传感器灵敏度自动化测量系统毕业论文

传感器灵敏度自动化测量系统

目录

1.内容摘要 (1)

2.引言 (1)

3. 测量原理以及软硬件设置 (2)

4. 实施方案 (7)

5. 不确定度分析 (19)

6. 结论 (21)

7. 小结 (22)

8. 参考文献 (22)

摘要

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。换能器为传感器的一种。从其名字上不难看出，换能器是完成能量准换的器件！我们本次设计主要讨论的是水声换能器，是将声电进行转换的一种传感器.本论文主要讲述的是利用水生换能器的特性，利用各种部件模拟一套利用信号发生源，发射放大器，以及压电陶瓷传感器，示波器，GPIB总线系统和PC终端机构成一个自动化传感器测量系统。其中测量过程为：通过信号源发射电压信号，通过水中传播，通过水听器（水声换能器）的测量结果进过GPIB总线的传输，到达PC机终端。进过演算和测量从而求出其灵敏度和不确定度

关键词：传感器；换能器;灵敏度;不确定度

1.引言

1.1目前水声换能器的前景

地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。

1. 水声换能器的应用

目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。这里仅介绍几种在水下探测方面的应用：

（1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。以频率范围在10kHz~200kHz 的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，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。对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。

（2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。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。拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。

1.2水声换能器的测量的目的及意义

计量具有传递特性的，它是以传递量值为目的的测量。而测试通常是无传递

特性的，它是以确定某种产品技术指标和性能或定量描述某物理现象为目的的测量，该论文就是主要测试水声换能器接收器的灵敏度。

计量具有传递特性的，它是以传递量值为目的的测量。而测试通常是无传递特性的，它是以确定某种产品技术指标和性能或定量描述某物理现象为目的的测量，该论文就是主要测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

水声换能器测试方法的典型代表是比较法，由于此法所用仪量仪表少、测量步骤少、测量程序简单，因而产生误差的来源要少一些，所以在水声测量中，此法应用的比较广泛，当此法只采用一个标准换能器进行比较时，其校准精度要比参考标准的原校准精度要低一些，并且在实践中，还可检查出所用的标准换能器是否失效，在此校准中，通常采用标准水听器作比较，而尽量不用标注发射器作比较。

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

水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（声功率）及发射响应、指向性、接收灵敏度及接收灵敏度响应、发射效率、品质因素、阻抗、最大工作深度、尺寸和重量等。其中：

(1). 工作频率

水声换能器的工作频率或工作频率范围通常是由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、尺寸等都是频率的函数。一般说来，对发射换能器要计算它在谐振频率上或在谐振频率附近有限频带内的性能指标，在这个频率及其附近有最大的发射效率。对于宽带接收换能器（压电换能器）谐振频率应远高于接收频带的上限，以保证宽带内有平坦的接收响应且要计算它在谐振频率及其以下频段内的接收响应。大型低频声纳换能器的频率在数十赫到数千赫，而小型目标探测声纳换能器在数十千赫到数百千赫。

(2). 指向性

不管是换能器还是换能器阵，它们的发射响应或接收响应会随着相对于它们的方向改变而变化。这就是换能器具有指向性，发射换能器发射的声波如同探照灯射出的光束一样。由于换能器具有指向性就可以把声能聚集到某个方位发射，使能量更加集中。采用许多换能器组成尺寸更大的基阵，在相同的频率上指向性更加尖锐，能量更加集中，发射的距离更远，在接收状态下信噪比更大，作用距离也越远。

(3) 阻抗（或导纳）特性

换能器在谐振频率附近可以看成一个简单串并联的等效电路。电路中的每一个电阻、电容或电感表示该换能器固有特性，这就是换能器阻抗（或导纳）特性。掌握了换能器的阻抗特性才能使它与发射机的末级回路或接收机的输入电路相匹配。换能器的阻抗（或导纳）是一个复数，它是频率的函数，一般可表示成：Z(w)=R(w)+jX(w) （单位：欧姆）。

在机械共振时动态无功抗趋于零，静态容抗可用匹配电感调谐此时可以把它看成一个纯阻。压电换能器电阻抗一般在数十欧姆到数千欧姆的范围内。

(4). 发射功率

发射换能器的功能是将电子发射机的电功率转变为机械振动的机械功率，再把机械功率转变为声功率发射出去。发射声功率是指换能器在单位时间内向介质中辐射能量多少的物理量，功率的单位用瓦表示。换能器的发射功率受额

定电压（或电流）、动态机械强度、温度及介质特性等因素的制约。

(5) 发射响应

能够全面反映发射换能器性能指标的是发射响应，主要有发射电压响应和发射电流响应。发射电压响应SV的定义是指发射换能器在指定方向上离其有效声中心d0米距离上产生的自由场表观声压Pf与加到换能器输入端的电压U 的比值：SV=Pfd0/U。发射电压响应通常用分贝表示。

