第3章测试仪器与传感器

第3章测试仪器与传感器1测试仪器与传感器——提纲万用表、示波器与频谱仪信号源与矢量网络分析传感器分类与原理典型传感器接口与使用2万用表——测试精灵3数字示波器—时域之眼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示波器的用途：电压表，电流表，功率计频率计，相位计脉冲特性，阻尼振荡示波器的应用：电子，电力，电工压力，振动，声，光，热，磁4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水平放大器垂直放大器延迟线触发放大器多路分解器采集信号存储器uP显示存储器A/D放大器数字荧光器A/DuP模拟实时显示串行处理并行处理触发电路和时基触发和时基电路5数字示波器——无源探头6数字示波器——有源探头7数字示波器——采样率与带宽示波器带宽选定后，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100Mhz采样率1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S,（不考虑带宽对波形的影响）8数字示波器——XY模式X－Y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1：19数字示波器——触发模式触发电路的作用就是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。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。触发器：边缘（电压门限）、释抑、脉冲、逻辑、视频、B触发等、触发模式：自动、正常、单次、滚动模式10示波器总结11频谱分析仪——频域之眼12频谱分析仪——频域分析13频谱分析仪——RBW14频谱分析仪——VBW15频谱分析仪——灵敏度提高16频谱分析仪——手机频谱17测试仪器与传感器——提纲万用表、示波器与频谱仪信号源与矢量网络分析传感器分类与原理典型传感器接口与使用18信号源——干净之源信号输出主振器缓冲调制输出电源监测信号发生器结构框图19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。20信号源——功率与频率（１）输出（功率）电平范围（２）输出电平准确度（３）输出电平的频率特性（带内平坦度）（４）输出阻抗（1）频率范围频率范围指频率合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k>2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21信号源——相位噪声相噪频偏振荡器自由噪声频率参考等效噪声锁相输出实际噪声低通滤波增益带宽FoFr频率参考鉴频／鉴相器环路滤波器调谐振荡器反馈网络(Ｔ)Fv22信号源——任意波形PSG8257D模似信号源E4438C或PSG8267D矢量信号源23矢量网络分析——S域之眼Port2功率分配/开关源R1APort1R2B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)输入信号输出信号DUT网络分析仪组成•信号源•信号分离装置•接收机•处理显示单元24矢量网络分析—射频信号在器件中的传播

Lightwave入射反射透射

RF/MW25矢量网络分析—S参数定义

S11=ReflectedIncident=b1a1a2=0S21=TransmittedIncident=b2a1a2=0S22=ReflectedIncident=b2a2a1=0S12=TransmittedIncident=b1a2a1=0输入传输S21S11反射b1a1b2Z0Loada2=0DUT正向输入传输S12S22反射b2a2ba1=0DUTZ0Load反向1S-parameters电压线性值定义26矢量网络分析—射频信号在器件中的传播TransmittedIncident传输特性增益S参数S21,S12群延时Delay传输系数相位PhaseReflectedIncident反射特性SWRS参数S11,S22反射系数阻抗R+jX,G+jB反射损耗G,rT,t输入反射输出RBAAR=BR=27矢量网络分析——校准

不校准2.频响校准

3.1-PORT单端校准4.FULL2-PORT双端校准DUTSHORTOPENSHORTOPENSHORTOPENthru方便消除频率相应误差不要求高精度传输测试=直通反射测试=短路反射测试消除测试端口所有误差

Directivity

Sourcematch

Reflectiontracking校准件:openshortload复杂,校准件多次连接高精度消除测试中所有误差:

Directivity

Source,loadmatch

Reflectiontracking

Transmissiontracking

Crosstalk

DUTthruDUTDUTLOADLOADLOAD28矢量网络分析——误差系统误差由于测试仪表原理或测试设备引起变化有规律能够被定量描述可通过校准消除随机误差随时间随机变化不能通过校准消除引起随机误差的原因:设备噪声开关重复性连接器重复性飘移误差校准后仪表性能变化主要由温度变化造成通过定期计量消除被测件性能测试数据系统误差随机误差飘移误差29矢量网络分析——校准件电子校准件(Ecal)机械校准件校准件多次连接Shorts,Open,Loads,Thru单次连接；多端口校准SingleConnection30测试仪器与传感器——提纲万用表、示波器与频谱仪信号源与矢量网络分析传感器分类与原理典型传感器接口与使用31传感器——传感器分类按照传感器用途分类：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，压力传感器，流速传感器，光强传感器，粘度传感器，气体浓度传感器，3D磁传感器…按照测量性质分为三大类：物理传感器；化学传感器；生物传感器；总体上，机械制造专业物理传感器较多。32传感器——传感器分类（续）按照物理原理分类：电参量式（电阻，电容，电感）；磁电式（磁电效应，霍尔效应，磁栅）；压电式；热电式；光电式；辐射式（红外，超声波传感器）；总特点，物理特性定量电信号。33传感器——MEMS传感器压强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。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。加速度传感器三轴陀螺仪34传感器——MEMS静电电动机显微照片1988年美国科学家研制。转子直径120微米，厚1微米。在

