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1、测试技术基础,北京航空航天大学机械制造及自动化系周正干,检测技术,第七章 信号调节器,概 述 电 桥 信 号 的 滤 波 线 性 化 处 理,信号调节器,7.1 概述,信号调节器的功能 对传感器输出的原始信号或系统中某一环节的输出信号进行再加工，以满足下一环节输入要求的需要。,信号调节器,二.信号调节器的种类,1.参量变换型：常用于参量型传感器，将电参量变换成电压和电流量。,被测量,参量型传感器,电桥、谐振电路,R,L,C,V,I,2.阻抗变换、幅度调节,被测量,发电型传感器,放大、衰减、阻抗匹配、变换,U,I,V,I,3.调制、解调,被测量,传感器,解调,调制,放大、传送,调制波,输出,信号
2、调节器,4.品质调节：线性化处理扩大测量范围，减少非线性失真；滤 波保持有用信号，消除干扰；倍频、细分提高测量精度；,5.A/D、D/A转换：与计算机相联系。,信号调节器,7.2 测量电桥,一.阻抗电桥的构成及平衡条件,构成：如图所示，由四个阻抗构成四个桥臂。A和C接入电源E，B和D端为输出端。,输出电压:,桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。当被测量为某一初始值并未发生变化时希望电桥输出为0。,信号调节器,2.电桥的平衡条件 z2z4-z1z3=0 称之为电桥平衡条件 或者：z2z4=z1z3 即对边乘积相等,若为复阻抗,平衡条件可改写为：,z2z4=z1z3 模平衡条件,相位平衡条件,
3、信号调节器,3电桥的工作方式,偏位法：电桥失衡，输出不平衡的电压，反应快。零位法：电桥失衡后，伺服机构调节调整臂阻抗，使输出恢复为零，调整量的大小与被测量成正比，精度高。,当电桥的电源为直流时称之为直流电桥。显然直流电桥只能是纯电阻电桥。电源若为交流称之为交流电桥，交流电桥桥臂可为电阻、电感或电容。,信号调节器,二.电桥的特性,1.电桥的电压灵敏度 以单工作臂直流电桥为例,设工作臂为R1，则：,信号调节器,通常用相对电压灵敏度,对于输出对称电桥,对于电源对称电桥,对于全等臂电桥,对输出对称电桥和全等臂电桥，其灵敏度只与电源有关。若采用应变片作传感器，可根据应变片的额定电流适当选择电源。另外，电
4、压灵敏度Sv是在RR时推出的，若此条件不符合，则会出现非线性误差。,R1=R4=R,R2=R3=R,R1=R2=R3=R4,信号调节器,2.电桥桥臂的接入特性（指电桥工作臂在不同的设置方式下的输出灵敏度）,若四个阻抗臂都感受被测量的变化称之为全桥，相应有半桥和单臂工作。对于全桥，这时输出的关系式为：,对于全等臂电桥或输出对称电桥，可写作：,信号调节器,从这个等式中我们可以看出：当一对相对边感受大小相等、方向相同的信号时，电桥输出不为0，感受大小相等、方向相反的信号时，输出为0。当相邻边感受大小相等、方向相反的信号时，电桥输出不为0；而感受大小相等、方向相同的信号时，输出为0。因此，我们把相对边
5、称为同变输入端工作时接入同变信号；把相邻边称为差变输入端工作是接入差变信号。这样电桥才有最大输出。这就是电桥的接入特性。利用这一特性，通常电桥可用于信号分离、抑制干扰和温度补偿等，使输出信号保持为最大。,下面举例说明。,信号调节器,信号调节器,7.3 信号滤波,一.测试系统中的信号滤波,1.什么是滤波,在通过传感器获得的信号中，常常混淆有许多其他频率的干扰。由于这些干扰的存在，有时得不到正确的测量值，甚至有时有用的信号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰，我们就要对传感器获得的信号进行滤波。,滤波的实质：就是对信号进行频率选择，完成滤波功能的装置称为滤波器。当信号通过滤波器时，信
6、号中某些频率成分得以通过，其他频率成分的信号受到衰减或抑制。信号通过滤波器的过程，就称为对信号进行滤波。,信号调节器,例如：在机械加工中常常使用的电动轮廓仪来测量工件表面粗糙度。在测量过程中，电感传感器的测针沿被测表面滑过，这时，传感器输出的电压信号中包含三种成分：（1）表面坡度信号 x1(t)f1（2）表面粗糙度信号 x2(t)f2（3）高频电气干扰 x3(t)f3,且 f1 f2 f3V0=x1(t)+x2(t)+x3(t)我们对V0进行频谱分析：,为了准确地测量粗糙度信号，我们可以让V0分别通过一个低通滤波器和一个高通滤波器，分别滤掉f3和f1，这样f2就不失真的通过。,2滤波器的类型（
