山东理工大学：《机电工程测试与信号处理》课程教学资源（PPT课件）第5章 信号的调理与记录

心少本程2大星 第5章信号调理、显示与记录 51电桥 52调制与解调 53滤波器 54信号的放大 55测试信号的显示与记录

5.1 电桥 5.2 调制与解调 5.3 滤波器 5.4 信号的放大 5.5 测试信号的显示与记录 1

卢求程1大等 本章教学内容和学习目标 >本章教学内容 ●电桥电路 ●调制与解调 ●滤波器 ●信号的放大 ●信号的显示与记录 >本章学习目标 ●掌握电桥电路、调制与解调、滤波器的作用和基本 原理。 ●掌握信号放大的常用电路及其输出-输入之间的关系 以及各种放大器的特点。 ●了解常用信号显示与纪录装置的工作原理和特点

本章教学内容和学习目标 ➢本章教学内容 ⚫电桥电路 ⚫调制与解调 ⚫滤波器 ⚫信号的放大 ⚫信号的显示与记录 ➢本章学习目标 ⚫掌握电桥电路、调制与解调、滤波器的作用和基本 原理。 ⚫掌握信号放大的常用电路及其输出-输入之间的关系 以及各种放大器的特点。 ⚫了解常用信号显示与纪录装置的工作原理和特点。 2

G也东罪3大军 3 第5章信号调理、显示与记录 >信号调理电路的作用：将传感器输出的信号进行适当 的调理或变换以便满足各种需要（如电阻、电容、电 感等的变化向电压或电流的转换，电荷向电压的转换， 电流、电压等的放大，实现各种运算，便于远距离传 输，便于显示记录，能被计算机接受，变成标准信号， 滤出干扰，转换成控制信号等等)。 >调理电路根据其具体作用有时称为测量电路或转换电 路或变换电路等。 >本章主要学习以下调理电路的工作原理： ●电桥电路 ●调制与解调电路 ●滤波器 ●信号的放大电路 >另外，本章还简要介绍了一些常用的显示和记录装

第5章 信号调理、显示与记录 ➢信号调理电路的作用：将传感器输出的信号进行适当 的调理或变换以便满足各种需要（如电阻、电容、电 感等的变化向电压或电流的转换，电荷向电压的转换， 电流、电压等的放大，实现各种运算，便于远距离传 输，便于显示记录，能被计算机接受，变成标准信号， 滤出干扰，转换成控制信号等等）。 ➢调理电路根据其具体作用有时称为测量电路或转换电 路或变换电路等。 ➢本章主要学习以下调理电路的工作原理： ⚫ 电桥电路 ⚫ 调制与解调电路 ⚫ 滤波器 ⚫ 信号的放大电路 ➢另外，本章还简要介绍了一些常用的显示和记录装置。 3

少末罪子大家 5.1电桥电路 5L直流电桥 Rt△R 512交流电桥 513带感应耦合臂的电桥 4R

5.1.1 直流电桥 5.1.2 交流电桥 5.1.3 带感应耦合臂的电桥 4 Uo Ue

G归末罪3大常 51电桥电路 >作用：电桥电路是电阻式、电容式、电感式等参量型传感 器广泛采用的一种测量电路，其作用是将电阻式、电容式、 电感式等参量型传感器的参量变化转换成电压或电流输出。 >特点：电路简单，具有较高的精度和灵敏度。 >类型： ●按供电电源（也叫激励电源)可分为 。直流电桥—适合于电阻式传感器 ·交流电桥一适合于电阻式、电感式和电容式传感器 ●按测量方式分为 ·偏位法测量电桥一直接测量电桥的输出电压或电流， 如动态电阻应变仪采用的便是偏位法测量方式。本节 主要介绍此种测量方式的原理。 ·零位法测量电桥一在电桥处于平衡的状态下读取被测 量值，如静态电阻应变仪采用的便是零位法测量方式

5.1 电桥电路 ➢作用：电桥电路是电阻式、电容式、电感式等参量型传感 器广泛采用的一种测量电路，其作用是将电阻式、电容式、 电感式等参量型传感器的参量变化转换成电压或电流输出。 ➢特点：电路简单，具有较高的精度和灵敏度。 ➢类型： ⚫按供电电源（也叫激励电源）可分为  直流电桥—适合于电阻式传感器  交流电桥—适合于电阻式、电感式和电容式传感器 ⚫按测量方式分为  偏位法测量电桥—直接测量电桥的输出电压或电流， 如动态电阻应变仪采用的便是偏位法测量方式。本节 主要介绍此种测量方式的原理。  零位法测量电桥—在电桥处于平衡的状态下读取被测 量值，如静态电阻应变仪采用的便是零位法测量方式。 5

卢东程大等 5.1.1直流电桥 直流电桥的基本形式与工作原理 直流电桥的平衡条件 等臂电桥的和差特性 传感器在直流电桥电路中的配置方式 直流电桥的平衡方法 直流电桥的主要特，点

