中国石油大学（华东）：《机电信息检测与处理技术》课程教学资源（课件讲稿）第五章 信号变换与调理

机械工程测试枝术基础 第五章信号变换与调理 第五章信号变换与调理 §5.0变换及调理的目的 §5.1电桥 §5.2调制与解调 §5.3滤波器 China university ofpetroleum 中国石油大学机电工程学院

China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院 机械工程测试技术基础 第五章 信号变换与调理 2 第五章 信号变换与调理 §5.0 变换及调理的目的 §5.1 电桥 §5.2 调制与解调 §5.3 滤波器 ▼ ▼ ▼ ▼

机械工程测试枝术基础 第五章信号变换与调理 §5.0变换及调理的目的 →便于信号的传输与处理。 1.被测量经传感器后的输出信号通常是很微弱的电信号或非电压 信号，这些微弱信号或非电压信号难以直接被显示或输入到计算 机进行处理，需要进一步放大。 2.有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需要去除掉噪声， 以提高信噪比。 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号 进行调制、解调处理。 China university ofpetroleum 中国石油大学机电工程学院 3

China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院 机械工程测试技术基础 第五章 信号变换与调理 3 §5.0 变换及调理的目的 →便于信号的传输与处理。 1. 被测量经传感器后的输出信号通常是很微弱的电信号或非电压 信号，这些微弱信号或非电压信号难以直接被显示或输入到计算 机进行处理，需要进一步放大。 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号 进行调制、解调处理。 ▲ 2. 有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需要去除掉噪声， 以提高信噪比

机械工程测试枝术基础 第五章信号变换与调理 §5.1电桥 将电阻R(应变片)、电感L、电容C等参数变为电压或电 流信号后输出的一种测量电路。其输出既可以用于指示仪， 也可以送入放大器中进行信号放大。 >M、c两端接电源U,称供桥端； >b、两端接输出电压U。,称输出端。 惠斯登电桥 桥臂 电桥 China university ofpetroleum 中国石油大学机电工程学院 4

China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院 机械工程测试技术基础 第五章 信号变换与调理 4 §5.1 电 桥 Z1 Z3 Z4 Z2 Uo Ui a b d c 电桥  a、c两端接电源Ui，称供桥端；  b、d两端接输出电压Uo，称输出端。 将电阻R(应变片)、电感L、电容C等参数变为电压ΔU或电 流ΔI信号后输出的一种测量电路。其输出既可以用于指示仪， 也可以送入放大器中进行信号放大。 惠斯登电桥 桥臂

机械工程测试枝术基础 第五章信号变换与调理 1.电桥的分类 >根据桥臂阻抗性质分为 ●电阻电桥 ●电容电桥 ●电感电桥 U 电桥 >根据激励电源类型分为 直流电桥：直流电源一只用于测量电阻的变化。 ●交流电桥：交流电源一测量电阻R、电容C、电感L的变化。 China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院 5

China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院 机械工程测试技术基础 第五章 信号变换与调理 5 Z1 Z3 Z4 Z2 Uo Ui a b d c 电桥  根据桥臂阻抗性质分为  电阻电桥  电容电桥  电感电桥  根据激励电源类型分为  直流电桥: 直流电源—只用于测量电阻R的变化。  交流电桥：交流电源—测量电阻R、电容C、电感L的变化。 1. 电桥的分类

机械工程测试枝术基础 第五章信号变换与调理 2.直流电桥 >采用直流电源的电桥称为直流电桥。 >四个桥臂由电阻R1、R2、R和R组成。使用时，桥臂电阻值作为 输入，电桥有无输出只与被测量引起的电阻变化量有关。 China university ofpetroleum 中国石油大学机电工程学院 6

China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院 机械工程测试技术基础 第五章 信号变换与调理 6 2. 直流电桥  四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。使用时，桥臂电阻值作为 输入，电桥有无输出只与被测量引起的电阻变化量有关。  采用直流电源的电桥称为直流电桥。 V R1 R3 R2 R4

机械工程测试枝术基础 第五章信号变换与调理 (1)平衡条件 电桥的输出：U。= RR-RR (R+R2)(R+R4) 推导 平衡的条件：R1R=R2R4 R+△R R 温敏电阻 U,十△U W U 直流电桥 China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院 7