7、1）按功能分：低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器,信号调节器,2)高通滤波器与低通滤波相反，从频率f1，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。,信号调节器,3)带通滤波器它的通频带在f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。,信号调节器,4)带阻滤波器 与带通滤波相反，阻带在频率f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。,信号调节器,低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种
8、类型的滤波器，例如：低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。,信号调节器,低通滤波器与高通滤波器的串联,信号调节器,低通滤波器与高通滤波器的并联,信号调节器,信号调节器,（2）按处理信号的类型分：模拟滤波器，数字滤波器 模拟滤波器：由R、L、C电路组成；数字滤波器：由一定的算法在计算机上实现。,模拟滤波器,数字滤波器,二模拟滤波器,1.理想滤波器,理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器，其通带和阻带之间有明显的分界线。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性
9、应为零。理想低通滤波器的频率响应函数为,-,信号调节器,其幅频及相频特性曲线为,信号调节器,2.实际滤波器,(1)实际滤波器的基本参数 理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。,信号调节器,与理想滤波器相比，实际滤波器需要用更多的概念和参数去描述它，主要参数有纹波幅度、截止频率、带宽、品质因数、倍频程选择性等。下图是一个典
10、型的实际带通滤波器.,信号调节器,1）纹波幅度d 在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化，其波动幅度d与幅频特性的平均值A0相比，越小越好，一般应远小于-3dB。,信号调节器,2）截止频率fc 幅频特性值等于0.707A0所对应的频率称为滤波器的截止频率。以A0为参考值，0.707A0对应于-3dB点，即相对于A0衰减3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。,3）带宽B和品质因数Q值 上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB带宽，单位为Hz。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力频率分辨力。在电工学中，通常用Q代表谐振回路的品质因数
11、。在二阶振荡环节中，Q值相当于谐振点的幅值增益系数，Q=1/2（阻尼率）。对于带通滤波器，通常把中心频率f0（）和带宽 B之比称为滤波器的品质因数Q。例如一个中心频率为500Hz的滤波器，若其中-3dB带宽为10Hz，则称其Q值为50。Q值越大，表明滤波器频率分辨力越高。,信号调节器,4）倍频程选择性W 在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。通常用倍频程选择性来表征。所谓倍频程选择性，是指在上截止频率fc2与 2fc2之间，或者在下截止频率fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍
12、频程时的衰减量,或,倍频程衰减量以dB/oct表示（octave，倍频程）。显然，衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。对于远离截止频率的衰减率也可用10倍频程衰减数表示之。即dB10oct。,信号调节器,(2)RC无源滤波器 在测试系统中，常用RC滤波器。因为在这一领域中，信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件，所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器是RC滤波器。,1)一阶RC低通滤波器 RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示。,信号调节器,设滤波器的输入电压为ex，输出电压为ey，电路的微分方程为,这是一个典型的一
