《机械工程测试技术》
第四章 信号调理、处理和记录
主讲：王建军
山东理工大学?机械工 程学院?测控系
机械工程测试技术基础
第四章 信号的调理与记录
本章学习要求：
1.掌握电桥的工作原理及特性 # 2.掌握信号调制与解调的原理
3.掌握滤波器的分类及其参数
4.了解模拟信号放大电路原理
5. 了解测试信号的显示与记录
第四章
信号调理与记录
★ 信号调理的目的
信号调理的的目的是便于信号的传输、处理与记录。 1. 传感器输出的电信号很微弱，大多数不能 直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需 要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪 声，需要去掉噪声，提高信噪比。 3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要 对传感器测量信进行调制解调处理。
第四章
信号调理与记录
信号调理装置按工作原理有 1°转换器：将传感器输出信号转换成便于传输、 放大、处理的装置。 例如：电桥：可将R、C、L→u或i； D/A：数字量→模拟量 A/D：模拟量→数字量 调制器：对信号进行调制； 解调器：对已调信号进行鉴别并还原。 2°放大器：将信号进行放大。 例如：电压（直流、交流）放大器； 电荷放大器
第四章
信号调理与记录
3°运算器：将信号进行相应的运算，获取所 需信号。 例如：加法器、乘法器、积分器、微分器 4°滤波器：对信号进行滤波处理。 例如：低通滤波器、高通滤波器 5°整流器：对信号进行整流检波处理。 例如：相敏整流器
可见，信号调理环节很多，其功能也很丰富，而这些环节 前期课程已作过详细介绍。所以，本章仅从测试的角度 讨论电桥、调制与解调、滤波器、放大器的基本概念。
第四章
信号调理与记录
载波放大式应变仪的组成及工作原理 载波放大式应变仪由电桥、电桥平衡装置、放大 器、振荡器、相敏检波器、滤波器和稳压电源组成。
?
第四章
信号调理与记录
4.1 电桥
电桥分类： ●按桥压分： 直流电桥； 恒流源电桥； 恒压源电桥 交流电桥
●按输出方式分：
功率电桥（按低阻抗负载） 电压电桥（按高阻抗负载）
4.1 电桥
4.1.1 直流电桥
若：R1=R2=R3=R4=R 全等臂电桥 R1=R2=Ra R3=R4=Rb 对称等臂半桥 R1=R4=Ra R2=R3=Rb 非对称等臂半桥
1、工作原理 ▲ 1) U sc 与R的关系
U sc ? U AB ? U AD U sr U sr ? R1 ? R4 R1 ? R2 R3 ? R4 R1 R3 ? R2 R4 ? U sr ?R1 ? R2 ??R3 ? R4 ?
B
第四章
信号调理与记录
4.1.1 直流电桥 ▲直流电桥平衡（ U sc ? 0）条件：
R1 R4 ? R2 R3
或
R1 ? R3 ? R2 ? R4 ? 0
相对桥臂电阻之积相等。
4.1.1 直流电桥
2) U sc 与?R的关系 设R1 ? ?R, 则 ( R1 ? ?R) R3 ? R2 R4 U sc ? U sr ?R1 ? ?R ? R2 ??R3 ? R4 ? 对全等臂电桥，则 U sr ?R 1 ?R U sc ? U sr ? 4 R ? 2?R 4 R 1 ? ?R 2R U sr ?R ?R 当?R ?? R, U sc ? , U sc ? 4 R R
4.1.1 直流电桥 2、电桥的加减特性
设Ri ? ?Ri , 且Ri ?? ?Ri R1 R4 由U sc ? ( ? )U sr R1 ? R2 R3 ? R4 利用全微分方程可得电 桥输出为 ?U sc ? ?
i ?1 4
?U sc ?Ri ?Ri
? R1 R2 ?R1 R3 R4 ?R3 R3 R4 ?R4 ? R1 R2 ?R2 ?? ? ? ? ?U sr 2 2 2 2 ? ?R1 ? R2 ? R1 ?R1 ? R2 ? R2 ?R3 ? R4 ? R3 ?R3 ? R4 ? R4 ? 若电桥满足初始平衡条 件，则 ? ?R1 ?R2 ?R3 ?R4 ? R1 R2 ? U sc ? U sr ? ? ? ? 2 ? ?R1 ? R2 ? ? R1 R2 R3 R4 ? ?
