《信号调节器》PPT课件.ppt
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1、测试技术基础测试技术基础北京航空航天大学北京航空航天大学机械制造及自动化系机械制造及自动化系周正干周正干检测技术检测技术第七章 信号调节器概概述述电电桥桥信信号号的的滤滤波波线线性性化化处处理理信号调节器信号调节器概述概述一一.信号调节器的功能信号调节器的功能二.对传感器输出的原始信号或系统中某一环节的输出信号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。进行再加工,以满足下一环节输入要求的需要。信号调节器信号调节器二二.信号调节器的种类信号调节器的种类1.参量变换型: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。常用于参量型传感器,将
2、电参量变换成电压和电流量。被测量被测量参量型传感器参量型传感器电桥、谐振电路电桥、谐振电路R,L,CV,I2.阻抗变换、幅度调节阻抗变换、幅度调节被测量被测量发电型传感器发电型传感器放大、衰减、阻抗匹配、变换放大、衰减、阻抗匹配、变换U,IV,I3.调制、解调调制、解调被测量被测量传感器传感器解调解调调制调制放大、传送放大、传送调制波调制波输出输出信号调节器信号调节器4.品质调节品质调节:线性化处理线性化处理扩大测量范围,减少非线性失真;扩大测量范围,减少非线性失真;滤滤波波保持有用信号,消除干扰;保持有用信号,消除干扰;倍频、细分倍频、细分提高测量精度;提高测量精度;5.A/D、D/A转换:
3、转换:与计算机相联系。与计算机相联系。信号调节器信号调节器7.2测量电桥测量电桥一一.阻抗电桥的构成及平衡条件阻抗电桥的构成及平衡条件1.构成:构成:如图所示,由四个阻如图所示,由四个阻抗构成四个桥臂。抗构成四个桥臂。A和和C接入电接入电源源E,B和和D端为输出端。端为输出端。输出电压输出电压:桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。当被测量为某一初当被测量为某一初始值并未发生变化时希望电桥输出为始值并未发生变化时希望电桥输出为0。信号调节器信号调节器2.电桥的平衡条件电桥的平衡条件z2z4-z1z3=0称之为电桥平衡条件称之为电桥平衡条件或者:或者:z
4、2z4=z1z3 即对边乘积相等即对边乘积相等若为复阻抗若为复阻抗平衡条件可改写为:平衡条件可改写为:z2z4=z1z3 模平衡条件模平衡条件相位平衡条件相位平衡条件信号调节器信号调节器3电桥的工作方式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。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。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当电桥的电源为直流时称之为直流电桥直流电桥。显然直流电桥只能是纯电。显然直流电
5、桥只能是纯电阻电桥。电源若为交流称之为阻电桥。电源若为交流称之为交流电桥交流电桥,交流电桥桥臂可为电阻、,交流电桥桥臂可为电阻、电感或电容。电感或电容。信号调节器信号调节器二二.电桥的特性电桥的特性1.电桥的电压灵敏度电桥的电压灵敏度以单工作臂直流电桥为例以单工作臂直流电桥为例设工作臂为设工作臂为R1,则:,则:信号调节器信号调节器通常用相对电压灵敏度通常用相对电压灵敏度对于对于输出对称电桥输出对称电桥对于对于电源对称电电源对称电桥桥对于对于全等臂电桥全等臂电桥对对输出对称电桥输出对称电桥和和全等臂电桥全等臂电桥,其灵敏度只与电源有关。其灵敏度只与电源有关。若采用应变片若采用应变片作传感器,可
6、根据应变片的额定电流适当选择电源。另外,电压灵敏度作传感器,可根据应变片的额定电流适当选择电源。另外,电压灵敏度Sv是在是在RR时推出的,若此条件不符合,则会出现非线性误差。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=RR1=R2=R3=R4信号调节器信号调节器2.电桥桥臂的接入特性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)(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若四个阻抗臂都感受被测量的变化称之为全桥全桥,相应有,相应有半桥半桥和和单单臂臂工作。对于工作。对于全桥全桥,这时输出的关系式为:,这时输出
7、的关系式为:对于对于全等臂电桥全等臂电桥或或输出对称电桥输出对称电桥,可写作:,可写作:信号调节器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、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,电桥输出不为方向相同的信号时,电桥输出不为0,感受大小相等、方,感受大小相等、方向相反的信号时,输出为向相反的信号时,输出为0。当相邻边感受大小相等、方。当相邻边感受大小相等、方向相反的信号时,电桥输出不为向相反的信号时,电桥输出不为0;而感受大小相等、方;而感受大小相等、方向相同的信号时,输出为向相同的信号时,输出为0。因此,我们把相对边称为。因此,我们把相对边称为
