信号的变换、传输与记录

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,5,章 信号的传输、变换与记录,5.,1,、电桥,电路,5.,2,、放大器与滤波器,5.3,应变仪,5.4,、信号的记录,被测物理量经过传感器变换后转换为电参量或电量以后，为了驱动显示仪表、记录器、控制器或输入电子计算机进行数据处理，往往需要进行某种处理或调制，即进行中间变换与传输。,信号的中间变换环节包括：电桥、滤波、放大、调制和解调,得到被测物理量的测量数据后，必须经过必要的分析，才能得出有价值的结论。因此，数据需要记录。,5.1,、电桥定义及其分类,电桥,-,将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。,分类,：,按照,供桥电源，,可分为：,直流电桥和交流电桥,按照,输出测量方式,可分为：,不平衡桥式电路（偏位法测量）和平衡电桥电路（零位法测量）,4,1,直流电桥,5.1,、电桥定义及其分类,一、直流电桥,1,、直流电桥的平衡条件,根据欧姆定律，,a,、,b,之间与,a,、,d,之间的电位差分别为：,5.1,、电桥定义及其分类,一、直流电桥,1,、直流电桥的平衡条件,输出电压：,当输出电压为零时电桥平衡，此时有：,这种状态称为初始平衡状态。,2,、电桥灵敏度,根据参与电阻值变化的桥臂数目，电桥可分为半桥和全桥接法。,单臂,半桥,全桥,半桥单臂接法。,只有电阻,R,1,随被测物理量的变化而发生变化，此时输出电压为：,半桥单臂,为了简化桥路设计，往往取：,则输出电压变为：,半桥单臂接法。,半桥单臂,因为 ，所以：,电桥灵敏度,单位电阻变化率所对应的输出电压值，即：,单臂电桥的电桥灵敏度为：,全桥,右图所示全桥的输出电压为：,若初始状态：,忽略电阻变化量的高次项，则上式可写成：,3,、电桥的加减特性,上式表明：,R,i,R,时，电桥的输出电压与应变成线性关系。, 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。, 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。, 电桥供电电压,U,越高，输出电压,U,0,越大。但是，当,U,大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。, 增大电阻应变片的灵敏系数,K,，可提高电桥的输出电压。,上一页,返 回,下一页,略去分母中的,R,1,/R,1,项,假设,R,1,/R,1,1,，即作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于,1,时，前置放大器的输入电压,U,im,与,频率无关,。一般认为,/,0,3,，可近似看作输入电压与作用力频率无关。这说明，,在测量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器具有相当好的高频响应特性,。,(,一,),电压放大器,U,i,的幅值,U,im,为,但是，当作用于压电元件的力为静态力（,=0,）时， 前置放大器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器,不能用于静态力的测量,。,A,A,C,a,C,a,R,a,R,i,C,i,C,c,C,R,U,i,U,SC,U,SC,U,a,(,a,),(,b,),U,a,(,一,),电压放大器,当被测动态量变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，会造成传感器灵敏度下降，因而要扩大工作频带的低频端，就必须提高测量回路的时间常数,。但是靠增大测量回路的电容来提高时间常数，会影响传感器的灵敏度。根据传感器电压灵敏度,K,u,的定义得,因为,R,1,，故上式可以近似为,可见，,K,u,与回路电容成反比，增加回路电容必然使,K,u,下降。为此常将,R,i,很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路时间常数越大，则传感器低频响应也越好。当改变连接传感器与前置放大器的,电缆长度,时,C,c,将改变，,必须重新校正灵敏度值,。,(,二,),电荷放大器,电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图。若放大器的开环增益,A,0,足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路,C,F,与,R,F,。