數(shù)字存儲(chǔ)示波器與瞬態(tài)信號(hào)測(cè)量

數(shù)字存儲(chǔ)示波器與瞬態(tài)信號(hào)測(cè)量工程物理系工物22方僑光2002012041【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹繉W(xué)會(huì)使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器來記錄瞬態(tài)信號(hào)；掌握利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行傳輸線中脈沖信號(hào)傳輸和反射的測(cè)量；掌握利用超聲波來測(cè)量不同的物理量的方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】TDS210、TDS1—2、TDS2002數(shù)字存儲(chǔ)示波器，QW-1型瞬態(tài)信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀，直探頭，斜探頭，可變探頭，工件，匹配負(fù)載，短路負(fù)載，三通，導(dǎo)線?！緦?shí)驗(yàn)原理】用數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀測(cè)單脈沖信號(hào)脈沖波基本特征描繪參數(shù)（圖1）脈沖周期T：周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)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(shí)間。上升時(shí)間tr：脈沖上升沿從0.1Vm上升到0.9Vm所需要的時(shí)間。下降時(shí)間tf：脈沖下降沿從0.9Vm下降到0.1Vm所需要的時(shí)間。示波器捕捉到脈沖信號(hào)后，測(cè)量信號(hào)的精細(xì)波型，即可獲得脈沖波的各種參數(shù)。數(shù)字存儲(chǔ)示波器的使用方法打開電源，用導(dǎo)線將信號(hào)源連接到CH1或CH2通道。調(diào)整到合適的電壓和時(shí)間。按觸發(fā)鍵，調(diào)整觸發(fā)電頻以獲得穩(wěn)定的信號(hào)按相應(yīng)菜單提示，可按MEASURE鍵自動(dòng)測(cè)量，也可按CURSOR鍵手動(dòng)測(cè)量電壓差或時(shí)間差。單次脈沖信號(hào)可按SAVE鍵存儲(chǔ)到A或B中。超聲波測(cè)量實(shí)驗(yàn)超聲波產(chǎn)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(qiáng)，易產(chǎn)生和接收，探頭體積小等特點(diǎn)，能夠在所有彈性介質(zhì)中傳播。能將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲振動(dòng)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(yīng)來產(chǎn)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(dòng)，并在厚度方向形成駐波。如果晶片兩側(cè)存在其它他性介質(zhì)，則會(huì)向兩側(cè)發(fā)射彈性波，波的頻率與晶片的材料與厚度有關(guān)。超聲波在介質(zhì)中傳播的三種形式縱波：即介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波傳播方向一致。橫波：即介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)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(dòng)質(zhì)點(diǎn)軌跡為一橢圓。三種超聲探頭在超聲波分析測(cè)試中，利用超聲波探頭產(chǎn)生脈沖超聲波。常用的超聲探頭有直探頭（產(chǎn)生縱波），斜探頭（產(chǎn)生橫波或表面波）和可變角探頭（旋轉(zhuǎn)探頭芯可改變探頭入射角，得到不同折射角的斜探頭，當(dāng)θ=0時(shí)為直探頭）。固體彈性模量的測(cè)量本實(shí)驗(yàn)次用脈沖波反射法測(cè)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(duì)于各向同性的介質(zhì)，聲波傳播速度與頻率無關(guān)。因此利用脈沖超聲波測(cè)量聲速不會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。當(dāng)超聲波探頭產(chǎn)生脈沖聲波后，通過耦合劑進(jìn)入介質(zhì)。如果在傳播路徑上遇到畸變，如人工反射體、介質(zhì)界面等，則部分聲波會(huì)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(zhì)界面的距離，通過測(cè)量測(cè)量聲波傳播的時(shí)間，則可測(cè)量出介質(zhì)的聲速。聲速計(jì)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(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)，不同的介質(zhì)有不同的聲速，并且當(dāng)波型不同時(shí)，介質(zhì)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(shù)，ρ為材料密度。則楊氏模量而Poisson系數(shù)其中，。