第3章測(cè)試儀器與傳感器

第3章測(cè)試儀器與傳感器1測(cè)試儀器與傳感器——提綱萬(wàn)用表、示波器與頻譜儀信號(hào)源與矢量網(wǎng)絡(luò)分析傳感器分類與原理典型傳感器接口與使用2萬(wàn)用表——測(cè)試精靈3數(shù)字示波器—時(shí)域之眼示波器是形象地顯示信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形顯示儀器，是一種綜合的信號(hào)特性測(cè)試儀，是電子測(cè)量?jī)x器的基本種類示波器的用途：電壓表，電流表，功率計(jì)頻率計(jì)，相位計(jì)脈沖特性，阻尼振蕩示波器的應(yīng)用：電子，電力，電工壓力，振動(dòng)，聲，光，熱，磁4數(shù)字示波器—典型結(jié)構(gòu)ART模擬示波器DSO數(shù)字示波器DPO數(shù)字熒光示波器放大器水平放大器垂直放大器延遲線觸發(fā)放大器多路分解器采集信號(hào)存儲(chǔ)器uP顯示存儲(chǔ)器A/D放大器數(shù)字熒光器A/DuP模擬實(shí)時(shí)顯示串行處理并行處理觸發(fā)電路和時(shí)基觸發(fā)和時(shí)基電路5數(shù)字示波器——無(wú)源探頭6數(shù)字示波器——有源探頭7數(shù)字示波器——采樣率與帶寬示波器帶寬選定后，采樣率決定了單次帶寬。單次寬決定示波器對(duì)毛刺和單脈沖信號(hào)的捕獲能力和復(fù)現(xiàn)能力，也決定了示波器檢測(cè)重復(fù)信號(hào)中異常信號(hào)和隨機(jī)毛刺信號(hào)的捕獲能力。例：示波器帶寬100Mhz采樣率1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S,（不考慮帶寬對(duì)波形的影響）8數(shù)字示波器——XY模式X－Y模式是示波器是一種測(cè)量相移的方法。這時(shí)示波器將時(shí)基關(guān)閉，兩個(gè)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(gè)信號(hào)間的相位差異，而且還能分辨它們的頻率比率。相位測(cè)量頻率測(cè)量信號(hào)頻率比相位差0度45度90度180度270度360度1：19數(shù)字示波器——觸發(fā)模式觸發(fā)電路的作用就是保證每次時(shí)基掃描或采集的時(shí)候，都從輸入信號(hào)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(hào)的捕獲、模擬示波器觸發(fā)和數(shù)字示波器的觸發(fā)是使重復(fù)信號(hào)穩(wěn)定顯示對(duì)單次信號(hào)進(jìn)行捕獲對(duì)重復(fù)信號(hào)中的異常波形和單次事件中的特殊波形進(jìn)行隔離捕獲。觸發(fā)設(shè)置是使用示波器最麻煩的一點(diǎn)示波器設(shè)置都是依據(jù)信號(hào)特征進(jìn)行的，所以應(yīng)該對(duì)被測(cè)信號(hào)有所了解。示波器提供了許多觸發(fā)設(shè)置方式，這些觸發(fā)器（功能）可以響應(yīng)輸入信號(hào)的不同條件，根據(jù)波形特征加以設(shè)定和正確應(yīng)用。會(huì)使檢測(cè)簡(jiǎn)化，幫助快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。如一個(gè)脈沖比實(shí)際應(yīng)該達(dá)到的寬度要窄，若只使用電壓門限的觸發(fā)器是不可能捕獲到這樣的脈沖。高級(jí)觸發(fā)控制使你可以單獨(dú)關(guān)注波形中感興趣的細(xì)節(jié)，這樣可以使示波器采樣速率和記錄長(zhǎng)度得到優(yōu)化。觸發(fā)器：邊緣（電壓門限）、釋抑、脈沖、邏輯、視頻、B觸發(fā)等、觸發(fā)模式：自動(dòng)、正常、單次、滾動(dòng)模式10示波器總結(jié)11頻譜分析儀——頻域之眼12頻譜分析儀——頻域分析13頻譜分析儀——RBW14頻譜分析儀——VBW15頻譜分析儀——靈敏度提高16頻譜分析儀——手機(jī)頻譜17測(cè)試儀器與傳感器——提綱萬(wàn)用表、示波器與頻譜儀信號(hào)源與矢量網(wǎng)絡(luò)分析傳感器分類與原理典型傳感器接口與使用18信號(hào)源——干凈之源信號(hào)輸出主振器緩沖調(diào)制輸出電源監(jiān)測(cè)信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖19信號(hào)源——干凈之源正弦信號(hào)源在線性系統(tǒng)測(cè)試中具有特殊意義。眾所周知，在正弦信號(hào)的激勵(lì)下，線性電路內(nèi)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(duì)一切頻率(或一組靠得很近的頻率)的外加正弦信號(hào)的幅值和相位的響應(yīng)，那么就能夠完全確定該系統(tǒng)在其線性工作范圍內(nèi)對(duì)于任意輸入信號(hào)的。也就是說(shuō)：正弦波測(cè)試是線性系統(tǒng)頻域分析的重要實(shí)驗(yàn)方法。20信號(hào)源——功率與頻率（１）輸出（功率）電平范圍（２）輸出電平準(zhǔn)確度（３）輸出電平的頻率特性（帶內(nèi)平坦度）（４）輸出阻抗（1）頻率范圍頻率范圍指頻率合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(shù)k表示（k=fmax/fmin）。如果覆蓋系數(shù)k>2或3時(shí)，整個(gè)頻段可以劃分為幾個(gè)分波段。（2）頻率分辨率頻率合成器需在指定的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生大量離散的頻率。頻率分辨率是指兩相鄰頻率點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的合成器，則希望有盡可能精細(xì)的頻率分辨率。（3）頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器從某一頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率并達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間。不同類型的頻率合成方式，此指標(biāo)相差較大，一般要求頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間小于幾十毫秒。（4）頻率精度21信號(hào)源——相位噪聲相噪頻偏振蕩器自由噪聲頻率參考等效噪聲鎖相輸出實(shí)際噪聲低通濾波增益帶寬FoFr頻率參考鑒頻／鑒相器環(huán)路濾波器調(diào)諧振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò)(Ｔ)Fv22信號(hào)源——任意波形PSG8257D模似信號(hào)源E4438C或PSG8267D矢量信號(hào)源23矢量網(wǎng)絡(luò)分析——S域之眼Port2功率分配/開關(guān)源R1APort1R2B衰減器衰減器測(cè)量接收機(jī)參考接收機(jī)參考接收機(jī)反射信號(hào)(A)傳輸信號(hào)(B)輸入信號(hào)輸出信號(hào)DUT網(wǎng)絡(luò)分析儀組成?信號(hào)源?信號(hào)分離裝置?接收機(jī)?處理顯示單元24矢量網(wǎng)絡(luò)分析—射頻信號(hào)在器件中的傳播

