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1、数字存储示波器与瞬态信号测量【实验目的】1 学会使用数字存储示波器来记录瞬态信号；2 掌握利用数字存储示波器进行传输线中脉冲信号传输和反射的测量；3 掌握利用超声波来测量不同的物理量的方法。【实验仪器】TDS210、TDS12、TDS2002 数字存储示波器，QW-1 型瞬态信号测量实验仪，直探头，斜探头，可变探头，工件，匹配负载，短路负载，三通，导线。【实验原理】一、用数字存储示波器观测单脉冲信号1 脉冲波基本特征描绘参数图1脉冲周期 T：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲之间的时间间隔。脉冲幅度 Vm：脉冲电压的最大变化幅度。脉冲宽度 twmm为止的一段时间。上升时间 trmm所需要的时
2、间。下降时间 tfmm所需要的时间。示波器捕捉到脉冲信号后，测量信号的精细波型，即可获得脉冲波的各种参数。2 数字存储示波器的使用方法（1）打开电源，用导线将信号源连接到CH1 或 CH2 通道。（2）调整到合适的电压和时间。（3）按触发键，调整触发电频以获得稳定的信号（4）按相应菜单提示，可按 MEASURE 键自动测量，也可按 CURSOR 键手动测量电压差或时间差。（5）单次脉冲信号可按 SAVE 键存储到 A 或 B 中。二、超声波测量实验1 超声波产生原理412声波是一种弹性波，超声波的频率范围为210 10 Hz，且具有方向性好，穿透力强，易产生和接收，探头体积小等特点，能够在所有
3、弹性介质中传播。能将其它形式的能量转换成超声振动能量的方式都可用来发生超声波。 目前最普遍的是利用压电效应来产生和接受超声波。 如在电极两端施加一脉冲电压， 则晶体发生弹性形变，随后发生自由振动，并在厚度方向形成驻波。 如果晶片两侧存在其它他性介质，则会向两侧发射弹性波，波的频率与晶片的材料与厚度有关。2 超声波在介质中传播的三种形式纵波：即介质中质点振动方向与超声波传播方向一致。横波：即介质中质点震动方向与超声波传播方向垂直。外表波：可以看成是由平行于外表的纵波和垂直于外表的横波合成，振动质点轨迹为一椭圆。3 三种超声探头在超声波分析测试中， 利用超声波探头产生脉冲超声波。 常用的超声探头有
4、直探头产生纵波 ，斜探头产生横波或外表波和可变角探头旋转探头芯可改变探头入射角，得到不同折射角的斜探头，当=0 时为直探头 。4 固体弹性模量的测量本实验次用脉冲波反射法测量固体弹性模量。 脉冲波是由不同频率成分的连续波合成的。而对于各向同性的介质， 声波传播速度与频率无关。 因此利用脉冲超声波测量声速不会影响测量的准确性。当超声波探头产生脉冲声波后， 通过耦合剂进入介质。 如果在传播路径上遇到畸变，如人工反射体、介质界面等， 则部分声波会沿原来的路径发射回去， 被探头接收。已知探头与人工反射体或介质界面的距离，通过测量测量声波传播的时间，则可测量出介质的声速。声速计算公式如下：C2Lt2t1
5、其中，L 是探头到反射体的距离。超声波速度与传播介质的弹性模量和密度有关， 不同的介质有不同的声速， 并且当波型不同时，介质弹性形变形式不同，声速也不同。用 E 表示杨氏模量，表示 Poisson 系数，为材料密度。则杨氏模量E而 Poisson 系数cs23T2T241T2222 T1其中，TcL。cs三、传输线中脉冲信号反射波的测量和应用1 传输线的等效电路及重要参数等效电路如图 2 所示：其中，R、L、C、G 分别为单位长度传输线的电阻、电感、电容和电导。利用电磁场理论和电路方程分析，并经过繁复的推导得到：d2V zdz2其中，2d2I zV z ,dz22I zjRj tGj C称为传
6、播常数，实部称衰减常数，虚部称相位常数。又令Z0Rj LRGj Lj CR0jx0称为传输线的特性阻抗。下面列举两种重要情况：1无损耗线：R0,GG,C0,jCRLLC,Z0LCLC2无失真线：RLj L ,Z0可以证明， 以上两种情况在传播过程中即使R0而引起信号衰减， 但能保持信号不产生畸变。对无限长导线，只有沿 +z 方向的行波，但实际导线都是有限的，下面考虑终端负载对传输信号的影响。可以证明：V z其中，ILZL2Z0eLz1e2LzZLZLZ0Z0ej是在负载端电压反射波与入射波振幅之比，称为负载电阻ZL的电压反射系数。对于无损线Z01开路ZLR0，假设负载ZL也为纯电阻负载，分三种
