第3章测试仪器与传感器

1、1第3章 测试仪器与传感器2测试仪器与传感器提纲l万用表、示波器与频谱仪万用表、示波器与频谱仪l信号源与矢量网络分析信号源与矢量网络分析l传感器分类与原理传感器分类与原理l典型传感器接口与使用典型传感器接口与使用3万用表测试精灵基本功能 量程. 基本准确度 直流电压 200mV/2V/20V/200V/1000V (0.1%+5) 交流电压 2V/20V/200V/750V (0.8%+25) 直流电流 200uA/2mA/20mA/200mA/20A (0.5%+4) 交流电流 200mA/20A (1.5%+25) 电阻 200/2k/20k/200k/2M/200M (0.4%+5) 电

2、导 (0.1100)nS (1.0%+30) 电容 20nF/2uF/200uF (4.0%+50) 频率 20kHz/200kHz (1.5%+25) 特殊功能 VC9807A+ 二极管测试 三极管测试 通断报警 低电压显示 数据保持 自动关机 背光显示 功能保护 防震保护 输入阻抗 10M 采样频率 2 次/s 交流频响 (40-400)Hz 操作方式 手动量程 最大显示 19999 液晶尺寸 7050mm 电源 9V (6F22) 4数字示波器时域之眼n示波器是形象地显示信号幅度随时间变化的波形显示仪器，是一种综合的信号特性测试仪，是电子测量仪器的基本种类n示波器的用途：电压表，电流表，

3、功率计频率计，相位计脉冲特性，阻尼振荡n示波器的应用：电子，电力，电工压力，振动，声，光，热，磁5数字示波器典型结构ART模拟示波器DSO数字示波器DPO数字荧光示波器放大器放大器水平水平放大器放大器垂直垂直放大器放大器延迟线延迟线触发触发放大器放大器多路多路分解器分解器采集信号采集信号存储器存储器uP显示显示存储器存储器A/D放大器放大器数字数字荧光器荧光器A/D uP模拟实时显示串行处理并行处理触发电路和时基触发电路和时基触发和时基电路触发和时基电路6数字示波器无源探头7数字示波器有源探头8数字示波器采样率与带宽n示波器带宽选定后，采样率决定了单次带宽。单次宽决定示波器对毛刺和单脉冲信号的

4、捕获能力和复现能力，也决定了示波器检测重复信号中异常信号和随机毛刺信号的捕获能力。例：示波器带宽例：示波器带宽100Mhz100Mhz 采样率采样率1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S,1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S, （不考虑带宽对波形的影响）（不考虑带宽对波形的影响）9数字示波器XY模式 XY模式是示波器是一种测量相移的方法。这时示波器将时基关闭，两个通道X，Y轴都跟踪电压。从李萨如模式的形状可以分辨两个信号间的相位差异，而且还能分辨它们的频率比率。 相位测量 频率测量信号频率比相位差0度45度90度180度270度360度1：110数字示波器触发模式n触发电路的作用就是

5、保证每次时基扫描或采集的时候，都从输入信号上与定义的相同的触发条件开始，这样每一次扫描或采集的波形就同步，可以每次捕获的波形相重叠，从而显示稳定的波形，或保证单次信号的捕获、模拟示波器触发和数字示波器的触发是使重复信号稳定显示对单次信号进行捕获对重复信号中的异常波形和单次事件中的特殊波形进行隔离捕获。n触发设置是使用示波器最麻烦的一点示波器设置都是依据信号特征进行的，所以应该对被测信号有所了解。示波器提供了许多触发设置方式，这些触发器（功能）可以响应输入信号的不同条件，根据波形特征加以设定和正确应用。会使检测简化，帮助快速发现问题。如一个脉冲比实际应该达到的宽度要窄，若只使用电压门限的触发器是

6、不可能捕获到这样的脉冲。高级触发控制使你可以单独关注波形中感兴趣的细节，这样可以使示波器采样速率和记录长度得到优化。n触发器：边缘（电压门限）、释抑、脉冲、逻辑、视频、B触发等、n触发模式：自动、正常、单次、滚动模式11示波器总结12频谱分析仪频域之眼13频谱分析仪频域分析14频谱分析仪RBW15频谱分析仪VBW16频谱分析仪灵敏度提高17频谱分析仪手机频谱18测试仪器与传感器提纲l万用表、示波器与频谱仪万用表、示波器与频谱仪l信号源与矢量网络分析信号源与矢量网络分析l传感器分类与原理传感器分类与原理l典型传感器接口与使用典型传感器接口与使用19信号源干净之源信 号信 号输出输出主振器主振器缓

