第3章測試儀器與傳感器

1、1第3章 測試儀器與傳感器2測試儀器與傳感器提綱l萬用表、示波器與頻譜儀萬用表、示波器與頻譜儀l信號源與矢量網絡分析信號源與矢量網絡分析l傳感器分類與原理傳感器分類與原理l典型傳感器接口與使用典型傳感器接口與使用3萬用表測試精靈基本功能 量程. 基本準確度 直流電壓 200mV/2V/20V/200V/1000V (0.1%+5) 交流電壓 2V/20V/200V/750V (0.8%+25) 直流電流 200uA/2mA/20mA/200mA/20A (0.5%+4) 交流電流 200mA/20A (1.5%+25) 電阻 200/2k/20k/200k/2M/200M (0.4%+5) 電

2、導 (0.1100)nS (1.0%+30) 電容 20nF/2uF/200uF (4.0%+50) 頻率 20kHz/200kHz (1.5%+25) 特殊功能 VC9807A+ 二極管測試 三極管測試 通斷報警 低電壓顯示 數據保持 自動關機 背光顯示 功能保護 防震保護 輸入阻抗 10M 采樣頻率 2 次/s 交流頻響 (40-400)Hz 操作方式 手動量程 最大顯示 19999 液晶尺寸 7050mm 電源 9V (6F22) 4數字示波器時域之眼n示波器是形象地顯示信號幅度隨時間變化的波形顯示儀器，是一種綜合的信號特性測試儀，是電子測量儀器的基本種類n示波器的用途：電壓表，電流表，

3、功率計頻率計，相位計脈沖特性，阻尼振蕩n示波器的應用：電子，電力，電工壓力，振動，聲，光，熱，磁5數字示波器典型結構ART模擬示波器DSO數字示波器DPO數字熒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遲線延遲線觸發(fā)觸發(fā)放大器放大器多路多路分解器分解器采集信號采集信號存儲器存儲器uP顯示顯示存儲器存儲器A/D放大器放大器數字數字熒光器熒光器A/D uP模擬實時顯示串行處理并行處理觸發(fā)電路和時基觸發(fā)電路和時基觸發(fā)和時基電路觸發(fā)和時基電路6數字示波器無源探頭7數字示波器有源探頭8數字示波器采樣率與帶寬n示波器帶寬選定后，采樣率決定了單次帶寬。單次寬決定示波器對毛刺和單脈沖信號的

4、捕獲能力和復現能力，也決定了示波器檢測重復信號中異常信號和隨機毛刺信號的捕獲能力。例：示波器帶寬例：示波器帶寬100Mhz100Mhz 采樣率采樣率1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S,1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S, （不考慮帶寬對波形的影響）（不考慮帶寬對波形的影響）9數字示波器XY模式 XY模式是示波器是一種測量相移的方法。這時示波器將時基關閉，兩個通道X，Y軸都跟蹤電壓。從李薩如模式的形狀可以分辨兩個信號間的相位差異，而且還能分辨它們的頻率比率。 相位測量 頻率測量信號頻率比相位差0度45度90度180度270度360度1：110數字示波器觸發(fā)模式n觸發(fā)電路的作用就是

5、保證每次時基掃描或采集的時候，都從輸入信號上與定義的相同的觸發(fā)條件開始，這樣每一次掃描或采集的波形就同步，可以每次捕獲的波形相重疊，從而顯示穩(wěn)定的波形，或保證單次信號的捕獲、模擬示波器觸發(fā)和數字示波器的觸發(fā)是使重復信號穩(wěn)定顯示對單次信號進行捕獲對重復信號中的異常波形和單次事件中的特殊波形進行隔離捕獲。n觸發(fā)設置是使用示波器最麻煩的一點示波器設置都是依據信號特征進行的，所以應該對被測信號有所了解。示波器提供了許多觸發(fā)設置方式，這些觸發(fā)器（功能）可以響應輸入信號的不同條件，根據波形特征加以設定和正確應用。會使檢測簡化，幫助快速發(fā)現問題。如一個脈沖比實際應該達到的寬度要窄，若只使用電壓門限的觸發(fā)器是

