1、第四章第四章 信號的加工信號的加工4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 電橋電橋4.3 4.3 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)4.4 4.4 電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變儀4.5 4.5 例題例題4.1 4.1 概述概述 1）信號加工的目的信號加工的目的傳感部分是將被測物理量變化過程的信號轉(zhuǎn)化成為各種電路參數(shù)（如電阻、自感和互感等），或電源性參數(shù)（如電壓、電荷等）形式的信號。為了用信號進(jìn)一步推動顯示、記錄儀器和控制器，或?qū)⒋诵盘栞斎胗?jì)算機(jī)作信號分析和處理，需對傳感器輸出的信號進(jìn)行加工。4.1 4.1 概述概述 2）信號加工的內(nèi)容信號加工的內(nèi)容模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù) 在信號送入計(jì)算機(jī)以前和計(jì)算機(jī)處理

2、后送出時(shí)都要作特殊處理。電橋技術(shù)電橋技術(shù) 將電路性參數(shù)轉(zhuǎn)換為可供傳輸、運(yùn)算、處理、顯示和記錄的電壓或電流信號；調(diào)制與解調(diào)技術(shù)調(diào)制與解調(diào)技術(shù) 使信號在后續(xù)加工過程中處于最佳工作頻段；濾波技術(shù)濾波技術(shù) 在信號中排除噪聲或選出有用部分；非線形校正技術(shù)非線形校正技術(shù) 對在傳感器及后續(xù)環(huán)節(jié)中所出現(xiàn)的一些誤差作必要的補(bǔ)償和校正；4.2 4.2 電橋電橋4.2.1 4.2.1 電橋電路及其分類電橋電路及其分類4.2.2 4.2.2 直流電橋直流電橋4.2.3 4.2.3 電橋特性電橋特性4.2.4 4.2.4 橋路的溫度補(bǔ)償橋路的溫度補(bǔ)償4.2.5 4.2.5 電橋的平衡電橋的平衡4.2.1 4.2.1 電

3、橋電路及其分類電橋電路及其分類 1）電橋電路電橋電路它是由四個(gè)電阻 作為橋橋臂臂,頭尾相接而成。可取一、二或四個(gè)橋臂為應(yīng)變片。四個(gè)電阻的連接點(diǎn)叫做電橋的端點(diǎn)端點(diǎn)。 接電源叫電源端電源端； 接平衡指示器或后續(xù)放大器叫輸出端輸出端；DB、CA、41 RR最簡單的電橋電路如圖5-2所示，稱為惠斯登電橋惠斯登電橋。4.2.1 4.2.1 電橋電路及其分類電橋電路及其分類 2）電橋電路的分類電橋電路的分類 按橋臂應(yīng)變片受應(yīng)變作用不同，可分為單臂工作、雙臂單臂工作、雙臂工作、四臂工作電橋工作、四臂工作電橋； 按輸出端負(fù)載要求不同，可分為電壓輸出電橋電壓輸出電橋和電流輸電流輸出電橋出電橋。 按供橋電源不同，

4、電橋可分為直流電橋直流電橋和交流電橋交流電橋； 按四個(gè)橋臂電阻相等與否，可分為對稱電橋?qū)ΨQ電橋與非對稱電橋非對稱電橋。(1) 等臂電橋等臂電橋， 即(2) 電源端對稱電橋電源端對稱電橋，即(3) 輸出端對稱電橋輸出端對稱電橋，即4321RRRR4321,RRRR4231,RRRR對稱電橋可分為三種形式：4.2.2 4.2.2 直流電橋直流電橋 1 1）直流電壓橋）直流電壓橋2110RRRUUBA假設(shè)輸入端是一個(gè)恒壓源；又假設(shè)輸出端所接負(fù)載內(nèi)阻極大（如接放大器），可視為開路。此時(shí)電橋只有電壓輸出。把整個(gè)電橋分為 和 兩個(gè)支路， 由分壓公式可得 、 兩點(diǎn)電位：ABCBADCD4330RRRUUDA

5、0432132410433211)(URRRRRRRRURRRRRRUUUADBABD故電橋的輸出電壓為：若使電橋輸出電壓 ，即電橋處于平衡狀態(tài)，僅當(dāng)橋臂電阻滿足如下條件0BDU4.2.2 4.2.2 直流電橋直流電橋 2）直流電壓橋的平衡條件它表明，直流電橋的平衡條件直流電橋的平衡條件僅僅是電橋相對臂的電阻乘積相等，而與供橋電壓和電橋負(fù)載無關(guān)。為了保證測量的準(zhǔn)確性，在測量之前應(yīng)使電橋處于平衡狀態(tài)。3241RRRR4321RRRR或假設(shè)電橋初始處于平衡狀態(tài)，當(dāng)橋臂應(yīng)變片受應(yīng)變作用，各橋臂阻值分別有 變化時(shí),電橋的輸出電壓會產(chǎn)生相應(yīng)的變化:4321RRRR、0334424343221122121

6、04243332434222111221244332211)()()()()()(URdRRdRRRRRRdRRdRRRRRUdRRRRdRRRRdRRRRdRRRRdRRUdRRUdRRUdRRUdU4.2.2 4.2.2 直流電橋直流電橋 3）直流電壓橋的微分方程0432132410433211)(URRRRRRRRURRRRRRUBD4.2.2 4.2.2 直流電橋直流電橋 4）直流電壓橋的輸出電壓與應(yīng)變的關(guān)系)()(33224411221021RRRRRRRRRRURRUUBD)()(33224411221021kkkkRRURR考慮到電橋初始平衡條件 且 ,直流電橋的微分方程可簡化為

