单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,第二章 信号处理电路,广州铁路职业技术学院机电系 制作,第二章 信号处理电路,本章内容主要介绍常见信号处理电路，通过项目,-,电桥电路实验，掌握信号处理的方法本章的重点是电桥电路，掌握电桥电路的工作原理和组成了解信号放大电路、滤波电路、信号转换电路和信号抗干扰的措施广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,1.,项目说明,2.,基本知识,3.,项目计划,4.,项目方案,5.,项目实施过程,6.,项目检查与评估,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂、全桥电桥实验,1.,项目目的,1,）理解单臂电桥、双臂电桥和全电桥的性能，通过项目分析三者之间的灵敏度关系2,）了解信号处理的方法,3,）了解仪表抗干扰的措施2.,项目条件,传感器综合实验台（含直流稳压电源、差动放大器、电桥、双平行梁、主副电源、应变片、数显示电压表）3.,项目内容及要求,分别利用单电桥、双电桥和全电桥组成的电路测量金属箔式应变片受力情况，比较单电桥、双电桥和全电桥的性能及灵敏度。
一,.,项目介绍,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目一 自动检测系统认识,二,.,基本知识,2.2.1,电桥电路,电桥有直流电桥和交流电桥直流检测系统图,直流检测系统主要用于检测纯电阻的变化，如电阻应变仪、热电阻温度计等，也可用于检测直流电压的变化，如热电偶测温仪表等广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,交流检测系统,交流检测系统主要用于检测阻抗变化的传感器，振荡频率通常在,50Hz20KHz,用于电容式传感器，振荡频率可达,0.5MHz,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,2.2.1,电桥电路,直流电桥,若,U,0,=0,时，电桥平衡若,R1=R2=R3=R4,，称为等臂电桥，电桥有一个电阻变化，则电桥失去平衡广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,电阻应变片接入电桥通常有三种接法：如果一个电桥臂接入应变片，其他三个臂采用固定电阻，称为单臂电桥；如果两个电桥臂接入应变片，称为双电桥，又称为半桥；如果四个电桥臂都接入应变片，则称为全桥1,）单臂工作电桥,单臂工作电桥的一个电阻变化，即,R10,，如果是等臂电桥，其余各臂为固定电阻，,R2=R3=R4=0,，代入式（,2-6,）得：,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥电路实验,2,）双臂工作电桥,若等臂电桥的两个臂接入应变片，其中一个应变片受压，另一个应变片受拉，即,R1=-R2,，其余两个为固定电阻，即,R3=R4=0,，代入式（,2-6,）得：,二、基本知识,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥电路实验,二、基本知识,（,3,）全桥工作电桥,若等臂电桥的四个桥臂都为应变片，且,代入式（,2-6,）得：,结论：全桥的工作方式灵敏度最高，输出电压最大。
广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥电路实验,直流电桥的优点是：所需的高稳定度直流电源较易获得；电桥输出,U,0,是直流，可以用直流仪表测量；对从传感器至测量仪表的连接导线要求较低；电桥的平衡电路简单直流电桥的缺点是：直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响二、基本知识,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,交流电桥,1,）交流电桥的平衡条件,交流电桥的四个桥臂分别用阻抗,Z1,、,Z2,、,Z3,、,Z4,表示，它们可以是电感值、电容值或电阻值，其输出电压也是交流设交流电桥的电源电压为：,二、基本知识,交流电桥输出电压,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,交流电桥平衡条件：,2,）电阻交流电桥,单臂电阻交流电桥,二、基本知识,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,3,）电感电桥,二、基本知识,交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,4,）电容电桥,桥臂接入电容时，公式为：,从上式可知：交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。
广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥电路,5,）变压器电桥电路,二、基本知识,用差动式电容传感器组成电桥相邻两臂，当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为：,若电容为变间隙式，上式变为,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,结论：,在电源激励电压恒定的情况下，电桥输出电压与电容传感器输入位移成正比由于在该输出电压无法反映位移的方向，相敏检波电路可识别方向所以输出电压必须经后续放大并经相敏检波和滤波后可由指示表显示位移的方向和大小二、基本知识,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,2.2.2,信号放大电路,1,、差动放大器,差动放大器是一种零点漂移十分微小的直流放大器，它常作为多级直流放大器的前置级，用以放大很微小的直流信号或缓慢变化的交流信号广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,2,、电荷放大器,电荷放大器用于放大压电传感器的输出信号电荷放大器是一个具有反馈电容,C1,的高增益运算放大器电路它把压电传感器的输出信号放大并将高输出阻抗变换成低阻抗输出，输出电压与输入电荷成正比。
