傳感器輸出信號的基本形式

1、電信號，如電壓、電流或電荷量2、電參數(shù)的變化，如電阻、電感和電容等信號并不能被讀取或者記錄

1、非電壓信號難以被直接顯示2、信號太微弱

3、信號本身還攜帶不期望的信息或噪聲因此，傳感器的輸出信號尚需經(jīng)過調(diào)理、放大、濾波等處理，然后被顯示或記錄。第4章信號的調(diào)理和記錄信號調(diào)理的目的：便于信號的傳輸與處理傳感器輸出的信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大。有些傳感器輸出的是電參量，需要轉(zhuǎn)換成電信號才能進行處理。有些傳感器輸出的是電信號，但信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信號進行調(diào)制解調(diào)處理。本章學(xué)習(xí)要求了解電橋工作原理了解信號調(diào)制解調(diào)原理了解信號濾波器工作原理了解測試信號的顯示與記錄

§4.1電橋電阻應(yīng)變片，其電阻的變化量只有0.0001～0.1歐的變化量，如此微小的電阻變化量，是很難用測量儀器直接測量出來，常用的就是采用一定形式的電橋，將其轉(zhuǎn)換為電壓的變化，再進行放大。

電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測量電路。其輸出既可用指示儀表直接測量，也可以送入放大器進行放大。由于橋式測量電路簡單，并具有較高精確度和靈敏度(特點),因此在測量裝置中被廣泛應(yīng)用。按照其激勵電壓的性質(zhì)，可分為直流與交流電橋；按照輸出方式，可分為不平衡橋式電路與平衡橋式電路。一、直流電橋基本結(jié)構(gòu)：如圖所示，由四個阻抗構(gòu)成四個橋臂。A和C接入直流電源作為電橋的激勵電源，B和D端為輸出端。在直流電源激勵下,圖中線路b、d的電勢相等時,即輸出電壓為0，稱為電橋的平衡。此時橋路電流為：a、b之間與a、d之間電位差：輸出電壓：由此可以看出，若要使電橋平衡，輸出為零，應(yīng)滿足：3、在測試技術(shù)中，一般根據(jù)工作中電阻值參與變化的橋臂數(shù)可分為單臂電橋連接、半橋式與全橋式聯(lián)接，如圖5－2所示。四個阻抗臂都感受被測量的變化稱之為全橋。4、輸出特性（1）單臂電橋連接輸出電壓為了簡化設(shè)計，取相鄰兩橋臂電阻相等，即若，則輸出電壓一般

可見，電橋的輸出與激勵電壓成正比，且在一定條件下，與成正比。靈敏度（2）半橋雙臂接法輸出靈敏度

與半橋單臂相比，靈敏度提高了一倍，電橋的輸出與成完全線性關(guān)系。（3）全橋接法輸出

靈敏度

顯然，電橋接法不同，靈敏度也不同，全橋接法可以獲得最大的靈敏度。5、和差特性當輸出所以從這個等式中我們可以看出：當一對相對邊感受大小相等、方向相同的信號時，電橋輸出不為0，感受大小相等、方向相反的信號時，輸出為0。當相鄰邊感受大小相等、方向相反的信號時，電橋輸出不為0；而感受大小相等、方向相同的信號時，輸出為0。因此，我們把相對邊稱為同變輸入端——工作時接入同變信號；把相鄰邊稱為差變輸入端——工作時接入差變信號。這樣電橋才有最大輸出。這就是電橋的和差特性。利用這一特性，通常電橋可用于合理布置應(yīng)變片和連接電橋等，使靈敏度得到提高。6、和差特性的應(yīng)用舉例懸臂梁受彎矩力和拉伸力同時作用時，現(xiàn)要求分別測出彎矩力和拉伸力，應(yīng)該如何布片，如何接橋？分析：懸臂梁在受彎矩力作用時，上側(cè)面為拉應(yīng)變，下側(cè)面為壓應(yīng)變；在受到拉伸力時作用時，上、下側(cè)面均為拉應(yīng)變。利用電橋的和差特性，在測彎矩力時，將應(yīng)變片貼于懸臂梁的上、下側(cè)面，同時在接橋時把應(yīng)變片接在電橋的相鄰橋臂上，另外兩個橋臂為固定電阻。這樣，在彎矩力F作用下，dR1=-dR2,同時dR3=dR4=0,電橋輸出為而在拉伸力作用下，由于dR1=dR2，所以電橋的輸出電壓僅反映的是彎矩力作用的結(jié)果而與拉伸力無關(guān)。而在測量拉伸力時，只要把上、下側(cè)面的應(yīng)變片、連接在電橋的相對橋臂上即可，這時電橋的輸出電壓僅反映的是拉伸力作用的結(jié)果而與彎矩力大小無關(guān)。

