數(shù)字存儲示波器與瞬態(tài)信號測量一、實驗目的：學會數(shù)字存儲示波器的使用、傳輸線中脈沖信號的測量和超聲波測量學會聲頻信號的捕獲及頻譜分析二、實驗儀器：TDS210、TDS1002、TDS2002數(shù)字存儲示波器QW-1型瞬態(tài)信號測量實驗儀三、實驗原理：傳輸線中脈沖信號反射波的測量和應用電磁波在同軸電纜的中心導體屏蔽層之間傳輸，是一封閉電路。由于高頻信號的集膚效應電流只在中心導體的表面與屏蔽層的內表面流動，具有良好的屏蔽性。傳輸線的等效電路用傳輸線傳送瞬態(tài)或高頻信號時，傳輸線的長度已可與波長相比擬，因此在傳輸線上的電信號存在空間變化，負載不匹配時還有駐波分布。此時傳輸線的電路參數(shù)需用整個長度上的分布參數(shù)來表示，如上圖，R、L、C、G分別為單位長度傳輸線的電阻、電感、電容和電導，v(z,t),i(z,t)為沿傳輸線長度方向的電壓、電流信號。令：v(z,t)=Re［V(z)ejωt］i(z,t)=Re［I(z)ejωt］利用電磁場理論和電路方程分析單元傳輸線后可得：其中是傳播常數(shù)，實部α和虛部β分別是線的衰減常數(shù)和相位常數(shù)。微分方程的解為:這里的正負上標分別表示向+z和-z方向行進的行波。易證明：表明傳輸線上任何z處的電壓電流之比與z無關。令：ZO稱為傳輸線的特性阻抗，RO、xO分別表示單位長度的電阻性負載和電感性負載。傳播常數(shù)γ決定了傳輸線中信號的相速和衰減，決定了加上負載后傳輸線上信號波形的分布。其中：R＝0，G＝0（無耗阻線），R/L=G/C(無失真線)以上情況特性阻抗均為純阻性常數(shù)，相位常數(shù)β均為ω的線性函數(shù)。對于無限長導線只有沿+z方向的行波，實際導線都是有限的，要考慮終端負載對傳輸信號的影響。長為l的傳輸線，終端接ZL負載，ZL=VL/IL,VL、IL為負載上的電壓電流。線上任一點處的式中第一項表示沿z的入射波，第二項表示沿-z的反射波。整理得：稱為負載ZL的電壓反射系數(shù)。對于無損線ZO=RO若負載ZL也為純電阻性負載，分三種情況討論：=1\*GB3①開路ZL=RL=∞，Γ=1電壓反射系數(shù)最大，在z=l處電壓為最大是駐波波腹，電流為最小是駐波波節(jié)。=2\*GB3②短路ZL=RL=0，Γ=-1，反射波反向，駐波分布與開路相反。=3\*GB3③負載匹配ZL=RL=RO，Γ=0，沒有反射波，線路中只有沿+z方向行波。負載不同時傳輸線上z=0和z=l處信號波形示意圖如下：輸入脈沖，調節(jié)衰減器使半高寬最窄（約300ns，2V）輸出端斷路R=∞，V1、V2…為一次、二次…多次反射波z=0處波形z=l處波形輸出端短路R=0時，z=l處信號為零，z=0出現(xiàn)反相反射波z=0處波形負載為匹配電阻R=RO時波形z=0處波形z=l處波形超聲波產生原理簡述：聲波是一種彈性波，能夠在所有彈性介質中傳播。能將其他形式的能量轉換成超聲振動能量的方式都可以用來發(fā)生超聲波。目前普遍使用利用壓電效應來產生和接受超聲波。超聲波在介質中傳播可以有不同形式，通常有如下三種：縱波，介質中質點振動方向與超聲波傳播方向一致，產生于任何固體介質的體積發(fā)生交替變化時。橫波，介質中質點振動方向與超聲波傳播方向垂直，當固體介質同時承受體積和切變變形時，剪切力交替作用于固體介質時可產生橫波。橫波只能在固體介質中傳播。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，在距表面1/4波長深處振幅最強，隨著深度的增加很快衰減，實際上離表面一個波長以上的地方，質點振動的振幅已經很微弱了。實驗中使用單探頭，同一個探頭及用來發(fā)射超聲又用來接收超聲。這時必須使用連通器把實驗儀“超聲探頭”的“發(fā)射”和“接收”接口連接起來。在使用脈沖超聲波的過程中，對脈沖波傳播時間的測量有兩種方法：射頻輸出脈沖波時要測量峰值對應的時間，檢波輸出脈沖波時要測量其前沿對應的時間。兩種方法的測量時間有微小差值，通常情況下需要校準探頭的測試零點。探頭發(fā)射聲波的絕對零點到測試零點的時間差稱為探頭的延遲。當縱波直探頭發(fā)射的超聲波沿狹長路徑傳播過程中，部分聲波發(fā)生反射，反射的聲波既有縱波也有橫波。由于橫波的聲速遠小于縱波的聲速，因此它的傳播時間要大于完全縱波反射的聲波，在示波器上看到它在底面反射回波后面出現(xiàn)，稱為遲到波，由于只有最后能夠返回探頭位置的遲到波才能被接收，因此觀察到的遲到波是不連續(xù)的。當超聲縱波或橫波入射到兩種介質界面上時，若兩種介質都是固體或其中之一是固體，一般情況下在發(fā)生反射和折射的同時會反射和折射出另一種波形。對橫波情況類似。超聲波的這種現(xiàn)象稱為波型轉換。四、實驗內容：1.