机械工程测试技术全册配套最完整精品课件2.ppt

1、机械工程测试技术全册配套最机械工程测试技术全册配套最 完整精品课件完整精品课件2 机械工程测试技术机械工程测试技术 绪论绪论 测试信号的描述与分析测试信号的描述与分析 测试系统的基本特性测试系统的基本特性 模拟信号处理模拟信号处理 数字信号处理数字信号处理 计算机与虚拟仪器测试技术计算机与虚拟仪器测试技术 本课程主要内容本课程主要内容 常用传感器常用传感器 学好本门课程的要求学好本门课程的要求: 先举一个例子先举一个例子, ,清华大学对毕业生的调研清华大学对毕业生的调研. 本门课程是两强结合本门课程是两强结合:强理论强理论+强实验强实验 （考试成绩是（考试成绩是课堂教学课堂教学+试验教学试验教

2、学） 一一. 要求要求: 1.学习态度学习态度: 战略上藐视战略上藐视, ,战术上重视战术上重视; 2.学习方法学习方法: 提倡课前预习提倡课前预习, ,课后复习课后复习, ,会做笔记会做笔记; 3.作业要求作业要求: 整齐规范清楚整齐规范清楚.ABCD, ,D退回重做退回重做; 4.相关课程相关课程: 高等数学、力学、电工学、自控原理等高等数学、力学、电工学、自控原理等; 5.参考书参考书: 参看教材参考文献参看教材参考文献 二二. 教学方法教学方法 黑板板书黑板板书+PPT ( (以黑板板书为主）以黑板板书为主） 测试信号的描述与分析测试信号的描述与分析 测试系统的基本特性测试系统的基本特

3、性 模拟信号处理模拟信号处理 数字信号处理数字信号处理 计算机与虚拟仪器测试技术计算机与虚拟仪器测试技术 常用传感器常用传感器 绪论绪论 第一章第一章 绪论绪论 1.1.测试技术的内容和作用测试技术的内容和作用 2.2.测试工作的任务测试工作的任务 3.3.测试系统的组成及其发展测试系统的组成及其发展 主要内容主要内容 1.1 1.1 测试技术的内容和作用测试技术的内容和作用 12 9.46 10 km 第一章第一章 绪论绪论 引例引例,看看哪些事情与看看哪些事情与 测试有关测试有关 1、大到光年级宇宙、大到光年级宇宙(1 光年 ）， 如宇宙大爆炸理论，宇 宙红移观测,证明了宇 宙的膨胀。 第

4、一章第一章 绪论绪论 月亮上看到的地球月亮上看到的地球 太空看到的地球太空看到的地球 ，应该珍惜，应该珍惜 时光，关爱生命，爱护地球，时光，关爱生命，爱护地球， 我们的家园我们的家园 2. 中到中到km级宇宙级宇宙.如火星探测如火星探测,地球测量等地球测量等 第一章第一章 绪论绪论 火星探测器火星探测器 荒漠的火星荒漠的火星 第一章第一章 绪论绪论 3.小到小到mm级测量。级测量。如火车、汽车等载运工具构件的响应测量，如火车、汽车等载运工具构件的响应测量， 应力、应变谱测量，以用于疲劳和可靠性分析。再如用于人体应力、应变谱测量，以用于疲劳和可靠性分析。再如用于人体 检测的胃镜、检测的胃镜、x光

5、照片、光照片、CT照相、核磁共振等技术。照相、核磁共振等技术。 第一章第一章 绪论绪论 4.微到纳米级测量微到纳米级测量（1nm= ) 纳米测量，纳米制造等。微纳米尺度的几何量、表面粗糙度、纳米测量，纳米制造等。微纳米尺度的几何量、表面粗糙度、 表面微观形貌、表面微观形貌、MEMS材料机械特性、微应力和微应变、微位移、材料机械特性、微应力和微应变、微位移、 速度和加速度、振动、声和超声等典型物理量的测量技术应用。速度和加速度、振动、声和超声等典型物理量的测量技术应用。 纳米测量展望纳米测量展望 , ,它的研究主要向两个方向发展：它的研究主要向两个方向发展： 一是在传统的测量方法基础上，应用先进