Lightwave入射反射透射

RF/MW25矢量網(wǎng)絡(luò)分析—S參數(shù)定義

S11=ReflectedIncident=b1a1a2=0S21=TransmittedIncident=b2a1a2=0S22=ReflectedIncident=b2a2a1=0S12=TransmittedIncident=b1a2a1=0輸入傳輸S21S11反射b1a1b2Z0Loada2=0DUT正向輸入傳輸S12S22反射b2a2ba1=0DUTZ0Load反向1S-parameters電壓線性值定義26矢量網(wǎng)絡(luò)分析—射頻信號(hào)在器件中的傳播TransmittedIncident傳輸特性增益S參數(shù)S21,S12群延時(shí)Delay傳輸系數(shù)相位PhaseReflectedIncident反射特性SWRS參數(shù)S11,S22反射系數(shù)阻抗R+jX,G+jB反射損耗G,rT,t輸入反射輸出RBAAR=BR=27矢量網(wǎng)絡(luò)分析——校準(zhǔn)

不校準(zhǔn)2.頻響校準(zhǔn)

3.1-PORT單端校準(zhǔn)4.FULL2-PORT雙端校準(zhǔn)DUTSHORTOPENSHORTOPENSHORTOPENthru方便消除頻率相應(yīng)誤差不要求高精度傳輸測(cè)試=直通反射測(cè)試=短路反射測(cè)試消除測(cè)試端口所有誤差

Directivity

Sourcematch

Reflectiontracking校準(zhǔn)件:openshortload復(fù)雜,校準(zhǔn)件多次連接高精度消除測(cè)試中所有誤差:

Directivity

Source,loadmatch

Reflectiontracking

Transmissiontracking

Crosstalk

DUTthruDUTDUTLOADLOADLOAD28矢量網(wǎng)絡(luò)分析——誤差系統(tǒng)誤差由于測(cè)試儀表原理或測(cè)試設(shè)備引起變化有規(guī)律能夠被定量描述可通過(guò)校準(zhǔn)消除隨機(jī)誤差隨時(shí)間隨機(jī)變化不能通過(guò)校準(zhǔn)消除引起隨機(jī)誤差的原因:設(shè)備噪聲開關(guān)重復(fù)性連接器重復(fù)性飄移誤差校準(zhǔn)后儀表性能變化主要由溫度變化造成通過(guò)定期計(jì)量消除被測(cè)件性能測(cè)試數(shù)據(jù)系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差飄移誤差29矢量網(wǎng)絡(luò)分析——校準(zhǔn)件電子校準(zhǔn)件(Ecal)機(jī)械校準(zhǔn)件校準(zhǔn)件多次連接Shorts,Open,Loads,Thru單次連接；多端口校準(zhǔn)SingleConnection30測(cè)試儀器與傳感器——提綱萬(wàn)用表、示波器與頻譜儀信號(hào)源與矢量網(wǎng)絡(luò)分析傳感器分類與原理典型傳感器接口與使用31傳感器——傳感器分類按照傳感器用途分類：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，壓力傳感器，流速傳感器，光強(qiáng)傳感器，粘度傳感器，氣體濃度傳感器，3D磁傳感器…按照測(cè)量性質(zhì)分為三大類：物理傳感器；化學(xué)傳感器；生物傳感器；總體上，機(jī)械制造專業(yè)物理傳感器較多。32傳感器——傳感器分類（續(xù)）按照物理原理分類：電參量式（電阻，電容，電感）；磁電式（磁電效應(yīng)，霍爾效應(yīng)，磁柵）；壓電式；熱電式；光電式；輻射式（紅外，超聲波傳感器）；總特點(diǎn)，物理特性定量電信號(hào)。33傳感器——MEMS傳感器壓強(qiáng)傳感器壓力傳感器微傳感器的尺寸大多為毫米級(jí)，甚至更小。例如：壓力微傳感器可以放在注射針頭內(nèi)，送入血管測(cè)量血液流動(dòng)情況。加速度傳感器三軸陀螺儀34傳感器——MEMS靜電電動(dòng)機(jī)顯微照片1988年美國(guó)科學(xué)家研制。轉(zhuǎn)子直徑120微米，厚1微米。在

380V電壓驅(qū)動(dòng)下，最大轉(zhuǎn)速每分鐘500轉(zhuǎn)。35傳感器——MEMS陀螺儀環(huán)形陀螺儀36傳感器——就在身邊Wii健身運(yùn)動(dòng)游戲很好玩，工作原理是什么？37傳感器——就在身邊使用者翻動(dòng)手機(jī)選擇“響鈴”或“震鈴”；搖晃手機(jī)變換不同的鈴聲和游戲；音樂和壁紙隨著人們的動(dòng)作而變化。搖晃你的手機(jī)傳感器38傳感器——觸摸屏空隙隔離點(diǎn)保護(hù)膜內(nèi)的金屬層玻璃上的電阻層這里的觸摸屏就是一種傳感器39傳感器——力傳感器電子計(jì)價(jià)秤懸臂梁應(yīng)變片固定端敏感元件40傳感器——力傳感器力傳感器將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電量的裝置稱為力傳感器。金屬形變力學(xué)量電學(xué)量如何測(cè)量力？41傳感器——應(yīng)變片應(yīng)變片電阻絲保護(hù)層絕緣基片受力方向上面兩只應(yīng)變片下面兩只應(yīng)變片固定端受力端在懸臂梁的兩個(gè)側(cè)面各粘貼2片電阻應(yīng)變片42傳感器——壓強(qiáng)壓強(qiáng)傳感器采用壓阻式壓力傳感元件。它是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的器件。當(dāng)它受到氣體壓力時(shí)，半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率發(fā)生變化，從而輸出電壓變化。

壓力傳感元件43傳感器——半導(dǎo)體應(yīng)變片當(dāng)半導(dǎo)體材料受到外力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。壓強(qiáng)傳感器使用半導(dǎo)體應(yīng)變片。對(duì)半導(dǎo)體材料而言，當(dāng)應(yīng)變片變形時(shí)，主要是ρ