用數(shù)字存儲示波器觀測連續(xù)或單脈沖信號QW-1型瞬態(tài)信號測量實驗儀的“信號源”可以產生連續(xù)或單次脈沖信號，由“觸發(fā)選擇”開關控制。當“觸發(fā)選擇”開關撥到“單次”就可以由“單次觸發(fā)”手動按鍵控制單次信號的產生，按動一次產生一個單次脈沖信號。測量前將“超聲探頭”的“發(fā)射”和“接收”端口用BNC線短路相連，調節(jié)“衰減器Ⅰ”和“衰減器Ⅱ”可控制“射頻”和“檢波”輸出脈沖幅度。將“檢波”端口與示波器用BNC線相連，調節(jié)示波器處于捕捉狀態(tài)。按動測試儀“單次觸發(fā)”按鍵，產生單次信號，示波器捕捉到后在測量信號的精細波形。要求測量：單脈沖的電壓幅值Umax,上升、下降沿時間tr、tf（由0.1Umax到0.9Umax之間的時間為上升時間，0.9Umax到0.1Umax之間的時間為下降時間），脈沖寬度tW(脈沖前沿的0.5Umax到后沿的0.5Umax為止的一段時間)，記錄“衰減器”數(shù)值，描出完整的信號波形。2.傳輸線中脈沖信號反射波的測量和應用實驗儀“反射信號檢測”的“輸入端”、“輸出端”之間已連接60~70米的同軸電纜。用“檢波”輸出信號接到“輸入端”，信號幅度用“超聲探頭”的衰減器調節(jié)至脈寬較小?！拜敵龆恕狈謩e選擇開路、短路和匹配電阻三種方式，分別測出“輸入端”、“輸出端”之間的信號波形和相對延時τ1、τ2，計算實驗儀中的電纜長度（電磁波在電纜中波速為2.0*108m/s）和衰減系數(shù)。3.超聲波測量實驗1/缺陷探測—直探頭探測CФ3鉆孔缺陷深度使用2.5P20的直探頭探測CФ3鉆孔的離探測面的深度。把探頭按下圖位置放置。底波是工件底面的反射回波。方法一：相對探測法，利用已知深度的反射回波進行深度標定后直接從屏幕上讀出被測缺陷回波的深度。=1\*GB3①按圖b找到CФ3鉆孔的最大回波=2\*GB3②從示波器上直接讀出回波的刻度，根據(jù)標定比例換算出回波對應的深度=3\*GB3③重復上述步驟測量，數(shù)據(jù)處理后得到CФ3鉆孔的深度方法二：絕對探測法，通過直接測量反射回波時間，根據(jù)聲速計算出缺陷的深度。=1\*GB3①利用試塊底面的二次回波測量直探頭的延遲時間和縱波聲速=2\*GB3②按圖b找到CФ3鉆孔的最大回波=3\*GB3③提高示波器的分辨率，測量回波的時間=4\*GB3④重復一至三步驟測量，數(shù)據(jù)處理后計算出CФ3鉆孔的深度五、數(shù)據(jù)記錄（實驗臺：4）1、用數(shù)字存儲示波器觀測連續(xù)或單脈沖信號ΔV示波器=0.1divⅹ1.00V/div=100mVΔt示波器=0.1divⅹ250ns/div=25nsUmax/V頻率f上升時間tr（ns）下降時間tf（ns）脈沖寬度tW/ns衰減器Ⅰ、Ⅱ（dB）存儲通道A/B連續(xù)脈沖1.222.400kHz280.0400.0410.09/9B單脈沖1.32--------------320.0460.0400.09/9B2、傳輸線中脈沖信號傳輸和反射的觀測（注意波型相位關系，適當調整示波器分度值，估算不確定度）輸出端開路波形示意V/mVτ2/ns由輸入、輸出端波型測量τ1/ns輸入端輸出端V1=212760.0380.0V2=148V3=100V4=76短路負載波形示意τ2/ns輸入端輸出端760.0匹配負載（75Ω）波形示意由輸入、輸出端波型測量τ1/ns輸入端輸出端380.0Umax=176mVUmax=156mV3、超聲波測量實驗D=39.40mm,R1=30.00mm,R2=H=60.10mm,ΔH=ΔD=ΔR1=ΔR2=0.02mm,ρ=2700kg/m3直探頭斜探頭底波τH/μs缺陷波τq/μsτ△R/μsτR1/μsτR2/μs18.604.6018.823.642.8Δt示波器=0.1divⅹ5.0μs/div=0.50μs由直探頭數(shù)據(jù)計算縱波cL與不確定度，CФ3鉆缺陷深度h和不確定度cL=2H/τH=2×60.10×10-3/(18.60×10-6)=6462.4(m/s)(ΔcL/cL)2=(ΔH/H)2+(Δt/τH)2=(0.02/60.10)2+(0.50/18.60)2=7.23×10-4故ΔcL=173.77即cL=（6.5+0.2）×103m/sh=H-0.5cLτq=60.10×10-3-0.5×6.5×103×4.6×10-6=0.04515(m)≈45.2(Δh)2=(ΔH)2+(0.5τqΔcL)2+(0.5cLΔt)2=(0.02×10-3)2+(0.5×4.6×10-6×0.2×103)2+(0.5×6.5×103×0.50×10-6)2=2.85×10-6Δh=1.69×10-3m≈故h=(45.2+1.7)mm六、實驗總結本次實驗用到了