6、的测试仪器解决应一是在传统的测量方法基础上，应用先进的测试仪器解决应 用物理和微细加工中的纳米测量问题用物理和微细加工中的纳米测量问题, ,分析各种测试技术分析各种测试技术, ,提出改提出改 进的措施或新的测试方法；进的措施或新的测试方法； 二是发展建立在新概念基础上的测量技术，利用微观物理、二是发展建立在新概念基础上的测量技术，利用微观物理、 量子物理中最新的研究成果量子物理中最新的研究成果, ,将其应用于测量系统中将其应用于测量系统中, ,它将成为未它将成为未 来纳米测量的发展趋向。来纳米测量的发展趋向。 9 10m 第一章第一章 绪论绪论 1.1 1.1 测试技术的内容和作用测试技术的内

7、容和作用 由引例可见，由引例可见， 测试工作的任务测试工作的任务就是从被测对象中获取有就是从被测对象中获取有 用信息用信息。测试技术是用于检测和处理各种信息的一门综合性。测试技术是用于检测和处理各种信息的一门综合性 技术，是信息技术的三大支柱（即测试控制技术、计算技术技术，是信息技术的三大支柱（即测试控制技术、计算技术 和通信技术）之一。它在科学技术、工业生产、医疗卫生和通信技术）之一。它在科学技术、工业生产、医疗卫生 、 文化教育等各个领域中都起着十分重要的作用。文化教育等各个领域中都起着十分重要的作用。 定义：定义：从测试的含义来讲，它包含着测量和试验两个内容。从测试的含义来讲，它包含着测

8、量和试验两个内容。 测量是把被测系统中的某种信息，如运动物体的位移、速度、测量是把被测系统中的某种信息，如运动物体的位移、速度、 加速度检测出来，并加以度量；试验则是通过某种人为的方加速度检测出来，并加以度量；试验则是通过某种人为的方 法，把被测系统用专门的装置激发起来，以便对有用信息进法，把被测系统用专门的装置激发起来，以便对有用信息进 行测量。行测量。 第一章第一章 绪论绪论 本书重点讨论机械工程中的测试技术，主要包括以下内容本书重点讨论机械工程中的测试技术，主要包括以下内容 1、工程过程的实验分析与参数测量工程过程的实验分析与参数测量 如材料的强度试验，振动物体的固有频率、阻尼比以及振如

9、材料的强度试验，振动物体的固有频率、阻尼比以及振 型等参数的测试，动载构件的应力、应变谱测试等。型等参数的测试，动载构件的应力、应变谱测试等。 第一章第一章 绪论绪论 第一章第一章 绪论绪论 2 2、过程监视与故障诊断、过程监视与故障诊断 如数控机床自动加工中刀具磨损和断裂监视、加工精度检如数控机床自动加工中刀具磨损和断裂监视、加工精度检 测；柴油机、发动机运行中的测；柴油机、发动机运行中的 故障诊断；火车脱轨、轴温的在故障诊断；火车脱轨、轴温的在 线检测，卷扬机、电梯跟踪检测等线检测，卷扬机、电梯跟踪检测等。 如玻璃管温度计如玻璃管温度计 如图所示的声级计如图所示的声级计 第一章第一章 绪论

10、绪论 切削力传感器，加工切削力传感器，加工 噪声传感器，超声波噪声传感器，超声波 测距传感器、红外接测距传感器、红外接 近开关传感器等。近开关传感器等。 生产加工过程监测生产加工过程监测 密歇根大学数字化工厂密歇根大学数字化工厂 第一章第一章 绪论绪论 3 3、作为自动化或控制系统中的一个环节、作为自动化或控制系统中的一个环节 主要用于闭环系统中的反馈控制环节。在各种自动控制系主要用于闭环系统中的反馈控制环节。在各种自动控制系 统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。如统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。如 真空焊接炉的温度控制，再如机械手的动作控制等真空焊接炉的温

11、度控制，再如机械手的动作控制等 密歇根大学的机械手装配模型密歇根大学的机械手装配模型 第一章第一章 绪论绪论 产品质量测量例产品质量测量例 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时， 必须对其性能质量进行测量和出厂检验。必须对其性能质量进行测量和出厂检验。 图示为汽车出厂检验原理框图，测量图示为汽车出厂检验原理框图，测量 参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油 压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的 测试，工程师可以了解产品质量。测试，工程师可以了解产品质量。 汽车扭距测量

12、汽车扭距测量 机床加工精度测量机床加工精度测量 4 4、生成产品的质量评价，如抽样检测、生成产品的质量评价，如抽样检测 第一章第一章 绪论绪论 1.2 1.2 测试工作的任务测试工作的任务 测试工作的任务测试工作的任务就是为了获取有关研究对象的状态、运就是为了获取有关研究对象的状态、运 动和特征等方面的信息动和特征等方面的信息 。 就像物质和能量是客观存在一样，信息也是反映事物运就像物质和能量是客观存在一样，信息也是反映事物运 动状态和特征的客观存在。信息可以产生，也可以消失，同动状态和特征的客观存在。信息可以产生，也可以消失，同 时还可以被携带、存贮和处理。信息是可以度量的。对信息时还可以被

