數字存儲示波器與瞬態(tài)信號測量

數字存儲示波器與瞬態(tài)信號測量工程物理系工物22方僑光2002012041【實驗目的】學會使用數字存儲示波器來記錄瞬態(tài)信號；掌握利用數字存儲示波器進行傳輸線中脈沖信號傳輸和反射的測量；掌握利用超聲波來測量不同的物理量的方法。【實驗儀器】TDS210、TDS1—2、TDS2002數字存儲示波器，QW-1型瞬態(tài)信號測量實驗儀，直探頭，斜探頭，可變探頭，工件，匹配負載，短路負載，三通，導線?！緦嶒炘怼坑脭底执鎯κ静ㄆ饔^測單脈沖信號脈沖波基本特征描繪參數（圖1）脈沖周期T：周期性重復的脈沖序列中，兩個相鄰脈沖之間的時間間隔。脈沖幅度Vm：脈沖電壓的最大變化幅度。脈沖寬度tw：從脈沖前沿上升到0.5Vm起至脈沖后沿下降到0.5Vm為止的一段時間。上升時間tr：脈沖上升沿從0.1Vm上升到0.9Vm所需要的時間。下降時間tf：脈沖下降沿從0.9Vm下降到0.1Vm所需要的時間。示波器捕捉到脈沖信號后，測量信號的精細波型，即可獲得脈沖波的各種參數。數字存儲示波器的使用方法打開電源，用導線將信號源連接到CH1或CH2通道。調整到合適的電壓和時間。按觸發(fā)鍵，調整觸發(fā)電頻以獲得穩(wěn)定的信號按相應菜單提示，可按MEASURE鍵自動測量，也可按CURSOR鍵手動測量電壓差或時間差。單次脈沖信號可按SAVE鍵存儲到A或B中。超聲波測量實驗超聲波產生原理聲波是一種彈性波，超聲波的頻率范圍為2×104～1012Hz，且具有方向性好，穿透力強，易產生和接收，探頭體積小等特點，能夠在所有彈性介質中傳播。能將其它形式的能量轉換成超聲振動能量的方式都可用來發(fā)生超聲波。目前最普遍的是利用壓電效應來產生和接受超聲波。如在電極兩端施加一脈沖電壓，則晶體發(fā)生彈性形變，隨后發(fā)生自由振動，并在厚度方向形成駐波。如果晶片兩側存在其它他性介質，則會向兩側發(fā)射彈性波，波的頻率與晶片的材料與厚度有關。超聲波在介質中傳播的三種形式縱波：即介質中質點振動方向與超聲波傳播方向一致。橫波：即介質中質點震動方向與超聲波傳播方向垂直。表面波：可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于表面的橫波合成，振動質點軌跡為一橢圓。三種超聲探頭在超聲波分析測試中，利用超聲波探頭產生脈沖超聲波。常用的超聲探頭有直探頭（產生縱波），斜探頭（產生橫波或表面波）和可變角探頭（旋轉探頭芯可改變探頭入射角，得到不同折射角的斜探頭，當θ=0時為直探頭）。固體彈性模量的測量本實驗次用脈沖波反射法測量固體彈性模量。脈沖波是由不同頻率成分的連續(xù)波合成的。而對于各向同性的介質，聲波傳播速度與頻率無關。因此利用脈沖超聲波測量聲速不會影響測量的準確性。當超聲波探頭產生脈沖聲波后，通過耦合劑進入介質。如果在傳播路徑上遇到畸變，如人工反射體、介質界面等，則部分聲波會沿原來的路徑發(fā)射回去，被探頭接收。已知探頭與人工反射體或介質界面的距離，通過測量測量聲波傳播的時間，則可測量出介質的聲速。聲速計算公式如下：其中，L是探頭到反射體的距離。超聲波速度與傳播介質的彈性模量和密度有關，不同的介質有不同的聲速，并且當波型不同時，介質彈性形變形式不同，聲速也不同。用E表示楊氏模量，σ表示Poisson系數，ρ為材料密度。則楊氏模量而Poisson系數其中，。傳輸線中脈沖信號反射波的測量和應用傳輸線的等效電路及重要參數等效電路如圖2所示：其中，R、L、C、G分別為單位長度傳輸線的電阻、電感、電容和電導。利用電磁場理論和電路方程分析，并經過繁復的推導得到：其中，稱為傳播常數，實部稱衰減常數，虛部稱相位常數。又令稱為傳輸線的特性阻抗。