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文本内容:
数字存储示波器与瞬态信号测量
一、实验目的()学会使用数字存储示波器;1()掌握传输线中脉冲信号反射波的测量和应用;2()掌握超声波的测量方法3
二、实验原理()实验仪器
1、、数字存储示波器TDS210TDS1002TDS2002型瞬态信号测量实验仪QW-1()传输线中脉冲信号反射波的测量和应用2电磁波在同轴电缆的中心导体屏蔽层之间传输,是一封闭电路由于高频信号的集肤效应(信号中低频部分在导线中心流动,而高频部分在导线表层流动,称趋肤效应或集肤效应,)电流skin effect,只在中心导体的表面与屏蔽层的内表面流动,因此电磁场不会向外泄露,不影响外界,外界干扰信号也不会渗入内部,具有良好的屏蔽性为了有效地传送电磁场的能量和信息,必须使电磁能和信息沿定向传送一对相隔均匀距离的平行导线或同轴电缆线就是这种定向传送电磁场能量和信号的载体,称为传输线用传输线传播高频或瞬态信号时,传输线的长度可与波长相比拟,甚至大大超过波长,因此在传输线上的电信号存在随波长变化的空间分布,负载不匹配时还有驻波分布此时传输线的电路参数需用整个长度上的分布参数表示,如图所示令1y(z)=Re[V(z)^z],i(z/)=Re[/(zV]利用电磁场理论和电路方程分析单元传输线后可得皆二/誓咽,其中是传播常数,其实部和虚部■分别是线的衰减常数和相位常数这些3,y=«+$=Q量不是真的常数,因为它们都以复杂的方式与3有关微分方程的解为)=丫々)+丫-()二中VQ♦2「一培胪2,()()()垮产,这里正和负的上角标分别表示向和々方向行进的行波b i z=r z+r z=+z容易证明*=-卓=四处,由上式可得,传输先上任何处的电压电流之比与无关,令_所近一Z z77-标而一欠+江,则Z0决定了加上负载后传输线上信号波形的分Z q+布「决定传输线中信号相速和衰减与线长无关长为用传输线,终端处外加的负载为和为负载马上电压、电流z=iz1=17Y L)(乙一)力/⑵=野咯+)/-)+()%=+
4.2+4*Z Z-Z e-^]z0所以,整理得火力二+4Al口+其中「二天才=『卜n-wi],;乃/—2z匕Vz=cos如果,匕.万Z.=…I2电压反射系数最大,在处,z=l电压为最大,是驻波波腹;电流最小,是驻波波节如果=,「=-电压反射系数为负值,表示反射波反相,电压、电流驻Z/=g1,波分布与开路相反如果,电压反射系数为没有反射波,线路中只有沿方向Z/=N=Ro r=O,0,+Z行波超声波测量3声波是一种弹性波,超声波频率范围为2104-10l2Hz,且具有方向性好,穿透力强,易产生和接收,探头体积小等特点,能够在所有弹性介质中传播,因此超声波广泛应用在生产和生活中目前普遍使用的是利用压电效应来产生和接受超声波如果晶体内部质点的振动方向垂直于晶片平面,那么晶片向外发射的就是超声纵波,超声波在介质中传播可以有不同形式,通常有如下三种纵波,介质中质点振动方向与超声波传播方向一致,产生于任何固体介质的体积发生交替变化时横波,介质中质点振动方向与超声波传播方向垂直,当固体介质同时承受体积和切变变形时,剪切力交替作用于固体介质时可产生横波横波只能在固体介质中传播表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成,振动质点轨迹为一椭圆,在距表面皿波长深处振幅最强,随着深度的增加很快衰减,实际上离表面一个波长以上的地方,质点振动的振幅已经很微弱了如右图所示,当超声波纵波或横波入射到两种介质界面上时,若介质都是固体或其中之一是固体时,在发生反射折射时,一般会同时反射或折射出另一种波形设为介质中的入射角,口为介质中的波速,品、分别介质中纵波和横波的折81132射角,鼻、..分别为介质中的纵波、横波的波速根据折射定律更吧=她=厘,若当2入射角大于临界角一段时发生全反射,介质中的纵波消失;若64=sin2q当入射角8大于临界角“=$访・工己时,介质2中横波也将消失若H斗时,在表面条件合适时将产生沿固体表面传播的表面波
三、实验内容用数字存储示波器观测连续或单脉冲信号1要求测量波形参数单脉冲的电压幅值「上升、下降沿时间、乙由到Ug
0.1UmxIlldA FJ IlluA之间的时间为上升时间,到・之间的时间为下降时间),脉冲宽度
0.9t7OSUmax09°max Qmax(脉冲前沿的到后沿的为止的一段时间),记录“衰减器”数值,描出完整的信号波形
0.5U ax
0.5Ugxm操作要点单脉冲获取要求触发水平位置基本为触发电平略高于接地基准适当选择电压和时间分0,度值()传输线中脉冲信号反射波的测量和应用2实验仪“反射信号检测”的“输入端”、“输出端”之间已连接米的同轴电缆用“检波”输60~70出信号接到“输入端”,信号幅度用“超声探头”的衰减器调节至脉宽较小“输出端”分别选择开路、短路和匹配电阻三种方式,分别测出“输入端”、“输出端”之间的信号波形和相对延时彳、计算实验仪中Q的电缆长度(电磁波在电缆中波速为)和吸收系数的定义为,电压信号经过长为的电
2.0*10*m/s aa V缆后匕二%一亩6()超声波测量实验
3、利用直探头测量试样中纵波波速「探测中钻孔深读13h当超声波探头产生脉冲声波以后,通过耦合剂进入介质如果在传播路径上遇到介质畸变,部分声波延原路径返回被探头接收,通过时间测量,可得介质声速,〃小如已知可求钻孔深读c=2/2-C,CW3h在探头与试样表面涂上耦合剂,反复移动探头直至反射回波信号最强,测量起始波与回波的时间间隔求深度r,
2、用斜探头探测试样中横波声速245°1将斜探头放在只要横波的区域,利用示波器显示与,尺圆弧边界反射回波,移动探头是回波信号同2时达到最大值,测量回波时间小t
1.△V=20,=10示波器切丫△琮波器几$衰减器脉冲宽度频率上升时间下降时间I IItw/ns、存储通道Umax/VKHz tns tfnsr db单脉冲/连续脉冲、传输线中脉冲信号传输和反射的观测示波器=220ns波形图见后输出端开路短路匹配负载波形波形-*力、,波形示总、V/mV r/ns彳/ns T/ns%/ns9小尾、2意输入输入端输入端1匕11端V.22匕332匕44//V/4输出输出端输出端31“而匕’2/匕,3K
44、超声波测量实验3;H=
60.10mm;R=
30.00mm;R=
60.10/7m A/7==A7=
0.02mm122△%示波器=
0.2/zs直探头斜探头底波()缺陷波()底波()缺陷波()r gsr sr|is r|isH qM Hq1234平均值可变探头一表面波探头位置或移动距离角度约表面波位置或移动L/mm()Ar//ns/9i234平均值。
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