380V电压驱动下，最大转速每分钟500转。35传感器——MEMS陀螺仪环形陀螺仪36传感器——就在身边Wii健身运动游戏很好玩，工作原理是什么？37传感器——就在身边使用者翻动手机选择“响铃”或“震铃”；摇晃手机变换不同的铃声和游戏；音乐和壁纸随着人们的动作而变化。摇晃你的手机传感器38传感器——触摸屏空隙隔离点保护膜内的金属层玻璃上的电阻层这里的触摸屏就是一种传感器39传感器——力传感器电子计价秤悬臂梁应变片固定端敏感元件40传感器——力传感器力传感器将力学量转换为电量的装置称为力传感器。金属形变力学量电学量如何测量力？41传感器——应变片应变片电阻丝保护层绝缘基片受力方向上面两只应变片下面两只应变片固定端受力端在悬臂梁的两个侧面各粘贴2片电阻应变片42传感器——压强压强传感器采用压阻式压力传感元件。它是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。当它受到气体压力时，半导体应变片的电阻率发生变化，从而输出电压变化。

压力传感元件43传感器——半导体应变片当半导体材料受到外力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为半导体的压阻效应。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，主要是ρ

发生改变，而

L

和

S

的变化相对很小，可以忽略不计。R=ρ·L／S44传感器——压强传感元件真空室基片硅膜片气压硅杯侧视图应变片应变片硅膜片应变片分布图用单晶硅制成硅杯，其中间部分形成硅膜片，在硅膜片上制作4片电阻值相等的应变片。当气体作用于硅膜片时，硅膜片弯曲，并使

应变片产生形变。45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，R1和R4的电阻值变大；而内圈的应变片受到压缩，R2和R3的电阻值变小。电桥失去平衡，输出与气体压力成正比的电压信号U=I·△R。R1R2UAR3R4U＝I·△RUB

IR1R2R3R4F侧视图：46传感器——血压计压强传感器气阀气泵放气管三通管接传感器气泵

袖带气阀压强传感器47传感器——磁传感车速控制磁铁

手柄外环手柄手柄旋转手柄，调节磁铁和霍尔元件之间的距离，电路输出相应的电压，从而控制车速。霍尔元件48传感器——霍尔效应演示

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的一个侧面偏转，从而形成霍尔电势。49传感器——磁测量实际测量值导线下边导线旁边导线上边50传感器——位移传感器超声波接收超声波发射红外线发射红外线接收51传感器——超声测距超声波接收器发射器红外线

超声波到达，停止计时超声波接收器发射器红外线t1红外线接收器发射器超声波t2

红外线到达，开始计时

同时发射＝×距离S超声波的速度时间差t2－t1超声波红外线S52传感器——压电原理压电晶片压电晶片压电晶片是一种压电式传感元件，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。发射器接收器53传感器——压电效应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。压电效应包括逆压电效应和正压电效应。电能机械能

逆压电效应正压电效应54传感器——压电薄膜扬声器可折叠、可卷曲、可印刷的薄膜扬声器

55传感器——PTC热敏电阻发热电器的恒温控制：刚通电时，PTC元件的电阻小，电流大，快速升温。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电阻下降……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。

陶瓷暖风机居里温度开关电阻工作范围电蚊香56传感器——加速度传感器传感器内有一个用弹簧片支撑的质量块，可以上下活动。固定电极1与质量块之间构成电容C1质量块与固定电极2之间构成电容C2αC1C2固定电极1质量块固定电极257传感器——加速度传感器电容式加速度传感器质量块58传感器——加速度传感器应用硬盘防震安全气囊颈椎运动测量

59传感器——WSN基石传感技术MEMS通信技术无线传感器网络“无线传感器网络”由此孕育而生60测试仪器与传感器——提纲万用表、示波器与频谱仪