機械工程測試技術(shù)第四章

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1、 第 一 節(jié) 電 橋 電 路一 .直 流 電 橋1.直 流 電 橋 工 作 原 理 第 四 章 信 號 調(diào) 理 與 記 錄2.直 流 電 橋 平 衡 條 件 3.直 流 電 橋 工 作 特 性 1） 半 橋 單 臂 04321 RRRRR 令 則 RRR 11 2） 半 橋 雙 臂 04321 RRRRR 令 RRR 11則 RRR 22 3） 全 橋令 04321 RRRRR RRR 11 RRR 22則 RRR 33 RRR 44 結(jié) 論 （ 電 橋 的 和 差 特 性 ） ： *相 鄰 臂 符 號 同 ， 輸 出 為 兩 半 臂 各 自 輸 出 之 差 ； 相 鄰 臂 符 號 反 ， 輸

2、 出 為 兩 半 臂 各 自 輸 出 之 和 。 *和 差 性 質(zhì) 的 應(yīng) 用 例 ：n 溫 度 補 償 ；n 應(yīng) 變 測 力 組 橋 4.電 橋 零 位 平 衡 調(diào) 節(jié) 二 .交 流 電 橋 1.平 衡 條 件 2.幾 種 交 流 電 橋 1） 電 容 電 橋 平 衡 條 件 2） 電 感 電 橋 平 衡 條 件 ： 3） 純 電 阻 交 流 電 橋 3.交 流 電 橋 的 平 衡 裝 置 三 .帶 感 應(yīng) 耦 和 臂 的 電 橋 第 二 節(jié) 調(diào) 制 與 解 調(diào)1.調(diào) 制 定 義2.調(diào) 制 方 式 ：調(diào) 幅 、 調(diào) 頻 、 調(diào) 相3.解 調(diào) 定 義 一 .調(diào) 幅 及 其 解 調(diào)1.調(diào) 幅 原

3、 理載 波 信 號調(diào) 制 信 號已 調(diào) 制 波 2.解 調(diào)*解 調(diào) 方 式 ： 同 步 解 調(diào) 、 整 流 解 調(diào) 、 相 敏 解 調(diào)1） 同 步 解 調(diào)（ 1） 方 法 ： 將 調(diào) 制 波 與 原 載 波 信 號 相 乘 ， 從 中濾 去 高 頻 分 量 。 （ 2） 時 、 頻 域 分 析 n 2） 整 流 解 調(diào) 3） 相 敏 解 調(diào) 原 理 相 敏 解 調(diào) 器 的 應(yīng) 用 例 二 .調(diào) 頻 及 其 解 調(diào)1.調(diào) 頻1） 定 義2） 調(diào) 頻 方 法 及 原 理（ 1） 直 接 調(diào) 頻 法（ 2） 參 數(shù) 調(diào) 頻 法 調(diào) 頻 分 析 )21( 000 CCffff n （ 3） 電 壓 調(diào)

4、 頻 法 u 0 3.調(diào) 頻 信 號 的 解 調(diào) （ 鑒 頻 ）1） 定 義2） 鑒 頻 （ 解 調(diào) ） 方 法 ： 微 分 鑒 頻 、 相 位 鑒 頻 、 斜 率 鑒 頻 、 鎖 相 環(huán) 等3） 斜 率 鑒 頻 工 作 原 理 第 三 節(jié) 濾 波 器1.濾 波 器 的 功 能 使 信 號 中 特 定 的 頻 率 成 分 通 過 ， 非 特 定 的 頻 率 成分 被 極 大 地 衰 減 。 濾 波 器 在 測 試 技 術(shù) 領(lǐng) 域 中 的 應(yīng) 用 有 ： 1)在 噪 聲 背 景 下 提 取 有 用 的 信 號 2)構(gòu) 成 各 種 模 擬 頻 譜 分 析 儀 3) 數(shù) 字 信 號 處 理 系 統(tǒng)