4.1.1 直流电桥
R1 R4 令： ? ? ? ? ? ? 桥臂电阻比 R2 R3 R3 R4 R1 R2 ? ? ? 2 2 2 ?R1 ? R2 ? ?R3 ? R4 ? ?1 ? ? ? 电桥输出一般表达式为 ? ?R1 ?R2 ?R3 ?R4 ? ? ? U sc ? U sr ? ? ? ? 2 ? ? R R R R ?1 ? ? ? ? 1 2 3 4 ? ?U sc 令： ? 0 ? ? ? 1, U sc 输出最大，所以 ??
4.1.1 直流电桥
可得电桥加减特性表达式（输出一般表达式）
1 ? ?R1 ?R3 ?R2 ?R4 ? U ? ?? ? ? ? ?U ? sc 4 ? R R R R ? sr U sr ? K ?? 1 ? ? 2 ? ? 3 ? ? 4 ? 4
电桥输出公式的使用前提条件： 1）先决条件是：电桥起始是平衡的； 2）无论各电阻如何变化，一定要在平衡点附 近；
4.1.1 直流电桥 电桥加减特性的讨论： ①单臂工作 只有一只电阻R产生ΔR变化时， 电桥输出电压
1 ?R 1 U sc ? ? ? U sr ? ? K ? ? ? U sr 4 R 4
4.1.1 直流电桥 ②双臂工作
▲设R1产生正ΔR的变化，R２产生负ΔR的变化， 且变化的绝对值相等；
? 即 ?1 ? ，
? 2 ? ?， ? ?3 ?0 ， ，
?4 ? 0
1 ?R 1 电桥输出 U sc ? ? ? U sr ? ? K ? ? ? U sr 2 R 2
▲若R1，R２产生ΔR的绝对值相等，符号相 同时，即 ? 1 ? ， ,则 =0，电桥无输 ?Usc ? 2 ?? 出，两工作臂的作用互相抵消。
4.1.1 直流电桥 ③四臂工作 设R1、R3产生正ΔR的变化，R2、R4产生 负ΔR的变化，且ΔR绝对值相等，即R1、R3产 生正应变，R2、R4产生负应变，且应变的绝 对值相等，则电桥的输出
?R U sc ? ? U sr ? K ? ? ? U sr R
为单臂工作的4倍。
4.1.1 直流电桥
电桥加减特性
说明：虽为直流电桥形式，但对交流电 桥形式也完全适用。
4.1.1 直流电桥
★重要结论：
当相邻桥臂为异号或相对桥臂为同 号的电阻变化时，电桥的输出可相加； 当相邻桥臂为同号或相对桥臂为异号的 电阻变化时，电桥的输出应相减。 ★电桥输出的八字原则:
相邻相减，相对相加。
4.1.1 直流电桥 3、电桥的线性 若△R/R>0.1，用上式计算电桥输出会引起较大 非线性误差。用相对误差表示为
' ? U sc U sc ? U sc ?? ?100% ? ? 1? ' ' ? U sc ? U sc
? ? ? ?100% ? ' 其中：U sc ? ?电桥实际输出电压 U sc ? ?电桥线性输出电压 分析可得
R1 ? ?? R1 ? R2
? ?R1 ?R4 R2 ? ?R2 ?R3 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? R4 R1 ? R2 R3 ?? ? R1
4.1.1 直流电桥
当? ? 1时 1 ? ?R1 ?R2 ?R3 ?R4 ? ? ? ?? ? ? ? ? ? 2? R R R R 2 3 4 ? ? 1 单臂工作时： U sr ?R 1 U ? 4 R 1 ? ?R 2R U sr ?R U sc ? 4 R ? U sc ? 1 ?R ? ? ?? 1 ? ' ? U ? ?100% ? ? 2 R ?100% sc ? ?