8、同同变输入端变输入端工作时接入同变信号工作时接入同变信号;把相邻边称为;把相邻边称为差变输差变输入端入端工作是接入差变信号工作是接入差变信号。这样电桥才有最大输出。这样电桥才有最大输出。这就是这就是电桥的接入特性。利用这一特性,通常电桥可用于。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信号分离、抑制干扰和温度补偿等,使输出信号保持为最大。大。下面举例说明。下面举例说明。信号调节器信号调节器信号调节器信号调节器7.3信号滤波信号滤波一一.测试系统中的信号滤波测试系统中的信号滤波1.什么是滤波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在通过传
9、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。干扰,我们就要对传感器获得的信号进行滤波。滤波的实质: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,信号中某些频率成分得以通过,为滤波器。当信号通过滤波器时,信号中某些频率成分得以通过,其他频率成分的信号受
10、到衰减或抑制。信号通过滤波器的过程,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。就称为对信号进行滤波。信号调节器信号调节器例如: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,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:传感器输出的电压信号中包含三种成分:(1)表面坡度信号表面坡度信号x1(t)f1(2)表面粗糙度信号表面粗糙度信号x2(t)f2(3)高频电气干扰高频电气干扰x3(t)f3且且f1f2
11、f3V0=x1(t)+x2(t)+x3(t)我们对我们对V0进行频谱分析进行频谱分析:为了准确地测量粗糙度信号,我们可以让为了准确地测量粗糙度信号,我们可以让V0分别通过一个低分别通过一个低通滤波器和一个高通滤波器,分别滤掉通滤波器和一个高通滤波器,分别滤掉f3和和f1,这样,这样f2就不失真的就不失真的通过。通过。2滤波器的类型滤波器的类型(1)按功能分:低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,)按功能分:低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器带阻滤波器1)低通滤波器低通滤波器从从0f2频率之间,幅频特性频率之间,幅频特性平直,它可以使信号中低于平直,它可以使信号中低于f2的的频率成分几
12、乎不受衰减地通过,频率成分几乎不受衰减地通过,而高于而高于f2的频率成分受到极大地的频率成分受到极大地衰减。衰减。信号调节器信号调节器2)高通滤波器高通滤波器与低通滤波相反,与低通滤波相反,从频率从频率f1,其幅频,其幅频特性平直。它使信号中特性平直。它使信号中高于高于f1的频率成分几乎的频率成分几乎不受衰减地通过,而低不受衰减地通过,而低于于f1的频率成分将受到的频率成分将受到极大地衰减。极大地衰减。信号调节器信号调节器3)带通滤波器带通滤波器它的通频带它的通频带在在f1f2之间。它之间。它使信号中高于使信号中高于f1而而低于低于f2的频率成分的频率成分可以不受衰减地可以不受衰减地通过,而其
13、它成通过,而其它成分受到衰减。分受到衰减。信号调节器信号调节器4)带阻滤波器带阻滤波器与带通滤波相与带通滤波相反,阻带在频率反,阻带在频率f1f2之间。它使信之间。它使信号中高于号中高于f1而低于而低于f2的频率成分受到的频率成分受到衰减,其余频率成衰减,其余频率成分的信号几乎不受分的信号几乎不受衰减地通过。衰减地通过。信号调节器信号调节器低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种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最基本的形式,其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器,例如:为这两种类型的滤波器,例如:低通滤波低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器,器与高通
14、滤波器的串联为带通滤波器,低低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。器。信号调节器信号调节器低通滤波器与高通滤波器的串联低通滤波器与高通滤波器的串联信号调节器信号调节器低通滤波器与高通滤波器的并联低通滤波器与高通滤波器的并联信号调节器信号调节器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)按处理信号的类型分:模拟滤波器,数字滤波器模拟滤波器:由模拟滤波器:由R、L、C电路组成;电路组成;数字滤波器:由一定的算法在计算机上实现。数字滤波器:由一定的算法在计算机上实现。模拟滤波器模拟滤波器数字滤波器数字滤波器二模拟滤波器二模拟滤波器1.
15、理想滤波器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,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应为零。特性的斜率为常值;在通带外的幅频特性应为零。理想低通滤波器的频率响应函数为理想低通滤波器的频率响应函数为-信号调节器信号调节器其幅频及相频特性曲线为其幅频及相频特性曲线为信号调节器信号调节器2.实
16、际滤波器实际滤波器(1)实际滤波器的基本参数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,
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