直流电桥的基本形式与工作原理 直流电桥的平衡条件 等臂电桥的和差特性 传感器在直流电桥电路中的配置方式 直流电桥的平衡方法 直流电桥的主要特点 6

511直流电桥 >适合于电阻式传感器（如电阻应变计、热电阻等）。 >基本形式：惠斯登电桥。其带载输出电压为 RR-RR U。=Ubd= 。 (R+RXR+R)+zLRR(R+R)+RR(R+R) ▣直流电桥的空载输出电压 U。=Uba=Ua+Uad=Ua-Ua 6 RRs-RR R2 U。 (R+R2)(R+R4) c Ri 【说明】下述分析过程及结论都 R 是建立在空载输出的基础上。实 际使用时注意负载效应的影响

5.1.1 直流电桥 ➢适合于电阻式传感器（如电阻应变计、热电阻等）。 ➢基本形式：惠斯登电桥。其带载输出电压为 7 R1 R2 R R3 4 I1 I4 Uo b d Ue a c – + o bd ba ad ba da 1 3 2 4 e 1 2 3 4 ( )( ) U U U U U U R R R R U R R R R = = + = − − = + +  直流电桥的空载输出电压 RL 1 3 2 4 o bd e 1 2 3 4 1 2 3 4 3 4 1 2 1 ( )( ) [ ( ) ( )] L R R R R U U U R R R R R R R R R R R R R − = = + + + + + + 【说明】下述分析过程及结论都 是建立在空载输出的基础上。实 际使用时注意负载效应的影响。 I2 I3 IL

卢东程大等 511直流电桥 直流电桥的平衡条件 U、 RR-RRa U。 (R+R2)R+R4) RR=RR,或-或尽- R RR R R2 口直流电桥的电压灵敏度：定 Uo 义为单位电阻的相对变化量 所引起的输出电压大小，即 R3 dU。 S= d(△R/R) 若电桥初始平衡，且△R<<R，,则S≈ U。 △R/R R,一初始电阻值（仁1,2,3,4）

5.1.1 直流电桥  直流电桥的平衡条件 8 1 3 2 4 o e 1 2 3 4 ( )( ) R R R R U U R R R R − = + + 1 4 1 2 1 3 2 4 2 3 4 3 R R R R R R R R R R R R = = = 或 或 o d d( / ) i i U S R R =  o / i i U S R R   Ri—初始电阻值（i=1，2，3，4）  直流电桥的电压灵敏度：定 义为单位电阻的相对变化量 所引起的输出电压大小，即 R1 R2 R R3 4 Uo Ue – + 若电桥初始平衡，且ΔRi<<Ri，则

511直流电桥 >等臂电桥的和差特性（也叫加减特性) 等臂电桥初始电阻值皆为Ro。设R由R变到R+△R, (1~4),则空载输出电压为： R.(AR AR,TAR-AR)+ARAR-ARARU. (2R+△R+△R22R+△R+△R4) (AR-AR:+AR,-AR)+(ARAR,-ARAR)/RU. R(2+△R/R+△R2/R)2+△R3/R+△R4/R) 在△R<<R。（=1,2,3,4)时，忽略分子中的二 次微项和分母中的微项，得到 U。≈ (△R-AR,+△R-AR,U。和差特性表达式 4Ro 此式是使用等臂电桥电路时，合理布置传感器，提 高灵敏度，减小非线性，减小温度误差的理论依据

5.1.1 直流电桥 ➢等臂电桥的和差特性（也叫加减特性） 等臂电桥初始电阻值皆为R0。设Ri由R0变到R0+Ri （i=1～4），则空载输出电压为： 9 0 1 2 3 4 1 3 2 4 o e 0 1 2 0 3 4 ( ) (2 )(2 ) R R R R R R R R R U U R R R R R R  −  +  −  +   −   = +  +  +  +  在Ri<<R0（i=1，2，3，4）时，忽略分子中的二 次微项和分母中的微项，得到 o 1 2 3 4 e 0 1 ( ) 4 U R R R R U R   −  +  −  此式是使用等臂电桥电路时，合理布置传感器，提 高灵敏度，减小非线性，减小温度误差的理论依据。 和差特性表达式 1 2 3 4 1 3 2 4 0 e 0 1 0 2 0 3 0 4 0 ( ) ( ) / (2 / / )(2 / / ) R R R R R R R R R U R R R R R R R R R  −  +  −  +   −   = +  +  +  + 

0上东理￥大等 511直流电桥 举例1：直流等臂电桥接电阻应变式传感器 > >设四个电阻应变计的特性参数相同，标称阻值皆 为R,△R是被测力引起的电阻应变计的电阻变化， △R是温度变化引起的电阻应变计的电阻变化，则 AR=△R3=AR+△R △R2=△R4=-△Rm+△R F RI=Ro+ARI R1(R2) LMH R3(R4) Rs-Ro+AR3 IMH 悬臂梁应变计配置 Ue°

5.1.1 直流电桥 ➢举例1：直流等臂电桥接电阻应变式传感器 ➢设四个电阻应变计的特性参数相同，标称阻值皆 为R0，Rm是被测力引起的电阻应变计的电阻变化， Rt是温度变化引起的电阻应变计的电阻变化，则 10 1 3 m t 2 4 m t = + + R R R R R R R R  =     =  = −  悬臂梁应变计配置 F R1 (R2 ) R3 (R4 ) Uo Ue