发射电流响应是指发射换能器在指定方向上离其有效声中心d0米距离上产生的自由场表观声压Pf与加到换能器输入端的电流I的比值：SI=Pf d0/I 。发射电压响应通常用分贝表示。

(6). 接收灵敏度

换能器的自由场电压灵敏度指的是接收换能器在入射声波的作用下，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）它的声中心所在点的声压Pf(w)的比值M(w)。对于接收换能器而言，需要在很宽的频率范围内接收入射声信号，而压电换能器通常是在低于谐振频率的宽频带范围内工作。

(7)接收灵敏度的起伏

宽带接收换能器要求在使用的频范围内有比较平坦的接收响应。通常规定在工作频段内接收电压灵敏度起伏量为±1.5dB。

2.2 程控接口

2.2.1 IEEE488接口（GPIB接口）

GPIB接口于1965年首先由美国HP公司设计推出。开始主要用于该公司自己生产地仪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速率（1MB/S），很快在测量领域流行起来，最后被吸纳为IEEE标准488-1975，并进一步被接纳为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标准更严格地定义了控制器与仪器之间地通信方式；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发展的潮流。GPIB接口的问世使得自动化测试中仪器得互连有了统一得标准，推动了仪器制造业的技术发展，在以后的20年间，各种带标准接口的测试仪器如雨后春笋般涌现出来，使检测人员能够轻而易举的组成各种功能强大的自动化测试系统。

用GPIB接口总线构成的系统总线上可连接不同传输速率的仪器设备多达14台，在程控仪器仪表与计算机联网系统中起着一个重要的桥梁作用。用GPIB接口与总线构成的系统包括总线、接口和设备。GPIB总线是系统级的总线，该总线上连接的程控仪器设备都包含两部分功能，一种是仪器本身的设备功能，一种是实现GPIB接口与总线规约的接口功能。

2.2.2 接口功能

在接口系统中，为了进行有效地信息传递，一般要包括三种基本地接口功能要求，即讲者、听者和控者。控者是对系统进行控制的设备，能管理GPIB 上的通信，使系统按适当的命令正确运行。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。讲者使发出装置消息的设备，即能输出数据。在一个系统中可以有一个或多个讲者，但在任一时刻只能有一个讲者工作。听者使接收讲者所发出的装置消息的设备，从GPIB接收数据。在一个系统中可以有几个听者，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者功能和一个听者功能，以便传递信息，在自动测试系统中还应具

备控者功能。一台仪器可具有上述一、二或三个功能。

接口消息是指用于管理接口系统的消息，它只能在接口功能及总线之间传递，并为接口功能所利用和处理，而绝不允许传递到装置功能部分去，装置消息在装置功能间传输，并由装置功能所利用和处理，它不改变接口功能的状态。

2.2.3 VISA控制技术

VISA是一种用于仪器程控的标准I/O应用程序接口（API），VISA本身不提供仪器程控能力，它是一种调用低级驱动程序的高级应用编程接口。NI-VISA的层次结构如图2所示:VISA可以根据所用仪器的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。

应用VISA的理由：

VISA是标准。VISA是整个仪器工业做仪器驱动程序的标准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。

接口无关性。VISA利用同样的操作来与各仪器进行联系，而不必考虑接口的类型。例如为实现向一个消息基仪器写一个ASCII字符串而采用的命令都是统一各，而不管这个仪器是串口、GPIG或是VXI。因此，VISA提供了接口无关性。这使得在各个总线接口间得切换变得更加容易，同时这也意味者使用者只需学习一个API即可实现仪器针对不同接口的编程。

平台无关性。VISA被设计为利用VISA函数调用实现的程序，可以很容易地从一个平台转到另一个平台。为保证平台无关性，VISA严格定义了自己地数据类型。这便保证了诸如一个整型变量的大小是几个字节这样的问题，不会影响一个VISA程序从一个平台成功转移到另一个平台。VISA的函数调用及相关参数在不同平台上都是相同的。软件可以被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何支持LabWindows/CVI的平台上。

与未来相适应。VISA的另外一个优点是它面向对象的API，会很容易地与未来将出现的新仪器接口相适应，从而保证了会比较容易地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，它可以插入到许多不同的程序中，并被当作程序的一部分来使用。ActiveX技术建立在微软的COM（组件对象模型）技术上，并使用COM接口和交互模型使其完全无缝地集成。COM技术规定了构建ActiveX对象的方式和设计ActiveX接口的方式。ActiveX中最关键的技术之一是自动工作，而不需要程序员在使用ActiveX时对其内部进行修改。

ActiveX自动化是一种能将单个应用程序和其他应用程序结合在一起的方法。也就是说，服务器端应用程序就是一个服务提供者，客户端应用程序访问服务器内部并设置服务器应用程序的属性。微软的OFFICE就是ActiveX自动化服务器，任何一个客户端应用程序都能与之链接并要求自动化服务器打印.doc文件等服务。