5、中 的 預(yù) 處 理 環(huán) 節(jié) （ 如 解 決 混頻 問 題 ） 2.濾 波 器 的 類 別1） 依 據(jù) 選 頻 作 用 分 (1)低 通 濾 波 器 (2)高 通 濾 波 器 (3)帶 通 濾 波 器 (4)帶 阻 濾 波 器過 渡 帶 B 2） 依 據(jù) 所 處 理 的 信 號 性 質(zhì) 分 為 模 擬 濾 波 器 數(shù) 字 濾 波 器3） 依 據(jù) 是 否 帶 有 源 器 件 分 為 無 源 濾 波 器 有 源 濾 波 器二 .濾 波 器 性 能 分 析 1. 理 想 濾 波 器 特 性 對 理 想 濾 波 器 的 基 本 要 求 ： 對 有 用 信 號 無 失 真 傳 輸 ，對 無 用 信 號 能

6、 完 全 抑 制 。 理 想 特 性 可 歸 納 為 : 理 想 測 試 系 統(tǒng) 理 想 濾 波 器低 通 濾 波 器 的 理 想 特 性 (1)有 用 信 號 頻 帶 內(nèi) ， 應(yīng) 當(dāng) 是 常 值 幅 頻 ， 線 性 相 頻 ; (2)有 用 信 號 頻 帶 外 ， 幅 頻 立 即 下 降 到 零 ， 相 頻 特性 如 何 無 關(guān) 緊 要 。 低 頻 理 想 濾 波 器 的 頻 響 函 數(shù) 及 特 性 曲 線 ： 4.實 際 濾 波 器 的 特 性 及 主 要 特 性 參 數(shù) 1） 實 際 濾 波 器 的 特 性 （ 帶 通 ） 如 下 圖 。 2） 主 要 特 性 參 數(shù) ： （ 1） 截

7、止 頻 率 幅 頻 特 性 值 等 于 所 對 應(yīng)的 頻 率 ； 即 f c1、 fc2。 fc1、 fc2分 別 稱 為 下 截 止 頻 率 和上 截 止 頻 率 。 （ 2） 帶 寬 濾 波 器 的 工 作 頻 率 范 圍 ， 即 B=fc2-fc1。 因 為 ： ， 所 以 fc2-fc1常 稱 為 “ 負(fù) 三分 貝 帶 寬 ” 。 （ 3） 紋 波 幅 度 實 際 濾 波 器 在 通 頻 帶 內(nèi) 的 幅 度波 動 值 。 dBAA 3lg20 00 2/ （ 4） 品 質(zhì) 因 數(shù) Q 中 心 頻 率 fn與 帶 寬 B之 比 ， 即 ， 其 中 稱 為 中 心 頻 率 。 （ 5) 選

8、 擇 性 表 示 濾 波 器 對 帶 寬 外 頻 率 成 分 的 衰 減 能 力 ，有 兩 種 表 示 方 式 ： 倍 頻 程 選 擇 性 用 幅 頻 特 性 曲 線 上 兩 對 應(yīng) 點 的 縱 坐 標(biāo)之 比 表 示 ， 通 常 用 截 止 頻 率 fc2與 2fc2， 或 下 截 止 頻 率 fc1與 1/2fc1幅 頻 特 性 值 之 比 來 表 示 ， 即 ：dB )( )2(lg20 11ccfH fH dBfH fH cc )( )2(lg20 22或它 實 際 上 是 頻 率 變 化 一 個 倍 頻 程 時 的 幅 值 衰 減 量 。 濾 波 器 因 數(shù) 用 兩 個 幅 頻 特 性

9、 值 所 對 應(yīng) 的 帶 寬 之 比 表 示 ， 常 用 幅 頻 特性 為 60dB處 的 帶 寬 B 60dB 與 3dB處 的 帶 寬 B 3dB之 比 表 示， 即 = B 60dB / B 3dB 理 想 濾 波 器 的 1，一 般 1 5。 兩 種 選 擇 性 定 義 均 表 示 了 實 際 濾 波 器 與 理 想 濾 波 器 的 接近 程 度 。 三 .幾 種 實 際 濾 波 電 路 及 特 性 RC濾 波 器 由 電 阻 、 電 容 等 無 源 元 器 件 組 成 ， 常 稱為 無 源 濾 波 器 。 特 點 是 電 路 簡 單 ， 抗 干 擾 性 強 ， 有 較好 的 低 頻

