传感器与测试技术第五章.pptxVIP

传感器与测试技术第5章 信号调理电路5.1 测量电桥 电桥是将电阻、电感、电容等电参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路，其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器放大。5.1.1 直流电桥1．电桥的工作原理 右图是直流电桥的基本形式。R1、R2、R3、R4称为桥臂电阻，e0为供桥直流电压源。2．电桥的连接方式 在测试技术中，一般根据工作时电阻值参与变化的桥臂数将连接方式分为单臂电桥、差动半桥和差动全桥三种，如图所示。（a）单臂电桥 （b）差动半桥 （c）差动全桥3．电桥的加减特性与应用 相邻桥臂电阻的阻值变化方向相反，相对桥臂电阻的阻值变化方向相同时，电桥输出反映相加的结果；而相邻桥臂电阻的阻值变化方向相同，相对桥臂电阻的阻值变化方向相反时，电桥输出反映相减的结果，这就是电桥的加减特性。 例5-1 桥路温度补偿。如左图a所示试件，欲测量作用在其上的力F时，采用两片敏感元件材料、原始电阻值和灵敏系数都相同的应变片R1和R2。R1贴在试件的测点上，R2贴在与试件材质相同的不受力的补偿块上，如左图b所示。R1和R2处于相同温度场中，并按右图接入电桥的相邻臂上。 例5-2 在半桥测量中利用加减特性提高测量灵敏度。测量如左图所示的纯弯试件时，应变片R1和R2分别贴于试件的上下两表面，并按右图所示电桥接线。 例5-3 试件受力情况如图a所示，应变片R1和R3贴在上表面，R2和R4贴在对称于中性层的下表面，并按图b组成全等臂电桥。（a）应变片粘贴位置 （b）电桥连接方式5.1.2 交流电桥 交流电桥电路如图所示，其激励电压e0采用交流方式，电桥的四个臂可以是纯电阻，也可以是包含有电容、电感的交流阻抗。 交流电桥平衡必须满足两个条件：相对两臂阻抗之模的乘积应相等，并且它们的阻抗角之和也必须相等，前者称为交流电桥模的平衡条件，后者称为相位平衡条件。 右图是一种常用电容电桥，相邻两臂为纯电阻R2、R3，另外相邻两臂为电容C1、C4。R1、R4为电容介质损耗的等效电阻。c 欲使电桥达到平衡，必须同时满足两个条件，即电阻平衡条件和电容平衡条件 右图是一种常用的电感电桥，相邻两臂为纯电阻R2、R3，另外相邻两臂为电感L1、L4，R1、R4为电感线圈的等效电阻。 左图是一种用于动态应变仪中的具有电阻和电容预调平衡的纯电阻电桥。电阻R1、R2和可变电阻R3用来调节电桥的电阻平衡，改变开关K的位置及调节可变电阻R35.1.3 带感应耦合臂的电桥 带感应耦合臂的电桥是将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成电桥，一般有图中a、b两种形式。C 图a是用于电感比较仪中的电桥，感应耦合绕阻W1、W2（阻抗为Z1、Z2）和阻抗Z3、Z4构成电桥的四个臂，W1、W2相当于变压器的副边绕阻，这种桥路又称为变压器电桥。当Z1Z3 = Z2Z4时，电桥平衡，指零仪G指零。 另一种形式如图b所示，电桥平衡时，绕阻W1、W2两段磁通大小相等、方向相反，激磁效应互相抵消，铁芯中无磁通，指零仪G指零。（b）差动变压器式电桥（a）变压器电桥5.2 调制与解调 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（幅值、频率或相位），使其按被测信号的规律变化，以利于信号的放大与传输。 一般把控制高频振荡波的缓变信号称为调制波；载送缓变信号的高频振荡波称为载波；经过调制的高频振荡波称为已调波，根据调制原理不同，分别称为调幅波、调频波，如图所示。 解调则是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号（调制波）。5.2.1 调幅及其解调1．原理 调幅是将高频正弦或余弦信号（载波）与测量信号（调制波）相乘，使高频载波信号的幅值随测量信号的变化而变化，如右图所示。 调幅过程在时域是调制波与载波相乘的运算；在频域是调制波频谱与载波频谱卷积的运算，是频率“搬移”的过程。（a）时域 （b）频域 若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域信号将再一次进行“搬移”，这次频移是把以坐标原点为中心的已调波频谱搬移至以载波为中心处。由于载波频谱与原来调制时的相同而使第二次“搬移”后的频谱有一部分“搬移”到原点处，所以频谱中包含有与原调制信号相同的频谱和附加的高频频谱两部分，其结果如图所示。同步解调2．包络检波 包络检波在时域内的流程如图所示。调幅波经过包络检波（整流、滤波）就可以恢复偏置后的信号xA(t)，最后再将所加直流分量去掉，就可以恢复原调制信号x(t)。3．相敏检波 相敏检波常用的有半波相敏检波和全波相敏检波。图a所示为一开关式全波相敏检波电路。输出信号x0(t)如图b所示。（a）电路图 （b）波形图 动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例，如图所示。5.2.2 调频及其解调 调频（频率调制）是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器的输出是等幅波，但其振荡频率和信号电压成正比。