同轴电缆中电磁波的传输与金属中超声波的传输

同轴电缆中电磁波的传输与金属中超声波的传输一．同轴电缆中电磁波的传输1.实验目的通过脉冲信号的测量，理解波在传输路径上遇到界面时的反射和投射特性，理解入射波和反射波的相位关系，掌握阻抗匹配概念。我觉得其实就是搞懂不同阻抗对应什么波形，并且算出长度。2.实验原理传输线的等效电路一对相隔均匀距离的平行导线或同轴电缆线就是这种定向传送电磁场能量和信号的载体，称为传输线。用传输线传送瞬态或高频信号时，传输线的长度已可与波长相比拟，因此在传输线上的电信号存在随长度变化的空间分布，负载不匹配时还有驻波分布。在负载端电压反射波与入射波振幅之比，称为负载Z𝑙𝑙的电压反射系数。对于无损线Z0=R0，若负载Z𝑙𝑙也为纯电阻性负载，分三种情况讨论：1、开路Z𝑙𝑙=R𝑙𝑙=∞，Γ=1电压反射系数最大，在z=l处，电压为最大，是驻波波腹；电流为最小，是驻波波节2、路Z𝑙𝑙=R𝑙𝑙=0，Γ=−1，电压反射系数为负值，表示反射波为反相。电压、电流驻波分布与开路情况相反。3、负载匹配Zl=Rl=R0，Γ=0，电压反射系数为零。没有反射波，线路中只有沿+z方向的行波。负载不同时，传输线上z=0和z=l处信号波形示意图见图。实验中要依靠这几个很重要的图来判断观察到波形是否正确，并区分匹配负载、短路负载。但实验中观察到波形并不是规则的凸起，而是有阶跃响应一样的缓坡。3.实验仪器1)数字示波器2)信号发生器3)电阻盒（source入cable出）4)待测长同轴电缆（很容易出问题，换了3条才好使）5)短同轴电缆连接线（最好把两个同样粗细的线接到示波器上，否则本身衰减不同会有干扰）6)阻抗元件4.实验内容测量同轴电缆的长度和衰减常数，分析传输线终端反射波和入射波的相位关系。已知：u=2.0×108m/s，电缆的特性阻抗Z0=R0=75Ω将信号发生器输出信号通过电阻盒接到传输线输入端，信号选择40kHz左右的连续脉冲，信号幅度在2-5V之间，占空比约为0.5%。输出端分别接开路、短路和匹配电阻。利用示波器分别测出传输线输入端、输出端之间的信号波形和相对延时τ1、τ2和电压幅值。测量时，一定要分开测量时间、电压。方法为：先把一条光标标在第一个波形上，再移动另一条光标分别至形成的驻波波形，然后读出差值；若为电压，先把横线光标对准第一个波形前平线，再测量后面波形电压差并记录。五、数据处理1.计算线长度短路负载和匹配负载下，延时𝜏𝜏均为144ns，电缆长度为：𝜇𝜇×𝜏𝜏=28.8𝑚𝑚（1）对于短路负载：每两项做差，得到延时为：147.5、155𝛥𝛥𝑡𝑡2=𝜏𝜏6−𝜏𝜏2+𝜏𝜏4−08=151.25𝑛𝑛𝑛𝑛则标准偏差为5.303𝛥𝛥𝜏𝜏𝐴𝐴=10𝑛𝑛𝑛𝑛𝛥𝛥𝜏𝜏𝐵𝐵=𝑡𝑡𝑝𝑝(2)×𝑆𝑆√2=16.124𝑛𝑛𝑛𝑛所以不确定度𝛥𝛥𝜏𝜏=�𝛥𝛥𝜏𝜏𝐵𝐵2+𝛥𝛥𝜏𝜏𝐴𝐴2=18.97得到𝛥𝛥𝑙𝑙=𝜇𝜇×𝛥𝛥𝜏𝜏=3.79𝑚𝑚所以线长为：𝑙𝑙=(28.8±3.79)𝑚𝑚（2）对于匹配负载：𝛥𝛥𝑡𝑡1=144𝑛𝑛𝑛𝑛𝛥𝛥𝜏𝜏𝐴𝐴=10𝑛𝑛𝑛𝑛𝛥𝛥𝜏𝜏𝐵𝐵=0所以不确定度𝛥𝛥𝜏𝜏=�𝛥𝛥𝜏𝜏𝐵𝐵2+𝛥𝛥𝜏𝜏𝐴𝐴2=10得到𝛥𝛥𝑙𝑙=𝜇𝜇×𝛥𝛥𝜏𝜏=2.0𝑚𝑚所以线长为：𝑙𝑙=�28.8±2。