China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院 机械工程测试技术基础 第五章 信号变换与调理 7 （1）平衡条件 R1·R3 =R2·R4 o Ui R R R R R R R R U ( )( ) 1 2 3 4 1 3 2 4    电桥的输出：  平衡的条件： V R1 R3 R2 R4 推导 温敏电阻 R1 R3 R4 2 I R2 1 I Uo Ui a b d c 直流电桥 R1＋R U0＋U

机械工程测试枝术基础 第五章信号变换与调理 >为了简化设计，R2=R3=R4=R, R,+△R 而R1=R+△R RR;-RR:-U, U,-R+RR,+R） (R+△R)R-RR U (R+△R+RR+R) U △R 直流电桥 4R+2△R >电桥的灵敏度定义为 U,△R 4 Ro (△R<R) Sa= U。U △R/R4 China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院 8

China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院 机械工程测试技术基础 第五章 信号变换与调理 8  为了简化设计，R2 =R3 =R4 =R0 ， 而R1 =R0+R Ui R R R     4 0 2 R1 R3 R4 2 I R2 1 I Uo Ui a b d c 直流电桥 R0＋R U0＋U i o i U R R R R R R R R R R U R R R R R R R R U ( )( ) ( ) ( )( ) 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 3 4 1 3 2 4             0 0 ( ) 4 Ui R R R R       电桥的灵敏度定义为 0 / o B U S R R   4 Ui 

机械工程测试枝木基础 第五章信号变换与调理 6 R±△R R±△R R,干△R R±△B R,△R d U U U 单臂接法 半桥接法 全桥接法 U。≈ Ro U。 ARU, 推导 U.Ra 推导 2Ro U。 U, U。 U, S= U。 =U, △R/R4 △R/R2 △R/R 电桥电路统一表示：U。=KU △R > S= U。-=KU: △R/R China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院9

China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院 机械工程测试技术基础 第五章 信号变换与调理 9 单臂接法 半桥接法 全桥接法 o Ui R R U 2 0   2 Ui  0 / Uo S R R   o Ui R R U 0   Ui 0 / Uo S R R   0 / Uo S R R   4 Ui  o Ui R R U 4 0   0 o i R U KU R   电桥电路统一表示：  0 / o i U S KU R R    推导 推导 R1  R R3 R4 2 I R2 1I Uo Ui a b d c R1  R R3 R4 2 I R2  R 1I Uo Ui a b d c R1  R R3  R R4  R2 I 1I Uo Ui a b d c R2  R

机械工程测试枝术基础 第五章信号变换与调理 说明：半桥双臂接法和全桥接法也称为电桥的差动连接。 R, R RR RR 差动连接的优点： 。提高了电桥的灵敏度； ●极大地改善了电桥固有的非线性； 。可对由温度等因素变化所造成的同极性影响进行补偿（抵消）。 China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院10

China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院 机械工程测试技术基础 第五章 信号变换与调理 10 说明：半桥双臂接法和全桥接法也称为电桥的差动连接。 R1 R2 R4 R3 R1 R2 R3 R4 差动连接的优点： ●提高了电桥的灵敏度； ●极大地改善了电桥固有的非线性； ●可对由温度等因素变化所造成的同极性影响进行补偿（抵消）

机械工程测试枝术基础 第五章信号变换与调理 (2)电桥用于应变片传感器的温度补偿 b R±△ 2△R R+△R B+△R U。= U。=0 2Ro 可以在工作应变片附近同样环境温度变化的地方设置一个并不用于测量应变的、 参数完全相同的补偿应变片，并把它接入与工作应变片相邻的桥臂上。 China university ofpetroleum 中国石油大学机电工程学院1川

China university of petroleum 中国石油大学机电工程学院 机械工程测试技术基础 第五章 信号变换与调理 11 R1 R R3 R4 2 I R2 R 1I Uo Ui a b d c R1  R R3 R4 2 I R2  R 1I Uo Ui a b d c （2）电桥用于应变片传感器的温度补偿 o Ui R R U 2 0   U o  0 可以在工作应变片附近同样环境温度变化的地方设置一个并不用于测量应变的、 参数完全相同的补偿应变片，并把它接入与工作应变片相邻的桥臂上