一、名词术语
1. 自由场:均匀且各项同性的介质中,边Jie的影响可以不计时的声场。 2. 远场:Zi由场中,离声源较远处瞬时声压与瞬时质点Zhen动速度同相的声场。在远场中的声波离开声Yuan时呈球面发散波,即声源在某点产生的声压Yu该点至声源声中心的距离成反比。
3. (有效)声中心:在发射器上或附近的Yi个点,在远处观测时,好像声波是从这个点Fa出的球面发散声波,对于互易换能器,用作Jie收器与用作发射器时的声中心是一致的。 4. 几何声中心:换能器结构或辐射表面的Ji何对称中心,如球型换能器的球心。低频时,声中心和几何中心是一致的。
5. 参考声中心:换能器上某个指定点,用Zuo描述换能器特性时的坐标原点。该点是任选De,一般为换能器的几何中心。
6. 接收换能器开路输出电压:接收换能器De输出端没有电流流出时,在该点呈现的瞬时Dian压,单位为V。
7. 可逆换能器:换能损失与传输方向无关De换能器。它既能用作发射器又能用做接收器。 8. 互易换能器:线性、无源、可逆并Man足互易原理的换能器。
9. 换能器对的电转移阻抗:对于由发射器F和接收器J组成的换能器对,在某一频率ZFJ
Xia的电转移阻抗为,当换能器置于声场中,其Zhu轴相对指向并位于一直线上时,接收换能器
,开路电压与输入发射器的电流的复数比,单Wei为,以数学形式表示为 uiJF
Z,u/i FJJF
其模和幅角分别为
,,argZ,,,,Z,u/i,U/I, FJJFJFFJFJuiJF
U 式中为接收换能器开路电压的有效Zhi,单位为V,I为输入发射器电流的有效值,JF
,,单位为A,为接收换能器电压的相位单位Weirad,为输入发射器电流的相位,单位为iuJF
rad。
Dian转移阻抗与换能器对所处的声场、电负载、Huan境等条件有关时,应同时指出这些条件。换Neng器对处于自由场远场条件时,其转移阻抗模Yu换能器对声中心间的距离d成反比,soldiers in the war to win the confidence and courage, strength has grown. In March 1939, finally created the direct leadership of the party ranks--Jiangsu Taihu anti-Japanese volunteer army. By the Chinese Communist Party, song Ling Zhen Qian Kangmin (song Ling Monument Park ? famous martyrs of the Revolution Money's eldest son) as Commander, Deputy Commander Ding Bingcheng. This is territory of Wujiang first established by the Chinese
即
=常数 ZdFJ
10. 自由场(电压)灵敏度:接收换能器Shu出端的开路电压u与在自由声场中引入接收Mf
Huan能器前存在于其声中心位置处的瞬时声压的Fu数比值。单位为V/Pa,以数学形式表示pf
为
M,u/pff
Qi量值与相位分别为
M,u/p,U/p, ,,,,,fffMupFf
Zi由场(电压)灵敏度是对平面行波而言的,Qi相对于平面波传播的指定方向一般为灵敏度Zui大的方向,声中心一般为参考声中心,它们Jun应在接收器上明确标出,其输出端和频率在Gei出灵敏度时也应指明。
Zi由场灵敏度的复数值和量值采用同一符号,Ruo不加说明一般指量值。以上两式Mf
Zhong的自由场声压的瞬时值和有效值也用同一符Hao,U和 分别为接收器输出端的开路电压,u
u的有效值和相位,为瞬时声压p的相位。 ,fpf
11. 自由场(电压)灵敏度(级)M:自You场灵敏度的量值M与灵敏度的基准值之Mf1fr比以10为底的对数乘以20,单位为dB,以数学形式表示为
M,20lg(M.M) f1fr
Qi中自由场灵敏度的基准值为1V/μPa。 Mr
12. 发送电流响应:发射器在某频率下的Fa送电流响应是在指定方向上离其声中心某SSII
p参考距离d处的瞬时声压和该参考距离的乘Ji与输入到其电端的电流i的复数比值,参00
Kao距离为1m。单位为Pa?m/A,以数学Xing式表示为
S,pd/i I00
Qi量值与相位分别为
S,pd/i,pd/I,,,,,, I0000SpiI0
Fa射器的指定方向一般为主轴方向,声中心一Ban为参考声中心,它们均应在发射器上soldiers in the war to win the confidence and courage, strength has grown. In March 1939, finally created the direct leadership of the party ranks--Jiangsu Taihu anti-Japanese volunteer army. By the Chinese Communist Party, song Ling Zhen Qian Kangmin (song Ling Monument Park ? famous martyrs of the Revolution Money's eldest son) as Commander, Deputy Commander Ding Bingcheng. This is territory of Wujiang first established by the Chinese
Ming确标出,其输入端(可任选)和频率在给出Fa送电流响应时也应指明。
Fa送电流响应的复数值和量值采用同一符号,Ruo不加以说明,一般指其量值。以上SI
Liang式中声压的瞬时值和有效值也用同一符号,I和分别为输入发射器输入端电流i的有p,0i
Xiao值和相位,为瞬时声压的相位。 ,pp00
13. 发送电流响应(级):发送电流响应De量值与其基准值之比以10为底的对数SSSII1Ir乘以20.单位为dB,以数学Xing式表示为
S,20lg(S/S)I1IIr
Fa送电流响应的基准值为1μPa?m/A。 SIr
14. 发送电压响应:发射器在某频率下的Fa送电压响应是在某指定方向上离其声中心SSVV某参考距离处的瞬时声压和该参考距离De乘积与输入到其电端的电压u的复数比值,pd00
Can考距离为1m,单位为Pa?m/A。以数Xue形式表示为
S,pd/uV00
Qi量值与相位分别为
,,,,,S,pd/u,pd/U, V0000SpuV0
Fa射器的指定方向一般为主轴方向,声中心一Ban为参考声中心,它们均应在发射器上
Ming确标出,其输入端(可任选)和频率在给出Fa送电压响应时也应指明。
Fa送电压响应的复数值和量值采用同一符号S,若不加以说明,一般指其量值。以上V
Liang式中声压p,的瞬时值和有效值也用同一符Hao,U和分别为输入发射器输入端电压u的0u
,p有效值和相位,为瞬时声压的相位。 p00
SSS15. 发送电压响应(级):发送电Ya响应的量值与其基准值之比以10为底的对ShuVV1Vr
Cheng以20,单位为dB。以数学形式表示为
S,20lg(S/S) V1VVr
S发送电压响应的基准值为1μPa?m/A。 Vr
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二、比较法
1.实验原理
Shui听器的比较法校准的测量程序时很简单的,Ru果实施恰当,所的测量结果是可靠而又精确De。此法是将一个未知灵敏度的水听器即待校Shui听器和一个已校好的参考水听器即标准水听Qi,先后放入声场中,让它们接收同样的自由Chang声压,然后比较这两个水听器的开路输出电Ya。此法又被称作置换法或替代法,因为此法Zhong要用待校水听器去替换标准水听器,而其测Liang条件不作任何改变。根据自由场电压灵敏度De定义,要求替换前后两个水听器的等效声中Xin应重合在声场的同一点上。若该点的自由场Sheng压记作,则有: pf
p,e/M,e/Mfssxx
Shi中,和分别表示标准水听器和待校水听器的Kai路输出电压;和分别表eeMMsxsx示Biao准水听器和待校水听器的自由场电压灵敏度。则有:
ex M,Mxses
Ci校准法通常是在开阔水域或消声水池中实施Ce量,若在非消声水池中实施时,需要使用脉Chong声技术,使之在脉冲持续时间内建立一个等Xiao的自由场。
2.实验条件
Bi较法对发射器和标准水听器有所要求。对于Fa射器,要求它:第一,能产生足够高的声源Ji;第二,在使用过程中,发射性能要稳定。Dui标准水听器的要求:第一,已经绝对校准,Ta的自由场电压灵敏度曲线是已知的;第二,Xing能稳定,尽可能不随环境因素而变化,如果You变化的话,它们应该是已知的;第三,水听Qi尺寸要小,并且无指向性。
三、互易法
Zai水声计量中,互易校准法是最常用最典型的Yi级校准法。在此法中所使用的各换能器的灵Min度值或响应值都是未知的,但是,利用电声Hu易原理,通过几步测量,便可获得待校换能Qi的接收灵敏度或发送响应值。所以,也有人Cheng此法为绝对校准法。互易校准法应用最广泛De是三个换能器的球面波互易校准法。
Hu易校准法的理论基础就是电声互易定理。该Ding理表述为:对于一个线性、无源、可逆的电Sheng换能器,用做接收器时的接收灵敏度与用作Fa射器时相应的发送响应之比与换能器本身的Jie构无关。上述比值为一个常数,称为互易常Shu。此常数与换能器所处的声场性质有关。soldiers in the war to win the confidence and courage, strength has grown. In March 1939, finally created the direct leadership of the party ranks--Jiangsu Taihu anti-Japanese volunteer army. By the Chinese Communist Party, song Ling Zhen Qian Kangmin (song Ling Monument Park ? famous martyrs of the Revolution Money's eldest son) as Commander, Deputy Commander Ding Bingcheng. This is territory of Wujiang first established by the Chinese
Hu易校准法需要三个换能器,其中至少有一个Hu易换能器H,另两个分别是发射器F和接受QiJ,F和J只要满足线性条件。分做三次测Liang,分别测量每个换能器对输入发射器的电流i和接收器的开路电压u,或其电转移阻抗,Jiu能获得J和H的自由场灵敏度及H和FZFJ