10、性 能 ， 選 用 標(biāo) 準(zhǔn) 阻 容 元 件 容 易 實 現(xiàn) 。 1 .一 階 RC低 通 濾 波 器 電 路 圖 幅 頻 圖 相 頻 圖 電 路 的 微 分 方 程 及 幅 頻 、 相 頻 特 性 圖 為 （ ） *特 性 分 析 ： a.當(dāng) 時 ， A(f)1， （ f） -f關(guān) 系 為 近 似 于一 條 通 過 原 點 的 直 線 。 此 時 可 視 RC低 通 濾 波 器 為 不失 真 傳 輸 系 統(tǒng) 。 b.當(dāng) 時 ， ， 即 表 明 ， RC值 決 定 著 上 截 止 頻 率 ， 改 變 RC數(shù) 值 ， 可 改變 濾 波 器 的 截 止 頻 率 。 2. RC高 通 濾 波 器 電

11、路 圖 電 路 微 分 方 程 及 傳 遞 函 數(shù) 、 頻 響 函 數(shù) 為 （ ） 幅 頻 、 相 頻 特 性 及 特 性 圖 為 *特 性 分 析 a.當(dāng) 時 ， ， 濾 波 器 的 -3dB截 止 頻 率為 b.當(dāng) 時 ， 即 當(dāng) f相 當(dāng) 大時 ， 幅 頻 特 性 接 近 于 1， 相 移 趨 于 零 ， 此 時 RC高 通 濾波 器 可 視 為 不 失 真 傳 輸 系 統(tǒng) 。 c.當(dāng) 時 ， RC高 通 濾 波 器 起 著 微 分 器 作 用 。 （ 3） RC帶 通 濾 波 器 RC帶 通 濾 波 器 可 視 為 低 通 、 高 通 濾 波 器 串 聯(lián) 而 成 。已 知 一 階 高

12、通 濾 波 器 的 傳 遞 函 數(shù) 為一 階 低 通 濾 波 器 的 傳 遞 函 數(shù) 為串 聯(lián) 系 統(tǒng) 的 傳 遞 函 數(shù) 、 幅 頻 特 性 、 相 頻 特 性 為 )1()1( 1H(s) sss 22 )(1)(1 1)( A 1)()( arctgarctg故 低 通 濾 波 器 的 傳 遞 函 數(shù) 、 幅 頻 特 性 、 相 頻 特 性 為濾 波 器 的 下 、 上 截 止 頻 率 分 別 是 （ 4） 常 用 的 一 階 RC濾 波 器 特 性 匯 總 *一 階 RC濾 波 器 的 缺 陷在 過 渡 帶 內(nèi) 的 衰 減 速 率 很 慢 （ 每個 倍 頻 程 只 有 6dB） ， 通

13、 帶 和 阻帶 之 間 沒 有 陡 峭 的 界 限 ， 故 這 種濾 波 器 的 性 能 較 差 。 可 采 用 如 下 形 式 濾 波 器 改 進 ： #LC濾 波 器 （ 教 材 圖 4-28） ； #多 個 RC環(huán) 節(jié) 或 LC環(huán) 節(jié) 級 聯(lián) （ 教 材 圖 4-29） ； #有 源 濾 波 器 。 四 .濾 波 器 的 組 合 使 用 1） 濾 波 器 的 串 聯(lián) （ 1） 基 本 要 求 ： 串 聯(lián) 使 用 的 濾 波 器 中 心 頻 率 應(yīng) 相 同 。 （ 2） 串 聯(lián) 特 性 ： 幅 頻 特 性 相 乘 ， 使 通 頻 帶 外 的 頻 率成 分 有 更 大 的 衰 減 斜 率 ；