6、不可能捕獲到這樣的脈沖。高級觸發(fā)控制使你可以單獨關注波形中感興趣的細節(jié)，這樣可以使示波器采樣速率和記錄長度得到優(yōu)化。n觸發(fā)器：邊緣（電壓門限）、釋抑、脈沖、邏輯、視頻、B觸發(fā)等、n觸發(fā)模式：自動、正常、單次、滾動模式11示波器總結12頻譜分析儀頻域之眼13頻譜分析儀頻域分析14頻譜分析儀RBW15頻譜分析儀VBW16頻譜分析儀靈敏度提高17頻譜分析儀手機頻譜18測試儀器與傳感器提綱l萬用表、示波器與頻譜儀萬用表、示波器與頻譜儀l信號源與矢量網絡分析信號源與矢量網絡分析l傳感器分類與原理傳感器分類與原理l典型傳感器接口與使用典型傳感器接口與使用19信號源干凈之源信 號信 號輸出輸出主振器主振器緩

7、沖緩沖調制調制輸出輸出電電 源源監(jiān)測監(jiān)測信號發(fā)生器結構框圖信號發(fā)生器結構框圖20信號源干凈之源正弦信號源在線性系統(tǒng)測試中具有特殊意義。眾所周知，在正弦信號的激勵下，線性電路內的所有電壓和電流都是具有同一頻率的正弦波，只是彼此之間的幅值和相位可起有所差別。此外，若己知線性系統(tǒng)對一切頻率(或一組靠得很近的頻率)的外加正弦信號的幅值和相位的響應，那么就能夠完全確定該系統(tǒng)在其線性工作范圍內對于任意輸入信號的。也就是說：正弦波測試是線性系統(tǒng)頻域分析的重要實驗方法。21信號源功率與頻率（）輸出（功率）電平范圍（）輸出電平準確度（）輸出電平的頻率特性（帶內平坦度）（）輸出阻抗（1）頻率范圍 頻率范圍指頻率合

8、成器輸出最低頻率和輸出最高頻率之間的變化范圍，也可以用覆蓋系數k表示（k=fmax / fmin）。如果覆蓋系數k2或3時，整個頻段可以劃分為幾個分波段。（2）頻率分辨率 頻率合成器需在指定的頻率范圍內產生大量離散的頻率。頻率分辨率是指兩相鄰頻率點之間的間隔，故也稱為頻率間隔。不同用途的頻率合成器的分辨率要求相差很大。作為標準信號源的合成器，則希望有盡可能精細的頻率分辨率。（3）頻率轉換時間 頻率轉換時間是指頻率合成器從某一頻率轉換到另一個頻率并達到穩(wěn)定所需要的時間。不同類型的頻率合成方式，此指標相差較大，一般要求頻率轉換時間小于幾十毫秒。（4） 頻率精度22信號源相位噪聲FoFr頻率參考頻率

9、參考鑒頻鑒相器鑒頻鑒相器環(huán)路濾波器環(huán)路濾波器調諧振蕩器調諧振蕩器反饋網絡反饋網絡() Fv23信號源任意波形PSG8257D模似信號源E4438C或PSG8267D 矢量信號源24矢量網絡分析S域之眼Port 2功率分配/開關源R1APort 1R2B衰減器衰減器測量接收機參考接收機參考接收機反射信號(A)傳輸信號(B)輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號DUT信號源信號源信號分離裝置信號分離裝置接收機接收機處理顯示單元處理顯示單元25矢量網絡分析 Lightwave入射入射反射反射透射透射 RF/MW26矢量網絡分析S11=ReflectedIncident=b1a1a2= 0S21=Trans

10、mittedIncident=b2a1a2= 0S22=ReflectedIncident=b2a2a1= 0S12=TransmittedIncident=b1a2a1= 0輸入輸入傳輸傳輸S21S11反射反射b1a1b2Z0Loada2= 0DUT正向正向輸入輸入傳輸傳輸S12S22反射反射b2a2ba1= 0DUTZ0Load反向反向1S-parameters 電壓線性值定義電壓線性值定義27矢量網絡分析TransmittedIncident傳輸特性傳輸特性增益增益S參數參數S21,S12群延時群延時Delay傳輸系數傳輸系數相位相位PhaseReflectedIncident反射特性反