13、阶系统。令=RC，称为时间常数，对上式取拉氏变换，有,或,其幅频、相频特性公式为,分析可知，当f很小时，A(f)=1，信号不受衰减地通过；当f很大时，A(f)=0，信号完全被阻挡，不能通过。,(克希荷夫电压定律),信号调节器,2)一阶RC高通滤波器 RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示。,设滤波器的输入电压为ex，输出电压为ey，电路的微分方程为,同理，令=RC，对上式取拉氏变换，有,或,信号调节器,其幅频、相频特性公式为,分析可知，当f很小时，A(f)=0，信号完全被阻挡，不能通过；当f很大时，A(f)=1，信号不受衰减的通过。,信号调节器,3)RC带通滤波器 带通滤波器可以看作
14、为低通滤波器和高通滤波器的串联，其电路及其幅频、相频特性如下图所示。,其幅频、相频特性公式为,式中H1(s)为高通滤波器的传递函数，H2(s)为低通滤波器的传递函数。有,信号调节器,这时极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过；只有位于频率通带内的信号频率成分能通过。,应注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。,信号调节器,信号调节
15、器,如果在低通滤波器后面接一个放大器：,可见，其增益由,确定，而与时间常数RC无关。,信号调节器,通常利用一个运放可以构成一个二阶滤波器，其电路为：,该种类型滤波器被称为无限增益多路反馈型滤波器.下面推导其传递函数.,信号调节器,根据Y1到Y5取值及阻抗类型的不同组合，可以得到二阶低、高、带通及带阻滤波器，以二阶低通为例：,信号调节器,根据信号频率确定R1，C2，R3，R4，C5，便可以将此滤波器的电路设计出来，同理可以设计出二阶带通，带阻及高通滤波器。,另一种电路的基本型式如右图，称为压控电压源型滤波器。传递函数：,信号调节器,三数字滤波,数字滤波实际上是利用相应的数学运算对信号进行频率选择
16、。其中如果只是为了消除随机噪声的数字滤波又称为数据的平滑处理或平滑滤波，对数字信号进行频率选择则称为数字滤波。,1平滑处理：条件是信号本身比较平滑。(1).简单平均.其表达式为 Ex(t)=x(n)/N X(t)S(t)+n(t)(2).时域平滑处理公式（加权移动平均法）,通常m=N.为加权系数上下限，wi为加权函数，一般w-i=wi为偶函数。,信号调节器,权函数w可以根据不同的需要进行选择。书上给出了二、三次多项式加权函数，见P173 表7-2平滑处理的实质相当于曲线拟合或插值处理。当采用5点平滑时，其公式为：,2数字滤波(对数字信号进行频率选择),数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对
17、输入信号波形（或频谱）进行加工处理，或者说利用数字方法按预定的要求对信号进行变换。把输入序列 x(n)变换成一定的输出序列 y(n)从而达到改变信号频谱的目的。从广义讲，数字滤波是由计算机程序来实现的，是具有某种算法的数字处理过程。数字滤波主要分为有限冲击响应滤波器(FIR)和无限冲击响应滤波器两种，FIR滤波器的滤波计算公式为,式中N为信号采样长度，m为数字滤波器长度，a0，a1，a2，am为滤波器系数。,信号调节器,信号调节器,7.3 线性化处理,对系统中非线性特性进行线性化处理的方法有两种：一.非线性因子的消除：找出非线性因子，设法使其消除，见书p176二.非线性环节的校正：,1模拟校正（1）开环校正（串连）,V1=f(x).V2=KV1.希望 V0=Sx x=V0/S,传感器,放大器,非线性校正环节,x,V1,V2,VO,信号调节器,(2)闭环校正（反馈校正）,非线性环节,K,非线性校正环节,VO,x,V1,+,-,V,Vf,信号调节器,可见闭环校正时，位于反馈回路的校正环节与非线性环节具有相同的特性函数，通常反馈回路中的非线性环节由非线性电路来构成。（参考课本例题）2数字校正方法 将输出特性存入计算机中，通过查表的方法，比较得到输出。（更多细节请参考相关书籍）,End of chapter 7,