由图可知,i,的表达式为：,A,0,C,a,U,U,SC,电荷放大器原理电路图,i,R,a,q,C,F,R,F,(,二,),电荷放大器,根据上式画出等效电路图,A,0,C,a,R,a,R,C,U,SC,U,q,C,F,、,R,F,等效到,A,0,的输入端时，电容,C,F,将增大,(,1,A,0,),倍。电导,1,R,F,也增大了,(,1,A,0,),倍。所以图中,C,=,(,1,A,0,),C,F,；,1,/,R,=,(,1,A,0,),R,F,，这就是所谓,“,密勒效应,”,的结果。,运放输入电压,输出电压,(,二,),电荷放大器,当,A,0,足够大时,传感器本身的,电容,和,电缆长短,将,不影响,电荷放大器的输出。因此输出电压,U,SC,只决定于输入电荷,q,及反馈回路的参数,C,F,和,R,F,。由于,1,R,F,C,F,则,若考虑电缆电容,C,c,，则有,可见当,A,0,足够大时，输出电压与,A,0,无关，只取决于输入电荷,q,和反馈电容,C,F,，改变,C,F,的大小便可得到所需的电压输出。,C,F,一般取值,100,-,10,4,pF,。,(,二,),电荷放大器,运算放大器的开环放大倍数,A,0,对精度有影响，当频率很高时，则,及,由此得,A,0,10,5,。对线性集成运算放大器来说，这一要求是不难达到的。,例,C,a,=1000pF,C,F,=100pF,C,c,=,(,100pF/m,),100m=10,5,pF,当要求,1%,时，则有,则可计算产生的误差为,(,二,),电荷放大器,当工作频率,很低时，分母中的电导,1/,R,a,+(1+,A,0,)/,R,F,与电纳,j,C,a,C,c,(1+,A,0,),C,F,的值相当，电导就不可忽略。此时,A,0,足够大，则,其幅值为,当,1/,R,F,=, C,F,时,可见这是截止频率点的输出电压，增益下降,3dB,时对应的下限截止频率为,(,二,),电荷放大器,可见压电式传感器配用电荷放大器时,其低频幅值误差和截止频率只决定于反馈电路的参数,R,F,和,C,F,其中,C,F,的大小可以由所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工作频带下限截止频率,f,L,时,反馈电阻,R,F,值也可确定。如当,C,F,=1000pF,f,L,=0.16Hz,时,则要求,R,F,10,9,。,U,SC,与,q,间的相位误差：,当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力,F,ma,。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为,运动方向,2,1,3,4,5,纵向效应型加速度,传感器的截面图,（一）,压电式加速度传感器,其结构一般有,纵向效应型,、,横向效应型,和,剪切效应型,三种。纵向效应是最常见的,如图。压电陶瓷,4,和质量块,2,为环型，通过螺母,3,对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座,5,与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极,1,引出。,q,d,33,F,d,33,ma,此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此,一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度,。此外用,增加压电片数目,和采用,合理的连接方法,也可提高传感器灵敏度。,连接方式：图,(,a,),为并联形式，片上的,负极,集中在中间极上，其输出电容,C,为单片电容,C,的两倍，但输出电压,U,等于单片电压,U,，极板上电荷量,q,为单片电荷量,q,的两倍，即,图,(,b,),为串联形式，,正电荷,集中在上极板，,负电荷,集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷,q,等于单,片电荷,q,，而输出电压,U,为单片电压,U,的二倍，总电容,C,为单片电容,C,的一半，即,+,+,(,a,),并联,(,b,),串联,叠层式压电元件,+,+,+,+,并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。,串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。,5.2.2,滤波器,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分,1,滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）,低通,高通,5.2.2,滤波器,带通,带阻,5.2.2,滤波器,滤波器的串,/,并联,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。