11、射特性SWRS參數參數S11,S22反射系數反射系數阻抗阻抗 R+jX, G+jB 反射損耗反射損耗G, rG, rT,tT,t輸入輸入反射反射輸出輸出RBAAR=BR=28矢量網絡分析校準 不校準不校準 2. 頻響校準頻響校準 3. 1-PORT單端校準單端校準 4. FULL 2-PORT雙端校準雙端校準l復雜,校準件多次連接l高精度l消除測試中所有誤差: Directivity Source, load match Reflection tracking Transmission tracking Crosstalk 29矢量網絡分析誤差30矢量網絡分析校準件電子校準件電子校準件(Eca

12、l)機械校準件機械校準件校準件多次連接校準件多次連接Shorts, Open, Loads, Thru單次連接；多端口校準單次連接；多端口校準Single Connection31測試儀器與傳感器提綱l萬用表、示波器與頻譜儀萬用表、示波器與頻譜儀l信號源與矢量網絡分析信號源與矢量網絡分析l傳感器分類與原理傳感器分類與原理l典型傳感器接口與使用典型傳感器接口與使用32傳感器傳感器分類傳感器分類按照傳感器用途分類：按照傳感器用途分類：位移傳感器，加速度傳感位移傳感器，加速度傳感器，力傳感器，溫濕度傳感器，力傳感器，壓力傳器，力傳感器，溫濕度傳感器，力傳感器，壓力傳感器，流速傳感器，光強傳感器，粘度

13、傳感器，氣感器，流速傳感器，光強傳感器，粘度傳感器，氣體濃度傳感器，體濃度傳感器，3D磁傳感器磁傳感器按照測量性質分為三大類：按照測量性質分為三大類： 物理傳感器；物理傳感器； 化學傳感器；化學傳感器； 生物傳感器；生物傳感器；總體上，機械制造專業(yè)物理傳感器較多。總體上，機械制造專業(yè)物理傳感器較多。33傳感器傳感器分類（續(xù)）傳感器分類（續(xù)）按照物理原理分類：按照物理原理分類： 電參量式（電阻，電容，電感）；電參量式（電阻，電容，電感）； 磁電式（磁電效應，霍爾效應，磁柵）；磁電式（磁電效應，霍爾效應，磁柵）； 壓電式；壓電式； 熱電式；熱電式； 光電式；光電式； 輻射式（紅外，超聲波傳感器）；

14、輻射式（紅外，超聲波傳感器）；總特點，物理特性總特點，物理特性定量電信號定量電信號。34傳感器MEMS 傳感器傳感器壓強傳感器壓強傳感器壓力傳感器壓力傳感器微傳感器的尺寸大多為毫米級，甚至更小。微傳感器的尺寸大多為毫米級，甚至更小。例如：壓力微傳感器可以放在注射針頭內，例如：壓力微傳感器可以放在注射針頭內，送入血管測量血液流動情況。送入血管測量血液流動情況。加速度傳感器加速度傳感器三軸陀螺儀三軸陀螺儀35傳感器MEMS靜電電動機靜電電動機顯微照片顯微照片1988年美國科學家研年美國科學家研制。制。轉子直徑轉子直徑120微米，微米，厚厚1 1微米。在微米。在 380V電壓電壓驅動下，最大轉速每分

15、驅動下，最大轉速每分鐘鐘500轉。轉。36傳感器MEMS陀螺儀環(huán)形陀螺儀環(huán)形陀螺儀37傳感器就在身邊Wii 健身運動健身運動38傳感器就在身邊使用者翻動手機選擇使用者翻動手機選擇“響鈴響鈴”或或“震鈴震鈴”；搖晃手機變換不同的鈴搖晃手機變換不同的鈴聲和游戲；聲和游戲；音樂和壁紙隨著人們的音樂和壁紙隨著人們的動作而變化。動作而變化。搖晃你的手機搖晃你的手機 傳感器傳感器39傳感器觸摸屏空隙空隙 隔離點隔離點 保護膜內的金屬層保護膜內的金屬層 玻璃上的電阻層玻璃上的電阻層 這里的觸摸屏就是一種傳感器這里的觸摸屏就是一種傳感器40傳感器力傳感器電子計價秤電子計價秤懸臂懸臂梁梁應變應變片片固定固定端端