的发送电流响应。
1.电声互易原理
Li用电声换能器的互易性,即它的接收灵敏度M与其发送响应S之比等于一个互易常数J的Xing质,分别测出若干对发射换能器一接收换能Qi排列对的换能器转移阻抗,应用互易常数,Tong过计算换能器的接收灵敏度和发射响应的绝Dui校准方法,称为互易校准。转移阻抗是接收Qi开路输出电压与激励发射器的输入电流之比。互易校准是迄今最准确的电声换能器的一级Xiao准方法,应予优先采用。常规互易校准包括Chang规互易法(三个换能器的球面波互易校准)、自易法、在远近场过渡区的自易法等。
Zai线性网络理论中广泛应用的互易原理,可以Biao述为:无源可逆四端网络的两个转移阻抗相Deng,这种系统成为互易系统。
图1 互易原理
Ru果用数学表示即为:
ee21, (1—1) ii12
Qi中iiee、为流过两对极的恒定电流,、Ze为对应产生的开路电压。将互易原理推广到1212
i一般情况,如图2所示,若在无源线性四端Wang络的第一对极上通以电流时,在第二对极跨1
'''接电阻R上产生一个端电压;反之,当Zai其第二对极上串接一个内阻为R且短路电流Weiei22
e的电源时,在第一对极上产生一个开路电压,则存在以下关系: 1
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'ee21 (1—2) ,''ii12
You欧姆定律,上述情况可得:
Z,R'2 e,e22R
''e2 (1—3) i,2R,Z2
''e''2其中为第二对极的输出阻抗。将Shi(1—3)带入式(1—1)且令为第二对Ji所加,iZ22R电源的短路电流,就可得Dao式(1—2)
Tu2 互易原理的推广
Hu易原理可以进一步推广到电声系统和声学系Tong中去,并已被严格地证明,利用电—力—声Lei比把换能器表示为一个四端网络,对于大多Shu线性、无源、可逆换能器,可以看成一个互Yi系统。在自由场中,当换能器的电极上通以Dian流时,它的辐射面就向介质中辐射声波,iT
'r并且在远场中距离处的小面积S上产生一Ge自由场声压p。如果发射处于小信号,显然r
,c换能器和S之间的介质也是一个互易系统,且小面积S的声阻抗就是这个互易系统的负S
,c,载。如图3(a)所示,其中为介质密Du,c为声速。反之,若在S处放一个内声阻Kang为,S
2S,4,ap开路电压为,面积为的脉动小Qiu体(a为球半径),当换能器在球体的远场ZhongS
Shi,则换能器处的自由场声压为:
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pa0 (1—4) p,f'r
Qi中:为球表面附近介质的声压,r为球和换Neng器之间的距离。在这个声压作用下,换能p0
Qi的开路电压为,它的类比图见图3(b)所Shi。若把这个脉动球和声阻抗为零的空腔耦eoc
He(相当于声短路)时,球源表面附近的容积Su度为(相当于声短路时的短路振速),US
Ta的类比图如图3(c)所示。
Tu3 电声换能器的互易原理
Yin为换能器和介质都是互易系统,所以整个系Tong也是一个互易系统。将图2和图3类比,可De:
peroc (1—5) ,iUTS
Zhe个结果就是用于换能器的自由场互易校准的Hu易原理。即:在由换能器和传播介质组成的Dian声互易系统中,在第一对极(换能器电端)Tong过发射电流时,则在第二对极(换能器的iT
,c'a,,,r远场距离为处介质)声阻抗Wei的介质球(半径)组成的声负载上产生自由ChangS
,c'rp声压;反之,在第二对极上(处半Jing为a的介质球上)发生声内阻抗为,短路容rS
Upe积振速为的开路声压的声脉动时,在第Yi端(换能器的电端)产生开路电压,则SSoc存在上述关系式。
Mai动球处在自由场空间里,所以它的声负载就Shi球的辐射阻抗(类比于电四端网络的soldiers in the war to win the confidence and courage, strength has grown. In March 1939, finally created the direct leadership of the party ranks--Jiangsu Taihu anti-Japanese volunteer army. By the Chinese Communist Party, song Ling Zhen Qian Kangmin (song Ling Monument Park ? famous martyrs of the Revolution Money's eldest son) as Commander, Deputy Commander Ding Bingcheng. This is territory of Wujiang first established by the Chinese
Shu出阻抗),由声学基础知识,脉动球的辐射Zu抗为: Z2
cka, (1—6) Z,(ka,j)2S(1,(ka))
2ka,,1由于很小,,则有 S,4,a
,,a (1—7) Z,jS
,c自由场中脉动小球(内声阻抗为,开路声Ya为)的类比电路可用图4表示: pSS
Tu4 自由场中脉动小球的类比电路图 球表Mian的声压等于:
ja,,pU, (1—8) oS
ac,,,ka,,1,,式中,U为球表面De容积速度,因为,所以,,所以 ,a,,cSS
cac,,,,U,p/(,j),p/(),U (1—9) SSSSSS带入(1—8)中:
jaaf,,,,,p,U,jU,jU (1—10) oSSS2S4a2a,
Zai换能器所在的位置的自由场声压为:
afUafU,,SSppjj,,,, (1—11) fo'''r2ar2rp将取幅Du模带入式(1—5)中得: f
peef,rococ,,, 'iUp2rTSf
ep/r2Mocfo,,J,J ,即 (1—12) ,pifS/IrT
e/p,Mp/i,S式中:为换能器作为声Jie收器时的自由场电压灵敏度,为换能器作ocfrTIsoldiers in the war to win the confidence and courage, strength has grown. In March 1939, finally created the direct leadership of the party ranks--Jiangsu Taihu anti-Japanese volunteer army. By the Chinese Communist Party, song Ling Zhen Qian Kangmin (song Ling Monument Park ? famous martyrs of the Revolution Money's eldest son) as Commander, Deputy Commander Ding Bingcheng. This is territory of Wujiang first established by the Chinese
M为声发射器时的发射响应,为自由场球面波Hu易常数,式(1—12)即为电声换能J,SI
Qi的互易原理。表述为:互易换能器的接收灵Min度于发射响应之比是一个比例常数,称为互Yi常数,用J表示。互易常数取决于媒质、频Lv和边界条件及某些尺寸,但与换能器的型式、详细结构无关。
2.互易常数
R.J.Bobber在1966年证明,在Yi般化互易常数的表述中,可以把互易常数JKan成是媒质和媒质边界的转移声导纳。J就成Wei互易换能器发射的体积速度与其产生的并在Fa射响应定义中所用的声压之比。例如此声压Ding义为声轴上距声中心1米远处的值,对于同Yi个换能器,在不同声场,J就是不同的常数。
(1)上面讨论的是自由场球面波互易常数,Ji作 JS
'2r (2—1) ,JS,f
''为换能器作为发射器时,场点离它的距离,必须满足远场条件。 式中,rr
(2)有时在高频时球面波声场较难得到,需Yao在近场(平面自由场)中进行校准。可以推Dao自由场平面波互易常数J为: p
2A (2—2) ,Jp,c
(3)对于柱形换能器,往往需要在它的近场—柱面自由场中进行校准,可以推导得柱面自
J由场互易常数为: C
ZL' (2—3) J,r,Cc,
Shi中:L为柱形换能器的长度。
Shang述三种互易常数可简略地写成如下形式:
2'0J,(,r)A平面波 (2—4) pc,
12'2柱面波 (2—5) J,(,r)LCc,
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2'球面波 (2—6) J,(,r)Sc,
'4,1式中,项的指数,表示了三种声辐射De扩展规律。J的单位为。对于一个给定,rmkgs的换能器,互易校准时,选择哪种互Yi常数取决于换能器的几何形状和校准距离。Chang圆柱形
'2换能器在的近距离内校准时,需要使用柱Mian波参量,而单个平板型活塞换能器r,,L/,
'在距离处校准时需要使用平面波参量。 r,A/,
3.实验步骤
Hu易法种类很多,但有一个共同点。那就是必Xu要有一个互易换能器,其接受灵敏度与发射Xiang应之比等于一个常数——互易常数,因此在Zuo互易校准时,必须同时检测互易换能器的互Yi性。凡互易换能器必定是线性可逆的,而线Xing可逆的换能器大多是互易的,但不一定都是Hu易的。
Zao期使用最广泛的互易校准法为“三个换能器De球面波互易法”。在该方法中,使用三个未Zhi发射和接收特性的换能器:发射器F、接收QiJ和互易换能器H,他们必须满足线性条件,且F与H必须是可逆的。测量步骤如图5所Shi,分如下四步进行: (1) 换能器F发She,H接收,输入换能器F的电流及H的输出Kai路电压,则有: ieFFH
nepe(p/d)enFHdFHFHOFFHFH (3—1) ,,,,,S,M/dIFOHFHiipipFFdFHFdFH
Shi中:p为离发射器处的声压,即互易换能器De声中心位置处由发射产生的声压。ddFHFH
You于不同的波扩展规律,p表示为: dFH
n (3—2) p,p/ddFHOHFH
1n,1n,0n,p对于球面波区,对于柱Mian波区,对于平面波区。为离发射换能器中OH2
M心1米处的表观声压,S为换能器F的发射Dian流响应,为换能器的自由场电压灵敏OHIF
度。
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Tu5 互易校准所作的测量安排
'(2) 换能器F发射,J接收,测量输入F的电流及J的输出开路电压,则有: eiFJF
''epepde(/)FJdFHFJOFFJFJ,,,, '''iipipFFdFJFdFJ
n (3—3) ,S,M/dIFOJFJ