7、情况讨论：RL,1电压反射系数最大，在 z=L 处，电压最大，是驻波波腹；电流最小，是驻波波节。2短路ZLRL0,1电压反射系数为负值， 表示反射波反相。 电压、 电流驻波分布和开路情况相反。3负载匹配ZLRLR0,0电压反射系数为 0。没有反射波。只有沿+z 方向的行波。2 电缆长度测量原理（1）负载匹配时，输出端和输入端信号时间延迟量1为电信号在电缆中单向传输一次的时间，已知电信号在电缆中传输的速度，即可根据L1v计算出电缆长度 L如图 3 所示（2）短路负载时，输出端无信号输出，而在输入端有信号输出。由于输入端信号在反射时有半波损失，故相邻的两个脉冲波反向，且两波之间的时间差号在电缆中传
8、输一个来回的时间，满足L如图 4 所示3 电缆衰减系数测量原理断路时，电信号在电路中反复传输， 由于损耗，电压逐渐降低，并且减小幅度满足负指数规律，即：V2出电压值即可计算22为电信2v。由此可计算出电缆长度 L。Ve12L,V3Ve14L,VnVe12 n 1 L。测出输值。 如图 5 所示【实验步骤】一、观察和测量脉冲信号1 将“检波”端口与示波器用BNC 线相连，调整示波器处于捕捉状态2 按动“单次触发”按钮，产生脉冲信号。3 示波器捕捉后测量信号的精细波型。测量单脉冲的电压幅度、上升沿、下降沿、脉冲宽度调整衰减器值使之约为300ns 、衰减器值。4 存储观察到的脉冲波型，记录存储通道。
9、选做部分：5 “连续触发”下，测量并绘制波型。6 测量时“超声探头”的“发射”和“接收”端口断路，调节衰减器为 0， “检波”端口也可以输出但次脉冲信号，不过输出脉冲幅度较小，波型也不是单峰结构。二、超声波测量实验。1 用直探头测 C3 钻孔缺陷深度（1）把探头按图 6 位置摆放，从工件右侧到左侧逐渐移动探头，当示波器出现缺陷波型时，即为 C3 钻孔反射的波，探头位置保持不变。（2）从示波器上直接读出回波的刻度，根据标定比例算出回波对应的深度。（3）重复上述步骤，数据处理后得到 C3 钻孔的深度及纵波在介质中的传播速度底波 。2 波型转换和横波、外表波的观测横波和外表波一般是利用波型转换得到的
10、， 例如斜探头和可变角探头， 如图 7 所示。方法如下：（1）把可变角探头的入射角调整为0， 使超声波入射在两个圆弧R1和 R2的下部边缘，观察反射回波，测量t1和 t2确定其波型纵波 。（2）增大可变角探头入射角，注意回波幅度的变化。当入射角到达某一值后，纵波幅度会减小，在其后又会出现两个回波，并且幅度不断增大。测量新出现两个回波对应的时间差，确定其波型横波 。（3）可变角探头入射角增加到某值时，纵波消失，只剩横波。（4）可变角探头入射角继续增加，横波幅度减弱并消失，此过程又出现两个回波，测量其时间差，确定波型外表波 。3 用斜探头测横波速度（1）将连有测量仪的斜探头与示波器相连，将斜探头的
11、左侧与工件左侧圆心重合。（2）示波器波形稳定后，测量大半径回波与小半径回波的时间差，通过声速测量原理，计算横波波速。重复上述步骤，数据处理后得到横波波速。（3）由 1 和 3 得到的数据计算工件弹性模量E 及 Poisson 系数。选做部分：4 用可变探头测外表波声速（1）将连接有测量仪的可变探头与示波器相连，调整可变探头角到 65左右，在工件上移动，以获得外表波。（2）从示波器可观察外表波波形随着探头的移动而移动，如果滴一点水在外表波传播路径上，则示波器外表波波形消失。（3）将可变角探头左侧放在圆心处，将角度调到 0，利用纵波测出始波与外表波之间的时间差，计算外表波传播路程，从而得出外表波的速度。三、传输线中脉冲信号反射波的测量和应用1 用“检波”输出信号接到“输入端” ，信号幅度用“超声探头”的衰减器调节到1V左右。2 “输出端” 分别选择开路、 短路和匹配电阻三种测试方式， 分别测出 “输入端” 、 “输出端”之间的信号波形和相对延时波在电缆中的波速为2.0 10 m/s3 利用开路时电压的变化计算电缆的衰减系数。81、2，计算实验仪中的电缆长度已知电磁