16、敏感元件敏感元件41傳感器力傳感器力力 傳傳 感感 器器將力學量轉換為電量將力學量轉換為電量的裝置稱為力傳感器。的裝置稱為力傳感器。金屬形變金屬形變 力學量力學量 電學量電學量 如何測量力？如何測量力？42傳感器應變片應應 變變 片片電阻絲電阻絲保護層保護層絕緣基片絕緣基片受力方向受力方向上面兩只應變上面兩只應變片片下面兩只應變下面兩只應變片片固定端固定端受力端受力端在懸臂梁的兩個側在懸臂梁的兩個側面各粘貼面各粘貼2片電阻應片電阻應變片變片43傳感器壓強壓強傳感器采用壓阻壓強傳感器采用壓阻式壓力傳感元件。式壓力傳感元件。它是利用單晶硅的壓它是利用單晶硅的壓阻效應制成的器件。阻效應制成的器件。當

17、它受到氣體壓力時，當它受到氣體壓力時，半導體應變片的電阻率半導體應變片的電阻率發(fā)生變化，從而輸出電發(fā)生變化，從而輸出電壓變化。壓變化。 壓力傳感元件壓力傳感元件44傳感器半導體應變片半導體應變片當半導體材料受到外力作用時，其當半導體材料受到外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現象稱為半電阻率會發(fā)生變化，這種現象稱為半導體的壓阻效應。導體的壓阻效應。壓強傳感器使用半導體應變片。壓強傳感器使用半導體應變片。對半導體材料而言，當應變片變形時，對半導體材料而言，當應變片變形時，主要是主要是 發(fā)生改變，而發(fā)生改變，而 L 和和 S 的變化的變化相對很小，可以忽略不計。相對很小，可以忽略不計。R = LS

18、45傳感器壓強傳感元件真空室真空室基片基片硅膜片硅膜片氣壓氣壓硅杯硅杯側視圖側視圖應變片應變片應變片應變片硅膜片硅膜片應變片分布圖應變片分布圖用單晶硅制成硅杯，其中間部用單晶硅制成硅杯，其中間部分形成硅膜片，在硅膜片上制作分形成硅膜片，在硅膜片上制作 4片電阻值相等的應變片。片電阻值相等的應變片。當氣體作用于硅膜片時，硅膜當氣體作用于硅膜片時，硅膜片彎曲，并使片彎曲，并使 應變片產生形變。應變片產生形變。46傳感器壓強測量電路R1R2R4R3當硅膜片形變時，外圈的應變片被拉伸，當硅膜片形變時，外圈的應變片被拉伸，R1和和R4的電阻值的電阻值變大；而內圈的應變片受到壓縮，變大；而內圈的應變片受到

19、壓縮，R2和和R3的的電阻值變小。電阻值變小。電橋失去平衡，輸出與氣體壓力成正比的電壓信號電橋失去平衡，輸出與氣體壓力成正比的電壓信號U = IR。R1R2UAR3R4UIRUB IR1R2R3R4F側視圖：側視圖：47傳感器血壓計壓強壓強傳感器傳感器氣閥氣閥氣泵氣泵放氣管放氣管三通管三通管接傳感器接傳感器氣泵氣泵 袖袖 帶帶 氣閥氣閥 壓強壓強傳感器傳感器 48傳感器磁傳感車速控制磁鐵磁鐵 手柄外環(huán)手柄外環(huán) 手柄手柄手柄手柄旋轉手柄，調節(jié)磁鐵和霍爾元件旋轉手柄，調節(jié)磁鐵和霍爾元件之間的距離，電路輸出相應的電壓，之間的距離，電路輸出相應的電壓，從而控制車速。從而控制車速。霍爾元件霍爾元件 49

