现代测量技术04095信号的变换、传输与记录

1、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）,41 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。,

2、半桥单臂接法。 只有电阻R1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：, Ri 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U0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R1/R1项 ,假设R1/R11,单臂电桥，即R1桥臂变化R，理想的线性关系,实际输出电压,上一页,返 回,下一页,电桥的相对非线性误差为,2.非线性误

3、差及其补偿,减小非线性误差 采用的措施为：,（1）采用半桥差动电桥,上一页,返 回,下一页,R1R2R3R4=R，R1R2=R,严格的线性关系 电桥灵敏度比单臂时提高一倍 温度补偿作用,上一页,返 回,下一页,输出电压为：,上一页,返 回,下一页,全桥差动电路,全桥,3、电桥的加减特性,当各桥臂应变片的灵敏系数K相同时，上式可写成：,可见，电桥能把各桥臂电阻变化引起的输出电压自动相加减后输出。,（1）等臂电桥（四个桥臂的初始电阻值相等的电桥）,（1）等臂电桥（四个桥臂的初始电阻值相等的电桥）,电桥接法不同，电桥的灵敏度不同；全桥接法可获得最大输出。,（2）串、并联应变片的不等臂电桥,串联：若某桥臂，如R1为n个R0产生同样应变的应变片串联连接，每个应变片产生阻值变化为 ，则：,令 组成单臂为工作应变片的不等臂电桥，其输出电压为：,可见：并没有因为多串联工作应变片而提高电桥的输出电压。但由于串联了应变片，该桥臂阻值增大，使得流过工作应变片的电流减小了，改善了发热状况，并可测均值。,（2）串、并联应变片的不等臂电桥,并联：多片工作应变片并联于桥臂上也不能够改善电桥灵敏度。并联后，每片应变片

4、的电流不减小。,4、电桥特性的应用 （1）利用电桥加减特性对电阻应变片进行温度补偿。 电路补偿法把两个同样的应变片，一片粘贴在试件上，另一片贴在与试件同材料、同温度条件但不受力的补偿件上，作为补偿片。,4、电桥特性的应用 （1）利用电桥加减特性对电阻应变片进行温度补偿。 电路补偿法 根据电桥的加减特性，将这两片应变片接入相邻桥臂上，由于温度的变化，工作片和补偿片上相同的虚假应变产生的电阻变化在桥路中自动抵消，对电桥输出没有影响，因此达到了温度补偿的作用。,上述电桥是在失去平衡时有电压输出，即在不平衡条件下工作，其缺点是当电源电压不稳定，或者环境温度变化时，都会引起电桥输出的变化，产生测量误差。,4、电桥特性的应用 （2）利用电桥特性合理布片与接桥。,当某一桥臂电阻值随被测量变化时，电桥失去平衡，调节可调电位器H，改变电阻R5触点位置，使电桥重新平衡，检流计P指针回零。电位器H上的标度与桥臂电阻的变化成比例，固电位器的指示值可以直接表达被测物理量的数值。这种桥路的特点是在读数时检流计指针始终指零，所以又称为“零位法”。,5、零位测量法,这是一种采用平衡电桥进行测量的方法。 当被测量等于零

5、时，电桥处于平衡状态，此时可调电位器H和检流计P指零。,优点 （1）所需高稳定度的直流电源较易获得，电桥输出是直流，可以使用直流仪表测量； （2）传感器至测量仪表间的连接导线要求较低； （3）电桥的平衡电路简单。 缺点 直流放大器较复杂，易受零漂和接地电位的影响。,6、直流电桥的优、缺点,5.1、电桥定义及其分类,二、交流电桥,1、交流电桥的平衡条件,交流电桥的激励电压为交流电压，四个桥臂可为电感、电容或电阻。以复数阻抗Z代替电阻R，且电流和电压都用复数代替，则交流电桥的平衡条件为：,各阻抗用指数式表示为：,5.1、电桥定义及其分类,二、交流电桥,1、交流电桥的平衡条件,则交流电桥平衡的条件可表示为：,即,式中：Z01、Z02、Z03、Z04各阻抗的模； 阻抗角，是各桥臂电流与电压间的相位差。,右图所示的输出电压为： 采用半桥双臂为工作电阻，并且有分布电容C1、C2，另外两臂为无感电阻，令： 则：,4、分布电容对交流电桥的影响,设：,4、分布电容对交流电桥的影响,则输出电压写为：,可见： （1）由于分布电容存在，电桥输出电压降低； （2）分布电容不平衡，输出电压有一个与供桥电压相位相差