Shi中:为接收换能器J的发射电流响应。 MOJ
(3) 换能器H发射,J接收,测量输入HDe电流及从J输出的开路电压,则有: eiHJH
n'epe(p/d)eHJdHJHJOHHJHJ,,,, iipipHHdHJHdHJ
n (3—4) ,S,M/dIHOJHJ
Shi中:为接收换能器H的发射电流响应。 SIH
You式(1—5)与式(1—6)可得到:
n'MeidOHFHFFH,,, (3—5) nMiedOJFFJFJ根据互易换能器的性质和式(1—7)式可得到:
nedenHJHJHJMM,(JS)(,),d,J (3—6) OHOJIHHJiSiHIHH式Zhong的互易常数J由声场类型决定。
MM由式(3—5)及式(3—6)可得H和J的自由场电压灵敏度和: OHOJsoldiers in the war to win the confidence and courage, strength has grown. In March 1939, finally created the direct leadership of the party ranks--Jiangsu Taihu anti-Japanese volunteer army. By the Chinese Communist Party, song Ling Zhen Qian Kangmin (song Ling Monument Park ? famous martyrs of the Revolution Money's eldest son) as Commander, Deputy Commander Ding Bingcheng. This is territory of Wujiang first established by the Chinese
1'neiednFHFHJFH2 (3—7) M,(,,,,dJ)OHHJnieidFFJHFJ
1neiednFJFHJFJ2 (3—8) M,(,,,,dJ)OJHJ'nieidFFHHFH同样可以求出F和H的发射电流响Ying和: SSIFIH
1neeid1nFHFJHFJ2 (3—9) S,(,,,,d,)IFFH'niiedJFFHJHJ
1'neied1nFHFHJFH2 (3—10) S,(,,,,d)IHHJnieidJFFJHFJ在实际测量中,常使,则可简Hua(3—7),(3—10)式为: d,d,d,d,dFHFJHJHF
1'eienFHFHJ2 (3—11) M,(,,,dJ)OHieiFFJH
1eienFJFHJ2 (3—12) M,(,,,dJ)OJ'ieiFFHH
1eei1nFHFJH2 (3—13) S,(,,,d,)IF'iieJFFHJ
1'eie1nFHFHJ2 (3—14) S,(,,,d,)IHieiJFFJH
'(4) 互易换能器的互易校验方法:由图5(d)所示的第四步,以驱动H发射,F接ShouiH
开路电压: eHF
eee1nHFOHHFSM/d ,,, (3—15) IHOF''nnii(p/d)dHHOH由Shi(3—1)得到:
epe1nHFOFFH,SM/d,, (3—16) IFOHnnii(p/d)dFFOF两式相Chu:
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eMFHOH
iSFIH (3—17) ,eMHFOF'iSHIF
MMOHOF若H、F均为互易换能器,则有,可以得到: J,,SSIHIF
eeFHHF (3—18) ,'iiFH
Zai及条件下,上式便成为判别H、F是否为互Yi换能器的判据。因M,MS,SOHOFIFIH
Ci最好选择换能器F与H是两个不同的换能器。这样(3—18)式实际上成为检验互易性De可靠依据。然而还存在某些例外的情况,例Ru两个换能器具有相同的非线性,而使上式得Yi满足,此时他们都是非线性的,所以应避免Zhe种情况发生。
4.实验条件
Zai互易校准法测试之前,需检验是否满足实验Yao求的基本条件。第一,本校准法建立在自由Chang球面波条件基础上,故在校准前首先应检验Sheng场是否符合自由场球面波的条件;第二,对Yu对称性较强的发射器和接收器,其有效声中Xin常与几何声中心一致,故对于这样的换能器,常可以其几何声中心作为声中心。在一般情Kuang下,特别是当换能器的尺寸大于波长时,应Ce定换能器的有效声中心位置并加以修正;第San,互易法校准中的自由场远场条件就是要求Xiao准时两换能器的声中心间的距离足够大,使Jie收器处于发射器的远场中,同时从接收器来Kan,所接收到的声波应相当于平面波,即由接Shou器所截取的声波的一部分波阵面近似为一平Mian;第四,为了减少换能器指向性引起的测试Wu差,其指定方向应选在灵敏度或响应随方向Bian化较小的区域中的某一方向。因此,应先测Ding换能器的指向性,以便正确选定方向。换能Qi的指定方向已经选定,在每次校准中均需对Zhun此指定方向;第五,对于换能器的输出端,Yi般选在连接换能器固定电缆的末端,也可选Zai换能器头处或外加延伸电缆的末端;第六,Yan证换能器线性范围,即其输入与输出之比值Bao持不变时输入量变化的范围;第七,验证换Neng器在其线性范围内是否遵守电声互易原理。
Si、 宽带校准技术
Shui声换能器的自由场校准工作,自40年代开Zhan以来主要应用的不是连续波法就是脉冲声法。而这两种比较经典的方法存在着固有的缺点,从根本上影响着换能器校准技术水平的soldiers in the war to win the confidence and courage, strength has grown. In March 1939, finally created the direct leadership of the party ranks--Jiangsu Taihu anti-Japanese volunteer army. By the Chinese Communist Party, song Ling Zhen Qian Kangmin (song Ling Monument Park ? famous martyrs of the Revolution Money's eldest son) as Commander, Deputy Commander Ding Bingcheng. This is territory of Wujiang first established by the Chinese
Ti高。应用连续波法时,由于水域边界反射波De影响,自由声场不可避免地受到干扰,也不Yi排除同频率串漏信号的影响。虽然利用大尺Cun的水域和消声水池可以减小反射波干扰的影Xiang,但随着频率的降低,效果就不明显了。应Yong脉冲波法可以有效地隔开直达波、反射波和Chuan漏信号,但由于仍要求必须在稳态振动状态Xia测量,脉冲宽度不能任意的小,因此,在已Que定水域尺寸的条件下存在着可用的低频限。Ji在较小尺寸的水域中也无法用脉冲法低频校Zhun换能器,尤其不能准确校准高Q值低频谐振Huan能器。通常,换能器尤其是宽带工作的换能Qi,要求校准的并不是单个或几个频率点,而Shi在整个工作频段内的响应曲线。利用常规的Lian续波法和脉冲波法只能逐个频率点或用扫频De方式测量响应曲线,而且扫频速率和脉冲宽Du需要调节至确保稳态测量,因此测量速度比Jiao慢。
Wei了克服上述常规的连续波法和脉冲波法的缺Dian,人们研究了称之为“宽带校准”的方法,Ji用宽带信号作为校准用信号。宽带信号包括Liao连续宽带信号和瞬时宽带信号。1946年,Osborne和Carter就利用了属Yu瞬时宽带信号的水下爆炸声作为校准声源。Yin此,近期国外和国内的研究人员继续对宽带Xiao准技术展开了更为深入的研究。尽管这些研Jiu的角度和内容各有不同,但效果是共同的,Ji用频率分析技术代替扫频技术,一次测量就Ke求得复频响曲线,大大缩短了测量时间,并Bu同程度上降低了由水域的有限尺寸所引起的Di频限制。
1.方法原理
Yi知,水声换能器自由场校准时最基本的组合Xing式是“发射换能器—声波传输介质—接收换Neng器”,等效构成一个三者串接的网络,如图4.34所示。当此网络可看成线性非时变系Tong时,可从它的激励信号和响应输出信号求得Biao示它固有特性的频响函数,即
,Y(j)f[y(t)],H(j),, (4.94) X(j,)f[x(t)]
Shi中是整个网络的频响函数;是激励信号的傅Li叶变换,记作H(j,)X(j,)x(t)
;是输出信号的傅里叶变换,记作。因此有 f[x(t)]Y(j,)y(t)f[y(t)]
H(j,),H(j,),H(j,),H(j,) (4.95) pmr
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Shi中是发射换能器网络的频响函数,即为它的Fa送电压或电流响应;H(j,)H(j,)pm是声波传播网络的频响函数,它的值决定Yu波的类型、声场条件和介质特性。是接H(j,)r收换能器网络的频响函数,即为接收Huan能器的开路电压灵敏度。 M(j,)
Yin此,通过时间域信号与的采集,利用式(4.94)计算后,可由H(j,)x(t)y(t)H(j,)r与求定H(j,): H(j,)pm
,H(j),H(j) (4.96) ,pH(j,)H(j,)mr
H(j,)也可由与求定: H(j,)H(j,)pmr
,H(j),H(j), (4.97) rH(j,)H(j,)mp
Dang用标准水听器测量换能器的发送响应时,可Zhi接利用(4.96)式求定,是已知H(j,)r的标准水听器的复数灵敏度。若测量的Shi电压发送响应,则是激励电压信号,若测量x(t)
De是电流发送响应,则是激励电压信号,若测Liang的是电流发送响应,则是激励电x(t)x(t)流信号。
Dang用比较法校准水听器时,需要先后组合测量Liang次:发射换能器与标准水听器组合,测H(j,)H(j,)得;同一发射换能器与被测Shui听器组合测得,则利用(4.97)式可求De被测ox
水听器的灵敏度
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()o,,H(j)H(j)xm (4.98) M(,j),,M(j,)xo(x)H(j)H(j),,om
(o)(x)式中是标准水听器灵敏度, 与Fen别是两次组合下的声传M(j,)H(j,)H(j,)omm
Bo网络的频响函数,是已知值。当然,在实际Ce量中,为了方便起见,常选择(o)(x)。 H(j,),H(j,)mm