13、携带、存贮和处理。信息是可以度量的。对信息 的获取、处理与度量过程就是对事物的认识过程。例如，转的获取、处理与度量过程就是对事物的认识过程。例如，转 子的动不平衡是引起旋转机械振动的主要原因，如何去消除子的动不平衡是引起旋转机械振动的主要原因，如何去消除 这种动不平衡呢？可以用传感器及其测试系统检测出支承处这种动不平衡呢？可以用传感器及其测试系统检测出支承处 的动反力以及转子的振动量，并对它进行分析和处理就可以的动反力以及转子的振动量，并对它进行分析和处理就可以 获得转子动不平衡的大小和方位的信息，进而采取相应的消获得转子动不平衡的大小和方位的信息，进而采取相应的消 除措施。除措施。 第一章第

14、一章 绪论绪论 1、信息与信号的关系 信息总是通过某些物理量的形式表现出来，这些物理量则称之为信号。信号是 信息的载体，信息存在于信号之中。如从载波中提取音频信号。如对于单自由度振动 系统，所测得的质量块位移信号中就包含着我们所感兴趣的固有频率和阻尼比的信息。 2、有用信号与干扰信号 信号中虽然携带着信息，但是其中既含有我们所需要的有用信息，也含有大量 不需要的干扰，测试工作的任务之一就是从复杂的信号成分中提取有用信息。不过， 需要指出，“干扰”和“有用”是对立统一的，在一定的条件下可以互相转化。例如 齿轮噪声是人们不希望的干扰信号，对工作环境造成污染，但另一方面又可作为有用 信号来判断齿轮副

15、的运转 第一章 绪论 3、信号的调理与传输 为了在外界干扰的情况下，能够提取和辨识出信号中所包含的有用信息，常常 需要把信号作必要的调理处理。这与我们熟知的声音和图像发射和接收的道理一样， 如下图所示。 4、电信号的运用 信号有机械信号（力信号、声信号）、电信号、光信号（光纤通讯）等，但从信 号的获取、调理、传输、显示和控制等方面看，以电量形式表示的电信号最为方便， 故本书中所说的信号，一般都是指随时间变化的电信号。 第一章 绪论 1.3 测试系统的组成及其发展 1、一般测试系统 从具体应用角度来讲，测试工作包括激励方式，信号的检测、调理、处理、 分析以及显示、记录或数据输出等。与之相对应的测

16、试系统框图如下图所示。 第一章 绪论 2、计算机测试系统 随着计算机技术的飞速发展，计算机已被广泛地应用于各个领域。由传感器与 计算机结合起来组成的新型测试系统如图1-3所示。这种测试方法是先用传感器及其 测量电路将某种物理量变换成所需的电信号，再由A/D转换器（模/数转换器）将模 拟信号变换为数字信号，然后通过计算机或数字信号处理器将大量数据进行高速处 理，从而获得各种需要的输出。 第一章 绪论 计算机测试系统计算机测试系统 第一章 绪论 3、注解 其中传感器是一种能把被检测的物理量变换为可测信号（通常为电信号）的 装置，它是测试系统的首要环节。 信号调理装置是将来自传感器的电信号进行调理和

17、处理，如放大、调制、解调、 滤波等，使之变为既保留了原始被测信号中的有用信息，又便于不失真地传输、显 示和记录以及有利于后续处理的信号。 第一章 绪论 信号处理装置是对测试结果（曲线或数据）进行处理、运算和分析的装置。 数据处理包含回归分析、频谱分析、相关分析、功率谱分析等，其方法也有模拟 量分析法和数字量分析法之别。 显示与记录装置是把经调理后的电信号不失真地记录和显示出来，以便观 测、分析和处理。记录和显示的方式一般有模拟和数字两种，前者记录的是模拟 信号，而后者则是数字信号。 试验激发装置是人为地模拟某种条件把被测系统中的某种信息激发出来， 以便检测。如激振器、振动试验台等。 第一章 绪