' sc
第四章 信号调理、处理与记录 一、选择题 1、在动态测试中，电桥输出量通常采用（ ）。 A ．电阻量 B ．电压量 C ．电流量 D ．电感量 2、直流电桥同一桥臂增加应变片数时，电桥灵敏度将（ ）。 A ．增加 B ．减少 C ．不变 D ．变化不定 3、为提高电桥的灵敏度，可采取的方法是（ ）。 A ．半桥双臂各串联一片电阻应变片 B ．半桥双臂各并联一片电阻应变片 C ．适当提高电桥的电源电压 D ．增大应变片的初始电阻值 4、为了保证实现极距变化型差动电容传感器的差动工作，传感器的两个电容应该（ ）。 A ．并联电路 B ．串联电路 C ．电桥电路 5、电阻应变仪采用交流供电的原因是（ ）。 A ．提高电桥的灵敏度 B ．为了使放大器设计简单，提高电源抗干扰能力 C ．可以使用相敏检波器 6、调制可以看成是调制信号与载波信号（ ）。 A ．相乘 B ．相加 C ．相减 D ．相除 7、在调幅信号的解凋过程中，相敏检波的作用是（ ）。 A ．恢复载波信号 B ．恢复调制信号的幅值和极性 C ．恢复已调制波 D ．恢复调制信号的幅值 8．滤波器的带宽B 和建立时间e T 的乘积是（ ）。 A ．常数 B ．信号频率的函数 C ．随机变量 9．要使RC 低通滤波器的通带加宽，则RC 值应（ ）。 A ．增加 B ．减少 C ．不变 10．在一定条件下RC 带通滤波器实际上是低通滤波器与高通滤波器（ ）。 A ．串联 B ．并联 C ．串并联 D ．叠加 11．将两个中心频率相同的滤波器串联，可以（ ）。 A ．使分析频带扩大 B ．使滤波器的选择性变好，但使相栘增加 C ．幅频、相频都得到改善 12．理想滤波器的滤波因素=λ（ ）。 A ．1 B ．0 C ．-1 D ．不确定 13．若甲滤波器=λ 2.5，乙滤波器=λ 3.5，则滤波器的选择性（ ）。 A ．甲比乙好 B ．乙比甲好 14．滤波器的上下截止频率为2c f ，1c f ，中心频率为0c f ，则它们的关系为（ ）。 A ．210c c c f f f ?= B ．22 10c c c f f f += C ．22 10c c c f f f -=
摘要 信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。是指利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等…)来改变输入的讯号类型并输出之。把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等。信号调理将把数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，这是通过直接连接到广泛的传感器和信号类型来实现的。信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。若信号很小，则要经过放大将信号调理到采集卡能够识别的范围，若信号干扰较大，就要考虑采集之前作滤波了。 关键词：放大器，传感器，滤波，信号采集
1设计任务描述1.1设计题目：信号调理电路 1.2设计要求 1.2.1设计目的 （1）掌握传感器信号调理电路的构成，原理与设计方法（2）熟悉模拟元件的选择，使用方法 1.2.2基本要求 （1）输出幅度在0-3V，线性反应输入信号的幅值 （2）信号的频率范围在50Hz-10KHz （3）匹配的信号源一般复读在100mv，内阻10KΩ左右（4）匹配的负载在100kΩ左右，信号传输的损失尽量小 1.2.3发挥部分 （1）超出上下限的保护电路及指示 （2）电桥信号采集 （3）其他
2设计思路 这次我们小组课程设计的题目是信号调理电路。 信号调理往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。 在初始阶段用一个电压跟随器来发出信号，利用一个电桥收集信号并发出差分电压，选择放大器与传感器正确接口，使放大器与传感器特性匹配，测量应变片传感器通常要通过桥网络，用高精度和非常低漂移(随温度)的精密电压基准驱动放大器A1。这可为桥提供非常精确、稳定的激励源。因为共模电压大约为激励电压的一半，所以被测信号仅仅是桥臂之间小的差分电压。放大器A2、A3、A4必须提供高共模抑制比，所以仅测量差分电压。这些放大器也必须具有低值输入失调电压漂移和输入偏置电流，以使得从传感器能精确地读数。 在电路的输出端接入一个小绿灯，来判定电路的电压是否超出题目要求范围，并由示波器显示激励源的波形