,5.2.2,滤波器,3,理想滤波器,理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。,f,c,H(f),f,Q(f),5.2.2,滤波器,理想滤波器的,物理不可实现,理想滤波器在时域内的脉冲响应函数,h,（,t,）为,sinc,函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。,给理想滤波器一个脉冲激励，在,t=0,时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。,f,c,H(f),5.2.2,滤波器,4,实际滤波器,理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限,，存在过渡带。,0,f,A,5.2.2,滤波器,0,f,f,c1,f,c2,A,0,0.707A,0,1),截止频率,fc,：,0.707A,0,所对应的频率,d,2),纹波幅度,d,：,绕,幅频特性均值,A,0,波动值,3),带宽,B,和品质因数,Q,：,下两截频间的频率范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数,。,B,Q,=,W,0,/ B,5.2.2,滤波器,4),倍频程选择性,W,指在上截止频率,fc,2,与,2fc,2,之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。,倍频程衰减量以,dB/oct,表示（,Octave,，倍频程）。衰减越快（即,W,值越大），滤波器的选择性越好。,5.2.2,滤波器,5,恒带宽、恒带宽比滤波器,实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。,2),恒带宽比带通滤波器,1),恒带宽带通滤波器,5.2.2,滤波器,1/3,倍频程滤波器,6 RC,无源滤波器,在测试系统中，常用,RC,滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而,RC,滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件 。,1),一阶,RC,低通滤波器,2),一阶,RC,高通滤波器,3) RC,带通滤波器,可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联,产品,LineDa: LTC1564,MAXIM: MAX74xx,模拟滤波器类型,巴特沃兹（,Butterworth filter,）,切比雪夫（,Chebyshev,filter,）,椭圆,（,Elliptic filter,）,贝塞尔,（,Bessel filter,）,巴特沃斯滤波器,n,阶巴特沃斯滤波器,归一化形式,（,c,=1,）,1,阶巴特沃斯滤波器,巴特沃斯,滤波器的,特性：,1,、,=0,处的,最大平坦幅度特性（前,2N-1,阶导数为,0,）,2,、,-3dB,截止频率（参数,c,）,3,、滚降的陡峭度（参数,N,）,幅度响应与相位响应,巴特沃斯滤波器的设计,巴特沃斯滤波器可以由参数,c,和,N,完全确定。可以通过,指定通带截止频率、最小通带幅度、阻带截止频率和最大,阻带波纹来确定这两个参数。,N=4,N=10,N=2,1,Butterworth,滤波器设计举例,(II),切比雪夫滤波器,切比雪夫滤波器,1,型滤波器,：,切比雪夫多项式,：,幅度响应,特点：,1,、通带内具有等波纹；,2,、阻带内单调下降,系统函数：,与巴特沃斯滤波器的主要区别：,1. Butterworth,滤波器频率特性，无论在通带与阻带都随频率而单调变化，因此如果在通带边缘满足指标，则在通带内肯定会有富裕量，也就是会超过指标的要求，因而并不经济。,2.,更有效的方法是将指标的精度要求均匀地分布在通带内，或均匀分布在阻带内，或同时均匀在通带与阻带内，这时就可设计出阶数较低的滤波器。这种精度均匀分布的办法可通过选择具有等波纹特性的逼近函数来完成。,切比雪夫滤波器,2,型滤波器,：,系统函数：,幅度响应,特点：,1,、通带内单调下降；,2,、阻带内具有等波纹,阶数估计：,6,滤波器的应用,超门限报警,案例：,旅游索道钢缆检测,由案例提炼的典型实验：,钢管无损探伤,滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警,电阻应变仪,一,.,电阻应变仪一般介绍,由于电阻应变片的相对变化很小，因此必须设计专门的仪器对上述应变转化成的电阻相对变化进行测量，最后用应变的标度指示出来。