18、论 4 4 、测试技术的发展、测试技术的发展 （1） 传感器向新型、微型、智能型方向发展；传感器向新型、微型、智能型方向发展； （2） 测试仪器向高精度、多功能、小型化、在线监测、性测试仪器向高精度、多功能、小型化、在线监测、性 能标准化和低价格发展；能标准化和低价格发展； （3） 参数测量与数据处理以计算机为核心，使测量、分参数测量与数据处理以计算机为核心，使测量、分 析、处理、打印、绘图、状态显示及故障预报向自动化、析、处理、打印、绘图、状态显示及故障预报向自动化、 集成化、网络化发展。集成化、网络化发展。 第一章 绪论 a)传感器+嵌入式计算机 智能传感器 (smart) 振动网络传感器

19、 嵌入式计算机 智能压力网络 传感器 智能倾角RS232 传感器 IC总线数字温度 传感器 4、测试技术的发展 第一章 绪论 b)测量信号处理方面 计算机虚拟仪器技术 我们的工作 用PC机仪器板卡 代替传统仪器 用计算机软件 代替硬件分析电路 优 点 第一章 绪论 1.4 课程内容与特点 通过本课程的学习，学生应掌握以下几个方面的知识： 1. 掌握信号的时域和频域描述方法，建立明确的信号频谱概念；掌握频谱 分析和相关分析的基本原理和方法；了解功率谱分析原理及其应用。 2. 掌握测试装置静、动态特性的评价方法和不失真测试的条件，并能正确 地运用于测试系统的分析和选择。掌握一、二阶系统的动态特性和

20、测试方法。 第一章 绪论 3. 掌握常用传感器、中间调理电路和记录仪器的工作原理和性能，并能依 据测试要求进行合理的选用。 4.了解数字信号分析的基本概念及应用。 5. 对动态测试工作的基本问题有一个比较完整的概念，并能初步用来解决 机械工程中某些参数的测试及其数据处理。 第一章 绪论 测试系统的基本特性 模拟信号处理 数字信号处理 计算机与虚拟仪器测试技术 常用传感器 绪论 测试信号的描述与分析 主要内容 1.电桥 2.运算放大器 3.调制与解调 4.滤波器 5.测量电路及应用举例 6.信号的显示与记录 信号调理的目的 被测的物理量经过传感器变换以后，一般都是以电阻、电容、电感或电荷、 电流

21、、电压等形式变化的微弱电信号，为了满足显示、记录、控制或输入计算 机进行数据处理等需要，尚须将这些微弱信号经过放大、运算、分析等信号调 理处理。 第五章 模拟信号处理 5.1 电桥 电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电流输出的一种测量电 路。其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。由于桥式测 量电路结构简单，并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广泛 应用。 与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：按照激励电源的性质 可分为直流电桥与交流电桥；按照桥臂阻抗性质又可分为电阻电桥、电容电桥和 电感电桥。 第五章 模拟信号处理 5.1.1 直流电桥

22、1、直流电桥的平衡条件 平衡条件 4231 RRRR 132414 12341234 () ()() oabad RRR RRR UUUUU RRRRRRRR 1 1 1 12 ab R UI RU RR 4 24 34 ad R UI RU RR 第五章 模拟信号处理 2. 灵敏度 在平衡情况下，若电阻 变化 ，则电桥的输出电压为 1 R 1 R 3312 113241441 11234 312 114 () ()() 11 o RRRR RR RR RRRRR UUU RRRRRRRR RRR 32 14 RR n RR 令 1 2 1 (1) o Rn UU nR 2 11 /(1) o

23、 Un SU RRn 当 时，灵敏度 达到最大值。这时对于 一定的 值，得到最大的输出电压。显然， 满足 的条件为 （对称电桥） 或 （等臂电桥）。在设计电桥 时，一般取 1n S 1 1 R R 1n 1234 ,RR RR 1234 RRRR 1234 RRRR d 0 d S n 第五章 模拟信号处理 5.1.1 直流电桥 3. 电桥接法与输出特性 在机械测试技术中，一般根据工作中电阻值参与变化的桥臂数可分为半 桥式与全桥式连接。 第五章 模拟信号处理 5.1.1 直流电桥 （1）半桥单臂 0 1 4 o R UU R 0 / 0 d1 4 d o RR U SU R R 0 0 /1

24、4 1/ 2 o RR UU RR （2）半桥双臂（差动电桥） 工作中有两个桥臂阻值随被测物理量变化，而且必须一个增大一个减小， 即 ，所以也称为差动电桥。 1122 ,RR RR 0 1 2 o R UU R 0 R /R 1 S= 2 U 工作中有一个桥臂阻值随被测的量而变化， 。 第五章 模拟信号处理 5.1.1 直流电桥 （3）全桥 工作中四个桥臂电阻值都随被测物理量而变化，即 11223344 ,RRRRRRRR 0 o R UU R 0 /R R SU 第五章 模拟信号处理 4、电桥用于应变片传感器的温度补偿、电桥用于应变片传感器的温度补偿 1324 R RR R 0000 ()(