14、 相 頻 相 加 ， 使 相 位 變 化 更 劇烈 ， 惡 化 使 用 效 果 。 2） 濾 波 器 的 并 聯(lián) （ 1） 用 途 ： 選 取 信 號 中 某 些 特 殊 頻 率 成 分 ， 作 頻 譜 分 析 。 （ 2） 基 本 要 求 ： 各 濾 波 器 均 為 帶 通 濾 波 器 ， 各 濾 波 器 具 有 相 同放 大 倍 數(shù) 。 （ 3） 實 施 方 案 ： 由 中 心 頻 率 可 調(diào) 的 單 一 濾 波 器 組 成 ， 特 點 ： 頻 率調(diào) 節(jié) 范 圍 有 限 ； 由 若 干 個 中 心 頻 率 、 帶 寬 按 一 定 的 規(guī) 律 分 布 的 濾波 器 組 成 。 應(yīng) 用 例 如

15、 下 圖 示 。 a.排 列 要 求 ： 排 列 起 來 的 濾 波 器 組 的 濾 波 范 圍 應(yīng) 能覆 蓋 待 分 析 信 號 的 整 個 頻 譜 ， 具 體 為 ： 前 一 個 濾 波 器的 -3dB上 截 止 頻 率 與 下 一 個 相 鄰 濾 波 器 的 -3dB下 截 止頻 率 鄰 接 ， 如 圖 示 。 b.帶 寬 分 布 的 方 式 ： 有 兩 種 .恒 帶 寬 比 濾 波 器 ： 各 濾 波 器 組 元 帶 寬 B與 其 中 心頻 率 fo之 比 為 一 常 數(shù) ， 即 。 并 使 （ 1） （ 此 時 也 存 在 ）式 中 ： fc1、 fc2 兩 鄰 接 濾 波 器 的

16、中 心 頻 率 ； n 倍 頻 程 數(shù) ， n取 值 1、 1/3等 。 對 應(yīng) 的 濾 波 器稱 為 倍 頻 程 濾 波 器 、 1/3倍 頻 程 濾 波 器 ， 其 頻 率 分 布 如表 示 。 1n2n f2f n0iiBf 1c2c f2f n 因 為 （ 2） 所 以 ， 又 因 故 1c2c oo ff fBfQ c2c1n fff n2/nc1 f2f n2/nc2 f2f 2/2/o 22Q1 nnfB 若 n 1， 則 Q 1.41 B=0.707fo若 n 1/3， 則 Q 4.38 B=0.23fo由 此 求 得 對 應(yīng) 于 各 中 心 頻 率 的 帶 寬 如 表 2示

17、： n=1n=1/3 *恒 帶 寬 比 濾 波 器 特 點 ： 通 頻 帶 在 低 頻 段 窄 ， 分 辨 力 好 ； 通 頻 帶 在 高 頻 段寬 ， 分 辨 力 差 。 .恒 帶 寬 濾 波 器 ： 1.組 成 方 式 各 濾 波 器 組 元 帶 寬 B相 同 ,滿 足 2.應(yīng) 用 特 點 通 頻 帶 在 高 、 低 頻 段 相 同 ， 分 辨 力 相 同 。 為 提 高分 辨 力 ， 濾 波 器 帶 寬 需 取 窄 些 ， 這 在 給 定 譜 寬 條 件下 ， 所 需 濾 波 器 數(shù) 量 則 大 。 因 此 恒 帶 寬 濾 波 器 一 般不 用 中 心 頻 率 及 帶 寬 固 定 的 并

18、 聯(lián) 濾 波 器 組 ， 而 是 采用 中 心 頻 率 可 調(diào) 的 掃 描 式 帶 通 濾 波 器 來 實 現(xiàn) 。 實 際 應(yīng) 用 的 恒 帶 寬 濾 波 器 有 ： 相 關(guān) 濾 波 器 、 變 頻跟 蹤 濾 波 器 。 2.中 心 頻 率 可 調(diào) 式 通 過 改 變 中 心 頻 率 使 該 濾 波 器 的 通 帶 跟 隨 所 要 分析 的 信 號 頻 率 范 圍 要 求 來 變 化 。 但 此 類 帶 通 濾 波 器 ，在 調(diào) 節(jié) 中 心 頻 率 過 程 會 改 變 濾 波 器 的 參 數(shù) 如 增 益 、 Q值 ， 因 此 這 種 濾 波 器 ， 中 心 頻 率 的 調(diào) 節(jié) 范 圍 有 限

