《机械工程测试技术》第四章信号调理、处理和记录主讲：王建军山东理工大学∙机械工程学院∙测控系机械工程测试技术基础第四章信号的调理与记录本章学习要求：1.掌握电桥的工作原理及特性#2.掌握信号调制与解调的原理3.掌握滤波器的分类及其参数4.了解模拟信号放大电路原理5.了解测试信号的显示与记录★信号调理的目的信号调理的的目的是便于信号的传输、处理与记录。

1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。

2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，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进行调制解调处理。

信号调理装置按工作原理有1°转换器：将传感器输出信号转换成便于传输、放大、处理的装置。

例如：电桥：可将R、C、L→u或i；D/A：数字量→模拟量A/D：模拟量→数字量调制器：对信号进行调制；解调器：对已调信号进行鉴别并还原。

2°放大器：将信号进行放大。

例如：电压（直流、交流）放大器；电荷放大器3°运算器：将信号进行相应的运算，获取所需信号。

例如：加法器、乘法器、积分器、微分器4°滤波器：对信号进行滤波处理。

例如：低通滤波器、高通滤波器5°整流器：对信号进行整流检波处理。

例如：相敏整流器可见，信号调理环节很多，其功能也很丰富，而这些环节前期课程已作过详细介绍。

所以，本章仅从测试的角度讨论电桥、调制与解调、滤波器、放大器的基本概念。

载波放大式应变仪的组成及工作原理载波放大式应变仪由电桥、电桥平衡装置、放大器、振荡器、相敏检波器、滤波器和稳压电源组成。

第四章信号调理与记录电桥分类：●按桥压分：直流电桥；恒流源电桥；恒压源电桥交流电桥●按输出方式分：功率电桥（按低阻抗负载）电压电桥（按高阻抗负载）4.1 电桥第四章信号调理与记录若：R 1=R 2=R 3=R 4=R 全等臂电桥R 1=R 2=R a R 3=R 4=R b 对称等臂半桥R 1=R 4=R a R 2=R 3=R b 非对称等臂半桥1、工作原理▲4.1.1 直流电桥B()()sr sr sr AD AB sc sc U R R R R R R R RR R R U R R R U U U U R U 43214231443121)1++-=+-+=-=的关系与4.1 电桥▲直流电桥平衡（）条件：3421R R R R =或4231=⋅-⋅R R R R 相对桥臂电阻之积相等。

4.1.1 直流电桥第四章信号调理与记录0=sc U4.1.1 直流电桥()()R R U R R U U R R RRR R U U R R R U U R R R R R R R RR R U R R R U sc sr sc sr sr sc srsc sc ∆∝∆≈<<∆∆+∆=∆+∆=++∆+-∆+=∆→∆,4,211424)(,)2432142311当对全等臂电桥，则则设的关系与2、电桥的加减特性()()()()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-∆+∆-∆+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆+-∆++∆+-∆+=∆∂∂=∆+-+=∆>>∆→∑=4433221122121442434333243432222121112212141i 434211)(,R R R R R R R R U R R R R U U R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R U U U R R R R R R U R R R R sr sc sr iisc sc srsc ii i i 件，则若电桥满足初始平衡条桥输出为利用全微分方程可得电由且设4.1.1 直流电桥()()()()输出最大，所以令：电桥输出一般表达式为桥臂电阻比令：sc scsr sc U U R R R R R R R R U U R R R R R R R R R R R R ,1011443322112224343221213421=⇒=∂∂⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-∆+∆-∆+=+=+=+---==ααααααα4.1.1 直流电桥可得电桥加减特性表达式（输出一般表达式）()432142314sr41sc εεεε-+-=⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-∆-∆+∆⋅=K U U R R R R R R R R U sr 4.1.1 直流电桥电桥输出公式的使用前提条件：1）先决条件是：电桥起始是平衡的；2）无论各电阻如何变化，一定要在平衡点附近；电桥加减特性的讨论：①单臂工作只有一只电阻R 产生ΔR 变化时，电桥输出电压srsr sc 4141U K U R R U ⋅⋅⋅=⋅∆⋅=ε4.1.1 直流电桥②双臂工作▲设R 1产生正ΔR 的变化，R ２产生负ΔR 的变化，且变化的绝对值相等；即，，，，电桥输出▲若R 1，R ２产生ΔR 的绝对值相等，符号相同时，即，,则Usc =0，电桥无输出，两工作臂的作用互相抵消。