信号调理电路 信号调理电路就是信号处理电路，把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。是指利用内部的电路，如滤波器、转换器、放大器等来改变输入的讯号类型并输出。在实际应用中工业信号有些是高压，过流，浪涌等，不能被系统正确识别，必须调整理清。 信号调理电路原理 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。 模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。 调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。 信号调理电路技术 1.放大 放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟－数字转换器（ADC）的范围，从而提高测量精度和灵敏度。此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号－噪声比。 2.衰减 衰减，即与放大相反的过程，在电压（即将被数字化的）超过数字化仪输入范围时是十分必要的。这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。衰减对于测量高电压是十分必要的。 3.隔离 隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。 4.多路复用 通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。多路复用对于任何高通道数的应用是十分必要的。 5.过滤 滤波器在一定的频率范围内去处不希望的噪声。几乎所有的数据采集应用都会受到一定程度的50Hz或60Hz的噪声（来自于电线或机械设备）。大部分信号调理装置都包括了为最大程度上抑制50Hz或60Hz噪声而专门设计的低通滤波器。 6.激励 激励对于一些转换器是必需的。例如，应变计，电热调节器，和RTD需要外部电压或电流激励信号。通常RTD和电热调节器测量都是使用一个电流源来完成，这个电流源将电阻的变化转换成一个可测量的电压。应变计，一个超低电阻的设备，通常利用一个电压激励源来用于惠斯登（Wheatstone）电桥配置。 7.冷端补偿 冷端补偿是一种用于精确热电偶测量的技术。任何时候，一个热电偶连接至一个数据采
信号调理电路--有源带通滤波器的设计 一、实验目的 1．掌握有源滤波电路的快速设计方法。 2．掌握有源滤波电路的调试及其幅频特性、相频特性、频谱特性的测试、分析方法。 二、设计任务 1．在一工程现场进行信号检测时，对现场采集的信号要进行滤波调理，只需要其中频率为 1ＫＨz的信号，其它频率的信号必须抑制掉。试利用EWB软件设计具有此功能的，Q=3,增益1班K=1、2班K=2、3班K=4、4班K=6、5班K=8的带通滤波器；对设计的电路用EWB进行计算机仿真实验调试；绘出电路图并简述原理。 （40分：设计过程、电路，原理简述20分，仿真实验20分） 2．设计上述滤波器滤波性能检测实验，编制完整实验预备报告。内容包括： ①实验目的；②实验原理说明；③实验任务步骤；④测量数据表格预列；⑤思考：如何绘制分析图表、分析实验结果、编制设计实验结论。 （10分：符合要求10分、少一项减2分） 3．焊接设计电路。 （20分） 4．并进行实验调试，测量相关数据，绘制分析曲线给出设计、实验结论。 编制完整的设计、实验报告。 （30分：其中调成试功20分，参与调试10分；实验结论10分）
参考资料: 以查表归一法快速设计的带通滤波电路（见下面辅导材料） 1．图中所示为一种无限增益多路反馈带通滤波器原理图、幅频特性 2．设计思路 此次课题要求掌握最基本的二阶滤波器快速的设计方法。 要设计RC 滤波器，一般采用查表归一快速的设计方法。 ▲首先根据给定要求的中心频率f c； ▲增益K p； ▲（1）先选择电容的标称值，电容的初始值靠经验决定，通常以下面的数据作参考： f c ≤ 100Hz C = (10-0.1) μF ?c = (100-1000)Hz C = (0.1-0.01) μF ?c = (1-10k)Hz C = (0.01-0.001) μF ?c = (10-1000k)Hz C = (1000-100)pF ?c ≥ 100kHz C = (100-10)pF （2）根据所选择的电容的实际值，再按照下式计算电阻换标系数k k =100/ fc * C 其中?c 的单位为Hz；电容C的单位为μF。 （3）表中查出k＝1 时的电阻值。 （4）再将这些电阻值靠标称的实际电阻值。
第四章 信号调理和记录 教学重点：① 电桥的工作原理 ② 滤波器的分析计算方法 ③ 信号的放大及测试信号的显示与记录 §4－1 电桥 电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路 电桥按其所采用的激励电源的类型可分为直流电桥与交流电桥；按其工作原理可分为偏值法和归零法两种 一、直流电桥 1 、直流电桥平衡条件： 2、在测试中常用的电桥连接形式有：单臂电桥连接、半桥连接与全桥连接 4231R R R R