VB允许程序员应用ActiveX服务器的接口以远程控制开发环境。VB还能够用来开发ActiveX客户应用程序与ActiveX服务器连接。每个ActiveX对象都具有属性、方法和事件三个要素。

2.3 水声换能器测量原理

采用间接比较法测量被测传感器其的灵敏度,在实施测量时，水声器必须放置离发射器声场的远区中，为了测量精度，要求标准水听器与发射器的远场球面波的波面相割的弧形面足够小，以至于可以为此弧面上的波跟平面波相差无

几。如果待校水听器的尺寸与标准水听器的尺寸大很多，比如待测水声器为直径大于1米的水听器基阵，而标准水听器通常多是小于10厘米的小球或小柱，这样两者的远场条件所要求的测量距离相差很大，这种情况下，需待测水声器与标准水声器先后置于两个不同的距离上进行比较，现在图1中，两水听器处于两个不同的距离，这两者的远场条件所要求的测量距离也相差较远，也需待测水声器与标准水声器先后置于两个不同的距离上进行比较，由于他们都处在同一发射器的远场中，按球面波的波面扩展规律，则有公式：

1

1222D P P V =M (式1) 在式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压，P1、P2分别为标准传感器与被测传感器的压强，M1为标准传感器的灵敏度。

在实施测量之前，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

图1 水声换能器测量系统

面进行清洗，特别是换能器的工作表面应清洗干净并涂上浸润剂，以保证换能器放入水中，能不生气泡并与水介质间有良好的声耦合。

以上准备工作和检验工作全部完成后，便可按所需校准频率范围逐一频率实施测量，即在每个频率上分别测出V1和V2。为了减少测量时的偶然误差，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，国标GB3223-82《水声换能器自由场校准方法》中还推荐使用标准衰减器的方法。

3.测量系统以及汇编程序系统设计与论证

3.1测量系统

所谓自动测试，就是对研究对象的整个测试过程，包括数据采样 、分析和数据处理计算，以及测试结果的显示输出都是在计算机统一控制下完成的。而实现某种测试任务的自动测试设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，都是在计算机控制下完成的。人的作用仅限于编制必要的测试程序或做一些必要的动作，如开机、插被测件等等，极为简单。

水生换能器硬件构成图

信号源 功率放大器

发射传感器 标准传感器

被测传感器

示波器 计算机

3.2自动化测量系统

3.2.1自动化测试系统的特点

（1）测试速度高

自动测试是在计算机根据事先编好的程序指挥下自动进行的，其测试速度可比常规人工测试快50~150倍。

（2）测试精确度高

（3）测试功能多、能力强

（4）自动测试可以自动切换量程，同时由于每次测量都是按严格的同一程序进行，因此可以实现高度重复性的测量。

（5）具有多样化的显示、记录测试结果的方式。

（6）自动测试系统一般都具有对测试数据的自动分析、判断或处理能力，还可通过软件进行数据的统计分析和测量域的变换，极大地提高了测试域的灵活性。

（7）自检自校自诊断，这也是自动测试系统的特点之一。

（8）操作方便、节省人力。自动测试绝大部分高技术工作都由计算机完成。

3.2GPIB总线

GPIB标准接口总线作为一个国际标准，他具体规定了接口在机械、电气和功能三方面的有关要求和标准，保证了系统仪器相互连接的兼容性。GPIB把实现自动测试的控制所必须具有的逻辑功能概括为十种接口功能，不同的装置可按需选择，同时还为制造厂和用户提供了一套设计与GPIB接口总线相兼容的仪器接口的状态图，用状态图来表达每一种接口功能的各个状态之间的逻辑关系，比较形象直观，可以保证每一种接口功能的正确实现。

GPIB、VXI、PXI是自动测试系统标准总线，GPIB以性能稳定、操作方便、价格低廉赢得用户的认可。这里选用了GPIB作为测试系统的总线。

GPIB接口为82357B，使用它的原因是：

?结构紧凑分量轻，便于携带，制成尺寸比普通型还小，它已变得更轻，从而提高了机动性。

?数据保存在软盘上，设定数据和测量数据都可以保存在软盘上。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

丰富的PC软件使以PC机为基础的数据采集环境得以灵活地配置。

?通用的输人

各通道互相隔离的输人区域采用一个信号校正器功能件，它会普遍地检测电压，热电阻，触点等各种不同的输人信号。

?输人点的数目：1个或20个通道（可选择）

?输人类型：DC电压，热电偶和热电阻

?通信模式：经由GPIB，RS-232或以太网接口

?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,有效记当宽度150毫米

?显示：VFD显象5×7点57阵，三数字显示

?存储器：3.5时软盘驱动器动器

3.3编程系统VB

3.3.1VB简介

vb是Visual Basic的简称，是由美国微软公司于1991年开发的一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于开发Windows 环境下的各类应用程序。它简单易学、效率高，且功能强大可以与Windows 专业开发工具SDK相媲美。在Visual Basic环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具，使用Windows内部的广泛应用程序接口（API）函数，动态链接库（DLL）、对象的链接与嵌入（OLE）、开放式数据连接（ODBC）等技术，可以高效、快速地开发Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。