傳輸線中脈沖信號(hào)反射波的測(cè)量和應(yīng)用傳輸線的等效電路及重要參數(shù)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(dǎo)。利用電磁場(chǎng)理論和電路方程分析，并經(jīng)過繁復(fù)的推導(dǎo)得到：其中，稱為傳播常數(shù)，實(shí)部稱衰減常數(shù)，虛部稱相位常數(shù)。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(hào)衰減，但能保持信號(hào)不產(chǎn)生畸變。對(duì)無限長導(dǎo)線，只有沿+z方向的行波，但實(shí)際導(dǎo)線都是有限的，下面考慮終端負(fù)載對(duì)傳輸信號(hào)的影響?？梢宰C明：其中，是在負(fù)載端電壓反射波與入射波振幅之比，稱為負(fù)載電阻的電壓反射系數(shù)。對(duì)于無損線，若負(fù)載也為純電阻負(fù)載，分三種情況討論：（1）開路電壓反射系數(shù)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(shù)為負(fù)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(fù)載匹配電壓反射系數(shù)為0。沒有反射波。只有沿+z方向的行波。電纜長度測(cè)量原理負(fù)載匹配時(shí)，輸出端和輸入端信號(hào)時(shí)間延遲量為電信號(hào)在電纜中單向傳輸一次的時(shí)間，已知電信號(hào)在電纜中傳輸?shù)乃俣?，即可根?jù)計(jì)算出電纜長度L（如圖3所示）短路負(fù)載時(shí)，輸出端無信號(hào)輸出，而在輸入端有信號(hào)輸出。由于輸入端信號(hào)在反射時(shí)有半波損失，故相鄰的兩個(gè)脈沖波反向，且兩波之間的時(shí)間差為電信號(hào)在電纜中傳輸一個(gè)來回的時(shí)間，滿足。由此可計(jì)算出電纜長度L。（如圖4所示）電纜衰減系數(shù)測(cè)量原理斷路時(shí)，電信號(hào)在電路中反復(fù)傳輸，由于損耗，電壓逐漸降低，并且減小幅度滿足負(fù)指數(shù)規(guī)律，即：。測(cè)出輸出電壓值即可計(jì)算值。（如圖5所示）【實(shí)驗(yàn)步驟】觀察和測(cè)量脈沖信號(hào)將“檢波”端口與示波器用BNC線相連，調(diào)整示波器處于捕捉狀態(tài)按動(dòng)“單次觸發(fā)”按鈕，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。示波器捕捉后測(cè)量信號(hào)的精細(xì)波型。測(cè)量單脈沖的電壓幅度、上升沿、下降沿、脈沖寬度（調(diào)整衰減器值使之約為300ns）、衰減器值。存儲(chǔ)觀察到的脈沖波型，記錄存儲(chǔ)通道。選做部分：“連續(xù)觸發(fā)”下，測(cè)量并繪制波型。測(cè)量時(shí)“超聲探頭”的“發(fā)射”和“接收”端口斷路，調(diào)節(jié)衰減器為0，“檢波”端口也可以輸出但次脈沖信號(hào)，不過輸出脈沖幅度較小，波型也不是單峰結(jié)構(gòu)。超聲波測(cè)量實(shí)驗(yàn)。用直探頭測(cè)Cφ3鉆孔缺陷深度把探頭按圖6位置擺放，從工件右側(cè)到左側(cè)逐漸移動(dòng)探頭，當(dāng)示波器出現(xiàn)缺陷波型時(shí)，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(jù)標(biāo)定比例算出回波對(duì)應(yīng)的深度。重復(fù)上述步驟，數(shù)據(jù)處理后得到Cφ3鉆孔的深度及縱波在介質(zhì)中的傳播速度（底波）。波型轉(zhuǎn)換和橫波、表面波的觀測(cè)橫波和表面波一般是利用波型轉(zhuǎn)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(diào)整為0，使超聲波入射在兩個(gè)圓弧R1和R2的下部邊緣，觀察反射回波，測(cè)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(dāng)入射角達(dá)到某一值后，縱波幅度會(huì)減小，在其后又會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)回波，并且幅度不斷增大。測(cè)量新出現(xiàn)兩個(gè)回波對(duì)應(yīng)的時(shí)間差，確定其波型（橫波）?？勺兘翘筋^入射角增加到某值時(shí)，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(xiàn)兩個(gè)回波，測(cè)量其時(shí)間差，確定波型（表面波）。用斜探頭測(cè)橫波速度將連有測(cè)量儀的斜探頭與示波器相連，將斜探頭的左側(cè)與工件左側(cè)圓心重合。示波器波形穩(wěn)定后，測(cè)量大半徑回波與小半徑回波的時(shí)間差，通過聲速測(cè)量原理，計(jì)算橫波波速。重復(fù)上述步驟，數(shù)據(jù)處理后得到橫波波速。由1和3得到的數(shù)據(jù)計(jì)算工件彈性模量E及Poisson系數(shù)。選做部分：用可變探頭測(cè)表面波聲速將連接有測(cè)量儀的可變探頭與示波器相連，調(diào)整可變探頭角到65o左右，在工件上移動(dòng)，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(dòng)而移動(dòng)，如果滴一點(diǎn)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(cè)放在圓心處，將角度調(diào)到0，利用縱波測(cè)出始波與表面波之間的時(shí)間差，計(jì)算表面波傳播路程，從而得出表面波的速度