉應(yīng)變。利用電橋的和差特性，在測(cè)彎矩力時(shí)，將應(yīng)變片貼于懸臂梁的上、下側(cè)面，同時(shí)在接橋時(shí)把應(yīng)變片接在電橋的相鄰橋臂上，另外兩個(gè)橋臂為固定電阻。這樣，在彎矩力F作用下，dR1=-dR2,同時(shí)dR3=dR4=0,電橋輸出為而在拉伸力作用下，由于dR1=dR2，所以電橋的輸出電壓僅反映的是彎矩力作用的結(jié)果而與拉伸力無(wú)關(guān)。而在測(cè)量拉伸力時(shí)，只要把上、下側(cè)面的應(yīng)變片、連接在電橋的相對(duì)橋臂上即可，這時(shí)電橋的輸出電壓僅反映的是拉伸力作用的結(jié)果而與彎矩力大小無(wú)關(guān)。

4-1、解：1）單臂電橋輸出電壓，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?με時(shí)

當(dāng)應(yīng)變?yōu)?000με時(shí)的輸出電壓為

2）雙臂電橋輸出電壓，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?με時(shí)

當(dāng)應(yīng)變?yōu)?000με時(shí)的輸出電壓為

二、交流電橋

交流電橋采用交流激勵(lì)電壓。電橋的四個(gè)臂可為電感、電容或電阻。電路結(jié)構(gòu)與直流電橋完全一樣，其平衡關(guān)系式在交流電橋中也可適用。把各阻抗用指數(shù)式表示并代入：若此式成立，必須同時(shí)滿(mǎn)足下列兩等式：i為各阻抗角，是各橋臂電流與電壓之間的相位差

Z0i為各阻抗的模

純電阻時(shí)電流與電壓同相位，＝0；電感性阻抗，＞0；電容性阻抗，＜0。交流電橋平衡必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件，即相對(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。圖4－7是一種常用電容電橋：

根據(jù)平衡條件有，上式的實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分分別相等，則有下面兩個(gè)平衡條件：

圖4-5是一種常用電感電橋，電橋平衡條件為：對(duì)于純電阻交流電橋，即使各橋臂均為電阻，但由于導(dǎo)線(xiàn)間存在分布電容，相當(dāng)于在各橋臂上并聯(lián)了一個(gè)電容（圖4-6）。為此，除了有電阻平衡外，還須有電容平衡。三、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的電橋，一般有下列兩種形式。圖4-11a是用于電感比較儀中的電橋，感應(yīng)耦合的繞組W1、W2與阻抗Z3、Z4構(gòu)成電橋的四個(gè)臂。繞組W1、W2相當(dāng)于變壓器的二次邊繞組，這種橋路又稱(chēng)變壓器電橋。平衡時(shí)，指零儀G指零。另一種形式如圖4-8b所示，電橋平衡時(shí)，繞組W1、W2的激磁效應(yīng)互相抵消，鐵心中無(wú)磁通，所以指零儀G指零。帶感應(yīng)耦合臂的電橋與一般電橋比較，具有較高的精確度、靈敏度以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。例：4-2第一問(wèn)答：不能提高靈敏度，因?yàn)榘霕螂p臂時(shí)，其輸出電壓當(dāng)兩橋臂各串聯(lián)電阻應(yīng)變片時(shí)，其電阻的相對(duì)變化量為：即仍然沒(méi)有發(fā)生變化，故靈敏度不變?！?.2調(diào)制與解調(diào)目的：主要解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問(wèn)題。

定義：所謂調(diào)制就是使一個(gè)信號(hào)的某些參數(shù)在另一個(gè)信號(hào)的控制下而發(fā)生變化的過(guò)程。最終從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程，稱(chēng)為解調(diào)。載波調(diào)制信號(hào)調(diào)制波為了進(jìn)行有效的傳輸，必須采用幾百khz以上的高頻振蕩信號(hào)作為載體，將攜帶信息的低頻電信號(hào)“裝載”到高頻振蕩信號(hào)上（調(diào)制），然后經(jīng)天線(xiàn)發(fā)送出去，到了接受端后，再把低頻電信號(hào)從高頻振蕩信號(hào)上卸取下來(lái)（解調(diào)）．不調(diào)制各電臺(tái)發(fā)出的信號(hào)頻率就會(huì)相同，用戶(hù)無(wú)法選擇；通過(guò)調(diào)制，各信號(hào)被搬移到不同的頻率范圍，接收機(jī)可選擇接收，從而實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用。

調(diào)制：把緩變信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）變成高頻交變信號(hào)的過(guò)程

解調(diào)：把高頻交變信號(hào)變成緩變信號(hào)的過(guò)程

載波：未經(jīng)調(diào)制的高頻振蕩信號(hào)

分類(lèi)：

調(diào)制：Modulation調(diào)幅(Amplitudemodulation--AM）調(diào)頻（Frequencymodulation-FM)調(diào)相（Phasemodulation--PM)

調(diào)幅：載波的幅值隨調(diào)制信號(hào)而變化的過(guò)程

調(diào)頻：載波的頻率隨調(diào)制信號(hào)而變化的過(guò)程

調(diào)相：載波的相位隨調(diào)制信號(hào)而變化的過(guò)程4.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)一、原理

調(diào)幅是將一個(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)（載波）與測(cè)試信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）相乘，使高頻信號(hào)的幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化的過(guò)程。調(diào)制器（乘法器）

調(diào)制信號(hào)