该类仪器就是应变仪，它由测量电路和放大器构成。,电桥的读数方法：,（,1,）直接读数法：,将电桥的输出直接或经放大器放大后，用电表读出或用示被器记录。电表的读数或示被器的记录曲线正比于被测量的量值或变化过程,一般动态测试仪器即动态应变都是采用这种读数方法。,1,）机械标定法：,在等强度梁上贴好与测点相同规格的应变片，测量系统的状态维持测试时的状态不变，给梁加载，使它产生一个标准应变，此时应变仪上输出一个大小一定的电信号与该标准应变相对应，以此电信号为基准，来度量对应于被测动应变的电信号所代表的应变值。,缺点：现场使用不方便。,优点：不需要修正。,注意：必须进行标定。,3.,电桥的读数方法,：,1,）机械标定法：,2,）电标定法：,在动态应变仪上专设标定电路，由标定电路给出代表一定应变的电信号，与对应于被测应变的电信号进行比较。,优点：,方便可靠。,桥臂并联标定电阻,标定和测试的示波图,标定应变：,标定电桥法：,电压标定法：,标定精度较高。,（,2,）零读数法：,利用一些调节元件,(,可调电阻,),使电桥恢复平衡，然后记下调节元件的调节量，从而计算被测量的大小。这时，指示电表只起平衡指示作用。,一般静态测试仪器如静态应变仪常采用这种读数方法。,将测量电桥和读数电桥反向串联起来，调整读数桥的桥臂电阻值，使两桥串联后的输出电压等于零。,应变片的灵敏系数,应变仪的灵敏系数,读数应变,双电桥零读数法的原理图,(,三）静态电阻应变仪,静态电阻应变仪由电桥、振荡器、交流放大器、相敏检波器、指示电表等组成,（四）动态电阻应变仪,多采用,交流供桥、载波放大,的形式。,由电桥、标定电路、振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器等组成。,被测应变信号,调幅后输出电压,一般检波器检波,相敏检波器检波,（五）应变仪的使用：,(1),应变仪的选用原则,应变仪的工作频率应大于被测量的最高次谐波分量的频率，以保证不产生幅频失真和相频失真。,应变仪的最大量程应大于被测应变的最大值，并应使其输出不超过最大线性输出量，以保证不产生非线性失真。,应变仪的输出形式应与记录仪相适应，并注意它们之间的阻抗匹配。,对于静态测量，应根据测试精度要求和测试量来选择仪器的分辨率（最小应变读数）和测量点数（配预调平衡箱）。,应变仪的使用：,（,2,）应变仪的操作要点：,按实测需要确定接桥形式，测点与仪器间的连线应采用金属屏蔽线，导线要固定，接地点要正确。,根据被测信号的大小，正确选择衰减器的档位，使其输出既有一定的幅度，又不产生非线性失真。,连接记录器，并注意其阻抗匹配。,对于电标定，其标定应变应根据被测信号的最大值来选用，一般标定应变,2/3,被测最大值,仪器的预调平衡应在,“,预调平衡,”,的档位上进行。,5.3,调制与解调,1,目的,解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。,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。,例：交流电桥,V,in,V,o,R1,R3,R2,R4,5.3,调制与解调,2,种类,调制信号,x(t),0,t,载波信号,z(t),0,t,5.3,调制与解调,a),幅度凋制,(AM),b),频率调制,(FM),c),相位调制,(PM,),5.3,调制与解调,3,幅度调制,调幅是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,缓变信号,调制,高频信号,放大,放大高,频信号,解调,放大缓变信号,5.3,调制与解调,幅度调制与解调过程（波形分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x,m,(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),5.3,调制与解调,幅度调制与解调过程（频谱分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x,m,(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),5.3,调制与解调,幅度调制与解调过程（数学分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x,m,(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),5.3,调制与解调,非抑制调幅,若对信号,x(t),进行偏置，叠加一个直流分量,D,，使偏置后的信号都具有正电压。