25、)0RR RRR R 0 o U 第五章 模拟信号处理 5.1.1 直流电桥 U 交流电桥主要用于动态信号的测量和输出需要放大的场合，如广泛使用的动态 应变仪就采用此种电桥。因为电桥输出常接放大器，故在分析中只需研究开路输 出时的动态特性。 第五章 模拟信号处理 5.1.2 交流电桥 1. 交流电桥的平衡条件 交流电桥的激励电压采用交流，电桥的四 个臂可以是电感 、电容 或电阻 ，用复阻抗表 示 j 22 j()z z() arctg LC LC LC ZRxxe Rxx xx R 而且输入电压与输出电压分别用复数 与 表示，那么根据对直流电桥的讨 论可以得到 U o U 5.1.2 交流电桥

26、 第五章 模拟信号处理 1. 交流电桥的平衡条件 1324 1234 ()() oo Z ZZ Z UU ZZZZ 1324 Z ZZ Z 3124 jjjj 11223344 e Z =z e Z =z e Z =z eZz 1324 ()j()j 1 324 eez zz z 所以 1324 1324 z zz z 此式表明，交流电桥平衡必须同时满足两个条件，即相对两臂阻抗之模的乘 积应相等，相对两臂阻抗角之和也必须相等。 第五章 模拟信号处理 5.1.2 交流电桥 2. 电容电桥、电感电桥的平衡 阻抗平衡条件为 1342 14 32 1324 14 11 jj jj RRRR CC RR

27、 R RR R CC 欲使复数相等，实部与虚部应分别相等，即 1324 R RR R 32 14 RR CC 由此可知，要使电容电桥平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数，使它们分别达 到平衡 第五章 模拟信号处理 5.1.2 交流电桥 2. 电容电桥、电感电桥的平衡 电桥平衡条件应为 113442 (j)(j)RL RRL R 1324 R RR R 1342 L RL R 要使电感电桥平衡，除要考虑相位平衡外，还要保证电阻和电感分别达到平衡。 第五章 模拟信号处理 5.1.2 交流电桥 3. 电阻交流电桥的平衡 电桥各桥臂阻抗分别为 电桥平衡时满足 1324 Z ZZ Z 所以 3321 1

28、3243241 1442 ; RRRC R RR RR CR C RRRC 或 或 第五章 模拟信号处理 5.1.2 交流电桥 4. 差动工作电桥 在动态信号测试中，将许多传感器及测量电路接成差动形式的交流电桥，这样 不但可以改善非线性，提高灵敏度，还可以补偿由于温度等因素造成的误差。 1324 0 1234 ()() Z RZ R UU ZZRR （1）差动式变压器电桥之一 第五章 模拟信号处理 5.1.2 交流电桥 4. 差动工作电桥 当有被测信号输入，传感器工作时， 并取 ，得 12 ,Z Z ZZ Z Z 34 R R R ()() 2 ()2 o R ZZR ZZUZ UU R ZZ

29、ZZZ j,j s ZRLZL 取 22 2 () o s LU U RL 如果线圈的品质因素比较高 2 o L UU L 如果两线圈的阻抗变化为 12 ,ZZZ ZZZ 则 2 o L UU L 第五章 模拟信号处理 5.1.2 交流电桥 4. 差动工作电桥 1324 1423 ()() o Z RZ R UU ZRZR 设 代入上式，并略去高阶微量 ，得 1234 ,ZZZ ZZZ RRR 2 ()Z 2 2 () o R Z UU ZR 差动式变压器电桥之二 第五章 模拟信号处理 5.1.2 交流电桥 4. 差动工作电桥 同样取 ，上式变为 j, jZLZL 222 2 2j() o R

30、L UU R LRL 反之，若阻抗 的变化反向，亦即电感变化反向 Z 第五章 模拟信号处理 5.1.2 交流电桥 4. 差动工作电桥 （2）差动式传感器电桥 差动式传感器电桥一般是由差动传感器与带中间抽头的电源变压器副边绕组 构成的交流电桥。其中差动传感器可以是电感式的也可以是电容式的。 第五章 模拟信号处理 5.1.2 交流电桥 4. 差动工作电桥 差动式传感器电桥 电桥中 和 组成一对差动电容，其桥臂的阻抗 1 C 2 C 12 12 11 , jj ZZ CC 12 12 2 o ZZU U ZZ 因为 将阻抗表达式代入上式得 21 12 2 o CCU U CC 差动工作电桥与一般电桥