載波

調(diào)幅波

以頻率為f0的余弦信號(hào)作為載波進(jìn)行討論一個(gè)函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果，就是將其頻譜圖形由坐標(biāo)原點(diǎn)平移至該脈沖函數(shù)處。二、頻域分析所以，若以高頻余弦信號(hào)作載波，把信號(hào)x(t)和載波信號(hào)相乘，其結(jié)果就相當(dāng)于把原信號(hào)的頻譜圖形由原點(diǎn)平移至載波頻率f0處，其幅值減半。可以看出，所謂調(diào)幅過(guò)程相當(dāng)于頻譜”搬移過(guò)程。

從調(diào)幅原理看，載波頻率必須高于原信號(hào)中的最高頻率才能使已調(diào)波仍保持原信號(hào)的頻譜圖形，不致重疊。

為了減小放大電路可能引起的失真，信號(hào)的頻寬相對(duì)中心頻率（載波頻率）應(yīng)越小越好。

實(shí)際載波頻率常至少數(shù)倍甚至數(shù)十倍于調(diào)制信號(hào)。調(diào)幅：從頻域上：相當(dāng)于頻率的搬遷過(guò)程。從低頻搬遷到高頻。頻譜形狀保持不變（f0>>fm)。從時(shí)域上：用x（t）去控制改變y（t）的幅值，使xm（t）的幅值隨著x（t）的變化而變化，頻率仍與x（t）相同。三、調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法常用的有同步解調(diào)、包絡(luò)檢波和相敏檢波法（一）同步解調(diào)若把調(diào)幅波再次與原載波信號(hào)相乘，則頻域圖形將再一次進(jìn)行“搬移”。若用一個(gè)低通濾波器濾去中心頻率為2f0的高頻成分，那么將可以復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的頻譜（只是其幅值減小為一半，這可用放大處理來(lái)補(bǔ)償），這一過(guò)程稱(chēng)為同步解調(diào)?！巴健敝附庹{(diào)時(shí)所乘的信號(hào)與調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)具有相同的頻率和相位。在時(shí)域分析中也可看到：低通濾波器將頻率為2f0的高頻信號(hào)濾去，則得到：（二）、包絡(luò)檢波（整流檢波）若把調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡(luò)線(xiàn)將具有原調(diào)制信號(hào)的形狀，如圖所示。把該調(diào)幅波進(jìn)行簡(jiǎn)單的半波或全波整流、濾波，并減去所加的偏置電壓就可以恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。這種方法又稱(chēng)作包絡(luò)分析。xm(t)=[A+x(t)]cos2πf0t

（三）、相敏檢波

交變信號(hào)過(guò)零線(xiàn)時(shí)符號(hào)發(fā)生突變（+、-），與之對(duì)應(yīng)的調(diào)幅波相位（與載波比較）也相應(yīng)地發(fā)生180°的相位跳變。利用載波信號(hào)與調(diào)幅信號(hào)比相，便既能反映出原信號(hào)的幅值又能反映其極性。采用相敏檢波時(shí)，對(duì)原信號(hào)可不必再加偏置。這種相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性換向。0~a段：x(t)為正，y(t)和xm(t)同相

當(dāng)載波電壓為正半周時(shí)，因?yàn)橥啵珹、B變壓器次級(jí)端的相位極性相同，載波電壓加到橋路1、3端，D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止。調(diào)幅電壓加到橋路2、4端，D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止。由于D2、D3、D4均屬截止?fàn)顟B(tài)，惟有D1導(dǎo)通。

所以，電流的流向只有一個(gè)可能性

當(dāng)載波電壓為負(fù)半周時(shí)，A、B變壓器次級(jí)端的相位極性同時(shí)改向，載波電壓加到橋路1、3端，D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。調(diào)幅電壓加到橋路2、4端，D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止。由于D1、D2、D4均屬截止?fàn)顟B(tài)，惟有D3導(dǎo)通。

所以，電流的流向只有一個(gè)可能性

可見(jiàn)在0~a段，電流經(jīng)負(fù)載的電流方向始終是由上到下，輸出電壓為正值。去掉了波形中的負(fù)信號(hào)。a~b段：x(t)為負(fù)，y(t)和xm(t)反相

當(dāng)載波電壓為正半周時(shí)，因?yàn)榉聪?，A、B變壓器次級(jí)端的相位極性相反，載波電壓加到橋路1、3端，D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止。調(diào)幅電壓加到橋路2、4端，D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止。由于D1、D3、D4均屬截止?fàn)顟B(tài)，惟有D2導(dǎo)通。

所以，電流的流向只有一個(gè)可能性

當(dāng)載波電壓為負(fù)半周時(shí)，載波電壓加到橋路1、3端，D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。調(diào)幅電壓加到橋路2、4端，D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止。由于D1、D2、D3均屬截止?fàn)顟B(tài)，惟有D4導(dǎo)通。

所以，電流的流向只有一個(gè)可能性

可見(jiàn)在a~b段，電流經(jīng)負(fù)載的電流方向始終是由下到上，輸出電壓為負(fù)值。去掉了波形中的正信號(hào)。調(diào)幅應(yīng)用——?jiǎng)討B(tài)電阻應(yīng)變儀。

ResistanceStrainMeter電阻應(yīng)變儀

利用電阻應(yīng)變片作為傳感元件來(lái)測(cè)量應(yīng)變的專(zhuān)用電子儀器稱(chēng)為電阻應(yīng)變儀。

（按頻率分類(lèi)）

靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（5Hz

）

靜動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀（0~200Hz）

動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀（0~1500Hz）

超動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀（幾十千赫茲）電阻應(yīng)變儀分類(lèi)調(diào)頻是利用信號(hào)x（t）的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說(shuō)調(diào)頻波是一種隨信號(hào)x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波。

4.2.2