3.3.2VB的特点

3.3.2.1．面向对象

VB采用了面向对象设计思想，它基本思路是把复杂设计问题分解为个个能够完成独立功能——相对简单对象集合。所谓“对象”就是个可操作实体如窗体、窗体中命令按钮、标签、文本框等面向对象编程就好像搭积木样员可根据和界面设计要求直接在屏幕上“画\"出窗口、菜单、按钮等区别类型对象并为每个对象设置属性。

3.3.2.2．事件驱动

在Windows环境下是以事件驱动方式运行每个对象的都能响应多个区别事件，每个事件都能驱动段代码——事件过程该代码决定了对象功能通常称这种机制为事件驱动事件可由用户操作触发也可以由系统或应用触发例如单击个命令按钮就触发了按钮Click(单击)事件该事件中代码就会被执行若用户未进行任何操作(未触发事件)则就处于等待状态整个应用就是由彼

此独立事件过程构成。

3.4仪器仪表功能介绍

3.4.1信号发生器

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。函数信号发生器的实现方法通常有以下几种：（1）用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。

（2）可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。

（3）利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。鉴于此，美国美信公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038，它克服了（2）中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。

（4）利用专用直接数字合成ＤＤＳ芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。

产生所需参数的电测试信号仪器。按其信号波形分为四大类：①正弦信号发生器。主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按其不同性能和用途还可细分为低频（20赫至10兆赫）信号发生器、高频（100千赫至300兆赫）信号发生器、微波信号发生器、扫频和程控信号发生器、频率合成式信号发生器等。②函数（波形）信号发生器。能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。③脉冲信号发生器。能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。④随机信号发生器。通常又分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。噪声信号发生器主要用途为：在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能；外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。当用噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，会出现统计性误差，可用伪随机信号来解决。

3.4.2传感器

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置”。简单地说，传感器是把非电量转换成电量的装置。通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。

1)、敏感元件是指能直接感受（或响应）被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量。

2）、转换元件则将上述非电量转换成电参量。

3）、测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

3.4.2.1传感器的分类

1.电阻式传感器

2.电阻应变式传感器

3. 压阻式传感器

灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。是指稳态时传感器输出量ｙ和输入量ｘ之比，或输出量ｙ的增量和输入量ｘ的增量之比，用S表示为：

S＝ｄY／ｄX

它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。

灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。

当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。

提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。

3.4.3示波器

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

在电子实践技术过程中，常常需要同时观察两种（或两种以上）信号随时间变化的过程。并对这些不同信号进行电参量的测试和比较。为了达到这个目的，人们在应用普通示波器原理的基础上，采用了以下两种同时显示多个波形的方法：一种是双线（或多线）示波法；另一种是双踪（或多踪）示波法。应用这两种方法制造出来的示波器分别称为双线（或多线）示波器和双踪（或多踪）示波器。

3.4.4声发射传感器

声发射传感器又称为声发射换能器，是声发射检测系统的重要部分，是影响系统整体性能重要因素。声发射传感器设计不合理，或许使得接受到的信号和希望接受到的声发射信号有较大差别，直接影响采集到的数据真实度和数据处理结果。在声发射检测中，大多使用的也是谐振式声发射传感器和宽带响应的声发射传感器。声发射传感器的主要类型有：高灵敏度声发射传感器，是应用最多的一种谐振式声发射传感器；宽频带声发射传感器，通常由多个不同厚度的压电元件组成，或采用凹球面形与楔形压电元件达到展宽频带的目的；高温声发射传感器，通常由铌酸锂或钛酸铅陶瓷制成；差动声发射传感器，是由两只正负极差接的压电元件组成的，输出相应的差动信号，信号因迭加而增大；此外，还有微型声发射传感器、磁吸附声发射传感器、低频抑制声发射传感器和电容式声发射传感器等。

就声发射源定位而言，实际运用中大量遇到的是结构稳定的金属材料（如压力容器等），这类材料的声向各向异性较小，声波衰减系数也很小，频带范围大多是25KHz～750KHz，因此选用谐振式声发射传感器比较适合。

3.4.5功率放大器

功率放大器，简称“功放”。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组

织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。

放大器不失真的放大最小信号与最大信号电平的比值就是放大器的动态范围。实际运用时，该比值使用dB 来表示两信号的电平差，高保真放大器的动态范围应大于90 dB 。

信噪比是指声音信号大小与噪声信号大小的比例关系，将攻放电路输出声音信号电平与输出的各种噪声电平之比的分贝数称为信噪比的大小。

我们使用的是5 W 输出RQA0002的高频功率MOSFET ，用于电源信号的传输功率放大。

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 输出下的业界最高效率水平，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 下工作的放大器相比，功率附加效率增加了大约4%，同时降低了电压，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 (瑞萨科技的封装代码) 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、最薄的5 W 输出高频功率MOSFET 。

