机械工程测试技术基础&amp#183;&amp#183;第四章ppt课件

沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院信号的调理与记录信号的调理与记录信号的调理与记录1沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院学习要求 o了解信号调制解调原理o了解模拟信号放大电路原理o了解信号滤波器工作原理 学习要求 了解信号调制解调原理2沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院主要内容 o电桥电桥o调制与解调调制与解调 o滤波器滤波器o信号放大电路信号放大电路 o测试信号的显示与记录测试信号的显示与记录主要内容 电桥3沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电桥电桥问题的提出：问题的提出：EEVxVxV0R2R1R4R3对于电位计式 对于应变片采取分压方法 应变片S=2 时 时 解决的办法：解决的办法：R3、R4产生一个基准的电压差。这时不管多么产生一个基准的电压差。这时不管多么小，都经运算放大提高其幅度。上述的方法就小，都经运算放大提高其幅度。上述的方法就构成了基本的电桥。构成了基本的电桥。一般仪器很难分辨的相对变化电桥问题的提出：EEVxVxV0R2R1R4R3对于电位计式4沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院直流电桥直流电桥当=0 平衡条件：此时称电桥达到了平衡。电桥平衡后，任一桥臂参数变化，平衡破坏。=直流电桥当=0 此时称电桥达到了平衡。电桥平衡后，5沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院直流电桥直流电桥半桥单臂半桥单臂：半半桥单臂臂上式对另外三臂也适用上式对另外三臂也适用分母中有微小电阻，存在一定非线性分母中有微小电阻，存在一定非线性温度影响温度影响 ，则，则Uy=直流电桥半桥单臂：半桥单臂上式对另外三臂也适用Uy=6沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院直流电桥直流电桥半桥双臂：半桥双臂：当有对称应变点时可用两片应变片 代入 代入 灵敏度提高一倍线性度改善了，分母中无微小电阻如有温度T变化时出现。起到了温度被偿作用直流电桥半桥双臂：当有对称应变点时可用两片应变片 代入7沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院直流电桥直流电桥全桥双臂式全桥双臂式：则直流电桥全桥双臂式：则8沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院直流电桥直流电桥 上述方法是在电桥失衡条件下进行的，缺点：上述方法是在电桥失衡条件下进行的，缺点：测量电路要从电桥上取一定电流，产生误差；测量电路要从电桥上取一定电流，产生误差；电源的波动有影响；电源的波动有影响；直流电桥 上述方法是在电桥失衡条件下进行的，缺点：9沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电桥平衡测量法电桥平衡测量法初平衡时 当时调节 电桥平衡测量法初平衡时 时调节 10沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院交流电桥交流电桥 交流电桥的激励电压采用了交流交流电桥的激励电压采用了交流,电桥的四臂可以为电感电桥的四臂可以为电感,电容和电阻，电容和电阻，如果四臂如果四臂 阻抗、电压、电流用复数表阻抗、电压、电流用复数表示，则示，则 平衡条件交流电桥 交流电桥的激励电压采用了交流,平衡条件11沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电容电桥电容电桥电容电桥平衡条件为变极距差动电容传感器时电容电桥电容电桥平衡条件为变极距差动电容传感器时12沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院电感电桥电感电桥 为电感内阻 平衡条件差动电感传感器 则电感电桥 为电感内阻 13沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院调制与解调调制与解调 在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。为了很好地解决缓变信号的放大问题，信息技术中采用了一种对信号进行调制的方为了很好地解决缓变信号的放大问题，信息技术中采用了一种对信号进行调制的方法，即先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，法，即先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。上述信号传输中的变换过程称为最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。上述信号传输中的变换过程称为调制与解调。调制与解调。信号调制的类型，一般正（余）弦调制可分为幅度凋制、频率调制、相位调制三种，信号调制的类型，一般正（余）弦调制可分为幅度凋制、频率调制、相位调制三种，简称为调幅（简称为调幅（AM）、调频（）、调频（FM）、调相（）、调相（PM）。）。调制与解调 在14沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院调制与解调调制与解调 信号调制的类型，一般正（余）弦调制可分为幅度凋制、频率调制、信号调制的类型，一般正（余）弦调制可分为幅度凋制、频率调制、相位调制三种，简称为调幅（相位调制三种，简称为调幅（AM）、调频（）、调频（FM）、调相（）、调相（PM）。）。调幅 调频 调相 放大后再还原为过程放大后再还原为过程解调。解调。调制与解调 信15沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院调幅及其解调调幅及其解调 调幅调幅调制信号与载波相乘 调幅及其解调 调幅调制信号与载波相乘 16沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院调幅及其解调调幅及其解调 调幅波的解调调幅波的解调调幅及其解调 调幅波的解调17沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院调频及其解调调频及其解调 调频调频 调频是利用信号调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波 调频波：(a)锯齿波调频(b)正弦波调频 调频波的瞬时频率可表示为 f0为载波信号频率；df为频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。常用的频率调制法有直接调频法和间接调频法。调频及其解调 调频 调频是利用信号x(t)的幅值18沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院调频及其解调调频及其解调调频调频压控振荡器压控振荡器 调频及其解调调频压控振荡器 19沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院调频及其解调调频及其解调 调频调频利用利用L、C谐振自激振荡器谐振自激振荡器 或者：调频及其解调 调频利用L、C谐振自激振荡器 或者：20沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院调频及其解调调频及其解调 调频波的解调调频波的解调调频及其解调 调频波的解调21沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院滤波器滤波器 M1M1有用信号：与测试目的有关，测试希望得到的信号，如平衡转子的同频振动有用信号：与测试目的有关，测试希望得到的信号，如平衡转子的同频振动 有用信号、干扰噪声和滤波的必要性有用信号、干扰噪声和滤波的必要性 干扰噪声：与测试目的无关的信号，如平衡干扰噪声：与测试目的无关的信号，如平衡 转子时，轴承滚子振动，轴不圆转子时，轴承滚子振动，轴不圆 引起振动。