Qian面用傅里叶变换分析的都是网络系统的频响Han数,即系统对输入与输出皆为正选信号时的Chuan递关系,反映了系统稳态输出与输入之间的Guan系,称正选传递函数,是系统广义传递函数De一个特例。为了更实际和一般的描述一个系Tong,考虑从初始激励开始的全过程,即包括系Tong的瞬态和稳态过程,须建立稳态和瞬态输出Yu输入间的关系。已知这个关系在频域上称作Wei传递函数。图4.34中的频域量都用复频Yu量代替,并对系统的输入j,s,,,j,
Yu输出信号都做拉普拉斯变换,得到系统的传Di函数
Y(s)l[y(t)] (4.112) H(s),,X(s)l[x(t)]
Shi中是激励信号的拉普拉斯变换,记作,是响Ying信号的拉X(s)x(t)l[x(t)]Y(s)y(t)普拉斯变换,记作。利用前Mian同样的公式,可以求得复频域s上的发送响Ying和接收l[y(t)]
,,0灵敏度。当,即幅值即不减又不增时,。 s,j,
2.宽带信号处理
,,x测量系统测得激励信号和响应信号的离San数据,由此构成时间域数列和k,,y(k=0,1,2,3,?,N-1)。须首先用Shi当的技术对这些数列进行处理,变换成频域Shu列,然后k
Dai入相应公式中,求得换能器的发送响应或灵Min度。在换能器的宽带校准中目前主要应用两Zhong信号处理技术,一种是经典的傅里叶谱分析Ji术,另一种是现代谱估计技术之一的Prony谱分析技术。
(2.1) 傅里叶谱分析技术
,,,,h,h(k,)设对某一时间域信号h(t)的采样间隔为τ,得到一组数字数据Xu列,其k中k=0,1,2,3,?,N-1,则按照DFT算法,得信号的频谱分量序Lie
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N,1,,i2nk/N, (4.124) n,0,1,2,?N,1,,H,H(n/N,),he,nkh,0
(2.2)Prony谱分析技术
Xin号的傅里叶分析在实际使用中存在着很大的Ju限性。由于数据长度有限,而且对于任意宽Dai信号不可能做到相干采样,因此不可能得到Zhen实谱。在小空间水域中,为了确保避免反射Sheng波干扰,允许的采样时间往往很短,致使谱Xian的离散度很大,既不利于降低可使用的下限Pin率,又不能精确求得频响曲线。另外,由于DFT的功率泄露,使宽带信号中的弱信号主Ban很容易被强信号的旁瓣所淹没或畸变,这种Xian象虽可通过选择适当窗函数得到改善,但与Qi相伴随的是主瓣增宽、谱分辨力降低。
Ying用Prony谱分析技术,可以克服DFTJi术的上述缺点。这种技术把信号表示成与换Neng器瞬态振动过程相似的衰减指数或衰减正弦Xin号模型,通过对模型参数的估计,由短时间Cai样数据推算整个信号波形,因而具有很高的Pin谱分辨力,并可有效地扩展到由有限水域所Xian定的自由场校准低频限。
Xian代Prony估算法首先认定任一信号的复Zhi数模型是如下式表示的N个复指数之f(t)
和
N,sk (4.127) f(t),Ae,k,1n
Yin此,只要求得复参数A和S,就可方便地进Xing拉普拉斯变换 kk
NAkFs,lft,()[()] (4.128) ,S,S,1kk
Prony首先提出利用AS的等间隔采样序Lie求和。为此,式(4.127)可用离散采Yangf(t)kk
数据来表示
NN,siik, (4.129) i,0,1,2,?,Mf(i,),Ae,AZ,,kkk,,11kk
其中
s,kZ,e (4.130) k
Δ是采样时间间隔。
Z已知(4.129)并不是一组线性方程,Jie它比较困难,需要设法求解。为此先定义一Gek
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Qi根为的N阶多项式 Zk
NNn, (4.131) (,,1)P(Z),,Z,(Z,Z),N,nk,0,1nk
Bing把(4.129)式改写为这样的形式:
N,in, (4.132) (i,0,1,2,?,M,N)f[(i,n),],AZ,kk,1k
Zai此式等号两边各乘以多项式系数,并对n取He得 ,n
NNi ,f[(i,n),],AZP(Z),0,,nkkk,,01nk
则
N,1
(4.133) ,f[(i,n),],,,f[(i,N),],,f[(i,N),],nNn,0
i,0,1,2,?,M,N
You式(4.133)可看出,未知的共有N个,为了求定它们,需利用2N个信号数据点,,n
Jian立N个上述线性方程。当解得后,多项式(4.131)也就确定了,它,(i,0,1,2,?,N,1)n的根即为。把值带入(4.129)式,就可求得。代入(4.130)式可得 ZZAkkk
,1 (4.134) s,,lnZkk
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霍尔元件灵敏度的测量
Huo尔元件灵敏度的测量
西北工业大学
设计性基础物理实验报告 班级:11051401姓名:日期:2016.05.27
一、 实验目的
测量置于螺线管中部霍尔元件的灵敏Du。
二、 实验仪器(名称、型号及参数)
可调直流双路输出稳压电源一台(E1:0-5V E2:0-20V)
数字式万用表(限用直流电流2mALiang程档)
未知阻值的电阻R0
直流多值电阻箱3个(只有R1阻值Zhun确)
TH-S螺线管磁场实验仪
单刀单掷开关、导线
三、 实验原理
1. 霍尔效应
任何导体中通过电流时,若存在垂直Yu电流方向的磁场,则导体内部产生与电流和Ci场方向都垂直的电场。
2. 测量计算方法
当霍尔电场力与洛伦兹力平衡时,霍Er片中载流子不再迁移,霍尔片上下两个平面Jian会形成霍尔电压,且霍尔电压与电场强度成Zheng比,流过器件的霍尔电流与电子定向运动速Du成正比,则
UH=KHISB
Qi中KH为比例系数,即霍尔元件的灵敏度。
3.不等位电位差可以通过取霍尔电Ya平均值来消除。
四、 实验内容与方法
1、 测量未知电阻R0、万用表内Zur
如图1连接线路,取U=4V,R1=2KΩ,测量I1,取下R0,替换为R2,,调节数值使万用表读数与前一致,则R2Shu值为R0。
如图2连接线路,调节R1=2KΩ,得到I2;调节R1’=3KΩ,得到I3,计算可得r。
2、 测量励磁电流、霍尔电流、霍Er电压
如图3连接电路,调节R1=4KΩ,根据等势点,可得励磁电流IM。
如图4连接电路,取R1=200Ω,根据R1和万用表内阻的比例可得霍尔电流IS。 如图5连接电路,将图4和图3连接Dao一起,取合适的R2值使得万用表读数为0,取R=1Ω此时R两端电压为霍尔电压,使Yong图6电路图得到电流表示数,计算霍尔电压。
五、 实验数据记录与处理(列表记Lu数据并写出主要处理过程)
图1:I1=1.845mA R0=9.5Ω
图2:I2=1.847mA I3=1.251mA R1=2000Ω R1’=3000Ω
解方程组得r=98.99Ω
图3:R1=4000Ω I=0.965mA IM=??(??+??)??=0.963mA
图4:R1=200Ω I万=0.698mA Is=0.698+6.98=7.678mA
图5、图6:R2=13111.5Ω I万=0.002mA R=R万98.99Ω U=0.02*98.99=1.98V
Liu、 实验分析与讨论
1. 霍尔元件电流端电阻数百欧姆,其工作电流不能超过10mA,以免损坏霍Er元件,应详细计算出各个电路中保护电阻的Da概数值之后进行测量。
2. 霍尔电极不对称,两极间有附Jia的不等电位差,应多次测量,取平均值来消Chu该误差,但是因为实验时间有限,因此只测Liang一次,存在误差。
3. 由于焊点之间接触电阻不同导Zhi焊点之间温度不同,由能斯特方程,会在两Ban间形成附加的电势差,引起实验误差。
传感器灵敏度自动测量系统
Chuan感器灵敏度自动测量系统
Zhai要:换能器从名字上来说就是完成能量转换De器件,而水声换能器则指完成声与电之间转Huan的器件,水声换能器是声纳的重要总称部分,分为发射换能器和接收换能器,接收换能器Chang称水听器,是声纳的水下部分,一个换能器De优劣直接影响声纳性能,现在换能器主流是Ya电陶瓷换能器。该论文主要讲述了一套基于Yong信号源、发射换能器、压电陶瓷传感器、示Bo器、GPIB总线和PC个人计算机组成的Zi动测量系统,信号源产生标准正弦信号声波,该声波在均匀声腔水介质中传播并作为压力Yuan,标准传感器和被测传感器同时接收波动声Ya,用示波器测出两传感器的输出电压,并将Shu出电压通过GPIB总线传输到个人计算机Shang,通过一系列计算推算出被测传感器的灵敏Du。实验测试了不同频率下水听器灵敏度及不Que定度的分析。
Guan键词:换能器;灵敏度;不确定度
1.概论
1.1 概述
Di球表面积的71%是海洋,海洋里蕴藏着丰Fu的生物和矿物质资源,是人类今后生存和发Zhan的第二个空间。当今各国都在努力加强海军Jian设和大范围地开发海洋事业。声纳这一水下Tan测设备成了开发海洋的重要帮手,更是海军He民用航海事业不可缺少的组成部分。
Ren们比喻声纳设备是舰船的水下耳目,换能器Ji其基阵则可谓之耳目的鼓膜和瞳孔了。由于Dian磁波在水下传播衰减极快,探测距离甚微,Yin此发现和测量水下目标,目前仍主要采用声Na。
声纳设备的功能,就是收听水下有用Xin号并把它转变为电信号以供视听;或者自身Chan生一个电信号再转变为声信号在水介质中传Bo打到目标反射回来接收之,再转变为电信号Gong收听或观察,由此可以判断水下目标的方位He距离。在这个水下电声信号的转换过程中的Guan键设备就是水声换能器或是换能器阵。
Mu前,水声换能器已经普遍地应用到工业、农Ye、国防、交通和医疗等许多领域。其中包括Yi下几种:
(1)在测深方面的应用:为保证航行安全,Wu论是军舰或是民船都要安装测深声纳;专门De航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测Shen仪。根据测深深度的不同,测深换能器的频Lv和功率也相差甚远。以频率范围在10kHz~200kHz的较多,功率从数瓦到数十Qian瓦不等,其中,高频小功率用于内河或浅海,低频大功率用于远洋、大深度。对这类换能Qi的要求是波束稳定、主波束锐。
(2)在定位和测距方面的应用:测量航船对Di的航行速度,大多采用多普勒声纳,利用四Ge性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的Zuo右舷方向上。一般工作频率在100kHz~500kHz。
(3)在海洋考察和海底地层勘探方面的应用:海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。拖Ye式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声Xue基阵,作用距离也最远。水中成像方面,通Chang采用高频旁视声纳,在船底左右舷对称地沿Long骨平行方向装两个直线基阵,各自向海底发She扇形指向性声束,然后接收来自海底的反射Bo,由于海底凹凸不平反射波强度有别,在显Shi图像上就会出现亮度不同的图像,因为工作Pin率较高,声信号衰减较快,作用距离不远,Xian在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。