二、交流电桥 三、带感应耦合臂的电桥：将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成的电桥 §4－2 调制与解调 调制：使一个信号的某些参数，在另一个信号的控制下，而发生变化的过程 载波：前一个信号称为载波，一般为较高频率的交变信号 调制信号：后一信号，一般为缓变的被测信号 已调制信号：最后输出的信号，它一般便于放大和传输 信号的解调：最终从已调制信号中恢复出调制信号的过程 一、幅值调制与解调 1.调幅：将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化． 2.调幅信号的频域分析
一个函数与单位脉冲函数卷积的结果是：将这个函数的波形由坐标原点平移至该脉冲函数处。 3.调幅信号的解调方法
（1）同步解调 若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域的频谱图形将再一 次进行“搬家”，结果是使原信号的频谱图形平移到0和±2f 0的频率处。 （2）包络检波 （3）相敏检波 相敏检波是利用二极管的单向导通作用将电路输出极性互换。其特点是可以鉴别调制信号的极性，所以采用相敏检波时，对调 制信号不必再直流偏置。
测量技术与信号处理考试 一、判断题（对者打√，错者打 ╳ ；每小题1分，共10分） 1、磁电式传感器由于存在运动部分，因此不能用于高频测量。 （ × ） 2、传感器的线性范围越宽，表明其工作量程越大。 （ √ ） 3、半导体应变片的灵敏度比金属应变片高，线性和稳定性也比后者好。 （ × ） 4、平稳随机过程的时间平均统计特征等于该过程的集合平均统计特征。 （ × ） 5、滤波器的带宽表示其频率分辨率，带宽越窄分辨率越高。 （ √ ） 6、由周期信号相互叠加的信号必为周期信号。 （ × ） 7、压电式传感器的电荷灵敏度与外电路（连接电缆、前置放大器）无关，电压灵敏度则受外电路的影。 （ √ ） 8、调制是指利用被测缓变信号来控制或改变高频振荡波的某个参数，使其按被测信号的规律变化，以利 于信号的放大与传输。 （ √ ） 9、如果采样频率不能满足采样定理，就会引起频谱混叠。 （ √ ） 10、理想脉冲信号的频谱为常数，这样的频谱称为均匀谱或者白色谱。 （√ ） 二、单项选择题（每小题2分，共20分） 1、低通滤波器的截止频率是幅频特性值等于( B )时所对应的频率（0A 为0 f 时对应的幅频特性 值）。 A ．2/0A B ．2/0A C ．3/0A D ．4/0A 2、在同步调制与解调中要求载波（ B ）。 A ．同频反相 B ．同频同相 C ．频率不同、相位相同 D ．频率不同、相位相反 3、周期信号在时域内按时间间隔T s 采样后，其频谱将具有（ A ）特征。 A. 周期、离散 B. 非周期、离散 C. 周期、连续 D. 非周期、连续 4、自相关函数是τ的偶函数，互相关函数是τ的( B )。 A. 奇函数 B. 非奇非偶函数 C. 偶函数 D. 既奇又偶函数 5、A/D 转换器是将（ B ）信号转换成（ D ）信号的装置。
《机械工程测试技术》
第四章 信号调理、处理和记录
主讲：王建军
山东理工大学?机械工 程学院?测控系
机械工程测试技术基础
第四章 信号的调理与记录
本章学习要求：
1.掌握电桥的工作原理及特性 # 2.掌握信号调制与解调的原理
3.掌握滤波器的分类及其参数
4.了解模拟信号放大电路原理
5. 了解测试信号的显示与记录
第四章
信号调理与记录
★ 信号调理的目的
信号调理的的目的是便于信号的传输、处理与记录。 1. 传感器输出的电信号很微弱，大多数不能 直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需 要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪 声，需要去掉噪声，提高信噪比。 3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要 对传感器测量信进行调制解调处理。
第四章
信号调理与记录
信号调理装置按工作原理有 1°转换器：将传感器输出信号转换成便于传输、 放大、处理的装置。 例如：电桥：可将R、C、L→u或i； D/A：数字量→模拟量 A/D：模拟量→数字量 调制器：对信号进行调制； 解调器：对已调信号进行鉴别并还原。 2°放大器：将信号进行放大。 例如：电压（直流、交流）放大器； 电荷放大器
第四章
信号调理与记录
3°运算器：将信号进行相应的运算，获取所 需信号。 例如：加法器、乘法器、积分器、微分器 4°滤波器：对信号进行滤波处理。 例如：低通滤波器、高通滤波器 5°整流器：对信号进行整流检波处理。 例如：相敏整流器
可见，信号调理环节很多，其功能也很丰富，而这些环节 前期课程已作过详细介绍。所以，本章仅从测试的角度 讨论电桥、调制与解调、滤波器、放大器的基本概念。
