工程測量技術(shù)-第22章 測量系統(tǒng)

1、工程(gngchng)測試技術(shù)2 測量(cling)系統(tǒng)的組成及基本特性1共三十頁信號(xnho)調(diào)理方法作業(yè)：為什么傳感器輸出信號一般要經(jīng)過信號調(diào)理？傳感器輸出的電信號大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去。其主要原因是：1，大多數(shù)傳感器輸出的電信號很微弱，需要進(jìn)一步放大(fngd);2，有些傳感器輸出的是電參量，要轉(zhuǎn)換為電能量;3，輸出信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比;4，若測試工作僅對部分頻段的信號感興趣，則有必要從輸出信號中分離出所需的頻率成分;5，當(dāng)采用數(shù)字式儀器、儀表和計算機(jī)時，模擬輸出信號還要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號等等。因此，傳感器的輸出信號要經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，使之與后

2、續(xù)測試環(huán)節(jié)相適應(yīng)。常用信號調(diào)理環(huán)節(jié)有：電橋、放大器、濾波器、調(diào)制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等2共三十頁電橋(din qio) 電橋轉(zhuǎn)換原理電橋是用來測量參量式傳感器的可變電阻、電容或電感的電路，它是將這些參量的變化變換為電壓或電流(dinli)信號的電路。電橋按其激勵電源類型可分為直流電橋和交流電橋兩種。3共三十頁電橋(din qio)直流電橋:相對聯(lián)接點(diǎn)a與c上接電源e0，另兩個相對聯(lián)接點(diǎn)b與d上引出作為(zuwi)電橋的輸出端。直流電橋的工作原理當(dāng)一個橋臂由一個微變化電阻式傳感器構(gòu)成時，被測物理量的變化轉(zhuǎn)化為電阻傳感器的微電阻變化R，此電阻的變化將引起直流電橋輸出電壓的變化ey。這一ey就可以用來估計

3、R也就是估計被測物理量的變化。4共三十頁電橋(din qio)原理平衡條件VER1R3R2R45共三十頁不平衡(pnghng)時當(dāng)R1+R1，R2+R2， R3+R3和R4+R4時，平衡(pnghng)時從而當(dāng)6共三十頁單臂電阻(dinz)變化時令：7共三十頁電橋(din qio)4 交流電橋電感(din n)電容平衡條件傳感器傳感器8共三十頁電橋(din qio)結(jié)構(gòu)(jigu)形式與直流電橋相同。但在電路具體實(shí)現(xiàn)上與直流電橋有兩個不同點(diǎn)：一是其激勵電源是高頻交流電壓源，或電流源，二是交流電橋的橋臂可以是純電阻，但也可以是包含有電容、電感的交流阻抗。9共三十頁電橋(din qio)電橋(di

4、n qio)的接法：單臂 半橋全橋10共三十頁電橋(din qio)輸出電壓就反映了橋臂電阻變化的情況。在RR0的條件下，即微電阻變化測量(cling) 半橋單臂 半橋雙臂全橋方式輸出與輸入為線性關(guān)系，靈敏度成倍提高。11共三十頁電橋(din qio)電橋的使用性能及特點(diǎn)電橋測量電路簡單，測量精度和靈敏度高，對各橋臂阻抗變化引起的電壓變化值能自動加減輸出，在工程測試中用途廣泛。直流電橋的特點(diǎn)是平衡電路簡單，對聯(lián)接(lin ji)導(dǎo)線要求較低，可采用直流儀表測量，直流電源的穩(wěn)定程度容易保證，但要求后接比較復(fù)雜的直流放大器。交流電橋要求工作電源的電壓波形沒有畸變，頻率必須穩(wěn)定。交流電橋一 般采用音

5、頻交流電源，后接電路采用簡單的交流放大器。12共三十頁信號(xnho)的調(diào)制與解調(diào)調(diào)制是工程測試信號在傳輸過程中常用(chn yn)的一種調(diào)理方法，主要是為了解決微弱緩變信號的放大問題。工程中的一些物理量，如力、位移、溫度等，經(jīng)過傳感器變換后，常常是微弱的直流或相對緩變的電信號，直接送入直流放大器或交流放大器會產(chǎn)生零點(diǎn)漂移或信號失真。所以，為了很好地解決緩變信號的放大問題，引入了稱為調(diào)制與解調(diào)的方法。13共三十頁信號的調(diào)制(tiozh)與解調(diào)下圖描述了一種(y zhn)連續(xù)信號的調(diào)制與解調(diào)過程。14共三十頁信號的調(diào)制(tiozh)與解調(diào)用于緩變信號放大的。調(diào)制(tiozh)式直流放大器工作原理