3.4.6 PC 机终端

PC 结构图

一种设计用于个人使用的计算机。个人计算机不需要共享其他计算机的处理、磁盘和打印机等资源。

线内部总 仪器插件

外部插件架

仪 器 插 件 仪

器

软

件

PC (Personal Computer)，个人计算机一词源自于1978年IBM的第一部桌上型计算机型号PC，在此之前有Apple II的个人用计算机。能独立运行、完成特定功能的个人计算机。个人计算机不需要共享其他计算机的处理、磁盘和打印机等资源也可以独立工作。今天，个人计算机一词则泛指所有的个人计算机、如桌上型计算机、笔记型计算机、或是兼容于IBM系统的个人计算机等。

3.2传感器灵敏度自动测量系统的手动测量

和自动测量相比，手动测量既费时又费力，但是手动测量是自动测量的基础，它是检验自动测量是否准确的标尺，再者，手动测量也是检验仪器仪表是否正常工作的保证，也为自动测量提供了准确测量的前提条件，所以在进行自动测量之前，我们要先进行手动测量的工作。

手动测量要先检查仪器仪表的工作状态，然后在进行操作，测量统计数据，推论被测传感器的灵敏度。

3.2.1 检查仪器仪表工作状态

（1）传感器部分

要测试本设计部分对传感器的电源供电情况，看是否可以驱动传感器工作；是否达到+5V，测试结果为：在接入电路前通过电路负载引入的为

+5V，但加入负载后只有3.72V，故为了达到设计传感器部分的驱动电压，直接+5V电源引入驱动电压。传感器的输出电压为4.2mV。

（2）放大部分

用万用表检查分析功率放大器的性能是否正常

（3）示波器部分

调节各个按钮，观察示波器是否可出现两条波形稳定清晰的正弦波

（4）PC控制部分

此部分由于电路由于要和软件紧密的结合调试才可以知道其是否具有可行性的，所以在软件调试部分进行说明。

（5）电源部分

按设计要求本设计要提供二个不同的电压源和一组正负供电电源。故对电源的设计要求比较高。在设计之初，采用两个整流管的变压整流共地的接法制作电源，根本没有电压输出，且整流管快速发热，很容易烧坏电路。检查发现，此时短路，元件产生大量的热，所以导致元件发热。

改为一个整流管的接法，进行电源制作，可以得到我们所需要的电源，但也存在一点误差，和我们所需要的标准电源值相差2%到5%，可以使用。此时先得到我们需要的正负24V电源。由于本设计需要的还有9V和5V的电源，在W7824后，在接入W7809和W7805分别得到9V和5V的电源。

3.2.2手动操作

调节信号源，输出标准正弦波信号，信号通过功率放大器传输到发射传感器，发生传感器将电信号转变成声波在水中传播，分别被标准传感器和被测传感器接收，并转换成电信号传到示波器，调节示波器，使荧光屏上出现两个波形稳定的信号源，读出电压值并记录，重复上述操作5次，根据统计出的电压值计算灵敏度，僵持灵敏度记录保留，为自动测量的灵敏度提供参照。

4．实施方案

4.1水声换能器灵敏度测量系统的软件

水声换能器灵敏度自动化测量系统的软件是系统另一个重要的组成部分。它融数据采集、设备控制、信号处理与分析、结果显示与输出为一体，有友好的用户界面，对示波器、电源信号的操作均可在用户界面上完成。软件的主要任务是控制、测量、存储及打印。

测量软件首先要完成的一个任务是测量指令发送功能。能够实时采集测量数据，并且可以自动调整量程-即信号过大或者过小时，软件可以根据实际情况自动选择示波器的量程，同时可以根据测量情况自动改变电源信号的设置。

测量软件要完成的另一项任务就是水声换能器的灵敏度及不确定度的测量、计算和显示。本系统的软件能够自动控制示波器的量程，实时显示正弦曲线，所有的测量参数都可以以文件的形式保存在硬盘上，可以随时打开查阅和打印。显示正弦曲线的同时还可以显示出所测频带中电导带宽数据和谐振频率等参数。4.2 软件结构设计

水声换能器灵敏度自动化测量系统测量软件由系统控制、数据处理、显示存储和界面四大部分组成：

a. 系统控制部分:完成对电源信号的选通控制以及V1、V2的测量项目的控制等功能。

b. 数据处理部分:完成P1、P2、M1、M2等参数计算等功能。对于电容测量还有自动修正测量电缆所引起的误差功能。

c. 数据显示与存储部分:完成测量结果的图形显示、测量结果存取等功能。

d. 软件界面部分:包括功能菜单、对话框、命令按钮、图形框等元素。

软件的流程见图4所示。

注:（1）等待测试开始

该状态用户可以输入换能器号、测试日期，其中的测试日期系统会自动将当前日期给出，但用户也可以根据需要更改。“打印”按钮可以将当前屏幕上显示的曲线、测试结果按测试报告的格式打印输出，当上此出现如打印机卡纸等问题而造成没有将测试报告打印好时能再次打印测试报告。“开始”按钮可以启动测试。“退出”按钮可以退出该测试系统。