�𝑚𝑚02.计算吸收系数先利用传播速度乘以时间得到传播距离l，再对应电压幅值进行拟合如图：得到吸收系数为0.006。二．金属中超声波的传输一、实验目的掌握超声波波速测量方法，观察声波转换及表面波，了解超声波探测原理二、实验原理脉冲波在传播路径上遇到介质界面、畸变等不均匀界面，部分声波会沿路径反射回去并被晶片接收而转变为电信号，经电路放大后在示波器上显示出波形实验中仪器的射频输出每次反射波与脉冲波包对应，信号有正有负。检波输出只有正向信号。超声波在介质中传播可以有不同的形式，通常有纵波、横波、表面波三种形式。1、纵波，即介质中质点振动方向与超声波传播方向一致。2、横波，即介质中质点振动方向与超声波传播方向垂直。横波只能在固体介质中传播。3、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。在超声波分析测试中，利用超声波探头产生脉冲超声波。直探头产生纵波，斜探头产生横波或表面波，及可变角探头。实验采用单探头工作方式，即一个探头既发出也接受超声。此时必须用连通器把实验仪发射、接受接口连接起来。对探头而言，波长越小，频率越高，指向性越好；尺寸越大，指向性越好。在进行缺陷定位时，必须找到缺陷反射回波最大的位置，使得被测缺陷处于探头的中心轴线上，然后利用时间、声速计算距离。具体测量距离原理即为声速乘以时间。三、实验仪器1)超声波试验仪，不许接到示波器，发射、接受接口已并联。2)超声实验仪衰减器，衰减倍数为：10𝑥𝑥20⁄，x为示数（分贝）。3)不同模式衰减选择范围不同四、实验内容1.声速测量分别测量横波、纵波，并计算试样块杨氏模量、泊松比。2.表面波实验移动65°可变角度探头，并记录移动距离和表面波位移的关系。3.超声波探伤分别用直探头、斜探头确定不同类型的损伤。五、数据处理1.纵波声速：Δ𝑡𝑡̅=19us𝜇𝜇=2𝐻𝐻𝑡𝑡=120×10−319×10−6=6.315×103𝑚𝑚/𝑛𝑛不确定度估计：标准偏差为：0.23094Δ𝑡𝑡𝐴𝐴=𝑡𝑡𝑝𝑝(2)𝑆𝑆𝑡𝑡/√𝑛𝑛=0.424𝑢𝑢𝑛𝑛Δt𝐵𝐵=1usΔt=�Δ𝑡𝑡𝐴𝐴2+Δ𝑡𝑡𝐵𝐵2=�0.4242+12=1.08usΔμ=μ�Δt/t2+ΔH/H2=6.315×103×�(1.08\19)2+(0.02\60.1)2=0.359×103𝑚𝑚/𝑛𝑛∴𝜇𝜇=(6.315±0.359)×103𝑚𝑚/𝑛𝑛2.横波声速：Δ𝑡𝑡̅=19.2us𝜇𝜇=2(𝑅𝑅2−𝑅𝑅1)𝑡𝑡=60.1×10−319.2×10−6=3.125×103𝑚𝑚/𝑛𝑛不确定度估计:𝑛𝑛𝑡𝑡=0usΔ𝑡𝑡𝐴𝐴=𝑡𝑡𝑝𝑝(2)𝑆𝑆𝑡𝑡/√3=0𝑢𝑢𝑛𝑛Δt𝐵𝐵=1usΔt=�Δ𝑡𝑡𝐴𝐴2+Δ𝑡𝑡𝐵𝐵2=�02+12=1usΔμ=μ�Δt/t2+ΔR2/R22+𝛥𝛥𝑅𝑅1/𝑅𝑅12=3.125×103×�(1\19.2)2+(0.02\60.1)2+(0.02\30)2=0.163×103𝑚𝑚/𝑛𝑛∴𝜇𝜇=(3.109±0.163)×103𝑚𝑚/𝑛𝑛3.