（二）选择题 1、设有一电路，是工作桥臂，，，是固定电阻，且。工作时，则电 桥输出电压（）。为电桥的电源电压。 （1）（2）（3）（4） 2、调幅过程相当于在时域中将调制信号与载波信号。 （1）相乘（2）相除（3）相加（4）相减 3、电路中鉴频器的作用是。 （1）使高频电压转变成直流电压（2）使电感量转变为电压量（3）使频率变化转变为电压变化（4）使频率转变为电流 4、一选频装置，其幅—频特性在区间近于平直，在区间急剧衰减， 这叫滤波器。 （1）低通（2）高通（3）带通（4）带阻 5、一带通滤波器，其中心频率是，-3dB带宽是，则滤波器的品质因 数等于。 （1）（2）（3）（4） （三）判断对错题（用√或×表示） 1、平衡纯电阻交流电桥须同时调整电阻平衡与电容平衡。（） 2、调幅波是载波与调制信号的叠加。（） 3、带通滤波器的波形因数值越大，其频率选择性越好。（） 4、将高通与低通滤波器串联可获得带通或带阻滤波器。（）（四）简答和计算题 1、何谓电桥平衡？要使直流电桥平衡，桥臂参数应满足什么条件？ 交流电桥应满足什么条件？ 2、调幅波的解调方法有哪几种？ 3、抗混滤波器的作用是什么？它选用何种滤波器？其截止频率如何 确定？ 4、相关滤波器的的基本原理是什么？举例说明其工程应用。 5、以阻值，灵敏度的电阻丝应变片与阻值为的固定电阻组成电桥， 供桥电压，若其负载电阻为无穷大，应变片的应变。 （1）求单臂电桥的输出电压及其灵敏度。 （2）求双臂电桥的输出电压及其灵敏度 6、若为调制信号，为载波，为调幅波（如图所示）
（1）利用傅里叶变换性质说明调幅过程的原理。（2）画出载波与调幅波的双边频谱图。
传感器与信号调理模拟题1 1 为了测量某一电阻器两端的压降，我们考虑两种可供选择的方法：利用精确度为0.1%读数的电压表；利用精确度为0.1%读数的电流表。若电阻器的公差为0.1%，试问哪一种方法更精确？ 1答: dV=RdI+IdR 对于微小变化，可用增量近似代表微分，△V/V=△I/I+△R/R9 利用精确度为0.1%读数的电压表,不确定性为0.1% 利用精确度为0.1%读数的电流表,不确定性为电流测量的不确定性与电阻本身的不确定性的迭加，为0.2% 2 （1） 一个K=2.1的350欧姆应变片被粘贴到铝支柱（E=73GPa ）上。支柱的外径为50mm ，内径为47.5mm 。试计算当支柱承受1000Kg 负荷时电阻的变化。 （2）阐述在单端固支悬臂梁上采用单应变片、双应变片、4应变片的贴法。 2答： （1）△R=RK ε=RKF/AE,代入给定数据，结果为0.52欧姆 （2）在单端固支悬臂梁上粘贴单应变片时，可在梁的合适位置的上表面或下表面粘贴；在单端固支悬臂梁上粘贴双应变片时，可在梁的合适位置的上表面与下表面对称粘贴，形成差动半桥；在单端固支悬臂梁上粘贴四应变片时，可在梁的两个合适位置的上表面和下表面对称粘贴，形成差动全桥； 3 第3题图变极距型电容传感器示意图，试推导其输出特性。采用差动技术带来了哪些优势？ 第3题图 变极距型电容传感器示意图 3答：单一式 初始时 00/d s c ε= 动极板上移d ? 000 001)1(d d c d d d s d d s c ?- = ?- = ?-= εε 差动式 )1/(01ds d c c ?- =
) 1/( 2d d c c ? + = r d d d c c c c ε/ 2 1 1 2 1 2 1 + ? = + - 采用差动技术，提高灵敏度、降低非线性、提高抗共模干扰的能力。 4第4题图是变气隙型自感传感器示意图，推倒其传感特性表达式 第4题图变气隙型自感传感器示意图 4答：自感表达式I N L φ = 其中m R NI = φ δ R R R F m + = F F F F A l R μ = A R 2 μ δ δ = 因为0 μ μ>> F 所以δ R R F << ，δ R R m ≈ 所以传感器电感 δ μ δ 2 2 2 2A N R N R N L m = ≈ = 当铁心向下位移△δ时，传感器电感为 2 2 1 ) 1( 2 ) (2 δ δ δ δ δ μ δ δ μ ? + = ? + = ? + = L A N A N L 5下图分别是压电传感器与电荷放大器连接的示意图和压电传感器与电压放大器连接的示意图，分别推导其输出电压与传感器受力之间的关系式；如果测量准静态量，应选用哪种接口电路形式？
第四章 信号的调理与记录 4-1 以阻值R =120Ω、灵敏度S g =2的电阻丝应变片与阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为3V ，并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为2με和2000με时，分别求出单臂、双臂电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。 解：这是一个等臂电桥，可以利用等比电桥和差特性表达式求解。 o 1234e 1 ()4U R R R R U R = ?-?+?-? ε=2με时： 单臂输出电压：66o e e 11 22103310V 3μV 44g R U U S U R ε--?