6、90或270的分量使后续放大器的动态范围扩大。 （3）在测量过程中不平衡电容不变时将使输出电压有一与载波相同的分量，数据处理时可设法消除。,5、交流电桥的调平方法 由于引线产生的分布电容的容抗(引线电感忽略)、供电电源的频率及被测应变片的性能差异，交流电桥的初始平衡条件和输出特性都将受到严重影响，因此必须对电桥预调平衡。,交流电桥的平衡可用电阻调整和电容调整或阻容调整的方法。,5.2、放大器与滤波器,5.2.1 放大器 5.2.2 滤波器,由于传感器受到体积、重量、功耗及转换效率等多因素的影响，许多传感器的输出信号都比较微弱，难以直接驱动后继的显示或记录设备，为此需对其进行放大。信号的放大都采用放大器。,5.2.1、放大器,1、放大器的要求,（1）不干扰信号源原有的工作状态； （2）线性好，放大倍数足够大，与输入信号无关； （3）动态响应特性好，无相移，在给顶频率范围，放大器的频率特性为常数； （4）有足够的驱动负载能力，输出信号不能因有负载受到影响。,5.2.1、放大器,2、放大器的概念,目前普遍使用运算放大器，是放大倍数大、多级直接耦合放大的线性集成电路。电路结构为,5.2.1、放

7、大器,3、放大器输入阻抗与输入信号的匹配,如图所示，若放大器输入阻抗为Z1 ，而输入信号源的输出阻抗为Zg时，则放大器的输入电压 u1与信号电压 ug的关系为,用复数表示阻抗为Z1 和Zg,5.2.1、放大器,3、放大器输入阻抗与输入信号的匹配,可得,输入电压的误差为,5.2.1、放大器,3、放大器输入阻抗与输入信号的匹配,因此，为使误差尽可能缩小，放大器输入阻抗与输入信号的阻抗之间必须满足一定关系，这个关系称为放大器输入阻抗与输入信号的匹配。,4、放大器输出阻抗与负载阻抗的匹配,放大器的输出用于推动负载。负载能够得到的驱动功率，取决于放大器的输出阻抗和负载阻抗。 与放大器输入阻抗与输入信号的匹配同样道理，放大器输出阻抗与负载阻抗之间必须满足一定关系，这个关系称为放大器输出阻抗与负载阻抗的匹配。,5.2.1、放大器,4、放大器输出阻抗与负载阻抗的匹配,若放大器输出阻抗为Zy =Ry+jXy，负载阻抗为Zt =Rt+jXt，则负载得到的驱动功率为,5.2.1、放大器,4、放大器输出阻抗与负载阻抗的匹配,因而，当放大器输出阻抗与负载阻抗的关系为共轭复数的情况下，负载获得最大功率。 这种情况

8、就达到了放大器与负载的阻抗匹配。,5.2.1、放大器,分类,放大器,直流放大器,交流放大器,电荷放大器,时间域 频率域 幅度增大 低频保留,高频截止 幅度增大 高频保留,低频截止 电荷增大 Z V,电桥,。,5.2.1、放大器,直流放大电路,1) 反相输入放大器,反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。(等效平衡电阻：Rp=R1/RF),反相放大器是最基本的电路，其闭环电压增益Av为:,2)同相输入放大器,同相放大器具有输入阻抗高而输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。 (等效平衡电阻：Rp=R1/RF),同相放大器也是最基本的电路 ，其闭环电压增益Av为:,3)差动输入放大器,在实际测量中，信号常含有共模成分或从参考地端引入的干扰，这时可采用差动输入放大电路，用来放大输入信号中的差模分量，抑制共模分量。,差模放大倍数：,共模放大倍数：,(为电阻阻值误差),共模抑制比为：,减小，可以显著增大共模抑制比CMRR。,交流放大电路,若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3

9、为隔直电容。,R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定。,测量放大器,在许多测试场合，传感器输出的信号往往很微弱，而且伴随有很大的共模电压（包括干扰电压），一般对这种信号需要采用测量(仪表)放大器。,A1,A2为同相并联型放大器， A3是差动比例放大器； A1,A2增益很大；A3增益较小。 A3大放大的是A1,A2的输出之差，而A1,A2的输出失调是同向的，可以互相抵消。 整个放大器的失调主要由A3本身引起。 因此把A3的增益压低，主要增益由前级担任，这样既可降低输出温漂，又降低了A3的失调电流引起的温漂和输出。,隔离放大器,输入和输出之间没有直接的电路耦合。输入、输出端相互隔离。,强电、强电磁干扰环境下信号的放大，需要采用隔离放大技术，以降低干扰的影响。 该放大器具有极高的共模抑制能力，能对信号进行安全准确的放大，有效防止高压信号对低压测试系统造成的破坏。,压电传感器的测量电路,当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。,其电容量为：,其中： t-晶体厚度,压电传感器的测量电路,当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为：,因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图 (b)。,压电传感器的测量电路,压电传感器的等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源,实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。,压电传感器的测量电路,压电传感器的完整等效电路,当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效电路可表示为：,压电传感器的完整等效电路,Ca传感器的固有电容 Ci 前置放大器输入电容 Cc 连线电容 Ra传感器的漏电阻 Ri前置放大器输入电阻,压电传感器的测量电路,第5章 压电

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