表面波波速计算数据完全为线性，每移动距离10mm，延时7.2微秒t=7.2us𝜇𝜇=2𝐿𝐿𝑡𝑡=2×10×10−37.2×10−6=2.778×103𝑚𝑚/𝑛𝑛4.杨氏模量与泊松系数计算T=cl/cs=6.315/3.125=2.0208E=ρcs2(3T2−4)T2−1=2700×(3.125×103)2(3×2.02082−4)2.02082−1=70.55Gpa𝜎𝜎=𝑇𝑇2−22(𝑇𝑇2−1)=2.02082−22(2.02082−1)=0.3378这个数据和网上查到的铝的数据差不多，符合的较好。5.直探头探测缺陷深度已知纵波声速𝜇𝜇=(6.315±0.359)×103𝑚𝑚/𝑛𝑛𝑡𝑡𝐻𝐻���=19.1us𝑡𝑡𝑞𝑞�=16.2us深度h=μ(tH−t1)/2=6315×(19.1−16.2)/2000000=9.16×10−3m不确定度估计𝑆𝑆𝑡𝑡𝐻𝐻=0.1414213Δ𝑡𝑡𝐴𝐴𝐻𝐻=𝑡𝑡𝑝𝑝(1)𝑆𝑆𝑡𝑡𝐻𝐻/√2=1.27𝑢𝑢𝑛𝑛𝑛𝑛𝑡𝑡𝑞𝑞=0.2828427usΔ𝑡𝑡𝐴𝐴𝑞𝑞=𝑡𝑡𝑝𝑝(1)𝑆𝑆𝑡𝑡𝑞𝑞/√2=0.63𝑢𝑢𝑛𝑛ΔtH=�Δ𝑡𝑡𝐴𝐴𝐻𝐻2+Δ𝑡𝑡𝐵𝐵2=�0.52+1.272=1.365usΔtq=�Δ𝑡𝑡𝐴𝐴𝑞𝑞2+Δ𝑡𝑡𝐵𝐵2=�0.52+0.632=0.804usΔh=h�ΔtH/tH2+Δtq/tq2+𝛥𝛥μ/μ2=9.16×10−3×�(1.27\19.1)2+(0.63\16.2)2+(0.359\6.315)2=0.877×10−3𝑚𝑚∴ℎ=(9.16±0.88)×10−3𝑚𝑚6.斜探头测量缺陷深度由附录可得AA'=25BB'所以由图中对应关系应有：𝜇𝜇(𝑡𝑡𝐴𝐴−𝑡𝑡0)2=25×𝜇𝜇(𝑡𝑡𝐵𝐵−𝑡𝑡0)2，计算的到延迟𝑡𝑡0=8.67𝜇𝜇𝑛𝑛对于入射点，假设都比前缘侧的距离偏离𝛥𝛥𝛥𝛥，则同样由几何关系可得：𝑥𝑥𝐴𝐴+𝛥𝛥𝑥𝑥20=𝑥𝑥𝐴𝐴+𝛥𝛥𝑥𝑥50，得到𝛥𝛥𝛥𝛥=8.7𝑚𝑚𝑚𝑚所以可以计算在铝块中折射角为：𝛽𝛽=arctan(88+8.7−5050)=43.02∘则依旧按照比例关系，得到入射点距离D的距离𝐷𝐷𝐷𝐷′=34−8.6726−8.67×�202+(30+8.7−20)2=39.98𝑚𝑚𝑚𝑚则D点深度为ℎ𝐷𝐷=𝐷𝐷𝐷𝐷′×cos𝛽𝛽=29.23𝑚𝑚𝑚𝑚，到边缘距离为𝐿𝐿𝐷𝐷=𝛥𝛥𝐷𝐷+𝛥𝛥𝛥𝛥−𝐷𝐷𝐷𝐷′×sin𝛽𝛽=90.39𝑚𝑚𝑚𝑚三、总结这个实验做得不太顺利，因为总是遇到电缆质量问题，而耽误了很多时间。最后总结出来对实验有帮助的几点：1.示波器多按autoset，横轴比例一定要调好，避免错过第一个峰2.电缆最好把两个同样粗细的接到示波器上，否则本身衰减不同会有干扰3.同轴电缆总不好使，要多换几条试一试才行，避免接头处线发生较大的弯曲。4.要多涂水，有的探头不好使，配合不同的线会有不同的神奇效果5.接口接触不良，经常出问题，可以拧一拧牢固一些