[农学]南林传感器第五章 -信号的调理与记录.ppt

第5章 信号的调理与记录 概 述 信号的放大与隔离 电 桥 调制与解调 滤 波 信号记录装置 概 述 虽然大多数传感器已经将各种被测量转换为电量，但是传感器的输出由于在信号和种类、强度等方面往往不能直接用于仪表显示、传输、数据处理和在线控制。因此，在采用这些信号之前，必须根据具体要求，对信号的幅值、驱动能力、传输特性、抗干扰能力等进行调理。 本章将讨论信号调理中常见的环节：电桥、信号放大、隔离、滤波、信号调制与解调。 5.1 电 桥 电桥是用来测量参量式传感器的可变电阻、电容或电感的电路，它是将这些参量的变化转换为电压或电流信号的电路。 电桥按其激励电源的类型分为： 1、直流电桥； 2、交流电桥。 由式可见：若R1R3=R2R4，则输出电压为零，此时电桥处于平衡状态。所以直流电桥的平衡条件是R1R3=R2R4。 在测试过程中，根据电桥工作中桥臂电阻值变化的情况可以分为半桥单臂、半桥双臂和全桥等三种联接方式。 （一）一个桥臂电阻有变化 假设桥臂1电阻?R1有变化，成为R1+?R1，则电桥的输出电压为 若取R1=R2=R0，R3=R4=R0’ R0 =R0’ 则 （二） 半桥双臂作用 假设桥臂电阻1和邻边2都有电阻变化?R，即为R1+?R1，R2-?R2，则电桥的输出电压为： 式中?R1=-?R2=?R0 (三) 全桥工作 假设R1=R2=R3=R4=R，其输出电压为 式中?R1=-?R2=?R3=-?R4 则 电桥的自动加减特性 当相对桥臂有同号电阻变化；相邻桥臂有异号电阻变化时，电桥能加。 当相对桥臂有异号电阻变化；相邻桥臂有同号电阻变化时，电桥能减。 下面我们就通过一个实例来应用自动加减特性 下图为一拉伸梁，请用全桥组成电桥电路，并能实现温度的自动补偿，若R1=R2=R3=R4=R。计算电桥输出（设直流电源电压为e0，应变片的灵敏度为S）。 解题 当P力拉伸时，R1R3,受到拉伸，产生正的电阻变化（+ΔR）；R2R4受到压缩，产生负的电阻变化（- ΔR）。代入公式可得： 解题 当温度变化时，由于金属梁是各向同性，各个方向变化均相等。因此，纵向和横向应变片的电阻变化均相同，代入公式可知输出为零。这就意味着温度引起的电阻变化在电桥上自动抵消，即温度自动补偿。 根据线性系统的叠加原理可知： 作业 测力F，不测M。（如下图所示） 要求：实现温度自动补偿，能否避免弯距的影响。 和差特性的应用 问题提出：测力F作用下引起的应变（如下图所示） 要求：实现温度自动补偿，避免弯距的影响。( R1=R2=R3=R4=R ?2F=?4F=?F(+) ?1F=?3F=?’F(-) ?M2=-?M4 ?M2=-?M4 ?T1=?T2=?T3=?T4 ） 方案一、半桥双臂工作 方案二、全桥工作 直流电桥的特点 优点： 1、所需的高稳定直流电源易获得； 2、静态或准静态测量，输出是直流量，使用直流表测量，精度高； 3、连接导线要求低； 4、预调平衡电路简单。 缺点： 1、易引入工频干扰； 2、不适于作动态测试。 二、交流电桥 特点： 1、激励电源为高频交流电源； 2、桥臂可以是纯电阻或交流阻抗。 平衡条件： 5.2 信号的放大与隔离 传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号，其幅值或功率不足以进行后续的转换处理，或驱动指示器、记录器以及各种控制机构，因此需对其进行放大处理。 传感器所处的环境条件、噪声对传感器的影响、测试要求不同，所采用的放大电路的形式和性能指标要求也不一样，如对于数字测试系统要求放大电路增益能程控，对生物电信号以及强电、强电磁干扰环境下信号的放大，需要采用隔离放大技术，以保证人身及设备的安全并降低干扰的影响。 5.2.1　基本放大器 反相与同相放大电路是集成运算放大器两种最基本的应用电路。 1. 反相放大器 输入信号和反馈信号均加在运放的反 相输入端。反相放大器的电压增益为 2. 同相放大器 输入信号加在同相输入端，反馈信号 加在反相输入端。同相放大器的增益为 5.3 调制与解调 调制在时域上时用一个低频信号对一高频信号某一特征参量进行控制。