下面列舉兩種重要情況：（1）無損耗線：（2）無失真線：可以證明，以上兩種情況在傳播過程中即使而引起信號衰減，但能保持信號不產生畸變。對無限長導線，只有沿+z方向的行波，但實際導線都是有限的，下面考慮終端負載對傳輸信號的影響?？梢宰C明：其中，是在負載端電壓反射波與入射波振幅之比，稱為負載電阻的電壓反射系數。對于無損線，若負載也為純電阻負載，分三種情況討論：（1）開路電壓反射系數最大，在z=L處，電壓最大，是駐波波腹；電流最小，是駐波波節(jié)。（2）短路電壓反射系數為負值，表示反射波反相。電壓、電流駐波分布和開路情況相反。（3）負載匹配電壓反射系數為0。沒有反射波。只有沿+z方向的行波。電纜長度測量原理負載匹配時，輸出端和輸入端信號時間延遲量為電信號在電纜中單向傳輸一次的時間，已知電信號在電纜中傳輸的速度，即可根據計算出電纜長度L（如圖3所示）短路負載時，輸出端無信號輸出，而在輸入端有信號輸出。由于輸入端信號在反射時有半波損失，故相鄰的兩個脈沖波反向，且兩波之間的時間差為電信號在電纜中傳輸一個來回的時間，滿足。由此可計算出電纜長度L。（如圖4所示）電纜衰減系數測量原理斷路時，電信號在電路中反復傳輸，由于損耗，電壓逐漸降低，并且減小幅度滿足負指數規(guī)律，即：。測出輸出電壓值即可計算值。（如圖5所示）【實驗步驟】觀察和測量脈沖信號將“檢波”端口與示波器用BNC線相連，調整示波器處于捕捉狀態(tài)按動“單次觸發(fā)”按鈕，產生脈沖信號。示波器捕捉后測量信號的精細波型。測量單脈沖的電壓幅度、上升沿、下降沿、脈沖寬度（調整衰減器值使之約為300ns）、衰減器值。存儲觀察到的脈沖波型，記錄存儲通道。選做部分：“連續(xù)觸發(fā)”下，測量并繪制波型。測量時“超聲探頭”的“發(fā)射”和“接收”端口斷路，調節(jié)衰減器為0，“檢波”端口也可以輸出但次脈沖信號，不過輸出脈沖幅度較小，波型也不是單峰結構。超聲波測量實驗。用直探頭測Cφ3鉆孔缺陷深度把探頭按圖6位置擺放，從工件右側到左側逐漸移動探頭，當示波器出現缺陷波型時，即為Cφ3鉆孔反射的波，探頭位置保持不變。從示波器上直接讀出回波的刻度，根據標定比例算出回波對應的深度。重復上述步驟，數據處理后得到Cφ3鉆孔的深度及縱波在介質中的傳播速度（底波）。波型轉換和橫波、表面波的觀測橫波和表面波一般是利用波型轉換得到的，例如斜探頭和可變角探頭，如圖7所示。方法如下：把可變角探頭的入射角調整為0，使超聲波入射在兩個圓弧R1和R2的下部邊緣，觀察反射回波，測量t1和t2確定其波型（縱波）。增大可變角探頭入射角，注意回波幅度的變化。當入射角達到某一值后，縱波幅度會減小，在其后又會出現兩個回波，并且幅度不斷增大。測量新出現兩個回波對應的時間差，確定其波型（橫波）。可變角探頭入射角增加到某值時，縱波消失，只剩橫波?？勺兘翘筋^入射角繼續(xù)增加，橫波幅度減弱并消失，此過程又出現兩個回波，測量其時間差，確定波型（表面波）。用斜探頭測橫波速度將連有測量儀的斜探頭與示波器相連，將斜探頭的左側與工件左側圓心重合。示波器波形穩(wěn)定后，測量大半徑回波與小半徑回波的時間差，通過聲速測量原理，計算橫波波速。重復上述步驟，數據處理后得到橫波波速。由1和3得到的數據計算工件彈性模量E及Poisson系數。選做部分：用可變探頭測表面波聲速將連接有測量儀的可變探頭與示波器相連，調整可變探頭角到65o左右，在工件上移動，以獲得表面波。從示波器可觀察表面波波形隨著探頭的移動而移動，如果滴一點水在表面波傳播路徑上，則示波器表面波波形消失。將可變角探頭左側放在圓心處，將角度調到0，利用縱波測出始波與表面波之間的時間差，計算表面波傳播路程，從而得出表面波的速度