1.2 开展水声换能器测试方法研究的意义
Zai水声技术研究和应用中需要用到声压、声强He声功率等基础的水中声学量,水声量值的准Que与否至关重要,不仅关系到水声科学研究的Zhun确性,而且也关系到水声技术装备性能优劣He质量高低的检定和评价,开展水声换能器测Shi方
Fa研究工作就是为了再现水声基本量,确保水Sheng量值的准确一致。
计量具有传递特性的,它是以传递量值Wei目的的测量。而测试通常是无传递特性的,Ta是以确定某种产品技术指标和性能或定量描Shu某物理现象为目的的测量,该论文就是主要Ce试水声换能器接收器的灵敏度。
1.3 水声换能器测试方法现状
Shui声换能器测试方法的典型代表是比较法,由Yu此法所用仪量仪表少、测量步骤少、测量程Xu简单,因而产生误差的来源要少一些,所以Zai水声测量中,此法应用的比较广泛,当此法Zhi采用一个标准换能器进行比较时,其校准精Du要比参考标准的原校准精度要低一些,并且Zai实践中,还可检查出所用的标准换能器是否Shi效,在此校准中,通常采用标准水听器作比Jiao,而尽量不用标注发射器作比较。
1.4 本文的主要研究内容
Tong过由信号源、示本文主要针对水声换能器的Er级校准方法及比较校准法,
Bo器、功率放大器、水声换能器及PC组成的Zi动测量系统实现对水声接收器的灵敏度及其Bu确定度的测量分析。
2.水声换能器测量的原理和方法
2.1 水声换能器的主要参数
Shui声换能器的主要性能指标有;水中工作频率、工作频率范围、频带宽度、发射声源级(声Gong率)及发射响应、指向性、接收灵敏度及接Shou灵敏度响应、发射效率、品质因素、阻抗、Zui大工作深度、尺寸和重量等。其中:
(1). 工作频率
Shui声换能器的工作频率或工作频率范围通常是You声纳设备的工作频率确定的。换能器的阻抗、指向性、灵敏度、发射功率、尺寸等都是频Lv的函数。一般说来,对发射换能器要计算它Zai谐振频率上或在谐振频率附近有限频带内的Xing能指标,在这个频率及其附近有最大的发射Xiao率。对于宽带接收换能器(压电换能器)谐Zhen频率应远高于接收频带的上限,以保证宽带Nei有平坦的接收响应且要计算它在谐振频率及Qi以下频段内的接收响应。大型低频声纳换能Qi的频率在数十赫到数千赫,而小型目标探测Sheng纳换能器在数十千赫到数百千赫。
(2). 指向性
Bu管是换能器还是换能器阵,它们的发射响应Huo接收响应会随着相对于它们的方向改变而变Hua。这就是换能器具有指向性,发射换能器发She的声波如同探照灯射出的光束一样。由于换Neng器具有指向性就可以把声能聚集到某个方位Fa射,使能量更加集中。采用许多换能器组成Chi寸更大的基阵,在相同的频率上指向性更加Jian锐,能量更加集中,发射的距离更远,在接Shou状态下信噪比更大,作用距离也越远。
(3) 阻抗(或导纳)特性
Huan能器在谐振频率附近可以看成一个简单串并Lian的等效电路。电路中的每一个电阻、电容或Dian感表示该换能器固有特性,这就是换能器阻Kang(或导纳)特性。掌握了换能器的阻抗特性Cai能使它与发射机的末级回路或接收机的输入Dian路相匹配。换能器的阻抗(或导纳)是一个Fu数,它是频率的函数,一般可表示成:Z(w)=R(w)+jX(w) (单位:欧姆)。
Zai机械共振时动态无功抗趋于零,静态容抗可Yong匹配电感调谐此时可以把它看成一个纯阻。Ya电换能器电阻抗一般在数十欧姆到数千欧姆De范围内。
(4). 发射功率
Fa射换能器的功能是将电子发射机的电功率转Bian为机械振动的机械功率,再把机械功率转变Wei声功率发射出去。发射声功率是指换能器在Dan位时间内向介质中辐射能量多少的物理量,Gong率的单位用瓦表示。换能器的发射功率受额Ding电压(或电流)、动态机械强度、温度及介Zhi特性等因素的制约。
(5) 发射响应
Neng够全面反映发射换能器性能指标的是发射响Ying,主要有发射电压响应和发射电流响应。发She电压响应S的定义是指发射换能器在指定方Xiang上离其有效声V
Zhong心d米距离上产生的自由场表观声压P与加Dao换能器输入端的电压U的比值:0f
S=Pd/U。发射电压响应通常用分贝表示。 Vf0
Fa射电流响应是指发射换能器在指定方向上离Qi有效声中心d米距离上产0生的自由场表观Sheng压P与加到换能器输入端的电流I的比值:S=Pd/I 。发射电fIf 0压响应通Chang用分贝表示。
(6). 接收灵敏度
Huan能器的自由场电压灵敏度指的是接收换能器Zai入射声波的作用下,输出端的开路电压U(w)与自由场中(假设接收换能器不存在时)Ta的声中心所在点的声压P(w)的比值M(w)。对于接收换能器而言,需要在很宽的频Lv范围内接收入f
She声信号,而压电换能器通常是在低于谐振频Lv的宽频带范围内工作。
(7)接收灵敏度的起伏
Kuan带接收换能器要求在使用的频范围内有比较Ping坦的接收响应。通常规定在工作频段内接收Dian压灵敏度起伏量为?1.5dB。
2.2 程控接口
2.2.1 IEEE488接口(GPIBJie口)
GPIB接口于1965年首先由美国HP公Si设计推出。开始主要用于该公司自己生产地Yi器与计算机之间地连接,被命名为HP-IB。由于该接口当时地高传输
),很快在测量领域流行起来,最后被吸纳为IEEE标准488-1975,速率(1MB/S
Bing进一步被接纳为ANSI/IEEE标准488.1-1987,GPIB则是比HP-IB、IEEE488更为流行地叫法。今天,GPIB测试技术有了长足地发展,ANSI/IEEE488.2-1987
Biao准更严格地定义了控制器与仪器之间地通信Fang式;在GPIB总线规范基础上发展起来的VXI总线测试系统更是代表了仪器测试技术Fa展的潮流。GPIB接口的问世使得自动化Ce试中仪器得互连有了统一得标准,推动了仪Qi制造业的技术发展,在以后的20年间,各Zhong带标准接口的测试仪器如雨后春笋般涌现出Lai,使检测人员能够轻而易举的组成各种功能Qiang大的自动化测试系统。
YongGPIB接口总线构成的系统总线上可连接Bu同传输速率的仪器设备多达14台,在程控Yi器仪表与计算机联网系统中起着一个重要的Qiao梁作用。用GPIB接口与总线构成的系统Bao括总线、接口和设备。GPIB总线是系统Ji的总线,该总线上连接的程控仪器设备都包Han两部分功能,一种是仪器本身的设备功能,Yi种是实现GPIB接口与总线规约的接口功Neng。
2.2.2 接口功能
Zai接口系统中,为了进行有效地信息传递,一Ban要包括三种基本地接口功能要求,即讲者、Ting者和控者。控者是对系统进行控制的设备,Neng管理GPIB上的通信,使系统按适当的命Ling正确运行。它能发出接口消息,如各种命令、地址,也能接收仪器发来的请求和信息。讲Zhe使发出装置消息的设备,即能输出数据。在Yi个系统中可以有一个或多个讲者,但在任一Shi刻只能有一个讲者工作。听者使接收讲者所Fa出的装置消息的设备,从GPIB接收数据。在一个系统中可以有
Ji个听者,且可以有一个以上的听者同时工作。在一个GPIB系统中至少应该具有一个讲Zhe功能和一个听者功能,以便传递信息,在自Dong测试系统中还应具备控者功能。一台仪器可Ju有上述一、二或三个功能。
Jie口消息是指用于管理接口系统的消息,它只Neng在接口功能及总线之间传递,并为接口功能Suo利用和处理,而绝不允许传递到装置功能部Fen去,装置消息在装置功能间传输,并由装置Gong能所利用和处理,它不改变接口功能的状态。 2.2.3 VISA控制技术
Jie口(API),VISA本身不提VISAShi一种用于仪器程控的标准I/O应用程序
Gong仪器程控能力,它是一种调用低级驱动程序De高级应用编程接口。NI-VISA的层次Jie构如图2所示:VISA可以根据所用仪器De类型调用适当的驱动程序,以实现对VXI、GPIB或串口仪器的控制。
Ying用VISA的理由:
VISA是标准。VISA是整个仪器工业做Yi器驱动程序的标准API。可以利用一个API来控制一系列不同类型的仪器,如VXI、GPIB和串口。
Jie口无关性。VISA利用同样的操作来与各Yi器进行联系,而不必考虑接口的类型。例如Wei实现向一个消息基仪器写一个ASCII字Fu串而采用的命令都是统一各,而不管这个仪Qi是串口、GPIG或是VXI。因此,VISA提供了接口无关性。这使得在各个总线接Kou间得切换变得更加容易,同时这也意味者使Yong者只需学习一个API即可实现仪器针对不Tong接口的编程。
Ping台无关性。VISA被设计为利用VISAHan数调用实现的程序,可以很容易地从一个平Tai转到另一个平台。为保证平台无关性,VISA严格定义了自己地数据类型。这便保证了Zhu如一个整型变量的大小是几个字节这样的问Ti,不会影响一个VISA程序从一个平台成Gong转移到另一个平台。VISA的函数调用及Xiang关参数在不同平台上都是相同的。软件可以Bei转移到其他平台并重新编辑。一个LabWindows/CVI的程序可以被转移到任He支持LabWindows/CVI的平台Shang。
Yu未来相适应。VISA的另外一个优点是它Mian向对象的API,会很容易地与未来将出现De新仪器接口相适应,从而保证了会比较容易Di将一个应用程序移植到一个新的接口。
2.2.4 ActiveX
ActiveX是一种软件组件,它可以插入Dao许多不同的程序中,并被当作程序的一部分Lai使用。ActiveX技术建立在微软的COM(组件对象模型)技术上,并使用COMJie口和交互模型使其完全无缝地集成。COMJi术规定了构建ActiveX对象的方式和She计ActiveX接口的方式。ActiveX中最关键的技术之一是自动工作,而不需Yao程序员在使用ActiveX时对其内部进Xing修改。
ActiveX自动化是一种能将单个应用程Xu和其他应用程序结合在一起的方法。也就是Shuo,服务器端应用程序就是一个服务提供者,Ke户端应用程序访问服务器内部并设置服务器Ying用程序的属性。微软的OFFICE就是ActiveX自动化服务器,任何一个客户端Ying用程序都能与之链接并要求自动化服务器打Yin.doc文件等服务。
VB允许程序员应用ActiveX服务器的Jie口以远程控制开发环境。VB还能够用来开FaActiveX客户应用程序与ActiveX服务器连接。每个ActiveX对象都Ju有属性、方法和事件三个要素。
2.3 水声换能器测量原理
Zai实施测量时,水声器必须放置离发射器声场De远区中,为了测量精度,要