31、相比，具有精确度和灵敏度高以及性能稳定、频率范围 大等优点，近年来，在测试工程中得到了比较广泛的应用。 第五章 模拟信号处理 5.1.2 交流电桥 5.2 运算放大器 运算放大器本质上是一个高增益的负反馈直流放大器。加上外部反馈网络 可以实现加、减、乘、除、微分和积分等数学运算，还可以与其它外设电路组 成测试系统中常用的差动放大器、电桥放大器、电荷放大器、压频变换器、有 源滤波器以及交流放大器等测试装置。 第五章 模拟信号处理 5.2.1 运算放大器的符号及特点 集成运算放大器具有开环电压增益高、输入 阻抗高、输出阻抗低、漂移小、可靠性高、 体积小等主要特点，所以它已成为一种通用 器件，在各个

32、技术领域中得到了十分广泛而 灵活的应用。 第五章 模拟信号处理 电压增益: 1) 反相放大器 1 R R A F v 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。 烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器 5.2 运算放大器 第五章 模拟信号处理 同相放大器也是最基本的电路 ，其 闭环电压增益Av为: 1 1 R R A F v 2)同相放大器 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前 置放大级。 5.2 运算放大器 第五章 模拟信号处理 2 交流放大电路 R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大

33、器的下限频率fL来确 定。 )2/()103( 31LL fRCC 1 1 R R A F v 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为隔直电容。 5.2 运算放大器 第五章 模拟信号处理 具有理想参数的运算放大器叫理想运算放大器。 特点 d r 0 d UU I r 入d K UU 0U0U 这就是说反相输入端的电位接近于“地”电位，它是一个不接“地”的接“地” 端，通常称为“虚地”。 第五章 模拟信号处理 5.2.2 理想运算放大器 1. 差动放大器 差动放大器就是用来放大差模信号，抑制 共模信号的，它的两个输入端都有信号输入。 1 111

34、11 1 io ii F UU UUI RUR RR 2 3 23 i U UR RR UU 因为 当 123 , F RR RR 得 21 1 () F oii R UUU R 0 211 F ii UR S UUR 第五章 模拟信号处理 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 可见输出电压 与两个输入电压的差值成正比。当 时，则得 o U 1F RR 21oii UUU 差动放大器被广泛地应用于测试和控制系统中，形成了一个专用测量放大器领域。 1. 差动放大器 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 第五章 模拟信号处理 2. 测量放大器 三运放差动放大器通常也称为测量放大器，或称

35、仪表放大器。 由电路分析可知 11 112 (1) oii GG RR uuu RR 22 221 (1) oii GG RR uuu RR 644 12 3365 (1) ooo RRR uuu RRRR 通常电路中 12 RR 35 RR 46 RR则测量放大器的增益为 41 123 2 (1) o f iiG uRR uuRR 第五章 模拟信号处理 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 3. 电桥放大器 与差动放大器一样，直流电桥放大器也是用于在大的共模信号下测量来自传 感器的微弱信号，而且差动电桥也具有抑制共模信号的能力。 第五章 模拟信号处理 5.2.3 测试装置中几种常见的运

36、算放大器 图5-18 电桥放大器 加在放大器两个输入端的电压信号分别为 1 1 12 R UE RR 4 2 34 R UE RR 若电桥为全等臂 1234 RRRRR 且为半桥双臂接法（差动电桥），即 34 , RRR RRR 则 1 2 E U 2 1 2 ER U R 那么 3. 电桥放大器 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 第五章 模拟信号处理 3. 电桥放大器 2121 12 ()() /2 FFF o RRRR UUUUUE RRRRR 令 R R 则 F o R UE R 0 F UR SE R 由上式易见，输出电压与桥臂电阻 有关 R 为了排除 的影响，可采用右图的接

37、法将电桥电源浮置，则其输出电压为 R 图5-19 电桥电源浮置的电桥放大器 1 1 2 F o RE U R 0 1 1) 2 F URE S R 第五章 模拟信号处理 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 由于压电式传感器输出的电信号是很微弱的电荷，而且传感器本身也存在很大 内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先 传输到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电 路将信号输给指示仪表或记录仪器或信号处理器。 4. 电荷放大器 第五章 模拟信号处理 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 前置放大器有两种形式，一种是用电阻反馈