(2)采集电压值

电压采集分为三步：首先调用8111 Config函数对数据采集卡进行初始化，主要包含采集的电压幅度范围及基地址（Base Address），分别设置为5和220，其中要注意的是220为十六进制；接着调用8111的AI Read Channel Voltage 函数，采用软件触发的方式来采集电压值；最后调用Release Card函数释放板卡。

为了减小误差，采用了如下的采集方法：以一度的精度进行绘图，但每一度的电压值是在这一度的时间内进行20次的采集而得到的平均值。这样可以使曲线更加圆滑。设被测换能器的转速为83.5秒／转，以每度一个点的采集精度则每点的间隔时间为：

t1=83.5×1000/360=231.9ms

（3）延时

这里的延时应该是每次数据采集间的时间间隔，但因为采用了20次采集的平均做一次显示的方法，所以每次采集的间隔为：

图4 测量软件流程图

t2=(t1-t3)/20

其中t3为修正数，目的是使t2为整数。显然以上的t2、t3分别等于

11ms 、11.9ms 。因为LabVIEW 中的最小定时为1ms ，所以t3取12。具体在程序中，t2即为20次采集间的时间间隔，用Wait Until Next ms Multiple 函数实现。t3为每20次采集后的等待时间

（4）数据处理

1）电压单位的转化,即将采集到的电压值(V)转换成分贝形式表示，并带入校准系数。假如利用标准换能器得到的对应关系为： 开始

检测各部分是否处于正

常工作状态

电压采集

PC 机对数据进行处理分析，计算被测

传感器的灵敏度及其不确定度

数据储存

数据保存打印

结束

声发射传感器频率小于

等于5K 延时

N

Y

Y

N

1

1222D P P V =

M 得到以上公式后，就能在VB 程序中利用公式节点Formula Node 实现灵敏度值的计算了。

2）灵敏度及水平指向性偏差两个参数的计算。计算方法为找出360个测试点中的最大最小值，最大值和最小值的平均值即为该换能器的灵敏度，最大值减去最小值除以二即为换能器的水平指向性偏差。

（5）数据存储

根据实际测试的需要，存储的参数为以下七个：换能器号（2003-N ）、测试频率（ F(KHz) ）、灵敏度（ M （dB ））、水平指向性偏差（ D （dB ））、电阻（ R （MΩ））、静态电容（C （nF ））、是否合格。为了能在EXCEL 软件中读取结果，我们调用的是Write To Spreadsheet File 函数，将以上信息存入文本格式的文件data.hnq ，然后在windows 将此文件与EXCEL 关联，这样双击data.hnp 就能自动的用EXCEL 打开了。

在实际应用中，因为测试的换能器数目较多，经常会出现重测或报错换能器号的情况出现，为了能避免将测试过的换能器测试测试结果覆盖掉，我们采用了以下的方法：在存储新的换能器测试结果前，先用换能器号搜索文件中是否已经有该号的记录，如果有则查询前记录中测试结果是否合格、同时判断本次测试结果是否合格，将这些信息弹出对话框的形式提示测试人员是否将先前测试结果覆盖。如果没有查询到本次测试的换能器号，则直接将测试结果追加到文件中。

在程序设计中实现“覆盖”的操作比较复杂，现解释如下：先调用Read From Spreadsheet File 将各个字段转换成二维数组，用Index Array 函数提取换能器号一维数组，Search 1D Array 函数查找等于本次换能器号的数在这个一维数组中的位置，接着调用Replace Array Subset 函数替换原二维数组中该位置的记录，最后将新的二维数组存入文件中，实现数据的覆盖。

（6）数据打印

利用NI Report 来生成并打印测试报告。测试报告包含测试结果和测试曲线，分别用Append Report Text 、Append Control Image to Report 函数将其加入到测试报告中。

4.3 测量软件各部分详细设计

子程序流程图如图5所示

4.3.1系统控制部分设计

系统控制部分主要完成对自制的电源信号的控制，使用Visual Basic 编写，主要通过调用硬件设备生产厂商提供的动态链接库(DLL)实现，下面分别介绍具体的实现方法。

(1)对测试仪器的控制

对电源信号的控制使用IEEE-488接口，使用IEEE 标准指令格式可实现对信号源的设置和控制。这里主要用到的函数有5个：

① iopen (ByVal address As String)

这个函数根据address 参数指定的设备GPIB 地址打开设备，相当于建立和设备的连接，在系统中HP4192阻抗分析仪的GPIB 地址是“hpib7,29”，函数调用成功后返回一个设备标识符id ，供后面的函数使用。

② itimeout (ByVal id As Integer, ByVal tval As Long)