19、*濾 波 器 的 帶 寬 與 分 辨 力 關(guān) 系 應(yīng) 用 例 ： 已 知 一 信 號 含 有 的 頻率 成 分 為 940Hz和 1060Hz， 現(xiàn) 用 倍 頻 程 分 別 為 1/3、 1/10的 兩種 恒 帶 寬 比 濾 波 器 與 另 一 具 有 -3dB帶 寬 3Hz的 恒 帶 寬 濾 波 器分 別 對 其 進 行 譜 分 析 ， 分 析 結(jié) 果 如 下 圖 。 第 五 節(jié) 測 試 信 號 的 顯 示 與 記 錄 顯 示 與 記 錄 的 目 的 :(1) 觀 察 各 路 信 號 的 大 小 或 實 時 波 形 ;(2)及 時 掌 握 測 試 系 統(tǒng) 的 動 態(tài) 信 息 ， 如 輸 出

20、信 號 大 小 ;信 號 中 含 狀 況 ;(3)記 錄 信 號 的 重 現(xiàn) ;(4)對 信 號 進 行 后 續(xù) 的 分 析 和 處 理 。 一 、 信 號 顯 示 儀 器 1.模 擬 示 波 器 陰 極 射 線 示 波 器 由 示 波 管 、 放 大 器 和 鋸 齒 波 發(fā) 生 器 等 部 分 構(gòu) 成 。在 示 波 管 垂 直 偏 轉(zhuǎn) 板 上 加 信 號 電 壓 ， 在 水 平 偏 轉(zhuǎn) 板上 加 鋸 齒 波 電 壓 ， 可 使 電 子 束 在 熒 光 屏 上 描 繪 出 欲研 究 的 電 壓 波 形 ， 以 便 觀 察 、 記 錄 或 拍 攝 照 片 。 2.數(shù) 字 示 波 器 用 A/D轉(zhuǎn)

21、 換 器 將 被 測 模 擬 信 號 進 行 模 數(shù)轉(zhuǎn) 換 并 存 儲 ， 再 以 數(shù) 字 方 式 顯 示 。 數(shù) 字 示 波 器 的 優(yōu) 點 （ 1） 具 有 數(shù) 據(jù) 存 儲 與 回 放 功 能 ， 便 于 觀 測 單 次 過程 和 緩 慢 變 化 的 信 號 ， 也 便 于 進 行 后 續(xù) 數(shù) 據(jù) 處 理 ; （ 2） 具 有 高 分 辨 率 的 顯 示 系 統(tǒng) ， 便 于 對 各 類 性 質(zhì)的 信 號 進 行 觀 察 ， 可 看 到 更 多 的 信 號 細(xì) 節(jié) ; （ 3） 便 于 程 控 ， 可 實 現(xiàn) 自 動 測 量 ; （ 4） 可 進 行 數(shù) 據(jù) 通 信 。 3.數(shù) 字 存 儲 示 波 器 經(jīng) A/D轉(zhuǎn) 換 器 將 被 測 模 擬 信 號 進 行 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 并 存儲 ， 再 通 過 D/A轉(zhuǎn) 換 器 恢 復(fù) 為 模 擬 信 號 ， 以 模 擬 方式 顯 示 在 陰 極 射 線 管 或 液 晶 顯 示 屏 上 。 二 、 信 號 的 記 錄 記 錄 方 式 ： 模 擬 A/D卡 數(shù) 字 硬 盤 應(yīng) 用 ： 1.專 用 數(shù) 據(jù) 采 集 儀 2. 計 算 機 3.儀 器 前 端 附 ： 傳 統(tǒng) 的 幾 種 顯 示 與 記 錄 裝 置 簡 介 1.動 圈 式 磁 電 指 示 機 構(gòu) 2.光 線 示 波 器 3.磁 帶 記 錄 儀 4.伺 服 是 記 錄 儀