7、iRR 3241RRRR)(432410KUUUBD若應(yīng)變片的 值均相同，且當(dāng)電橋?yàn)榈缺?或電源端對稱)電橋時(shí)，電橋輸出為：K0334424343221122121)()(URdRRdRRRRRRdRRdRRRRRdU當(dāng)電橋的輸出端所接負(fù)載的輸入阻抗 較小（如電流表或示波器振子）時(shí)，電橋?qū)殡娏鬏敵觯@種橋又稱電流橋或功率橋。 4.2.2 4.2.2 直流電橋直流電橋 5）直流功率橋gR043213241)(URRRRRRRRUUBD43432121RRRRRRRRR)()()()(21434321432103241RRRRRRRRRRRRRURRRRRRUIggg圖5-3是電橋等效電路。圖中

8、：4.2.2 4.2.2 直流電橋直流電橋 6）功率橋的電流輸出當(dāng)負(fù)載阻抗匹配負(fù)載阻抗匹配，即 時(shí)，電橋輸出功率最大。此時(shí)：RRg2)()(20214343213241URRRRRRRRRRRRRUIg)()(2)(233224411432103322441143210KKKKRRRRURRRRRRRRRRRRUIg)(832410RKUIg若電橋?yàn)榈缺垭姌颍瑒t ，此時(shí) KKi4.2.2 4.2.2 直流電橋直流電橋 7）直流電橋的特點(diǎn)不論采用電壓橋或功率橋，當(dāng)滿足 時(shí)，電橋的輸出 均與 成正比； RR IU 或)(324133224411或RRRRRRRR當(dāng)采用功率橋時(shí)，應(yīng)滿足負(fù)載阻抗匹配；

9、電壓橋輸出只與 ，而與原始電阻無關(guān)； iiRR功率橋輸出不僅與 ，而且與原始電阻有關(guān)； iiRR4.2.3 4.2.3 電橋特性電橋特性1）電橋的加減特性當(dāng)橋臂電阻分別產(chǎn)生 變化時(shí)，全等臂電橋的輸出為)(443241032410KURRRRRRRRUUBD 相鄰臂電阻(或應(yīng)變) 變化，同號相減、異號相加； 相對臂電阻(或應(yīng)變) 變化，同號相加、異號相減。4321RRRR、 圖5-4為等強(qiáng)度梁，應(yīng)變片分別貼在梁的上下面，并組成8個(gè)電橋。電橋的輸出規(guī)律為：4.2.3 4.2.3 電橋特性電橋特性 2）橋臂的阻值特性4444000110KURRUnRRnURRUUBD以半等臂電橋?yàn)槔？梢姡?dāng)橋臂應(yīng)

10、變片采用高阻值時(shí)，電橋輸出并未增加。但可以通過提高供橋電壓，增加電橋輸出。(1)工作臂為高阻值當(dāng) 有增量 時(shí)，1RRnRRRnRRR4321,4.2.3 4.2.3 電橋特性電橋特性 2）橋臂的阻值特性44144001010KURRUURRnUnRRUUBDRRniiniiBDi若當(dāng) 有增量 時(shí)，1RniiR1可見，橋臂應(yīng)變片相串聯(lián)，電橋輸出并未增加。但可以通過提高供橋電壓，增加電橋輸出。以半等臂電橋?yàn)槔＃?) 工作臂為應(yīng)變片串聯(lián)RRRnRRR4321,由于取均值輸出，可以消除附加載荷的影響。4.2.3 4.2.3 電橋特性電橋特性 2）橋臂的阻值特性44/44000110KURRUnRnR

11、URRUUBD當(dāng) 橋臂中的n個(gè) 都有增量 時(shí)，1RRR以半等臂電橋?yàn)槔?3) 工作臂為應(yīng)變片并聯(lián)211)(1)(nRRnRRRnRRRRnKURRnUnRnRURRUUBD1414/440020110當(dāng) 橋臂中只有一個(gè) 變化時(shí)1RR可見，橋臂應(yīng)變片相并聯(lián)，電橋輸出并未增加。4.2.3 4.2.3 電橋特性電橋特性3）電橋靈敏度KIRRISKURRUSggIBDBDU或定義為：電橋的輸出電壓（或輸出電流）與被測應(yīng)變在電橋的一個(gè)橋臂上引起的電阻變化率之比：4.2.3 4.2.3 電橋特性電橋特性 4）電橋的橋臂系數(shù)則電橋的輸出可用某一橋臂單獨(dú)輸出的倍數(shù)來表示：iiiiRRRRRRRRRRA儀32413241若令iBDKAUKURRRRRRRRUU4)(4403241032410對某一橋臂的電橋系數(shù)A變某一橋臂所測的真實(shí)應(yīng)i儀器指示的讀數(shù)應(yīng)變儀其中：4.2.4 4.2.4 橋路的溫度補(bǔ)償橋路的溫度補(bǔ)償由于溫度的變化會引起應(yīng)變片電阻值的變化，會給測量結(jié)果帶來相當(dāng)大的誤差，因此必須采取溫度補(bǔ)償措施。在圖5-18中， 是技術(shù)參數(shù)完全相同技術(shù)參數(shù)完全相同的二枚應(yīng)變片，將 （工作片）沿受力方向粘貼在被測構(gòu)件表面上，將 （補(bǔ)償片）貼在材質(zhì)與被測試件相