6、如圖。15共三十頁信號(xnho)的調(diào)制與解調(diào)振蕩器：振蕩器向調(diào)制器和解調(diào)器提供一高頻等幅振蕩信號，載送緩變信號，因此稱為載波(zib)。載波頻率一般為500kHz20MHz。調(diào)制器：調(diào)制器的作用是將輸入的緩變信號加載到載波上，調(diào)制器的輸出信號稱為已調(diào)波。已調(diào)波的幅值反映了緩變信號的變化，緩變信號在此稱為調(diào)制信號。16共三十頁信號(xnho)的調(diào)制與解調(diào)交流放大器：由于被放大的信號為高頻交流信號，因此零漂與放大的矛盾和交流放大器低頻特性差的問題得到了很好的解決。解調(diào)器：解調(diào)器的作用是從放大后的已調(diào)波信號中取出緩變信號。（相敏檢波+低通濾波）調(diào)制的類型：利用調(diào)制信號可以控制載波的幅度、頻率和相位

7、，分別稱為(chn wi)調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相位（PM），已調(diào)波分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。17共三十頁信號的調(diào)制(tiozh)與解調(diào)工程(gngchng)測試中常用的是調(diào)幅和調(diào)頻兩種方式，如圖。18共三十頁濾波器2.2.2.3 濾波器的原理什么是濾波器：凡是可以使信號中特定的頻率(pnl)成分通過，而極大地衰減或抑制其他頻率成分的裝置或系統(tǒng)都稱之為濾波器。在動態(tài)電阻應(yīng)變儀和諧振鑒頻器中，LC回路和RC回路可以將緩變的調(diào)制信號從高頻的載波中分離出來，這些電路起的作用就是濾波作用。在機(jī)械設(shè)備中，經(jīng)常采用各種隔振、防噪聲的裝置，這些裝置起的作用也是濾波作用。各類儀器、儀表都有一定的

8、工作頻率范圍，這說明它們本身都有濾波作用。濾波器的類型：根據(jù)(gnj)頻率特性不同，濾波器分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器四類。19共三十頁模擬-數(shù)字(shz)轉(zhuǎn)換信號多是隨時間連續(xù)變化的模擬(mn)電壓或電流。當(dāng)采用數(shù)字式儀器、儀表以及計算機(jī)對這些信號進(jìn)行處理或顯示時，有必要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這個轉(zhuǎn)換過程稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D），通常由模數(shù)轉(zhuǎn)換器來完成。反之，在計算機(jī)控制系統(tǒng)和某些數(shù)字化測試系統(tǒng)中，需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量去驅(qū)動執(zhí)行元件或模擬式顯示、記錄器，這個轉(zhuǎn)換過程稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A），所用的裝置是數(shù)模轉(zhuǎn)換器。20共三十頁記錄(jl)儀器信號進(jìn)一步加工放大后，必須通

9、過(tnggu)記錄或顯示儀器，才能供直接觀察分析，或?qū)⑵浔４嫦聛?，事后供后續(xù)儀器對所測信號進(jìn)行分析、處理。記錄儀器可用來記錄一物理量隨時間變化的函數(shù)關(guān)系，也可記錄兩物理量之間的函數(shù)關(guān)系。常用兩大類記錄儀器，即顯式記錄儀器和隱式記錄儀器。顯式記錄儀是一種能提供視覺能見波形的記錄儀，能提供直接觀測的波形，如各種筆式記錄儀、光線示波器等。隱式記錄儀器記錄后不能直接觀測到記錄波形，需通過其他儀器設(shè)備才能顯示出來，如各種磁記錄儀。21共三十頁顯式記錄儀器(yq)1、電壓記錄儀器，是用來記錄已轉(zhuǎn)化成電壓的信號。優(yōu)點(diǎn)：記錄幅值精度高。缺點(diǎn)：記錄緩變信號（10Hz下），由于機(jī)械慣量較大。記錄(jl)儀器22