7、冲缓冲调制调制输出输出电电 源源监测监测信号发生器结构框图信号发生器结构框图20信号源干净之源正弦信号源在线性系统测试中具有特殊意义。众所周知，在正弦信号的激励下，线性电路内的所有电压和电流都是具有同一频率的正弦波，只是彼此之间的幅值和相位可起有所差别。此外，若己知线性系统对一切频率(或一组靠得很近的频率)的外加正弦信号的幅值和相位的响应，那么就能够完全确定该系统在其线性工作范围内对于任意输入信号的。也就是说：正弦波测试是线性系统频域分析的重要实验方法。21信号源功率与频率（）输出（功率）电平范围（）输出电平准确度（）输出电平的频率特性（带内平坦度）（）输出阻抗（1）频率范围 频率范围指频率合

8、成器输出最低频率和输出最高频率之间的变化范围，也可以用覆盖系数k表示（k=fmax / fmin）。如果覆盖系数k2或3时，整个频段可以划分为几个分波段。（2）频率分辨率 频率合成器需在指定的频率范围内产生大量离散的频率。频率分辨率是指两相邻频率点之间的间隔，故也称为频率间隔。不同用途的频率合成器的分辨率要求相差很大。作为标准信号源的合成器，则希望有尽可能精细的频率分辨率。（3）频率转换时间 频率转换时间是指频率合成器从某一频率转换到另一个频率并达到稳定所需要的时间。不同类型的频率合成方式，此指标相差较大，一般要求频率转换时间小于几十毫秒。（4） 频率精度22信号源相位噪声FoFr频率参考频率

9、参考鉴频鉴相器鉴频鉴相器环路滤波器环路滤波器调谐振荡器调谐振荡器反馈网络反馈网络() Fv23信号源任意波形PSG8257D模似信号源E4438C或PSG8267D 矢量信号源24矢量网络分析S域之眼Port 2功率分配/开关源R1APort 1R2B衰减器衰减器测量接收机参考接收机参考接收机反射信号(A)传输信号(B)输入信号输入信号输出信号输出信号DUT信号源信号源信号分离装置信号分离装置接收机接收机处理显示单元处理显示单元25矢量网络分析 Lightwave入射入射反射反射透射透射 RF/MW26矢量网络分析S11=ReflectedIncident=b1a1a2= 0S21=Trans

10、mittedIncident=b2a1a2= 0S22=ReflectedIncident=b2a2a1= 0S12=TransmittedIncident=b1a2a1= 0输入输入传输传输S21S11反射反射b1a1b2Z0Loada2= 0DUT正向正向输入输入传输传输S12S22反射反射b2a2ba1= 0DUTZ0Load反向反向1S-parameters 电压线性值定义电压线性值定义27矢量网络分析TransmittedIncident传输特性传输特性增益增益S参数参数S21,S12群延时群延时Delay传输系数传输系数相位相位PhaseReflectedIncident反射特性反

11、射特性SWRS参数参数S11,S22反射系数反射系数阻抗阻抗 R+jX, G+jB 反射损耗反射损耗G, rG, rT,tT,t输入输入反射反射输出输出RBAAR=BR=28矢量网络分析校准 不校准不校准 2. 频响校准频响校准 3. 1-PORT单端校准单端校准 4. FULL 2-PORT双端校准双端校准l复杂,校准件多次连接l高精度l消除测试中所有误差: Directivity Source, load match Reflection tracking Transmission tracking Crosstalk 29矢量网络分析误差30矢量网络分析校准件电子校准件电子校准件(Eca

12、l)机械校准件机械校准件校准件多次连接校准件多次连接Shorts, Open, Loads, Thru单次连接；多端口校准单次连接；多端口校准Single Connection31测试仪器与传感器提纲l万用表、示波器与频谱仪万用表、示波器与频谱仪l信号源与矢量网络分析信号源与矢量网络分析l传感器分类与原理传感器分类与原理l典型传感器接口与使用典型传感器接口与使用32传感器传感器分类传感器分类按照传感器用途分类：按照传感器用途分类：位移传感器，加速度传感位移传感器，加速度传感器，力传感器，温湿度传感器，力传感器，压力传器，力传感器，温湿度传感器，力传感器，压力传感器，流速传感器，光强传感器，粘度