,5.3,调制与解调,调幅,5.3,调制与解调,解调,二极管检波,低通滤波,5.3,调制与解调,调幅波的波形失真,a,）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则,x(t),的相位将发生,180,。,5.3,调制与解调,b),重叠失真：调幅波是由一对每边为,fm,的双边带信号组成当载波频率,fz,较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求,:,fz,fm,5.3,调制与解调,4,频率调制,调频是利用信号,x(t),的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号,x(t),的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波,.,5.3,调制与解调,5.3,调制与解调,鉴频：,T1,T2,T3,T4,F,5.3,调制与解调,优点：抗干扰能力强。,调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的,20,倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制足一种非线性调制。,因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中,缺点：占频带宽度大，复杂,5.3,调制与解调,案例：,旋转机械扭距测量,5.3,调制与解调,案例：,铁路机车调度,信号检测,调制频率,8.5Hz,，绿灯,调制频率,23.5Hz,，红灯,5.4,信号的指示和记录装置,(Indication and Record Equipments of Signal),信号指示与记录装置是测试系统的最后一个环节，也是进一步了解、分析和研究测量结果的重要环节。,选择指示与记录装置，首先关心的是其响应能力，即能否正确地跟踪测量信号的变化，并把它如实的记录下来（随动系统）。,通常把记录装置对正弦信号的响应能力称为记录装置的频率响应特性，它决定了记录装置的工作频率范围。,信号的指示和记录装置,(2/7),1.,磁光盘记录器,信号的指示和记录装置,(3/7),硬盘：,硬盘存储器主要由磁头、盘片、硬盘驱动器和读,/,写控制电路组成，盘片用铝合金或玻璃等材料制成，其表面涂有磁性材料，硬盘存储器根据磁头和盘片结构的不同可以分为固定磁头硬盘，活动磁头固定盘片硬盘以及活动可换盘片硬盘等几种类型。磁盘的转速有,12 000 r/min,、,7 200,r/min,、,5 400,r/min,等多种，并且朝着转速越来越快的方向发展。,信号的指示和记录装置,(4/7),光盘：,目前常见的光盘储存器是,CD-ROM,和,DVD-ROM,。又可以分为以下几种：只读光盘,(CD-R),、可读写光盘,(rewritable),。其工作原理是把被记录信息经过数字化处理，变成了“,0”,与“,1”,，其对应在光盘上就是沿着盘面螺旋形状信息轨道上的一系列凹点,(pits),和平面,(lands),。所有的凹点都具有相同的深度和长度，其深度约为,0.11,0.13,m,，宽度约为,0.4,0.5,m,，而激光光束能在,1,s,内从,1,m,2,的面积内获得清晰的反射信号。根据其反射回激光的状况，光盘驱动器就能将其解读为“,0”,或“,1”,的数字编码了。,信号的指示和记录装置,(5/7),闪存盘：,便携存储（,USB flash disk,），也称为闪存盘。是采用,USB,接口和闪存（,flash memory,）技术结合的方便携带外观精美时尚的移动存储器，具有可多次擦写、速度快而且防磁、防振、防潮的优点。 最初的闪存盘出现在,1999,年，是由我国朗科（,Netac,）公司研发的，他们把它命名叫“优盘” 。,2.,高速摄像仪,信号的指示和记录装置,滤波器,(6/7),采用小型摄像头以及帧捕获卡高速采集图像以记录快速运动对象的状态。一般地，高速摄像仪每秒可捕获,500,帧,(,即,500 fps),以上的高分辨率图像，并且在降低分辨率的情况下提高捕获图像的帧数，如某台高速摄像仪在降低分辨率的情况下可达到,16 000 fps,。,高速摄像仪把高速数字摄影、控制软件和强大的分析功能与,PC,结合，提供一个完整的高速摄像视频系统。系统具有完善的功能和灵活性，能满足多样运动分析的需求。用于工业测试、体育、汽车工业、自动化生产线检测、军事、医疗等领域的各类高速数字摄影系统。,3.,数字波形存储记录仪,模拟信号转换为数值信号,数值,信号转换为,模拟,信号,信号的指示和记录装置,(7/7),输入的被测信号先经衰减器、放大器变换为符合,A/D,变换器输入范围的信号，经,A/D,变换器进行取样、量化、编码，成为数字码，存储到,RAM,中实现被测信号的数字化存储，数字化存储的信号通过显示驱动显示在显示屏上。,