發(fā)生改變，而

L

和

S

的變化相對(duì)很小，可以忽略不計(jì)。R=ρ·L／S44傳感器——壓強(qiáng)傳感元件真空室基片硅膜片氣壓硅杯側(cè)視圖應(yīng)變片應(yīng)變片硅膜片應(yīng)變片分布圖用單晶硅制成硅杯，其中間部分形成硅膜片，在硅膜片上制作4片電阻值相等的應(yīng)變片。當(dāng)氣體作用于硅膜片時(shí)，硅膜片彎曲，并使

應(yīng)變片產(chǎn)生形變。45傳感器——壓強(qiáng)測(cè)量電路R1R2R4R3當(dāng)硅膜片形變時(shí)，外圈的應(yīng)變片被拉伸，R1和R4的電阻值變大；而內(nèi)圈的應(yīng)變片受到壓縮，R2和R3的電阻值變小。電橋失去平衡，輸出與氣體壓力成正比的電壓信號(hào)U=I·△R。R1R2UAR3R4U＝I·△RUB

IR1R2R3R4F側(cè)視圖：46傳感器——血壓計(jì)壓強(qiáng)傳感器氣閥氣泵放氣管三通管接傳感器氣泵

袖帶氣閥壓強(qiáng)傳感器47傳感器——磁傳感車速控制磁鐵

手柄外環(huán)手柄手柄旋轉(zhuǎn)手柄，調(diào)節(jié)磁鐵和霍爾元件之間的距離，電路輸出相應(yīng)的電壓，從而控制車速?；魻栐?8傳感器——霍爾效應(yīng)演示

在薄片的垂直方向施加磁場(chǎng)，電子除了做定向運(yùn)動(dòng)外，還在洛倫茲力的作用下向薄片的一個(gè)側(cè)面偏轉(zhuǎn)，從而形成霍爾電勢(shì)。49傳感器——磁測(cè)量實(shí)際測(cè)量值導(dǎo)線下邊導(dǎo)線旁邊導(dǎo)線上邊50傳感器——位移傳感器超聲波接收超聲波發(fā)射紅外線發(fā)射紅外線接收51傳感器——超聲測(cè)距超聲波接收器發(fā)射器紅外線

超聲波到達(dá)，停止計(jì)時(shí)超聲波接收器發(fā)射器紅外線t1紅外線接收器發(fā)射器超聲波t2

紅外線到達(dá)，開始計(jì)時(shí)

同時(shí)發(fā)射＝×距離S超聲波的速度時(shí)間差t2－t1超聲波紅外線S52傳感器——壓電原理壓電晶片壓電晶片壓電晶片是一種壓電式傳感元件，它既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。發(fā)射器接收器53傳感器——壓電效應(yīng)某種晶體在外力作用下，不僅會(huì)產(chǎn)生形變，還會(huì)產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，晶體的表面有電荷出現(xiàn)，從而形成電場(chǎng)。當(dāng)外力消失后，表面又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)包括逆壓電效應(yīng)和正壓電效應(yīng)。電能機(jī)械能

逆壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)54傳感器——壓電薄膜揚(yáng)聲器可折疊、可卷曲、可印刷的薄膜揚(yáng)聲器

55傳感器——PTC熱敏電阻發(fā)熱電器的恒溫控制：剛通電時(shí)，PTC元件的電阻小，電流大，快速升溫。溫度超過(guò)居里點(diǎn)后，電阻陡然增大，類似于關(guān)閉電源；當(dāng)溫度下降后，PTC電阻下降……自動(dòng)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。

陶瓷暖風(fēng)機(jī)居里溫度開關(guān)電阻工作范圍電蚊香56傳感器——加速度傳感器傳感器內(nèi)有一個(gè)用彈簧片支撐的質(zhì)量塊，可以上下活動(dòng)。固定電極1與質(zhì)量塊之間構(gòu)成電容C1質(zhì)量塊與固定電極2之間構(gòu)成電容C2αC1C2固定電極1質(zhì)量塊固定電極257傳感器——加速度傳感器電容式加速度傳感器質(zhì)量塊58傳感器——加速度傳感器應(yīng)用硬盤防震安全氣囊頸椎運(yùn)動(dòng)測(cè)量

59傳感器——WSN基石傳感技術(shù)MEMS通信技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)”由此孕育而生60測(cè)試儀器與傳感器——提綱萬(wàn)用表、示波器與頻譜儀