13、传感器，气感器，流速传感器，光强传感器，粘度传感器，气体浓度传感器，体浓度传感器，3D磁传感器磁传感器按照测量性质分为三大类：按照测量性质分为三大类： 物理传感器；物理传感器； 化学传感器；化学传感器； 生物传感器；生物传感器；总体上，机械制造专业物理传感器较多。总体上，机械制造专业物理传感器较多。33传感器传感器分类（续）传感器分类（续）按照物理原理分类：按照物理原理分类： 电参量式（电阻，电容，电感）；电参量式（电阻，电容，电感）； 磁电式（磁电效应，霍尔效应，磁栅）；磁电式（磁电效应，霍尔效应，磁栅）； 压电式；压电式； 热电式；热电式； 光电式；光电式； 辐射式（红外，超声波传感器）；

14、辐射式（红外，超声波传感器）；总特点，物理特性总特点，物理特性定量电信号定量电信号。34传感器MEMS 传感器传感器压强传感器压强传感器压力传感器压力传感器微传感器的尺寸大多为毫米级，甚至更小。微传感器的尺寸大多为毫米级，甚至更小。例如：压力微传感器可以放在注射针头内，例如：压力微传感器可以放在注射针头内，送入血管测量血液流动情况。送入血管测量血液流动情况。加速度传感器加速度传感器三轴陀螺仪三轴陀螺仪35传感器MEMS静电电动机静电电动机显微照片显微照片1988年美国科学家研年美国科学家研制。制。转子直径转子直径120微米，微米，厚厚1 1微米。在微米。在 380V电压电压驱动下，最大转速每分

15、驱动下，最大转速每分钟钟500转。转。36传感器MEMS陀螺仪环形陀螺仪环形陀螺仪37传感器就在身边Wii 健身运动健身运动38传感器就在身边使用者翻动手机选择使用者翻动手机选择“响铃响铃”或或“震铃震铃”；摇晃手机变换不同的铃摇晃手机变换不同的铃声和游戏；声和游戏；音乐和壁纸随着人们的音乐和壁纸随着人们的动作而变化。动作而变化。摇晃你的手机摇晃你的手机 传感器传感器39传感器触摸屏空隙空隙 隔离点隔离点 保护膜内的金属层保护膜内的金属层 玻璃上的电阻层玻璃上的电阻层 这里的触摸屏就是一种传感器这里的触摸屏就是一种传感器40传感器力传感器电子计价秤电子计价秤悬臂悬臂梁梁应变应变片片固定固定端端

16、敏感元件敏感元件41传感器力传感器力力 传传 感感 器器将力学量转换为电量将力学量转换为电量的装置称为力传感器。的装置称为力传感器。金属形变金属形变 力学量力学量 电学量电学量 如何测量力？如何测量力？42传感器应变片应应 变变 片片电阻丝电阻丝保护层保护层绝缘基片绝缘基片受力方向受力方向上面两只应变上面两只应变片片下面两只应变下面两只应变片片固定端固定端受力端受力端在悬臂梁的两个侧在悬臂梁的两个侧面各粘贴面各粘贴2片电阻应片电阻应变片变片43传感器压强压强传感器采用压阻压强传感器采用压阻式压力传感元件。式压力传感元件。它是利用单晶硅的压它是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。阻效应制成的器件。当

17、它受到气体压力时，当它受到气体压力时，半导体应变片的电阻率半导体应变片的电阻率发生变化，从而输出电发生变化，从而输出电压变化。压变化。 压力传感元件压力传感元件44传感器半导体应变片半导体应变片当半导体材料受到外力作用时，其当半导体材料受到外力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为半电阻率会发生变化，这种现象称为半导体的压阻效应。导体的压阻效应。压强传感器使用半导体应变片。压强传感器使用半导体应变片。对半导体材料而言，当应变片变形时，对半导体材料而言，当应变片变形时，主要是主要是 发生改变，而发生改变，而 L 和和 S 的变化的变化相对很小，可以忽略不计。相对很小，可以忽略不计。R = LS

18、45传感器压强传感元件真空室真空室基片基片硅膜片硅膜片气压气压硅杯硅杯侧视图侧视图应变片应变片应变片应变片硅膜片硅膜片应变片分布图应变片分布图用单晶硅制成硅杯，其中间部用单晶硅制成硅杯，其中间部分形成硅膜片，在硅膜片上制作分形成硅膜片，在硅膜片上制作 4片电阻值相等的应变片。片电阻值相等的应变片。当气体作用于硅膜片时，硅膜当气体作用于硅膜片时，硅膜片弯曲，并使片弯曲，并使 应变片产生形变。应变片产生形变。46传感器压强测量电路R1R2R4R3当硅膜片形变时，外圈的应变片被拉伸，当硅膜片形变时，外圈的应变片被拉伸，R1和和R4的电阻值的电阻值变大；而内圈的应变片受到压缩，变大；而内圈的应变片受到