这个函数设定了等待设备完成操作的时间的最大值，超过此时间设备如

图5 子程序流程图

果还没有连接上就会提示出错。

③ ivprintf (ByVal id As Integer, ByVal fmt As String)

这个函数负责传送fmt 参数所描述的指令，指令为IEEE 488.2标准格式，指示设备进行什么操作，或者指定设备的参数。如用于信号源控制和设置的主要指令有：

"FUNC:SHAP SIN" ——设置信号源输出波形为正弦波；

"FREQ " ——设置输出信号频率；

"VOLT "——设置输出信号幅度；

"BM:NCYC " ——设置CW 脉冲中填充的脉冲周期数；

"BM:INT:RATE " ——设置脉冲的重复频率。

④ ivscanf (ByVal id As Integer, ByVal fmt As String) 开始

按下按钮1，计算P1 按下按钮2，计算P2

对处理结果进行保存并打印

按下按钮3，计算M2

按下按钮4，分析处理M1M2并进行不

确定度的分析

检测是否有数据读入

结束

N

Y

这个函数和ivprintf配合使用可以读取信号源的参数，如信号频率、幅度。

如读取信号源的频率的代码为：

hp = ivprintf(dvm, "FREQ?" + Chr$(10))

hp = ivscanf(dvm, "%f", f)

⑤iclose (ByVal id As Integer)

这个函数的作用是断开与设备的连接，在对设备的操作完成后需要调用该函数。

(2). 对示波器的控制

对控制器的控制都是使用并口，我们利用第三方提供的动态链接库DLPORTIO.dll中函数，向并口发出数据，过程比较简单。这里主要用到的函数有2个，其中并口地址可以查到，一般是&H378：

①写如数据

DlPortWritePortUchar Val(TextAddr), Value

Value是要发送的数据

②读出数据

Value = DlPortReadPortUchar(Val(TextAddr))

Value是返回的数据

4.3.2 数据处理部分设计

数据处理部分主要完成水声换能器输出电压和及灵敏度的计算，并进行测量不定读的分析，对于电容测量还有修正电缆电容引起的误差。

4.3.3 数据显示与存储部分设计

数据显示与存储部分完成测量结果的图形显示、测量结果存取等功能。程序使用Visual Basic编写。灵敏度、不定度分析都可以在测量的过程中实时显示。测量结果以ASCII文件保存。

4.3.4 软件界面部分设计

这部分包括功能菜单、对话框、命令按钮、图形框等元素，是用户和测量系统交互的窗口。软件界面使用Visual Basic编写。图6为程序运行时的主界面。

图6 灵敏度程序运行界面

5. 不确定度分析

5.1不确定度

测量不确定度-表征合理地赋予被测量之值的分散性,与测量结果相联系的参数。

测量结果的不确定度反映了对被测量之值的认识不足,借助于已查明的系统效应对测量结果进行修正后,所得到的只是被测量的估计值,而修正值的不确定度以及随机效应导致的不确定度依然存在。

测量中可能导致不确定度的来源一般有：

a)被测量的定义不完整；

b)复现被测量的测量方法不理想；

c)取样的代表性不够，即被测样本不能代表所定义的被测量；

d)对测量过程受环境影响的认识不恰其分或对环境的测量与控制不完善；

e)对模拟式仪器的读数存在人为偏移；

f)测量仪器的计量性能（如灵敏度、鉴别力、分辨力、死区及稳定性等）的局限性；

g)测量标准或标准物质的不确定度；

h)引用的数据或其他参量的不确定度；

i)测量方法和测量程序的近似和假设；

j)在相同条件下被测量在重复观测中的变化。

测量不确定的评定

测量不确定度通常由测量过程的数学模型和不确定度的传播律来评定。在实际工作中，尤其是在法制计量领域中，被测量通过与相应的测量标准相比较获得其估计值。对于测量所要求的准确度来说，测量标准的不确定度及比较过程导致的不确定度，通常可以忽略不计。

5.2不确定度的评定过程

建立数学模型，传感器的输出误差

ΔV = V - (V m÷p m×p + V0 )

式中V ———传感器的输出电压值,mV；V m ———传感器的输出量程,mV；

p ———传感器的输入压力值,MPa ；p m ———传感器的输入量程,MPa ；

V0 ———传感器的零点输出值,mV。

由于测量结果的不确定度往往由多种原因引起的，对每个不确定度来源评定的标准偏差，称为标准不确定度分量，用符号表示。

（1）. 不确定度的A类评定

用对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度，称为不确定度A 类评定；所得到的相应标准不确定度称为A类不确定度分量，用符号表示。它是用实验标准偏差来表征。

（2）不确定度的B类评定

用不同于对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度，称为不确定度B类评定；所得到的相应标准不确定度称为B类不确定度分量，用符号表示。它是用实验或其他信息来估计，含有主观鉴别的成分。对于某一项不确定度分量究竟用A类方法评定，还是用B类方法评定，应有测量人员根据具体情况选择。B类评定方法应用相当广泛。