引起振动。要准确地测得 要极大地放大 极大地衰减 滤波器滤波器的工作的工作 滤波器 M1M1有用信号：与测试目的有关，测试希望得到的22沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院滤波器分类滤波器分类 滤波器分类 23沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院滤波器分类滤波器分类 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器 低通滤波器与高通滤波器的串联 低通滤波器与高通滤波器的并联 滤波器分类 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的24沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院理想滤波器的不可实现性理想滤波器的不可实现性 理想低通滤波器的频率响应函数：理想低通滤波器的频率响应函数：其幅频及相频特性曲线 脉冲响应的波形沿横坐标脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸，从图中可以左、右无限延伸，从图中可以看出，在看出，在t=0时刻单位脉冲输时刻单位脉冲输入滤波器之前，即在入滤波器之前，即在t0时，时，滤波器就已经有响应了。显然，滤波器就已经有响应了。显然，这是一种非因果关系，在物理这是一种非因果关系，在物理上是不能实现的。上是不能实现的。理想滤波器的不可实现性 理想低通滤波器的频率响应函数：25沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院实际滤波器实际滤波器 纹波幅度d 截止频率fc 带宽B和品质因数Q值 倍频程选择性W 滤波器因数 表征了滤表征了滤波器的分波器的分辨能力辨能力 表示过表示过渡带变渡带变化快慢化快慢 越接近越接近1，过，过渡带变渡带变化越快化越快 实际滤波器 纹波幅度d 截止频率fc 带宽B和品质因数Q值 26沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院实际滤波器实际滤波器 带宽和建立时间矛盾 B与TS乘积接近为常数，同时提高滤波能力减小（B）与提高反应速度（减小TS）变为不可能。原原则：在：在满足足滤波要求的情况波要求的情况下，尽量放下，尽量放宽B带宽。实际滤波器 带宽和建立时间矛盾 B与TS乘积接27沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器 RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性 电路的微分方程 一阶RC低通滤波器 RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性 28沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院一阶一阶RC高通滤波器高通滤波器RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性 电路的微分方程 一阶RC高通滤波器RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性 电29沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院RC带通滤波器带通滤波器带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联，其电路及其幅频、相频特性带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联，其电路及其幅频、相频特性 H(s)=H1(s)H2(s)H1(s)为高通滤波器的传递函数H2(s)为低通滤波器的传递函数 当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。无源滤波器无源滤波器的缺点：负的缺点：负载性差、载性差、调节困难调节困难RC带通滤波器带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串30沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院有源滤波器有源滤波器 一阶低通 有源滤波器 一阶低通 31沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院有源滤波器有源滤波器 二阶低通 负载性好设计方便优点：有源滤波器 二阶低通 负载性好优点：32沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器 在实际应用中，往往用单一的一阶或二阶F很难达到使用要求。这时需要用多级滤波器串联来实现。即经一级F滤波后，再进入第二级进一步滤波，从而提高滤波效果。巴特沃斯滤波器 在实际应用中，往往用单一的一阶或33沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器 切比雪夫滤波器 34沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院开关电容滤波器开关电容滤波器开关电容滤波器35沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院滤波器串并联滤波器串并联 模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中是一种常用的变换装置。例如带通滤波器用作频谱分析仪中的选频装置；低通滤波器用作数字信号分析系统中的抗频混滤波；高通滤波器被用于声发射检测仪中剔除低频干扰噪声；带阻滤波器用作电涡流测振仪中的陷波器等。恒带宽比带通滤波器 恒带宽带通滤波器 滤波器串并联 模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中36沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院邻接式倍频程滤波器 邻接式倍频程滤波器 37沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院信号放大电路信号放大电路 同相放大器 反相放大器 信号放大电路 同相放大器 反相放大器 38沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院信号放大电路信号放大电路 差动放大 由于差动放大器具有双端输入一单端输出、共模抑制比较高（R1=R2，RF=R3）的特点，通常用作传感放大器或测量仪器的前端放大器。输出电压U0为 差模电压增益为 信号放大电路 差动放大 由于差动放大器具有双端39沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院信号放大电路信号放大电路 交流放大 放大倍数：放大倍数：信号放大电路 交流放大 放大倍数：40沈阳理工大学机械工程学院沈阳理工大学机械工程学院测试信号的显示与记录测试信号的显示与记录测试信号的显示与记录41