Qiu标准水听器与发射器的远场球面波的波面相Ge的弧形面足够小,以至于可以为此弧面上的Bo跟平面波相差无几。如果待校水听器的尺寸Yu标准水听器的尺寸大很多,比如待测水声器Wei直径大于1米的水听器基阵,而标准水听器Tong常多是小于10厘米的小球或小柱,这样两Zhe的远场条件所要求的测量距离相差很大,这Zhong情况下,需待测水声器与标准水声器先后置Yu两个不同的距离上进行比较,现在图1中,Liang水听器处于两个不同的距离,这两者的远场Tiao件所要求的测量距离也相差较远,也需待测Shui声器与标准水声器先后置于两个不同的距离Shang进行比较,由于他们都处在同一发射器的远Chang中,按球面波的波面扩展规律,则有公式:
V2P2,2, (式1) P1D1
Zai式1中,M2为被测传感器灵敏度,V1、V2分别为标准传感器与被测传感器的输出电Ya,P1、P2分别为标准传感器与被测传感Qi的压强,M1为标准传感器的灵敏度。
Zai实施测量之前,还应做好如下一些准备工作。首先应对所用的三个换能器的表
GPIB
PC 信号发生器 示波器 个人计算机
功率放大器
水
发射 标准 被测
Tu1 水声换能器测量系统
Mian进行清洗,特别是换能器的工作表面应清洗Gan净并涂上浸润剂,以保证换能器放入水中,Neng不生气泡并与水介质间有良好的声耦合。
Yi上准备工作和检验工作全部完成后,便可按Suo需校准频率范围逐一频率实施测量,即在每Ge频率上分别测出V1和V2。为了减少测量Shi的偶然误差,在每个频率上应进行多次测量。当没有高精度的电压表提供测量使用时,国BiaoGB3223-82《水声换能器自由场校Zhun方法》中还推荐使用标准衰减器的方法。 2.4 小结
本节首先介绍了换能器的主要参数的有关Gai念,然后再简单介绍了仪器程控的有关知识He测量计算的原理。下面的章节将论述各种测Liang分系统的方法原理和系统的建立。
3. 水声换能器灵敏度自动化测量系统
Suo谓自动测试,就是对研究对象的整个测试过Cheng,包括数据采样 、分析和数据处理计算,Yi及测试结果的显示输出都是在计算机统一控Zhi下完成的。而实现某种测试任务的自动测试She备的总体就称为自动测试系统,简称ATS。这里完成成测试工作的一切操作,都是在计Suan机控制下完成的。人的作用仅限于编制必要De测试程序或做一些必要的动作,如开机、插Bei测件等等,极为简单。 3.1水声换能器Ling敏度自动化测量的硬件构成
Shui声换能器灵敏度自动化测量的硬件系统的框Tu如图2所示。 IEEE488
Shi波器 计算机 信号源
功率放大器
标准传感器
Fa射传感器 被测传感器
Tu2 水声换能器灵敏度自动化测量的硬件Xi统的框图 3.1.1 信号源
Wo们这次论文采用的信号源是3390型50MHz任意波形/函数发生器,该发生器在市Chang同类产品中具有最高的波形分辨率和最佳的Xing价比。3390是一款功能灵活、简洁易用De可编程信号发生器,具有先进的函数、脉冲He任意波形生成能力。3390兼具出色的信Hao集成能力、快速的上升和下降时间、极低的Zao声以及大容量波形存储器等特征于一体,能Gou提供高品质的输出信号。3390波形存储Qi容量相比其他同类波形发生器提高了四倍,Neng够支持高分辨率的波形。
3390具有很多实用的功能,包括:
? 最高50MHz的正弦波频率;
? 支持25MHz脉冲频率,最小10nsDe脉宽;
? 具有256k点、14位分辨率的任意波Xing发生器;
? 内建函数发生器,支持正弦波、方波、三Jiao波、噪声、直流等波形;
? 支持具有快速上升/下降时间的精确脉冲Yu方波;
? 内建10MHz外部时基,支持多单元同Bu;
? 内建AM、FM、PM、FSK、PWMDeng调试方式;
? 支持频率扫描与猝发功能;
? 支持LXI Class C兼容以太网,TMC兼容USB,标准GPIB接口;
? 数字码型输出端口和控制功能。
3390型50MHz任意波形/函数Fa生器在同类波形发生器中具有最快的重复频Lv——至少比同类产品快2倍。除了具有较高De正弦波频率之外,速度提升后
De3390还具有多种应用优势,例如具有更Gao的方波、三角波、斜波和任意波形重复频率,具有更快的脉冲和点到点任意波形跳变上升Shi间,具有更高的调制频率,具有更逼真的噪Sheng仿真能力。相比其他同类产品,3390的Cun储容量提高了四倍,达到了256000点,而类似的波形发生器存储容量只有8000Dian或者64000点。更多的点数将会得到更Ping滑的波形,或者在同样分辨率下波形长度可Yi提高四倍。
3390在一套设备中实现了六种不同的主要Gong能,包括函数生成、脉冲生成、波形生成、Ma型生成、噪声生成和调制,大大节省了宝贵De机架空间,用户无需再购买单独的仪器。3390提供了10MHz的标准外部基准时钟,使用户能够轻松实现多台3390或者其他She备的同步,大大简化了设备到设备的同步。
3390提供了多种内置的标准波形,也允许用户创建并保存他们自定义的波形。3390还为用户提供了吉时利的KiWAVE软件,它是一个波形创建工具,能够创建自Ding义的任意波形并管理波形存储器。用户通过KiWAVE能够查看真实设备中的波形,并Bian辑波形。
3.1.2功率放大器
Gao频功率放大器用于发射机的末级,作用是将Gao频已调波信号进行功率放大,以满足发送功Lv的要求,保证在一定区域内的接收机可以接Shou到满意的信号电平,并且不干扰相邻信道的Tong信。
Fang大器不失真的放大最小信号与最大信号电平De比值就是放大器的动态范围。实际运用时,Gai比值使用dB来表示两信号的电平差,高保Zhen放大器的动态范围应大于90 dB。
Xin噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比Li关系,将攻放电路输出声音信号电平与输出De各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大Xiao。
Wo们使用的是5 W输出RQA0002的高Pin功率MOSFET,用于电源信号的传输功Lv放大。
RQA0002的主要特性如下:
(1) 在低电压下实现高效率
RQA0002,可以提供5 W输出下的业Jie最高效率水平,功率附加效率是68% (7.5 V工作电压和520 MHz频率下)。与瑞萨科技先前的12 V下工作的放大Qi相比,功率附加效率增加了大约4%,同时Jiang低了电压,并实现了高达9 W的输出功率。
(2) 小型、薄型、无引线、无铅封装
WSON0504-2的尺寸为5.0 mm × 4.0 mm 、厚度为0.8 mm (最大值) ,它的 (瑞萨科技的封装代Ma) 的安装面积比瑞萨科技目前的RP8P (瑞萨科技的封装代码) 封装约减小了31%,厚度小了大约46% 。RQA0002通过使用这种封装,成为了业界最小、最薄De5 W输出高频功率MOSFET。
3.1.3水声换能器
Shui声换能器是发射和接收水下声信号的装置。Ye称声纳换能器。应用最广泛的是电声转换的Shui声换能器,即把电信号转换为水中声信号的Shui声发射器和把水中声信号转换为电信号的声Bo接收器(即水听器)。
我们这次使用的是压电陶瓷超声波传Gan器,它的价格便宜,容易实现实务部分的操Zuo。
Ren们能听到声音是由于物体振动产生的,它的Pin率在20HZ-20KHZ范围内,超过20KHZ称为超声波,低于20HZ的称为次Sheng波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。
超声波传感器是利用超声波的特性研制而Cheng的传感器。超声波是一种振动频率高于声波De机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振Dong产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象Xiao,特别是方向性好、能够成为射线而定向传Bo等特点。超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。Ya电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感Qi,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声Bo,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。有的超声Bo传感器既作发送,也能作接收。这里仅介绍Xiao型超声波传感器,发送与接收略有差别,它Shi用于在空气中传播,工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器Shi用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-60,T/R-40-12等(其ZhongT表示发送,R表示接收,40表示频率为40KHZ,16及12表示其外径尺寸,以Hao米计)。
超声波在水中传播时,如果遇到其它媒介,则因两种媒介的声阻抗不同而产生反射。另Wai,超声波传感器信息处理简单快速,环境适Ying性强,价格便宜,因此适于在水声换能器灵Min度自动化测量系统中应用。
当电压作用于压电陶瓷时,就会随电压和Pin率的变化产生机械变形。另一方面,当振动Ya电陶瓷时,则会产生一个电荷。利用这一原Li,当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一Ge金属片构成的振动器,所谓叫双压电晶片元Jian,施加一个电信号时,就会因弯曲振动发射Chu超声波。相反,当向双压电晶片元件施加超Sheng振动时,就会产生一个电信号。基于以上作Yong,便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。
超声波距离传感器可以广泛应用在物位(Ye位)监测,机器人防撞,各种超声波接近开Guan,以及防盗报警等相关领域,工作可靠,安Zhuang方便, 防水型,发射夹角较小,灵敏度高,方便与工业显示仪表连接,也提供发射夹角Jiao大的探头。
Ya电陶瓷超声波传感器体积小,灵敏度高、性Neng可靠、价格低廉,是遥控、遥测、报警等电Zi装置最理想的电子器件。
技术参数:
Ling敏度:?—70dB/V/ubar
Xie振频率:40KHZ?1KHZ(UCM—T40K1?发射用)
38KHZ?1KHZ(UCM—R40K1?接收用)
Pin带宽:2KHZ?0.5KHZ
Wai形尺寸:?16mm×22.5mm
Chao声波传感器使用环境:
Wen度:—20?~+60?相对湿度:20?5?时达98%
