CH 3 信号的转换与调理 1节

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章 信号的转换与调理,3.1,电桥,3.2,调制与解调,3.3,滤波,3.4,模拟信号与数字信号转换,信号调理的目的：,把来自传感器的信号转换成更适合,进一步,传输与处理,的形式。,传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接传输到显示、记录、分析仪器，需要进一步,放大,，有的还需要进行,阻抗变换,。,有些传感器输出的电信号中混杂有,干扰噪声,，需要去掉噪声，提高信噪比。,为便于信号的,远距离传输,，需要对传感器输出信号进行,调制解调,处理。,激励装置,传,感,器,信,号,调,理,显,示,记,录,观察者,信,号,处,理,被测,对象,常用的信号调理环节有：电桥、放大、滤波、调制解调,。,3.1,电 桥,将传感器输出的电阻、电感、电容等电参量的变化转换为电压或电流的一种测量电路。,按照,激励电源,的性质，分为,直流,电桥,和,交流电桥,。,分类,:,只能测量,电阻,的变化,可以测量,电阻、电感,和,电容,的变化,3.1.1,直流电桥（采用直流电源的电桥）,V,R,1,R,3,R,2,R,4,(2),电桥的平衡条件 ,输出电压,u,0,为零,(1),电桥输出电压,U,ab,与,U,ad,之间的电位差,4,相对臂的电阻乘积相等。,相邻臂的电阻比值相等。,或者,或,3,2,4,1,R,R,R,R,=,直流电桥的连接方式,(a),单臂电桥,(b),双臂电桥,(c),全桥,差动电桥：,相对臂电阻变化符号相同；,相邻臂,电阻变化符号相反。,差动电桥开始处于平衡状态，当各桥臂电阻发生微小变化时电桥,失去平衡,，其输出为,(3),电桥的,灵敏度,一般,R,很小（,R,R,），又由于电桥开始时平衡，即,所以,桥臂电阻,单位相对变化量,引起的输出电压变化量,。,单臂电桥,:,双臂电桥,:,全桥：,实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大,灵敏度,，通常取,桥臂电阻相等（等臂电桥）,，即,在已知,输入电压,及,电阻,的情况下，电桥可以通过,输出电压,的变化测出电阻的变化值。,应变片的灵敏度,电桥,灵敏度,：,则三种接法的灵敏度比,为,124,单臂电桥,:,双臂电桥,:,全桥：,单臂电桥,:,双臂电桥,:,全桥：,3.1.2,交流电桥（采用交流电源的电桥）,以,阻抗,代替电阻，直流电桥平衡条件式可改写为,阻抗的,复指数,形式,(1),交流电桥平衡条件,应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。,i,e,j,j,i,i,Z,Z,=,交流电桥平衡条件为,交流电桥需要两只平衡旋钮，一只调整,阻抗模,，一只调整,阻抗角,。,交流电桥有不同的组合，常用的有,电容电桥,、,电感电桥,，其相邻两臂接入电阻，而另外两臂接入相同性质的阻抗（都是电容或,都是,电感）。,相对两臂,阻抗模乘积,相等，,阻抗角之和,相等。,阻抗,电阻,电抗,感抗,容抗,导纳,电导,电纳,感纳,容纳,取倒数,电容电桥的平衡条件,(b),电感电桥,电感电桥的平衡条件,(a),电容电桥,交流电桥的电源应严格为,单一频率正弦波,交流电桥的平衡条件针对电源只有一个频率的情况下推出的。,当电源有多个频率成分时，得不到平衡条件。,交流电桥要求电源具有良好的,电压波形,和,频率稳定性,。,采用交流电桥时，应注意影响测量误差的一些参数,电桥元件之间的,互感,影响；,无感电阻的,残余电抗,；,周边交流电路对电桥的感应作用；,泄漏电阻,以及元件之间、元件与地之间的,分布电容,等。,(2),交流电桥的特点,力是物体之间的相互作用。,各种机械运动是,力,或,力矩,传递的结果，因此力是最重要的物理量之一。,在国际单位制中，力是导出量，,F=ma,。,单位：牛顿（,N,）,补充：力的测量,1.,力的测量方法,静力效应,测力,力的静力效应使物体产生,变形,，通过测定物体的,变形量,或利用与力相关的,物理效应,来确定力值。,例如：用差动变压器、激光干涉等方法来测定弹性体变形；,利用与力有关的物理效应，如压电效应、压磁效应、压阻效应等。,动力效应,测力,力的动力效应使物体产生,加速度,，测定了物体的质量及所获得的加速度就测定了力值。,例如：在重力场中地球的引力使物体产生重力加速度，因而可以用已知质量的物体在重力场某处的重力来体现力值。例如基准测力机等。,2.,应力,(stress),、应变,(strain),的测量,应力、应变测量方法,利用,应变片,测量构件的表面应变，根据应变和应力、力之间的关系，确定构件的受力状态。,应变片布片和组桥方法,（布片组桥）,在应变仪中，,电桥将被测,应变,转化为,电压,输出，再经过放大、相敏检波、,A/D,转换等处理，最后显示被测应变数值。,u,i,R,2,R,3,R,1,R,4,u,o,桥臂电阻,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,在力作用下所产生的阻值变化分别为,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,，若,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,，且只考虑微应变，则：,如果各桥臂,应变片的灵敏度,S,g,相同，则有：,说明：,S,g,应变片的灵敏度；,u,i,供桥电压；,被测件的泊松比；,r,应变仪读数，即指示应变；,待测机械应变。