（3）合成标准不确定度

当测量结果是由若干个其他量的值求得时，按其他各量的方差和协方差算得的标准不确定度，称为合成标准不确定度。它是测量结果标准偏差的估计值，用符号表示。方差是标准偏差的平方，协方差是相关性导致的方差。计入协方

差会扩大合成标准不确定度。合成标准不确定度仍然是标准偏差，它表征了测量结果的分散性。所用的合成方法，常称为不确定传播率，而传播系数又被称为灵敏系数，用表示。合成标准不确定度的自由度称为有效自由度，用表示，它表明所评定的的可靠程度。

5.1.3 扩展不确定度和包含因子

（1）扩展不确定度

扩展不确定度是确定测量结果区间的量，合理赋予被测量之值分布的大部分可望含于此区间。它有时也被称为范围不确定度。扩展不确定度是由合成标准不确定度的倍数表示的测量不确定度。通常用符号U表示：合成不确定度与的乘积，称为总不确定度（符号为U）。这里值一般为2，有时为3。取决于被测量的重要性、效益和风险。扩展不确定度是测量结果的取值区间的半宽度，可期望该区间包含了被测量之值分布的大部分。而测量结果的取值区间在被测量值概率分布中所包含的百分数，被称为该区间的置信概率、置信水准或置信水平，用表示。这时扩展不确定度用符号表示，它给出了区间能包含被测量的可能值的大部分（比如95%或99%）。

测量不确定度的分类，简单表示为：

A类标准不确定度

标准不确定度 B类标准不确定度

测量不确定度合成标准不确定度

（k=2，3）

扩展不确定度

（p为置信概率）

（2）包含因子

包含因子是为求得扩展不确定度，对合成标准不确定度所乘之数字因子，有时也称为覆盖因子。包含因子的取值决定了扩展不确定度的置信水平。当k=2时，p=95%；当 k=3时，p=99%。

相对不确定度，是指总不确定度除以标准值的百分率。

5.2 测量不确定度的来源

在实践中，测量不确定度可能来源于以下10个方面：

(1)对被测量的定义不完整或不完善；

(2)实现被测量的定义的方法不理想；

(3)取样的代表性不够，即被测量的样本不能代表所定义的被测量；

(4)对测量过程受环境影响的认识不周全，或对环境条件的测量与控制不完善；

(5)对模拟仪器的读数存在人为偏移；

(6)测量仪器的分辨力或鉴别力不够；

(7)赋与计量标准的值和参考物质(标准物质)的值不准；

(8)引用于数据计算的常量和其它参量不准；

(9)测量方法和测量程序的近似性和假定性；

(10)在表面上看来完全相同的条件下，被测量重复观测值的变化。

由此可见，测量不确定度一般来源于随机性和模糊性，前者归因于条件不充分，后者归因于事物本身概念不明确。这就使得测量不确定度一般由许多分量组成，其中一些分量可以用测量列结果(观测值)的统计分布来进行估算，并且以实验标准〔偏〕差(见5 8条)表征；而另一些分量可以用其它方法(根据经验

或其它信息的假定概率分布)来进行估算，并且也以标准〔偏〕差表征。所有这

些分量，应理解为都贡献给了分散性。若需要表示某分量是由某原因导致时，可

以用随机效应导致的不确定度和系统效应导致的不确定度，而不要用“随机不确

定度”和“系统不确定度”这两个业已过时或淘汰的术语。例如：由修正值和计

量标准带来的不确定度分量，可以称之为系统效应导致的不确定度。

6．结论

论文小结

(1)采用在水介质中传播的声波作为压力源,用比较法比较标准传感器和被

测传感器的输出,可有效地测量压电式微压式传感器的灵敏度及频率响应特性。

（2）测试室波动声压测量系统同一样品的2次测量数据(灵敏度及频率响应

范围)重复性较好,偏差小于0.24mV/Pa，因此根据不确定度的评定，此不确定度

可以忽略不计。

（3）由于测量介质为水,每个样品需置于水中测试,测量时需对仪器进行防水

保护,使用不便。下一步应完善测试系统,设计防水透声层保护被测传感器免于接

触水,以简化操作；以及标准传感器和被测传感器在接收波动信号时会产生些微

误差，要进行多次测量，则需要寻找代替水的物质，确保测试室内的声压均匀的

良好。

附录：

表2 IEEE-488插脚排列表

插脚号信号线插脚号信号线

1 DIO1 13 DIO5

2 DIO2 14 DIO6

3 DIO3 15 DIO7

4 DIO4 16 DIO8

5 EOI 17 REN

6 DAY 18 信号地（6）

7 NRFD 19 信号地（7）

8 NDAC 20 信号地（8）

9 IFC 21 信号地（9）

10 SRQ 22 信号地（10）

11 ATN 23 信号地（11）

12 屏蔽地24 逻辑地