38、的电压放大器，其输出电压与 输入电压（即传感器的输出电压）成正比，不过要受电缆长度的影响；另一种 是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比，且与电缆长度无 关，还具有很宽广的频率响应，故电荷放大器得到了更为广泛的应用。它已成 为与压电式传感器配套使用的专用测量仪器。 第五章 模拟信号处理 4. 电荷放大器 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 4. 电荷放大器 电荷放大器是一个高增益带电容反 馈的运算放大器。当略去传感器的漏 电阻及电荷放大器的输入电阻时，它 的等效电路如图5-20所示。 () () iaciiof qU CCCUU C 其中 为传感器电容； 为外接电路的输入

39、端电容； 为电缆电容。 令 得到 aci CCCC i C a C c C , oi UKU K 第五章 模拟信号处理 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 () o ff Kq U CCKC 如果放大器的增益足够大，则 ，上式可简化为 () ff KCCC o f q U C 4. 电荷放大器 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 第五章 模拟信号处理 4. 电荷放大器 通常在反馈电容的两端并联一个大电阻 （约 ） 以提供直流反馈， 改善低频响应。 f R 电荷放大器的下限截止频率（放大器增益下降3dB时的对应频率）为 ff L CR f 2 1 此式表明，电荷放大器的输出电压与

40、电缆电容无关，亦即其灵敏度与电缆电 容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上，其灵敏度 亦无明显变化，这是电荷放大器的一个突出优点 810 1010 第五章 模拟信号处理 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 若选取 10412 1 0.0016 2101010 L fHz 由此可见，电荷放大器在适当选取 和 后，低端截止频率几乎接近于零。 也就是说，压电式传感器配用电荷放大器时，低频响应很好，可进行稳态参数 的测量。 f R f C 第五章 模拟信号处理 4. 电荷放大器 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 5. 电压比较器 在测试电路中常常需要对两个电压进行

41、比较，一个是被测信号电压， 另一个是参考电压；或者两个都是被测信号电压。 当 iR UU 输出电压等于稳压管的稳定电压 1W U 当 输出端电位被 箍住， iR UU 2W D 2oW UU 第五章 模拟信号处理 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器 当用放大器的输出来推动负载时，希望放大器能最大限度地把能量传输给负载。 两者之间能满足上述要求的联配，称之为阻抗匹配。 当两个装置联接后 12 E I ZZ 2 2 12 AB Z EIZE ZZ 第五章 模拟信号处理 5.2.4 放大器及其负载的阻抗匹配 则输给后级装置（负载） 的功率为 2 H 2 22 2 121212 () AB E

42、ZZE PIEE ZZZZZZ 令 2 0 dP dZ 得 122 20ZZZ即 12 ZZ 表明，当前级装置的输出阻抗（内阻）与后级装置的输入阻抗相等时，前级装置 传输给后级装置的功率最大，这就是装置之间的阻抗匹配原则。 5.2.4 放大器及其负载的阻抗匹配 第五章 模拟信号处理 解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。 例如下 面的调幅波 5.3 调制与解调 第五章 模拟信号处理 5.3.1 测试信号的调制 调制是利用缓变信号来控制或改变高频振荡的某个参数（幅值、频率或相位）， 使它随着被测信号作有规律的变化，以利于实现信号的放大与传输。调制过程有三种： 高频振荡的幅值受缓变信号控制时，

43、称为调幅，以AM表示。 高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为调频，以FM表示。 高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为调相，以PM表示。 第五章 模拟信号处理 5.3.1 测试信号的调制 一般将控制高频振荡的缓变信号称为调制波；载送缓变信号的高频振荡波称 为载波；经过调制的高频振荡波称为已调波。已调波相应地有调幅波、调频波和 调相波三种，测试技术中常用的是调幅和调频两种。 解调则是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号（调制信号）。 缓变信号 调制 高频信号 放大 放大高 频信号 解调 放大缓 变信号 第五章 模拟信号处理 5.3.1 测试信号的调制 调幅、调频、调相波的图解过调幅、调频、调相波的