= ==????=?= 双臂输出电压：66o e e 11 22103610V 6μV 22 g R U U S U R ε--?===????=?= ε=2000με时： 单臂输出电压：63o e e 11 22000103310V 3mV 44g R U U S U R ε--?= ==????=?= 双臂输出电压：63o e e 11 22000103610V 6mV 22 g R U U S U R ε--?===????=?= 双臂电桥较单臂电桥灵敏度提高1倍。 4-2 有人在使用电阻应变仪时，发现灵敏度不够，于是试图在工作电桥上增加电阻应变片数以提高灵敏度。试问，在下列情况下，是否可提高灵敏度？说明为什么？ 1）半桥双臂各串联一片； 2）半桥双臂各并联一片。 解答：电桥的电压灵敏度为o /U S R R = ?，即电桥的输出电压o R U S R ?=和电阻的相对变化 成正比。由此可知： 1）半桥双臂各串联一片，虽然桥臂上的电阻变化增加1倍，但桥臂总电阻也增加1倍，其电阻的相对变化没有增加，所以输出电压没有增加，故此法不能提高灵敏度； 2）半桥双臂各并联一片，桥臂上的等效电阻变化和等效总电阻都降低了一半，电阻的相对变化也没有增加，故此法也不能提高灵敏度。 4-3 为什么在动态应变仪上除了设有电阻平衡旋钮外，还设有电容平衡旋钮 解答：动态电阻应变仪采用高频交流电给电桥供电，电桥工作在交流状态，电桥的平衡条件为 Z 1Z 3=Z 2Z 4→|Z 1||Z 3|=|Z 2||Z 4|，?1?3=?2?4 由于导线分布、各种寄生电容、电感等的存在，光有电阻平衡是不能实现阻抗模和阻抗角同时达到平衡，只有使用电阻、电容两套平衡装置反复调节才能实现电桥阻抗模和阻抗角同时达到平衡。 4-4 用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变，已知其变化规律为 ε(t )=A cos10t +B cos100t 如果电桥激励电压u 0=E sin10000t ，试求此电桥的输出信号频谱。 解：接成等臂全桥，设应变片的灵敏度为S g ，根据等臂电桥加减特性得到
第四章 信号的调理与记录 4-4 用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变，已知其变化规律为 ε(t )=A cos10t +B cos100t 如果电桥激励电压u 0=E sin10000t ，试求此电桥的输出信号频谱。 解：接成等臂全桥，设应变片的灵敏度为S g ，根据等臂电桥加减特性得到 [][]()()()(cos10cos100)sin100001sin(1010000)sin(1010000)21sin(10010000)sin(10010000)2sin10010sin 9990sin10100sin 990022 o e g e g g g g g R u u S t u S A t B t E t R S EA t t S EB t t S EA S EB t t t t ε?= ==+=+--++--=+++ 幅频图为 4-5 已知调幅波x a (t )=(100+30cos Ωt +20cos3Ωt )cos ωc t ，其中f c =10kHz ，f Ω=500Hz 。试求： 1）x a (t )所包含的各分量的频率及幅值； 2）绘出调制信号与调幅波的频谱。 解：1）x a (t )=100cos ωc t +15cos(ωc -Ω)t +15cos(ωc +Ω)t +10cos(ωc -3Ω)t +10cos(ωc +3Ω)t 各频率分量的频率/幅值分别为：10000Hz/100，9500Hz/15，10500Hz/15，8500Hz/10，11500Hz/10。 2）调制信号x (t )=100+30cos Ωt +20cos3Ωt ，各分量频率/幅值分别为：0Hz/100，500Hz/30，1500Hz/20。 调制信号与调幅波的频谱如图所示。 4-6 调幅波是否可以看作是载波与调制信号的迭加？为什么？ 解答：不可以。因为调幅波是载波幅值随调制信号大小成正比变化，只有相乘才能实现。 4-7 试从调幅原理说明，为什么某动态应变仪的电桥激励电压频率为10kHz ，而工作频率为A 调制信号频谱 A n 调幅波频谱 A n (f