随着科学技术的快速发展,超声波将在Chuan感器中的应用越来越广。在人类文明的历次Chan业革命中,传感技术一直扮演着先行官的重Yao角色,它是贯穿各个技术和应用领域的关键Ji术,在人们可以想象的所有领域中,它几乎Wu所不在。传感器是世界各国发展最快的产业Zhi一,在各国有关研究、生产、应用部门的共Tong努力下,传感器技术得到了飞速的发展和进Bu。但就目前技术水平来说,人们可以具体利Yong的传感技术还十分有限,因此,这是一个正Zai蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来,超声波传感器作为一种新型的非Chang重要有用的工具在各方面都将有很大的发展Kong间,它将朝着更加高定位高精度的方向发展,
Yi满足日益发展的社会需求,如声纳的发展趋Shi基本为:研制具有更高定位精度的被动测距Sheng纳,以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要;继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列Zhen声纳,实现超远程的被动探测和识别;研制Geng适合于浅海工作的潜艇声纳,特别是解决浅Hai水中目标识别问题;大力降低潜艇自噪声,Gai善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑,未来的Chao声波传感器将与自动化智能化接轨,与其他De传感器集成和融合,形成多传感器。随着传Gan器的技术进步,传感器将从具有单纯判断功Neng发展到具有学习功能,最终发展到具有创造Li。在新的世纪里,面貌一新的传感器将发挥Geng大的作用。
3.1.4示波器
示波器用来测量交流电或脉冲电流波的形状De仪器,由电子管放大器、扫描振荡器、阴极She线管等组成。除观测电流的波形外,还可以Ce定频率、电压强度等。凡可以变为电效应的Zhou期性物理过程都可以用示波器进行观测。
Wo们用的是数字示波器,这是因为随着电子技Shu的发展,数字示波器凭借数字技术和软件大Da扩展了工作能力,早期产品的取样率低、存Zai较大死区时间、屏幕刷新率低等不足得到较Da改善,以前难以观察的调制信号、通讯眼图、视频信号等复合信号越来越容易观察。数字Shi波器可以对数据进行运算和分析,特别适合Yu捕获复杂动态信号中产生的全部细节和异常Xian象,因而在科学研究、工业生产中得到了广Fan的应用。 3.1.5GPIB
GPIB标准接口总线作为一个国际标准,他Ju体规定了接口在机械、电气和功能三方面的You关要求和标准,保证了系统仪器相互连接的Jian容性。GPIB把实现自动测试的控制所必Xu具有的逻辑功能概括为十种接口功能,不同De装置可按需选择,同时还为制造厂和用户提Gong了一套设计与GPIB接口总线相兼容的仪Qi接口的状态图,用状态图来表达每一种接口Gong能的各个状态之间的逻辑关系,比较形象直Guan,可以保证每一种接口功能的正确实现。
GPIB、VXI、PXI是自动测试系统标Zhun总线,GPIB以性能稳定、操作方便、价Ge低廉赢得用户的认可。这里选用了GPIBZuo为测试系统的总线。
GPIB接口为82357B,使用它的原因Shi:
? 结构紧凑分量轻,便于携带,制成尺寸比Pu通型还小,它已变得更轻,从而提高了机动Xing。
? 数据保存在软盘上,设定数据和测量数据Du可以保存在软盘上。测量数据经由所连接的512KB SRAM矛以保存,以进可靠性。利用附件的数据转换软件可将数据变到Excel或Lotusl-2-3软件界面。
? 友好的PC届面
Feng富的PC软件使以PC机为基础的数据采集Huan境得以灵活地配置。
? 通用的输人
Ge通道互相隔离的输人区域采用一个信号校正Qi功能件,它会普遍地检测电压,热电阻,触Dian等各种不同的输人信号 。
? 输人点的数目:1个或20个通道(可选Ze)
? 输人类型:DC电压,热电偶和热电阻
? 通信模式:经由GPIB,RS-232Huo以太网接口
? 检测周期:2至60秒
? 记录周期:最短2秒
? 记录功能 :10色打点记录,有效记当Kuan度150毫米
? 显示:VFD显象5×7点57阵,三数Zi显示
? 存储器:3.5时软盘驱动器动器
3.1.6计算机
Cai用PC个人计算机,配备相应的软件完成测Liang系统的控制与数据的处理。
PC仪器的组成如图3
惠斯登电桥测量灵敏度的实验研究
Di 19 卷 第 2 期 大 学 物 理 实 验 Vol. 19 No. 2 2006 年 6 月出版 PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE Jun. 2006
() 文章编号 :1007 - 2934 200602 - 0006 - 05
Hui斯登电桥测量灵敏度的实验研究
苏启录
()闽江学院 ,福州 ,350108
Zhai 要 探讨惠斯登电桥测量灵敏度与电桥端Dian压 、电桥桥臂电阻值 、电桥平衡监测仪 表内阻以及
Dian桥桥臂电阻比率的关系 ,实验结果与理论Fen析相符 。
Guan键词 惠斯登电桥 ;测量灵敏度 ;电阻 ;电流 ;电压
Zhong图分类号 :O441. 1 文献标识码 :A
1 引言
Hui斯登电桥在当代测量技术中有着广泛的应用 ,随着测量技术的不断进步 ,惠斯登电 Qiao也日益显现其丰富的内涵与重要性 。对比Hui斯登电桥在当代测量技术中的广泛应用 , 惠斯登电桥实验教学却是传统的 、落后的 ,平衡电桥的实验内容仍以测量电阻为核心 ,对 测量灵敏度的概念则轻描淡写 ,未Jia重视 。把测量灵敏度的研究作为惠斯登电Qiao实验教 学的核心内容 ,既是掌握惠斯登Dian桥在当代测量技术中的广泛应用的必然要求 ,也是大学 物理实验教学中让学生更好地Li解有关测量技术的概念的自然选择 ———Shi验科学在一定 角度上来说就是测量科学 。
2 惠斯登电桥与电桥测量灵敏度 惠斯Deng电桥电路如图 1 所示 :电阻 R、R、R、R称为桥 1 2 3 x ( Bi电阻 , C 、D 间接平衡监测仪表 Ke选用 :模拟或数字电流 ) ( 计 、毫伏表, 支路 CD 称为“桥”。电桥Ping衡 C 、D 两点等电
) 位时 , 可得 : 图 1 惠Si登电桥电路
( ) ()R= R/ RR1 x 213
Δ当 R偏离平衡阻值变化R时 , 电桥可Neng偏离平衡 , C 、D 两点不再等电位 。如 C 、 x x
ΔD 间接毫伏表 , 则毫伏表电压示值为 U; 如 C 、D 间接电流计 , 则电流计电流示值为 0
ΔI。 0
Ping衡监测仪表选用电流计时 , 电桥测量灵Min度为 :
ΔΔ) ()(S= I/ R/ R2 I 0X X
Shou稿日期 :2006 - 03 - 18
Ping衡监测仪表选用毫伏表时 , 电桥测量灵Min度为 :
ΔΔ) ()(S= U/ R/ R3 v 0XX
Dian桥测量灵敏度反映了电桥平衡监测仪表示值Bian化对待测电阻阻值相对变化的反应 灵敏程Du 。
() 1电路图 1 , 根据基尔霍夫定律 可得惠斯登电桥测量灵敏度数学表达式为 :
ΔΔ)(S= I/ R/ R I 0X X
( ) ) ( ()= V/ [ R/ R+ R/ R+ 2R+ R+ R+ R+ R] 4 abX2 2X A 1 2 3 X
Qi中 R为电流计内阻 。 A
Δ(Δ)S= U/ R/ R V 0X X
( ) ()) ( = V/ [ R/ R+ R/ R+ 2+ R+ R+ R+ R/ R] 5 abX2 2X 1 2 3 XV
Qi中 R为毫伏表内阻 。 V
Ling : R= R+ R+ R+ R, 表Shi桥臂电阻阻值总和 : X = R/ R, 表示桥臂电阻比率 ; Z 1 2 3 X X2 K = R/ R+ R/ R+ 2 , 表示桥臂电阻比率相关的量 。则有 : X2 2X
()S= V/ [ K + R/ R] 6 V abZV
()S= V/ [ KR+ R] 7 I abA Z
Yu电桥灵敏度 S 相关的物理量有 :电桥Duan电压 V、桥臂电阻阻值总和 R、桥臂电Zu ab Z 比率 X 、检测仪表的灵敏Du和内阻 。
3 电桥平衡监测仪表选用毫伏表时电桥测量Ling敏度的实验研究 实验设备 : QJ 3005 S 直流稳压电源 , DHQJ - 3 型非平衡电桥 、GDM - 8135 台式数字万 用表 、ZX21 a 电阻箱 。
3. 1 电桥测量灵敏度 S与电桥端电压 V的关系 V ab
Ω保持 R和 X 不变 , 研究 S随 V的变化情况 。实验中 : R= R= R= R= 1 k, R Z V ab1 2 3 X Z
ΩΩ= 4 k, X = 1 , R= 10 M。在不同的 V下 , 测量计算电Qiao测量灵敏度 S。测量数据列于 V abV 表 1 :
Biao 1 S随 V变化的实验数据 V ab
V/ V 3 6 9 12 15 18 ABΔΩR/ X10 10 10 10 10 10 ΔU/ mv 7. 6 15. 0 22. 7 30. 0 37. 6 45. 0 0
( )7. 6 15. 0 22. 7 30. 0 37. 6 45. 0 S/ mv/ 1 % V
Gen据表 1 数据作 S与 V的关系图线 , 如图 2 所 V ab
Shi : S与 V的关系图线为一直线 , Dian桥测量灵敏度 SV abV
Sui电桥端电压 V的增大而成正比地增大 。 ab
3. 2 电桥测量灵敏度 S与电桥桥臂Dian阻值总和 R V Z
的关系研究
Bao持电桥端电压 V与电桥桥臂电阻比率 X 不变 。 实验ab
Zhong : V= 6 V ; R= R= R= R, X = 1 ; R分别取 ab 1 2 3 X V
Tu 2 电桥测量灵敏度与端电压关系图Xian ΩΩΩΩ10 M、5 K、1 k、100, R的改Bian采取在毫伏表上并 V
— 7 —
Lian不同阻值电阻的办法 。在不同的 R下 , 测量计算电桥测量灵敏度 S。测量数据Lie于 Z V 表 2 。
Biao 2 S随 R变化的实验数据 V Z ΩR/ k Z 0. 4 0. 8 1. 6 2. 0 4. 0 8. 0 16. 0 20. 0 40. 0 ΩR/ X100 200 400 500 1000 2000 4000 5000 10000
ΩΔΩR= 10 M R/ 1. 0 2. 0 4. 0 5. 0 10 20 40 50 100 V XΔU/ mv 14. 9 14. 9 14. 9 14. 9 14. 9 14. 9 14. 9 14. 9 14. 8 0
14. 9 14. 9 14. 9 14. 9 14. 9 14. 9 14. 9 14. 9 14. 8 ( )S/ mv/ 1 % V ΩR/ k Z 0. 4 0. 8 1. 6 2. 0 4. 0 8. 0 16. 0 20. 0 40. 0
ΩR/ 100 200 400 500 1000 2000 4000 5000 10000 X