44、图解过 程：程： 图中被测信号是梯形波，图中被测信号是梯形波， 载波是余弦波。调幅波其包络载波是余弦波。调幅波其包络 线形状由被测信号决定，载波线形状由被测信号决定，载波 信号的频率和相位均不改变。信号的频率和相位均不改变。 调频波，其载波信号的振幅与调频波，其载波信号的振幅与 相位不变，而频率改变。当被相位不变，而频率改变。当被 测信号的幅值减小时，频率降测信号的幅值减小时，频率降 低；幅值增大时，频率提高。低；幅值增大时，频率提高。 所以，调频波可以看成是一个所以，调频波可以看成是一个 频率受被测信号幅值控制的正频率受被测信号幅值控制的正 弦波。弦波。 第五章 模拟信号处理 5.3.1 测

45、试信号的调制 a) 幅值调制(AM) ( )( )cos(2)y tA x tft b) 频率调制(FM) 0 ( )cos(2 ( )y tAfkx t t c) 相位调制(PM) 0 ( )cos(2( )y tAftkx t 第五章 模拟信号处理 5.3.1 测试信号的调制 载波信号 0 ( )cos2y tf t 时域分析-两信号的乘积 0 ( )( ) ( )( )cos2 m xtx t y tx tf t 调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试 信号的变化而变化 第五章 模拟信号处理 1. 调幅原理 5.3.2 调幅与其解调 000 11 ()c

46、os2( )()( )() 22 xtf tX fffX fff 00 11 ( )( )()() 22 X fY fX ffX ff 在时域上的调幅过程就相当于在频域上的频率搬移过程。 频域分析-两信号的卷积 1. 调幅原理 5.3.2 调幅与其解调 第五章 模拟信号处理 2. 解调原理 若把调幅波再次与载波信号相乘 ，从时域分析看 0000 11 ( )cos2( )cos2cos2( )( )cos4 22 m xtf tx tf tf tx tx tf t 用低通滤波器将频率为 的高频信号滤去 ，则得到 0 2 f 1 ( ) 2 x t 从频域分析中亦可以得到 000 1 ( )co

47、s2( )()() 2 mm xtf tXfffff 即 0000 1 ( )( )()()()() 4 m XfY fX ffX ffffff 00 111 ()(2)(2) 244 XfXffXff 调幅的目的是为了让缓变信号变为高频调制信号，便于放大和传输。解调的 目的则是为了恢复原信号。 第五章 模拟信号处理 5.3.2 调幅与其解调 图5-25 同步解调 0 f m f从调幅原理，载波频率 必须高于原信号中的最高频率 才能使已调波仍保持原 信号的频谱图形，不致重叠。 0 10 m ff 第五章 模拟信号处理 2. 解调原理 5.3.2 调幅与其解调 例例2用电阻应变片接成全桥，测量某

48、一构件的应变。用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变。 已知其变化规律为已知其变化规律为 如果电桥的激励电压为如果电桥的激励电压为 求此电桥的输出信号频谱。求此电桥的输出信号频谱。 解法解法1 由全桥接法知电桥的输出信号为由全桥接法知电桥的输出信号为 那么那么 又又 000 cos2uUf t 0 /( )R RR t 00 ( )cos2 y uSU R tf t ( )cos10tAt 0( ) sin1000u tEt 00 0 ( ) ( )( )( )( ) y R t u tu tSt u t R 0 ( )( )( ) y UfSfUf ( )( )(5)(5) 2 A fFt

49、ff 第五章 模拟信号处理 2. 解调原理 5.3.2 调幅与其解调 所以 j(505)(495)(495)(505) 4 SAE ffff 0 ( )( )( )cos10sin1000sin(1010)sin(990) 2 y SAE u tSt u tSAt Ettt ( )j(505)(505)(495)(495) 4 y SAE Ufffff 00 ( )( )j(500)(500) 2 E UfF u tff ( )(5)(5)j(500)(500) 22 y SAE Ufffff 解法2 所以 其频谱如上图所示。 第五章 模拟信号处理 3. 相敏检波原理 相敏检波器实际上是一个受

50、参考电压控制的桥式全波整流电路 第五章 模拟信号处理 5.3.2 调幅与其解调 调频就是用被测信号的电压幅值去控制一个振荡器，使其输出信号的幅值不变 而振荡频率改变，频率的变化量与被测信号的幅值成正比。 图5-29 调频波与信号幅值的关系 第五章 模拟信号处理 5.3.3 调频与其解调 第五章 模拟信号处理 根据不同的电压频率转换电路（简称VFC），调频波可以是类似正弦波形的， 或者三角波形的，也可以是疏密不等的方波或者脉冲形波。这种载有被测信息的高 频波具有抗干扰能力强、便于远距离传输、不易错乱和失真等优点，也便于使用数 字技术进行处理。 调频方式有许多种，经常采用的有直接调频方式和压控振荡