20、傳感器霍爾效應演示霍爾效應演示 在薄片的垂直方向施加磁場，電子除了做在薄片的垂直方向施加磁場，電子除了做定向運動外，還在洛倫茲力的作用下向薄片定向運動外，還在洛倫茲力的作用下向薄片的一個側面偏轉，從而形成霍爾電勢。的一個側面偏轉，從而形成霍爾電勢。50傳感器磁測量實際測量值實際測量值導線下邊導線下邊 導線旁邊導線旁邊 導線上邊導線上邊 51傳感器位移傳感器位移傳感器超聲波接超聲波接收收超聲波發(fā)超聲波發(fā)射射紅外線發(fā)射紅外線發(fā)射紅外線接收紅外線接收52傳感器超聲測距超聲波超聲波接收器接收器發(fā)射器發(fā)射器紅外線紅外線 超聲波到達，停止計時超聲波到達，停止計時 超聲波超聲波接收器接收器發(fā)射器發(fā)射器紅外線

21、紅外線t1紅外線紅外線接收器接收器發(fā)射器發(fā)射器超聲波超聲波t2 紅外線到達，開始計時紅外線到達，開始計時 同時發(fā)射同時發(fā)射 距離距離S超聲波超聲波的速度的速度時間差時間差t2t1超聲波超聲波紅外線紅外線S53傳感器壓電原理壓電晶片壓電晶片壓電晶片壓電晶片壓電晶片壓電晶片是一種壓電式傳感是一種壓電式傳感元件，它既可以將機械能轉換元件，它既可以將機械能轉換為電能，又可以將電能轉換為為電能，又可以將電能轉換為機械能。機械能。發(fā)射器發(fā)射器接收器接收器54傳感器壓電效應某種晶體在外力作用下，不僅會產生形變，某種晶體在外力作用下，不僅會產生形變，還會產生電極化現象，晶體的表面有電荷出還會產生電極化現象，晶

22、體的表面有電荷出現，從而形成電場。當外力消失后，表面又現，從而形成電場。當外力消失后，表面又恢復到不帶電狀態(tài)，這種現象稱為壓電效應。恢復到不帶電狀態(tài)，這種現象稱為壓電效應。壓電效應包括逆壓電效應和正壓電效應。壓電效應包括逆壓電效應和正壓電效應。電能電能機械能機械能 逆壓電效應逆壓電效應正壓電效應正壓電效應55傳感器壓電薄膜揚聲器壓電薄膜揚聲器可折疊、可卷曲、可印刷的薄膜揚聲器可折疊、可卷曲、可印刷的薄膜揚聲器 56傳感器PTC熱敏電阻熱敏電阻發(fā)熱電器的恒溫控制：發(fā)熱電器的恒溫控制：剛通電時，剛通電時，PTC元件的電阻小，電流大，快速升溫。元件的電阻小，電流大，快速升溫。溫度超過居里點后，電阻陡

23、然增大，類似于關閉電源；當溫度下降后，溫度超過居里點后，電阻陡然增大，類似于關閉電源；當溫度下降后，PTC電阻電阻下降下降 自動恒溫。自動恒溫。PTC熱敏電阻既是加熱器又是傳感器，起到感溫和控溫的兩種作用。熱敏電阻既是加熱器又是傳感器，起到感溫和控溫的兩種作用。 陶瓷暖風機陶瓷暖風機 居里溫度居里溫度開關電阻開關電阻 工作范圍工作范圍電蚊香電蚊香 57傳感器加速度傳感器加速度傳感器傳感器內有一個傳感器內有一個用彈簧片支撐的質量用彈簧片支撐的質量塊，可以上下活動。塊，可以上下活動。固定電極固定電極1與質量與質量塊之間構成電容塊之間構成電容C1質量塊與固定電質量塊與固定電極極2之間構成電容之間構成電容C2C1C2固定電極固定電極1質量塊質量塊固定電極固定電極258傳感器加速度傳感器電容式電容式加速度傳感器加速度傳感器質量塊質量塊59傳感器加速度傳感器應用加速度傳感器應用硬盤防震硬盤防震 安全氣囊安全氣囊頸椎運動測量頸椎運動測量 60傳感器WSN基石傳感技術傳感技術MEMS通信技術通信技術無線傳感器網絡無線傳感器網絡“無線傳感器網絡無線傳感器網絡”由此孕育而生由此孕育而生61測試儀器與傳感器提綱l萬用表、示波器與頻譜儀萬用表、示波器與頻譜儀l信號源與矢量網絡分析信號源與矢量網絡分析l傳感器分類與原理傳