,拉伸（压缩）应变测量,序号,受力状态简图,应变片数量,电桥组合形式,温度补偿情况,电桥输出电压,测量项目及应变值,特点,电桥形式,电桥接法,1,2,半,桥,式,R,1,与,R,2,同,温,拉,(,压,),应变,r,不能消除弯矩的影响,2,2,互,为,补,偿,拉,(,压,),应变,输出电压提高,(1+,),倍，,不能消除弯矩的影响,F,F,R,1,R,2,F,F,R,1,R,2,a,b,c,R,1,R,2,温度补偿片,未画出的应变片布置在不受力的部位或使用相同阻值的固定电阻,序号,受力状态简图,应变片数量,电桥组合形式,温度补偿情况,电桥输出电压,测量项目及应变值,特点,电桥形式,电桥接法,3,4,半,桥,式,R,1,R,2,R,1,R,2,四,片,同,温,拉,(,压,),应变,r,可以消除弯矩的影响,4,4,全,桥,式,拉,(,压,),应变,r,/2,输出电压提高一倍，且,可消除弯矩的影响,F,F,R,1,R,2,R,1,R,2,a,b,c,R,1,R,2,R,1,R,2,a,b,c,d,R,1,R,2,R,1,R,2,（续）,序号,受力状态简图,应变片数量,电桥组合形式,温度补偿情况,电桥输出电压,测量项目及应变值,特点,电桥形式,电桥接法,5,4,半,桥,式,互,为,补,偿,拉,(,压,),应变,输出电压提高,(1+,),倍，且,可消除弯矩的影响,6,4,全,桥,式,拉,(,压,),应变,输出电压提高,2(1+,),倍，且,可消除弯矩的影响,a,b,c,R,1,R,3,R,2,R,4,a,b,c,d,R,1,R,3,R,2,R,4,（续）,F,F,R,1,R,3,R,2,(,R,4,),R,2,R,4,F,F,R,1,(,R,3,),弯曲应变测量,(,以等强度梁为例,),序号,受力状态简图,应变片数量,电桥组合形式,温度补偿情况,电桥输出电压,测量项目及应变值,特点,电桥形式,电桥接法,1,2,半,桥,式,R,1,与,R,2,同,温,弯曲最大应变,r,不能消除拉伸的影响,2,2,互,为,补,偿,弯曲最大应变,输出电压提高,(1+,),倍，不能消除拉伸的影响,a,b,c,R,1,R,2,M,M,R,1,R,2,R,1,R,2,M,M,R,2,R,1,序号,受力状态简图,应变片数量,电桥组合形式,温度补偿情况,电桥输出电压,测量项目及应变值,特点,电桥形式,电桥接法,3,2,半,桥,式,互,为,补,偿,弯曲最大应变,输出电压提高一倍，且可消除拉伸的影响,4,4,全,桥,式,弯曲最大应变,输出电压提高,2(1+,),倍，且可消除拉伸的影响,a,b,c,R,1,R,2,a,b,c,d,R,1,R,4,R,3,R,2,（续）,M,M,R,1,R,1,R,2,(,R,2,),R,1,R,3,R,2,(,R,4,),R,2,R,4,R,1,(,R,3,),M,M,-,-,扭转应变测量,T,T,R,1,R,2,45,45,(a),(b),a,b,R,1,R,2,R,R,c,d,(c),半桥,45,45,拉应力,1,压应力,3,切应力,表面各点均为纯切应力状态,变形形式,需测应变,应变片粘贴位置,电桥连接方法,待测应变,与仪器读数应变,r,间的关系,备注,拉,压,扭,组,合,扭,转,主,应,变,R,1,和,R,2,均为工作片,拉,压,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,均为工作片,复杂受力状况下应变测量,T,T,F,F,R,1,R,2,T,T,F,F,R,1,R,2,R,3,R,4,a,b,c,R,1,R,2,a,b,c,R,2,R,1,R,3,R,4,a,b,c,R,1,R,3,R,4,R,2,d,变形形式,需测应变,应变片粘贴位置,电桥连接方法,待测应变,与仪器读数应变,r,间的关系,备注,扭,弯,组,合,扭,转,主,应,变,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,均为工作片,弯,曲,R,1,、,R,2,均为工作片,a,b,c,R,1,R,2,a,b,c,R,1,R,2,R,3,R,4,d,（续）,T,T,M,M,R,1,R,2,R,3,R,4,T,T,M,M,R,2,R,1,1,=,2,=0,3,=,M,1,3,R,2,R,1,R,3,R,4,M,R,1,R,3,R,2,R,4,A,B,C,A,B,C,R,1,R,3,R,2,R,4,D,u,o,M,M,R,2,R,1,R,3,R,4,如题图所示，在一受拉弯综合作用的构件上贴有四个电阻应变片。设构件上表面的纵向应变为,，试分析各应变片感受的应变，将其值填写在应变表中，并分析如何组桥才能进行下述测试：,(1),只测弯矩，消除拉应力的影响；,(2),只测拉力，消除弯矩的影响,。,解：,(1),设构件上表面因,弯矩,产生的,纵向应变为,，构件材料的泊松比为,，各应变片感受的应变列表如下：,组桥如下，可以只测弯矩，消除拉应力的影响。,（,R,1,与,R,3,相对，,R,2,与,R,4,相对）,(2),设构件上表面因,拉力,产生的,纵向应变为,，构件材料的泊松比为,，各应变片感受的弯应变列表如下：,组桥如下，只测拉力，消除弯矩的影响。,（,R,1,与,R,4,相对，,R,2,与,R,3,相对）,