19、压缩，R2和和R3的的电阻值变小。电阻值变小。电桥失去平衡，输出与气体压力成正比的电压信号电桥失去平衡，输出与气体压力成正比的电压信号U = IR。R1R2UAR3R4UIRUB IR1R2R3R4F侧视图：侧视图：47传感器血压计压强压强传感器传感器气阀气阀气泵气泵放气管放气管三通管三通管接传感器接传感器气泵气泵 袖袖 带带 气阀气阀 压强压强传感器传感器 48传感器磁传感车速控制磁铁磁铁 手柄外环手柄外环 手柄手柄手柄手柄旋转手柄，调节磁铁和霍尔元件旋转手柄，调节磁铁和霍尔元件之间的距离，电路输出相应的电压，之间的距离，电路输出相应的电压，从而控制车速。从而控制车速。霍尔元件霍尔元件 49

20、传感器霍尔效应演示霍尔效应演示 在薄片的垂直方向施加磁场，电子除了做在薄片的垂直方向施加磁场，电子除了做定向运动外，还在洛伦兹力的作用下向薄片定向运动外，还在洛伦兹力的作用下向薄片的一个侧面偏转，从而形成霍尔电势。的一个侧面偏转，从而形成霍尔电势。50传感器磁测量实际测量值实际测量值导线下边导线下边 导线旁边导线旁边 导线上边导线上边 51传感器位移传感器位移传感器超声波接超声波接收收超声波发超声波发射射红外线发射红外线发射红外线接收红外线接收52传感器超声测距超声波超声波接收器接收器发射器发射器红外线红外线 超声波到达，停止计时超声波到达，停止计时 超声波超声波接收器接收器发射器发射器红外线

21、红外线t1红外线红外线接收器接收器发射器发射器超声波超声波t2 红外线到达，开始计时红外线到达，开始计时 同时发射同时发射 距离距离S超声波超声波的速度的速度时间差时间差t2t1超声波超声波红外线红外线S53传感器压电原理压电晶片压电晶片压电晶片压电晶片压电晶片压电晶片是一种压电式传感是一种压电式传感元件，它既可以将机械能转换元件，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为为电能，又可以将电能转换为机械能。机械能。发射器发射器接收器接收器54传感器压电效应某种晶体在外力作用下，不仅会产生形变，某种晶体在外力作用下，不仅会产生形变，还会产生电极化现象，晶体的表面有电荷出还会产生电极化现象，晶

22、体的表面有电荷出现，从而形成电场。当外力消失后，表面又现，从而形成电场。当外力消失后，表面又恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。压电效应包括逆压电效应和正压电效应。压电效应包括逆压电效应和正压电效应。电能电能机械能机械能 逆压电效应逆压电效应正压电效应正压电效应55传感器压电薄膜扬声器压电薄膜扬声器可折叠、可卷曲、可印刷的薄膜扬声器可折叠、可卷曲、可印刷的薄膜扬声器 56传感器PTC热敏电阻热敏电阻发热电器的恒温控制：发热电器的恒温控制：刚通电时，刚通电时，PTC元件的电阻小，电流大，快速升温。元件的电阻小，电流大，快速升温。温度超过居里点后，电阻陡

23、然增大，类似于关闭电源；当温度下降后，温度超过居里点后，电阻陡然增大，类似于关闭电源；当温度下降后，PTC电阻电阻下降下降 自动恒温。自动恒温。PTC热敏电阻既是加热器又是传感器，起到感温和控温的两种作用。热敏电阻既是加热器又是传感器，起到感温和控温的两种作用。 陶瓷暖风机陶瓷暖风机 居里温度居里温度开关电阻开关电阻 工作范围工作范围电蚊香电蚊香 57传感器加速度传感器加速度传感器传感器内有一个传感器内有一个用弹簧片支撑的质量用弹簧片支撑的质量块，可以上下活动。块，可以上下活动。固定电极固定电极1与质量与质量块之间构成电容块之间构成电容C1质量块与固定电质量块与固定电极极2之间构成电容之间构成电容C2C1C2固定电极固定电极1质量块质量块固定电极固定电极258传感器加速度传感器电容式电容式加速度传感器加速度传感器质量块质量块59传感器加速度传感器应用加速度传感器应用硬盘防震硬盘防震 安全气囊安全气囊颈椎运动测量颈椎运动测量 60传感器WSN基石传感技术传感技术MEMS通信技术通信技术无线传感器网络无线传感器网络“无线传感器网络无线传感器网络”由此孕育而生由此孕育而生61测试仪器与传感器提纲l万用表、示波器与频谱仪万用表、示波器与频谱仪l信号源与矢量网络分析信号源与矢量网络分析l传感器分类与原理传