4-1、解：1）單臂電橋輸出電壓，當應(yīng)變?yōu)?με時

當應(yīng)變?yōu)?000με時的輸出電壓為

2）雙臂電橋輸出電壓，當應(yīng)變?yōu)?με時

當應(yīng)變?yōu)?000με時的輸出電壓為

二、交流電橋

交流電橋采用交流激勵電壓。電橋的四個臂可為電感、電容或電阻。電路結(jié)構(gòu)與直流電橋完全一樣，其平衡關(guān)系式在交流電橋中也可適用。把各阻抗用指數(shù)式表示并代入：若此式成立，必須同時滿足下列兩等式：i為各阻抗角，是各橋臂電流與電壓之間的相位差

Z0i為各阻抗的模

純電阻時電流與電壓同相位，＝0；電感性阻抗，＞0；電容性阻抗，＜0。交流電橋平衡必須滿足兩個條件，即相對兩臂阻抗之模的乘積應(yīng)相等，并且它們的阻抗角之和也必須相等。圖4－7是一種常用電容電橋：

根據(jù)平衡條件有，上式的實數(shù)和虛數(shù)部分分別相等，則有下面兩個平衡條件：

圖4-5是一種常用電感電橋，電橋平衡條件為：對于純電阻交流電橋，即使各橋臂均為電阻，但由于導(dǎo)線間存在分布電容，相當于在各橋臂上并聯(lián)了一個電容（圖4-6）。為此，除了有電阻平衡外，還須有電容平衡。三、帶感應(yīng)耦合臂的電橋

帶感應(yīng)耦合臂的電橋是將感應(yīng)耦合的兩個繞組作為橋臂而組成的電橋，一般有下列兩種形式。圖4-11a是用于電感比較儀中的電橋，感應(yīng)耦合的繞組W1、W2與阻抗Z3、Z4構(gòu)成電橋的四個臂。繞組W1、W2相當于變壓器的二次邊繞組，這種橋路又稱變壓器電橋。平衡時，指零儀G指零。另一種形式如圖4-8b所示，電橋平衡時，繞組W1、W2的激磁效應(yīng)互相抵消，鐵心中無磁通，所以指零儀G指零。帶感應(yīng)耦合臂的電橋與一般電橋比較，具有較高的精確度、靈敏度以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點。例：4-2第一問答：不能提高靈敏度，因為半橋雙臂時，其輸出電壓當兩橋臂各串聯(lián)電阻應(yīng)變片時，其電阻的相對變化量為：即仍然沒有發(fā)生變化，故靈敏度不變。§4.2調(diào)制與解調(diào)目的：主要解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。

定義：所謂調(diào)制就是使一個信號的某些參數(shù)在另一個信號的控制下而發(fā)生變化的過程。最終從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號的過程，稱為解調(diào)。載波調(diào)制信號調(diào)制波為了進行有效的傳輸，必須采用幾百khz以上的高頻振蕩信號作為載體，將攜帶信息的低頻電信號“裝載”到高頻振蕩信號上（調(diào)制），然后經(jīng)天線發(fā)送出去，到了接受端后，再把低頻電信號從高頻振蕩信號上卸取下來（解調(diào)）．不調(diào)制各電臺發(fā)出的信號頻率就會相同，用戶無法選擇；通過調(diào)制，各信號被搬移到不同的頻率范圍，接收機可選擇接收，從而實現(xiàn)多路復(fù)用。

調(diào)制：把緩變信號（調(diào)制信號）變成高頻交變信號的過程

解調(diào)：把高頻交變信號變成緩變信號的過程

載波：未經(jīng)調(diào)制的高頻振蕩信號

分類：

調(diào)制：Modulation調(diào)幅(Amplitudemodulation--AM）調(diào)頻（Frequencymodulation-FM)調(diào)相（Phasemodulation--PM)

調(diào)幅：載波的幅值隨調(diào)制信號而變化的過程

調(diào)頻：載波的頻率隨調(diào)制信號而變化的過程

調(diào)相：載波的相位隨調(diào)制信號而變化的過程4.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)一、原理

調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號（載波）與測試信號（調(diào)制信號）相乘，使高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化的過程。調(diào)制器（乘法器）

調(diào)制信號

載波

調(diào)幅波

以頻率為f0的余弦信號作為載波進行討論一個函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果，就是將其頻譜圖形由坐標原點平移至該脈沖函數(shù)處。二、頻域分析所以，若以高頻余弦信號作載波，把信號x(t)和載波信號相乘，其結(jié)果就相當于把原信號的頻譜圖形由原點平移至載波頻率f0處，其幅值減半。可以看出，所謂調(diào)幅過程相當于頻譜”搬移過程。

