物理实验-数字存储示波器与瞬态信号测量

数字存储示波器与瞬态信号测量【实验目的】学会使用数字存储示波器来记录瞬态信号；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；掌握利用超声波来测量不同的物理量的方法。【实验仪器】TDS210、TDS1—2、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】用数字存储示波器观测单脉冲信号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tw：从脉冲前沿上升到0.5Vm起至脉冲后沿下降到0.5Vm为止的一段时间。上升时间tr：脉冲上升沿从0.1Vm上升到0.9Vm所需要的时间。下降时间tf：脉冲下降沿从0.9Vm下降到0.1Vm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。数字存储示波器的使用方法打开电源，用导线将信号源连接到CH1或CH2通道。调整到合适的电压和时间。按触发键，调整触发电频以获得稳定的信号按相应菜单提示，可按MEASURE键自动测量，也可按CURSOR键手动测量电压差或时间差。单次脉冲信号可按SAVE键存储到A或B中。超声波测量实验超声波产生原理声波是一种弹性波，超声波的频率范围为2×104～1012Hz，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。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。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。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。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。常用的超声探头有直探头（产生纵波），斜探头（产生横波或表面波）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θ=0时为直探头）。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：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，σ表示Poisson系数，ρ为材料密度。则杨氏模量而Poisson系数其中，。传输线中脉冲信号反射波的测量和应用传输线的等效电路及重要参数等效电路如图2所示：速度（底波）。波型转换和横波、表面波的观测横波和表面波一般是利用波型转换得到的，例如斜探头和可变角探头，如图7所示。方法如下：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）。增大可变角探头入射角，注意回波幅度的变化。当入射角达到某一值后，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）。可变角探头入射角增加到某值时，纵波消失，只剩横波。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（表面波）。用斜探头测横波速度将连有测量仪的斜探头与示波器相连，将斜探头的左侧与工件左侧圆心重合。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。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：用可变探头测表面波声速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65º左右，在工件上移动，以获得表面波。从示波器可观察表面波波形随着探头的移动而移动，如果滴一点水在表面波传播路径上，则示波器表面波波形消失。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表面波之间的时间差，计算表面波传播路程，从而得出表面波的速度。传输线中脉冲信号反射波的测量和应用用“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