广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,Ca,为压电传感器的等效电容，,Cc,为连接电缆的等效电容，,Ci,为电荷放大器的输入电容，,Cf,为反馈电容，,Rf,为反馈电阻电荷放大器的输出电压为：,当放大器开环增益,A,和输入电阻,R,、反馈电阻,Rf,相当大，,A1,时，放大器的输出电压,U0,正比于输入电荷,q,，反比于反馈电容,Cf,，即：,二、基本知识,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,信号滤波电路：,作用：,传感器输出的信号通常要进行滤波，滤去不必要的高频或低频信号，或要取得某特定频段的信号类型：,低通滤波器：,通过低频信号，抑制或衰减高频信号,高通滤波器：,允许高频信号通过，抑制或衰减低频信号,带通滤波器：,允许通过某一频段的信号，而在此频段两端以外的信号将被抑制或衰减,带阻滤波器：,容许频率低于某一频段的下限截止频率和高于上限截止频率的信号的通过,二、基本知识,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二、单臂、双臂和全桥电桥实验,2.2.4,信号转换电路,1,、电压与电流转换,目前实现,05V,、,010V,电压、,010mA,、,420mA,电流的转换，可采用集成电压,/,电流转换电路来实现，如,AD693,、,AD694,、,XTR110,等。
2,、电压与频率转换,有些传感器敏感元件输出的信号为频率信号，如涡轮流量计，有时为了和其他标准信号接口显示仪表配套，需要把频率转换成电压广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,2.2.5,抗干扰技术,干扰源：,1,）机械干扰,2,）湿度与温度干扰,3,）电磁感应,4,）静电感应,5,）不同地电位引入的干扰,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥电路,抗干扰的措施：,1,、机械干扰：可选用专用减振弹簧或吸振海绵来降低系统的谐振频率，吸收振动的能量2,、湿度与湿度干扰：,(1,）在设计检测电路时，尽量选用低温漂元件2,）在电路中考虑采取软、硬件温度补偿措施3,）尽量采取低功耗、低发热元件4,）选用的元器件规格要有一定的余量5,）仪器的前置级应尽量远离发热元件,(6,）加强散热,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,3,、抗电磁干扰：,1,）串模干扰的抑制,（,1,）信号导线扭纹：,把信号导线扭纹在一起能使信号回路包围的面积大为减少2,）屏蔽：,静电屏蔽、低频磁屏蔽、电磁屏蔽,（,3,）滤波技术,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,静电屏蔽,：用铜或铝等导电性良好的金属为材料制作成封闭的金属容器，并与地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力场不影响内部的电路。
低频磁屏蔽,：是用来隔离低频磁场和固定磁场耦合干扰的有效措施静电屏蔽线或静电屏蔽场对低频磁场不起隔离作用，必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使低频磁屏蔽内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响电磁屏蔽,：也是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中干扰源产生的高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，就在其外表面感应出同频率的电涡流，从而消耗了高频干扰源磁场的能量广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,2,）共模干扰抑制,防止共模干扰通常采用的措施有：接地和光电隔离1,）接地技术：一点接地原则,系统两点接地,系统一点接地,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,在二次仪表侧接地中，大地电位差,U,Ni,引起的干扰环流从,A,点出发，经,Ci3,及,Ci4,（信号线对传感器金属外壳的分布电容）,Zs1,、,Zg(,信号线内阻,)Zi1,、,Ci1,及,Zu,、,Cu(,二次仪表对地阻抗,)A/D,板的公共参考端,GNDC,点和,B,点由于,Ci1,、,Cu,、,Ci3,及,CA,容量均很小，因此大地环流很小，具有较高的抗干扰能力。
广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,2,）隔离技术,隔离变压器供电：,使用隔离变压器应将一次侧、二次侧绕组屏蔽，二次侧绕组屏蔽与中间抽头相连接，隔离变压器与线路之间的相互连接线包括屏蔽线,(,因为这些屏蔽线是处在信号屏蔽的延伸之中,),必须完全封闭广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,光耦合技术,输入量是电流，当电流流入发光二极管，它即发射红外光，光敏元件受红外光照射后产生相应的光电流，实现了以光为媒介的电信号的传输光耦合器在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,2.2.6,显示仪表,模拟式仪表：有动圈式仪表，它,价格低，易于维护，精度可达,1.0,级，与各种敏感元件和传感器、变送器配合，广泛用于温度、压力、成分、物位等非电量的测量数字式仪表：,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,数字式仪表,应用：测量物体的长度，对运转的转轴等测线速、转换，对流水线上的产品个数可实现计数。
CH,系列,HM,系列,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,1.3,项目实施过程,1.3.1,项目计划,本项目计划是分别作应变片单臂、双臂和全桥性能实验，然后分析实验数据，比较单臂、双臂和全桥电桥的灵敏度，从而掌握电桥电路的工作原理，了解传感器信号处理和数字显示的过程项目工作计划如表,2-1,，内容如下：,1,、研讨任务,2,、制定计划,3,、讨论实验的工作原理,4,、具体操作,5,、效果检查,6,、评估,广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,2.3.2,操作过程,1,、单臂电桥性能实验：,在应变传感器实验模板上，按下图接线广州铁路职业技术学院 刘丽华制作,项目二 单臂、双臂和全桥电桥实验,实验步骤如下：,1,）应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器。