從調(diào)幅原理看，載波頻率必須高于原信號中的最高頻率才能使已調(diào)波仍保持原信號的頻譜圖形，不致重疊。

為了減小放大電路可能引起的失真，信號的頻寬相對中心頻率（載波頻率）應(yīng)越小越好。

實際載波頻率常至少數(shù)倍甚至數(shù)十倍于調(diào)制信號。調(diào)幅：從頻域上：相當于頻率的搬遷過程。從低頻搬遷到高頻。頻譜形狀保持不變（f0>>fm)。從時域上：用x（t）去控制改變y（t）的幅值，使xm（t）的幅值隨著x（t）的變化而變化，頻率仍與x（t）相同。三、調(diào)幅信號的解調(diào)方法常用的有同步解調(diào)、包絡(luò)檢波和相敏檢波法（一）同步解調(diào)若把調(diào)幅波再次與原載波信號相乘，則頻域圖形將再一次進行“搬移”。若用一個低通濾波器濾去中心頻率為2f0的高頻成分，那么將可以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜（只是其幅值減小為一半，這可用放大處理來補償），這一過程稱為同步解調(diào)。“同步”指解調(diào)時所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的頻率和相位。在時域分析中也可看到：低通濾波器將頻率為2f0的高頻信號濾去，則得到：（二）、包絡(luò)檢波（整流檢波）若把調(diào)制信號進行偏置，疊加一個直流分量，使偏置后的信號都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號的形狀，如圖所示。把該調(diào)幅波進行簡單的半波或全波整流、濾波，并減去所加的偏置電壓就可以恢復(fù)原調(diào)制信號。這種方法又稱作包絡(luò)分析。xm(t)=[A+x(t)]cos2πf0t

（三）、相敏檢波

交變信號過零線時符號發(fā)生突變（+、-），與之對應(yīng)的調(diào)幅波相位（與載波比較）也相應(yīng)地發(fā)生180°的相位跳變。利用載波信號與調(diào)幅信號比相，便既能反映出原信號的幅值又能反映其極性。采用相敏檢波時，對原信號可不必再加偏置。這種相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性換向。0~a段：x(t)為正，y(t)和xm(t)同相

當載波電壓為正半周時，因為同相，A、B變壓器次級端的相位極性相同，載波電壓加到橋路1、3端，D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止。調(diào)幅電壓加到橋路2、4端，D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止。由于D2、D3、D4均屬截止狀態(tài)，惟有D1導(dǎo)通。

所以，電流的流向只有一個可能性

當載波電壓為負半周時，A、B變壓器次級端的相位極性同時改向，載波電壓加到橋路1、3端，D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。調(diào)幅電壓加到橋路2、4端，D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止。由于D1、D2、D4均屬截止狀態(tài)，惟有D3導(dǎo)通。

所以，電流的流向只有一個可能性

可見在0~a段，電流經(jīng)負載的電流方向始終是由上到下，輸出電壓為正值。去掉了波形中的負信號。a~b段：x(t)為負，y(t)和xm(t)反相

當載波電壓為正半周時，因為反相，A、B變壓器次級端的相位極性相反，載波電壓加到橋路1、3端，D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止。調(diào)幅電壓加到橋路2、4端，D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止。由于D1、D3、D4均屬截止狀態(tài)，惟有D2導(dǎo)通。

所以，電流的流向只有一個可能性

當載波電壓為負半周時，載波電壓加到橋路1、3端，D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。調(diào)幅電壓加到橋路2、4端，D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止。由于D1、D2、D3均屬截止狀態(tài)，惟有D4導(dǎo)通。

所以，電流的流向只有一個可能性

可見在a~b段，電流經(jīng)負載的電流方向始終是由下到上，輸出電壓為負值。去掉了波形中的正信號。調(diào)幅應(yīng)用——動態(tài)電阻應(yīng)變儀。

ResistanceStrainMeter電阻應(yīng)變儀

利用電阻應(yīng)變片作為傳感元件來測量應(yīng)變的專用電子儀器稱為電阻應(yīng)變儀。

（按頻率分類）

靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（5Hz

）

靜動態(tài)電阻應(yīng)變儀（0~200Hz）

動態(tài)電阻應(yīng)變儀（0~1500Hz）

超動態(tài)電阻應(yīng)變儀（幾十千赫茲）電阻應(yīng)變儀分類調(diào)頻是利用信號x（t）的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說調(diào)頻波是一種隨信號x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波。

4.2.2