εε=1εε-=203=ε04=εsrsr sc 2121U K U R R U ⋅⋅⋅=⋅∆⋅=εεε=1εε=24.1.1 直流电桥③四臂工作设R 1、R 3产生正ΔR的变化，R 2、R 4产生负ΔR的变化，且ΔR绝对值相等，即R 1、R 3产生正应变，R 2、R 4产生负应变，且应变的绝对值相等，则电桥的输出为单臂工作的4倍。

srsr sc U K U RR U ⋅⋅=⋅∆=ε4.1.1 直流电桥4.1.1 直流电桥电桥加减特性说明：虽为直流电桥形式，但对交流电桥形式也完全适用。

4.1.1 直流电桥★重要结论：当相邻桥臂为异号或相对桥臂为同号的电阻变化时，电桥的输出可相加；当相邻桥臂为同号或相对桥臂为异号的电阻变化时，电桥的输出应相减。

★电桥输出的八字原则:相邻相减，相对相加。

3、电桥的线性若△R/R>0.1，用上式计算电桥输出会引起较大非线性误差。

用相对误差表示为⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+∆+∆+∆+-=----⨯⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⨯-=3322124411211''''%1001%100R R R R R R R R R R R R R U U U U U U U sc sc scsc sc scscδδ分析可得电桥线性输出电压电桥实际输出电压其中：%10021%100142114211''44332211⨯∆-=⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∆=∆+∆=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆+∆+∆+∆-==R RU U R R U U RRR R U U R R R R R R R R sc sc sr sc sr scδδα单臂工作时：时当4.电桥的平衡装置在测量前，应将电桥调平衡。

但由于接入电桥的每个应变片不可能绝对相同，各桥臂的连接导线及接触电阻也不可能完全一样，因而需设置电阻平衡装置。

方法：桥臂中串联小阻值电阻。

GUR12345RR RRH半桥或全桥工作时：若组桥合理，（即：相邻臂异号，相对臂同号。

）电桥非线性误差可以大大减少，甚至为零。

而电桥输出增加。

07-3-12#1、交流电桥平衡条件4231Z Z Z Z ⋅=⋅或3421Z Z Z Z =4321044033022011ϕϕϕϕj j j j e Z Z e Z Z e Z Z e Z Z ====()()423104020301ϕϕϕϕ++=j j e Z Z e Z Z ⎩⎨⎧+=+=423104020301ϕϕϕϕZ Z Z Z 4.1.2 交流电桥1、交流电桥平衡条件即：相对桥臂阻抗之积相等。

令：(b)图平衡条件可改写为：相对桥臂电阻之积相等相对桥臂电容、电阻之积相等{1、交流电桥平衡条件4.1.2 交流电桥221142314222311111C R C R R R R R R C R j R R C R j R ==+=+ωω()()εωωωωωωsr sr sr sc sr sc u K R R U C R R C j C C C R R R C R U U C R j C R j R C C Z R R Z Z Z Z C R j R Z Z Z Z Z Z Z Z Z U U 441141Z ,1411111111121212112121221112111111111432111144332211=∆≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+∆-∆-∆+=+∆-∆=∆∂∂+∆∂∂=∆+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-∆+∆-∆=为固定阻抗；、、若：2、交流电桥的输出（以单臂电阻电桥为例）3. 交、直流电桥的异同点(以输出为正电压的单臂电桥为例)★相同点：输出电压的幅值都与被测的信号（应变）成正比；★不同点：直流电桥交流电桥输出的是正或负的直流电压，与应变同频率变化。

输出的是正弦调幅波；从输出电压的正或负，可以判断是拉应变还是压应变。

可通过输出与参考桥压的相位相同或是相反来判断拉、压应变的关系；只要电阻调平衡。

既有电阻调平衡，又有电容调平衡。

4. 交流电桥的调幅作用●以全等臂电桥单臂工作为例。

供桥电源电压为。

（载波信号）（零应变输出）07-1-12#▲当试件受拉伸产生静应变时，电桥输出为t U K u ωεsin 41m sc ⋅⋅⋅=输出波形与电源电压相同，但幅度为电源电压幅值的倍。

4/ε⋅K （静态正应变输出）▲当试件受压产生静的负应变时())180sin(41sin 410m m sc -⋅=-⋅=t U K t U K u ωεωε输出电压波形仍与电源电压相同，但幅度降为电源电压的倍，与受拉相比波形在相位上差了180︒。

4/ε⋅-K（静态负应变输出）当试件受动态应力产生简谐变化应变时,设简谐应变为εN ，则式中、为简谐应变的瞬时值和最大值；Ω为简谐应变的角频率。

输出电压：t Ω=sin m N εεN εm εt U t K u ωεsin sin 41m m sc ⋅⋅Ω⋅⋅=()()tK t U K cos 81cos 81m m m Ω+⋅⋅⋅-Ω-⋅⋅⋅=ωεωε（正弦应变输出）输出波形是在载波上，叠加了一个低频的工作正弦波，载波的波幅由常数Um 变为:m m sin 41U K ⋅Ω⋅⋅⋅ε4.1.2 交流电桥 当动、静态应变同时存在时，电 桥的输出相当于静态应变和动态应 变两种情况的叠加，即u sc  1 1  K    U m  sin t   K   m  U m  cos    t 4 81   K   m  U m  cos    t 8（复杂应变输出）4.1.2 交流电桥结论:输入频率为Ω的正弦信号时，交流电桥 输出的调幅波是由振幅相等而频率分别为 (ω-Ω)和(ω +Ω)的两个波叠加。