10、共三十頁記錄(jl)儀器電流記錄儀器，是用來記錄電流信號的。筆式記錄儀被記錄信號電流饋入線圈，受磁場力的作用下線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，帶動筆桿進(jìn)行記錄，電磁力與油絲復(fù)位力矩平衡(pnghng)，轉(zhuǎn)角與記錄筆的坐標(biāo)相對應(yīng)。工作頻率不高。摩擦力大，誤差大。23共三十頁2、電流記錄(jl)儀器。 光線示波器 利用被記錄電流信號控制光束偏移在感光記錄紙上記錄信號的。頻率可達(dá)10kHz記錄(jl)儀器24共三十頁記錄(jl)儀器隱式記錄儀器筆式記錄儀和光線示波器雖然直觀地記錄了信號的時間歷程，但卻不能以電信號的方式再重放，這對于許多后續(xù)處理(chl)工作很不方便。缺點(diǎn)：磁帶記錄儀是利用鐵磁性材料的磁化來進(jìn)行記錄的

11、儀器，必須通過其它顯示、記錄儀器才能觀察記錄波形。優(yōu)點(diǎn)：1,但它能多次反復(fù)重放，以電量輸出（復(fù)現(xiàn)信號），便于與計算機(jī)或其他信號分析儀器聯(lián)機(jī)使用，對于后續(xù)信號的分析和處理極為有利。2,它可以用與記錄時不同的速度重放，從而實(shí)現(xiàn)信號的時間壓縮和擴(kuò)展。3,它也便于復(fù)制，也可以抹除并重復(fù)使用記錄介質(zhì)。4,磁帶記錄的存儲信息密度大，還可作多通道同時記錄，記錄信號頻率范圍寬，存儲的信息穩(wěn)定性高，對環(huán)境（溫度、濕度）不敏感，抗干擾能力強(qiáng)。25共三十頁記錄(jl)儀器26共三十頁測量儀器的顯示操作：模擬式：靠指針表的角位移、線位移來記錄被測量。數(shù)字式：靠數(shù)碼顯示器的數(shù)字、字符記錄，數(shù)字打印。圖形式(xngsh)

12、：除具有模擬、數(shù)字顯示作用外還能顯示曲線、表格、圖象、背景、變量場、物理量動態(tài)變化過程、色彩配合等。記錄(jl)儀器27共三十頁數(shù)據(jù)(shj)采集與處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集為了對溫度、壓力、流量、速度、位移等物理量進(jìn)行測量和控制，都是通過傳感器把上述物理量轉(zhuǎn)換成能模擬物理量的電信號，即模擬電信號。將模擬電信號經(jīng)過處理并轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能識別的數(shù)字量，送入計算機(jī)，這就是數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)的處理通常所采集到的數(shù)據(jù)，是被測對象的某些物理量經(jīng)過非電量到電量的轉(zhuǎn)換，又經(jīng)過放大或衰減、采樣、編碼、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)之后所呈現(xiàn)出來的一種數(shù)據(jù)形式。顯然，這種形式的數(shù)據(jù)（或信號）對數(shù)據(jù)使用者來說既不直觀(zhgun)，又沒有明確的

13、物理意義。28共三十頁1,必須把它們恢復(fù)成原來的物理量形式，并盡可能形象地給出它們的變化情況，這是數(shù)據(jù)處理的一個首要的任務(wù)。2,數(shù)據(jù)處理的另一重要任務(wù)就是要采取各種方法（例如，去除趨勢項、平滑、濾波等）最大限度地清除那些由于儀器設(shè)備及外界干擾等在采集到的數(shù)據(jù)中引入的誤差，以盡可能把精確的數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)使用者。3,數(shù)據(jù)處理的另一項任務(wù)就是要對數(shù)據(jù)本身進(jìn)行某些變換加工（例如，求均值或進(jìn)行傅里葉變換等），或在有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)之間進(jìn)行某些相互的運(yùn)算（例如，計算相關(guān)(xinggun)函數(shù)），從而得到某些更能表達(dá)該數(shù)據(jù)內(nèi)在特征的二次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集與處理(chl)系統(tǒng)29共三十頁內(nèi)容摘要工程測試技術(shù)。作業(yè)：為什么傳感器輸出信號一般要經(jīng)過信號調(diào)理。其主要原因是：1，大多數(shù)傳感器輸出的電信號很微弱，需要進(jìn)一步放大。5，當(dāng)采用數(shù)字式儀器、儀表和計算機(jī)