ΩΔΩR= 5M R/ 1. 0 2. 0 4. 0 5. 0 10 20 40 50 100 V X
ΔU/ mv 14. 5 14. 4 13. 8 13. 5 12. 4 10. 6 8. 3 7. 5 4. 9 0
()S/ mv/ 1 % 14. 5 14. 4 13. 8 13. 5 12. 4 10. 6 8. 3 7. 5 4. 9 V ΩR/ k Z 0. 4 0. 8 1. 6 2. 0 4. 0 8. 0 16. 0 20. 0 40. 0
ΩR/ 100 200 400 500 1000 2000 4000 5000 10000 X
ΩΔΩR= 1k R/ 1. 0 2. 0 4. 0 5. 0 10 20 40 50 100 V X
ΔU/ mv 13. 5 12. 4 10. 6 10. 0 7. 5 5. 0 3. 0 2. 5 1. 4 0()S/ mv/ 1 % 13. 5 12. 4 10. 6 10. 0 7. 5 5. 0 3. 0 2. 5 1. 4 V ΩR/ k Z 0. 4 0. 8 1. 6 2. 0 4. 0 8. 0 16. 0 20. 0 40. 0
ΩR/ 100 200 400 500 1000 2000 4000 5000 1000 X
ΩΔΩR= 100 R/ 1. 0 2. 0 4. 0 5. 0 10 50 200 200 800 V X
ΔU/ mv 7. 5 5. 0 3. 0 2. 5 1. 4 1. 8 1. 8 1. 2 1. 2 0
()S/ mv/ 1 % 7. 5 5. 0 3. 0 2. 5 1. 4 0. 72 0. 45 0. 30 0. 15 V
Tu 3 电桥测量灵敏度与桥臂电阻值总He的关系图线
( ) 根据表 2 数据作 S与 R的关Xi图线 , 如图 3 所示 。由图可见 : 1选定了监测毫伏 V Z
(Ω ) 表 , 即 R一定 如 R= 100,对应图 3 最下方的一条图线,电Qiao测量灵敏度 S随电桥桥 V V V
() 臂电阻阻值总和 R的增大而下降 ; 2监测毫伏表内阻 R越小 , S随 RDe增大而下降 Z V V Z
() 越快 ;监测毫伏表内阻 R越大 , S随 R的增大而下降越缓慢 ; 3当 Rμ R时 , S基本 不V V Z V Z V
( 变 , 图线为一近平行直线 , 且灵Min度最大 , 如同 3 最上方的一条图线Suo对应的情况 R VΩ Ω) = 10Mμ R, R的最大值为 4M。 Z Z
3. 3 电桥灵敏度 S与平衡监测毫伏表Nei阻 R的关系研究 V V
Ω实验中取 : V= 6V , R= R= R= R= 1k。采取在毫伏表上并联Bu同阻值的电阻 ab 1 2 3 X
Er改变毫伏表的等效内阻的办法 ,测量数据Lie于表 3 。
— 8 —
Biao 3 S随 R变化的实验数据 V V ΩR/ V10 20 50 100 500 1 K 3 K 5 K 7 K Ωlog R/ V1. 0 1. 3 1. 7 2. 00 2. 70 3. 00 3. 48 3. 70 3. 84 ΔΩR/ 100 40 40 10 10 10 10 10 10 X
ΔU/ mv 1. 5 1. 2 2. 8 1. 4 5. 0 7. 5 11. 2 12. 5 13. 1 0
()S/ mv/ 1 % 0. 15 0. 30 0. 70 1. 4 5. 0 7. 5 11. 2 12. 5 13. 1 V
ΩR/ 10 K 12 K 15 K 17 K 20 K 30 K 60 K 99 K 10M V
Ωlog R/ 4. 00 4. 08 4. 18 4. 23 4. 30 4. 48 4. 78 5. 00 7. 00 V
ΔΩR/ 10 10 10 10 10 10 10 10 10 X
ΔU/ mv 13. 6 13. 8 14. 0 14. 1 14. 2 14. 5 14. 7 14. 8 14. 9 0()S/ mv/ 1 % 13. 6 13. 8 14. 0 14. 1 14. 2 14. 5 14. 7 14. 8 14. 9 V
Tu 4 电桥测量灵敏度与毫伏表内阻的Guan系图线
Gen据表 3 数据作 S与 log R的关Xi图线 , 如图 4 所示 :毫伏表内阻 R较小时 , S随 V V V V R的增大而增大 ;当 Rμ R时 , S基本不随 R的增大而增大 , 几Hu不变 。 V V Z V V
3. 4 电桥测量灵敏度与电桥桥臂电阻比Lv的关系研究
Bao持电桥端电压 V与电桥桥臂总电阻比值不Bian 。实验中 , 取 : V= 6 V , R= R+ AB ab Z 1
ΩR+ R+ R= 4 K。X = R/ R= R/ R。X 依次取 0. 01 、0. 1 、1 、10 、100 , 测量对应实验 条2 3 X X2 31
Jian下的“电桥测量灵敏度”。测量数据列于表 4 。
Biao 4 S随 X 变化的实验数据 V X 0. 01 0. 1 1 10 100 Log X - 2 - 1 0 1 2 Ω R/1980 18181 1000 182 20 Ω R/1980 18182 1000 182 20 Ω R/20 1823 1000 1818 1980 Ω R/20 182X 1000 1818 1980 ΔΩR/ k X4. 0 10. 0 10. 0 50. 0 100. 0 ΩR= 10M ΔV U/ mv 11. 9 27. 2 14. 9 13. 3 2. 9 o ()S/ mv/ 1 % 0. 595 4. 93 14. 9 4. 84 0. 57 V ΔΩR/ k 4. 0 10. 0 10. 0 50. 0 100. 0 X ΩR= 4 K ΔV U/ mv 11. 8 25. 0 11. 8 12. 3 2. 8 o ()S/ mv/ 1 % 0. 590 4. 53 11. 8 4. 48 0. 55 V ΔΩR/ k 4. 0 10. 0 10. 0 50. 0 100. 0 X ΩR= 10M ΔV U/ mv 8. 3 6. 1 1. 3 3. 0 2. 0 o ()S/ mv/ 1 % V0. 42 1. 1 1. 3 1. 1 0. 40
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( 根据表 4 数据作 S与 Log X 的关系图线 , 如图 5 所示 :当 Log X = 0 , 即 x = 1 Deng臂电 V
) 桥时 , S有极大值 ; S随| Log X| 的增大而减小 , 具有对称性 。 V V
4 结束语 实验研究结果定性验证了惠Si登电 桥平衡检测仪表选用毫伏表时电桥Ce量 ( ) 灵敏度的关系式 6。理Lun公式与实验研 究结果都表明 , 要提Gao电桥测量灵敏度 ,
应考虑 : ?在电桥电路元器件功耗允许De 情况下 , 选择较高的电源工作电压 ; ?尽
量使得桥臂电阻值总和较之平衡监测毫 Fu表内阻小一个数量级以上 ; ?采用等比
Tu 5 电桥测量灵敏度与桥臂 率电桥 , 即等臂电桥 。至于惠斯登电桥平 电阻比Lv的关系图线 衡检测仪表选用微安表时电桥Ce量灵敏
Du的实验研究方法类同 ,不再絮述 。
Can 考 文 献
() [ 1 ] 赵凯华 、陈熙谋. 电磁学 上册[M]. 北京 :高等教Yu出版社 ,1985.
EXPERIMENTAL STUDY ON THE
SENSISTIVITY OF A WHEATSTONE BRID GE
Su Qilu
()Minjiang University ,Fuzhou ,350108
Abstract :Relationship of the bridge working voltage ,bridge arm resistance ,internal resistance of the measuring instru2 ment ,ratio of the Bridge arm resistance and the measurement sensistivity of a wheatstone bridge is discussed in this pa2 per ,and the experiment results accord the theoretical results.
Key words :Wheatstone bridge ;measurement sensistivity ;resistance ;electric current ;voltage
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CCD光电转换特性及灵敏度测量
Shi验四 CCD光电转换特性及响应灵敏度测Liang
实验内容:
Shi验电路图已搭建好,打开光源和计算机,通GuoCCD 接收光信号,电脑上显示的输出信Hao图形。将驱动频率和积分时间档位分别调为1和05。然后调节光圈使图像到达饱和。向Yuan离光源方向移动CCD 光电转换器,并记Lu下对应电脑上显示的输出信号的平均值V Ji录如下表所示:(L ——镜头焦点与CCD 间距 V——输出信号平均值)
You上表将距离的平方的倒数1/L*L作为横Zuo标,输出信号V 作为纵坐标画图如下所示:
(图1)
Jiang驱动频率和积分时间的档位分别改为1和10,然后重新记录得到一组数据如下表所示:
Zai将驱动频率和积分时间的档位分别改为2和05,再次记录一组数据如下表格所示:
分析:
Ben实验为灵敏度测试实验,灵敏度为CCD Guang电转换特性曲线线性部分的斜率,反应CCD 光电转换效率,要求出斜率,则必须得到Pu光量(光强与光照时间的乘积)和对应曝光Liang的输出信号,从而绘制出CCD 光电转换Te性曲线,驱动频率和积分时间不变时,曝光Shi间基本不变,此时曝光量与光强成线性关系,而CCD 接收到的光强与光路中镜头的焦Dian和CCD 间距离的平方的倒数(即1/L*L)成正比,所以本次实验通过改变距离L 的值,记录下对应的输出信号V ,从而绘Zhi出一条类似CCD 光电转换特性曲线,该Qu线的斜率并非灵敏度,但其变化规律与灵敏Du同,故可以据此得出影响灵敏度的因素及灵Min度的变化规律.
Shang诉三个表格分别表示积分时间和驱动频率改Bian时对输出信号的影响,其变化规律相同,以Ju离的平方的倒数(即1/L*L)为横坐标,输出信号的平均值V 为纵坐标所绘制出的Qu线变化趋势均与CCD 光电转换特性曲线Lei似如上述图1所示。
Cong三个表格可以看出积分时间或驱动频率的增Jia均会使得信号随距离的变化较缓慢,即光电Zhuan换特性曲线的线性部分更平缓,也即灵敏度Geng低。简言之及驱动频率增加,灵敏度降低;Ji分时间增加,灵敏度降低。