3.6 信号调理电路 由传感器直接输出的信号一般是非常微弱的，不能直接被测量电路所利用，所以要根据不同形式的传感器采取不同的方式对信号进行处理，例如对微弱的信号放大、滤波、变换等等，最终将传感器最初的输出信号调理成能被测量电路所利用的信号。 3.6.1 仪器放大器 仪器放大器（或称数据放大器）是用于测量两个输入端信号之差的集成模块，其放大增益可设定。仪表放大器具有输入阻抗高、失调和温漂小、增益稳定、输出阻抗低等特点，主要用于作热电偶、应变电桥、分流器及生物传感器的接口电路，这种放大器能够将叠加在大共模电压上的小的差模信号进行前置放大。仪表放大器的增益可任意设定，一般有两种方法，一是通过数字量直接控制，另一种是通过外部电位器调节，目前有各种型号的仪器放大器可供选择使用。仪表放大器的功能框图如图3.6.1所示。 仪表放大器 + _ +_ +_ ~~~Vid/2Vid/2Vic + _ 共模信号 差模信号 +Vcc -Vcc U0 RL 参考 增益选择 图 3.6.1 仪表放大器有它自己参考端，这些参考端均于地线相连，可以驱动以地为参考的负载。此外仪表放大器的输入地和输出地都汇集在一点，该点又与电源地相连，这样可以减小电路中接地环路电阻，从而减少因接地电阻带来的影响。下面以AD620为例介绍其典型应用。 AD620是低成本仪表放大器，用户仅通过外接一个电阻，就可以在1~1000倍的增益范围内任意设置放大倍数。该器件具有宽的供电电源范围±2.3V~±18V ，较低的功耗（≤1.3mA ），输入失调电压小于50μV ，输入失调电压温漂小于0.6μV/℃，具有低的噪声输入。其管脚排列如图3.6.2所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 AD620G R IN-IN+-Vcc REF OUT +Vcc G R 图 3.6.2 1、8脚是外接电阻端子，以调节放大倍数；7、4脚是正、负电源端子； 2、3脚是输入电压端；6脚是输出电压端；5脚是参考端，若该端接地，则6脚输出为对地之间的电压。AD620仪表放大器的放大倍数表达式为：14.49+= G R k G 1 基本放大器电路 图3.6.3是AD620组成的基本放大器，根据放大倍数的要求，可以决定出电阻R G 的值。 图中正、负电源对地要加滤波电容。
什么是信号调理？信号调理电路的原理，信号调理模块的功能 [导读] 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。 信号调理电路原理 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。 模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。 调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。 信号调理电路技术 1.放大
放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围，从而提高测量精度和灵敏度。此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。 2.衰减 衰减，即与放大相反的过程，在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。衰减对于测量高电压是十分必要的。 3.隔离 隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。 4.多路复用 通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。多路复用对于任何高通道数的应用是十分必要的。 5.过滤 滤波器在一定的频率范围内去处不希望的噪声。几乎所有的数据采集应用都会受到一定程度的50Hz或60Hz的
第四章 信号调理 （一）填空题 1、 电桥的作用是把电感、电阻、电容的变化转化为 电压或电流 输出的装置。 2、 在桥式测量电路中，按照 激励电压 的性质，电桥可分为直流和交流电桥。 3、 在桥式测量电路中，根据工作时阻抗参与变化的 桥臂数 可将其分为半桥与全桥测量电路。 4、 调幅是指一个高频的正（余）弦信号与被测信号 相乘 ，使高频信号的幅值随被测信号的 变化 而变化。信号调幅波可以看作是载波与调制波的 相乘 。 5、 调频波的解调又称为 鉴频 。 6、 调频是利用信号电压的 幅值 控制一个振荡器，使其输出为等幅波，而 频率 与信号电压成正比。 7、 常用滤波器的上、下截止频率1c f 、2c f 的定义为 幅频特性曲线降为最大值的1/倍是对应的频率为截止频率 ，其带宽B ＝ 21c c f f - ，若为倍频程滤波器1c f 与2c f 的关系为 21c f 。 8、 RC 低通滤波器中RC 值愈 大 ，则上截止频率愈低。 （二）选择题 1、 设有一电路，1R 是工作桥臂，2R ，3R ，4R 是固定电阻，且4321R R R R ===。工作时1112R R R ?+→，则电桥输出电压≈y e （ 2 ）。0e 为电桥的电源电压。 （1）0114e R R ? （2）0112e R R ? （3）011e R R ? （4）01 12e R R ? 2、 调幅过程相当于在时域中将调制信号与载波信号 1 。 （1）相乘 （2）相除 （3）相加 （4）相减 3、 电路中鉴频器的作用是 3 。 （1）使高频电压转变成直流电压 （2）使电感量转变为电压量 （3）使频率变化转变为电压变化 （4）使频率转变为电流