Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений




Рис. 7.27. Вибрационный частотомер: а - принцип работы; б - шкала вибрационного частотомера

стинки вибрируют. Пластинка, у которой собственные колебания совпадают с вынужденными, будет колебаться с наибольшим размахом (рис. 7.27,6).

Погрешность измерений определяется точностью изготовления пластинок и составляет около +1%.

Способ, основанный на явлении электрического резонанса. Данный способ применяется для измерения высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот. Однако возможно применение резонансного способа и для измерения более низких частот. С этой целью явление резонанса используют в мостовой схеме (рис. 7.28). При настройке последовательного колебательного контура плеча в резонанс с измеряемой частотой сопротивление плеча становится чисто активным и равным Равновесие моста наступит при условии равенства ,3 =i?24-

Таким образом, измерение частоты сводится к приведению моста в равновесие путем настройки третьего плеча в резонанс с fx- Настройка выполняется с помощью конденсатора переменной емкости, шкала которого градуируется в единицах частоты. Расширение пределов измерения достигается сменными катушками индуктивности L. В качестве индикатора используется детекторный или ламповый вольтметр, а на частотах 100 - 5000 Гц- телефон. Недостатки этого способа - трудность выполнения катушек индуктивности для низких частот и не-


возможность получения нулевых показаний индикатора из-за воздействия посторонних электромагнитных полей на катушку L. Погрешность измерения составляет 0,5 - 1 %.

Рассмотренный способ в настоящее время находит небольшое применение. Гораздо большее применение находит способ электрического резонанса с использованием высокодобротного колебательного контура, прецизионного механизма настройки со шкалой и индикатора резонанса. Колебательная система через элемент связи возбуждается сигналом источника, частоту колебаний которого необходимо измерить. С помощью органа настройки изменяется частота колебаний колебательной системы до наступления резонанса. В момент резонанса, фиксируемого по индикатору, производится отсчет по шкале настройки колебательной системы.

При измерении высоких частот в качестве резонансной системы применяется колебательный контур с сосредоточенными постоянными (рис. 7.29).

В момент наступления резонанса измеряемая частота

fx=l/2Tzl/LC. (7.68)

Из (7.68) видно, что для измерения частоты удобно применять сменные катушки индуктивности и конденсаторы переменной емкости. Это позволяет перекрыть значительный диапазон частот при сравнительно узких поддиапазонах и уменьшить погрешность измерения. Конденсатор пфеменной емкости градуируется отдельно для каждой катушки. Механизм поворота его ротора делается с большим замедлением, шкала разделена на большое число делений - до 2500. В качестве индикатора применяется ламповый или детекторный вольтметр.

При измерении ультравысоких и сверхвысоких частот в качестве резонансной системы применяется колебательный контур с распределенными постоянными. В зависимости от диапазона измеряемых частот он выполняется либо в виде отрезка коаксиальной линии, либо в виде объемного резонато-

Рис. 7.28. Схема измерения частоты способом электрического резонанса в мостовой схеме

/(индикатору

Рис. 7.29. Схема резонансного частотомера с сосредоточенными постоянными




Рис. 7.30. Схема полуволнового резонансного частотомера

ра. Коаксиальная линия настраивается в резонанс изменением длины ее внутреннего проводника, объемный резонатор - изменением его объема. Точные механизмы настройки градуируются в безразмерных делениях с большим числом отсчетных точек, для определения измеряемой частоты прилагаются градуировочные таблицы. Некоторые частотомеры градуируются непосредственно в единицах частоты.

Используются следующие схемы резонансных частотомеров с распределенными постоянными.

Полуволновой резонансный частотомер. Колебательный контур такого частотомера выполнен в виде закороченного отрезка коаксиальной линии, длина которого регулируется перемещением поршня Я (рис. 7.30).

Резонанс наступает каждый раз, когда длина линии равна примерно половине длины волны измеряемого колебания: I к пк/2.

Если микрометрический механизм перемещения поршня градуирован в единицах длины I, то, настраивая частотомер последовательно дважды на максимум показаний индикатора, можно определить длину волны: X = 2(1 -где (2 и (, - отсчеты положения поршня в единицах длины при резо-нансах. Для увеличения точности измерений механизм перемещения поршня снабжается микрометрической градуировкой. Полуволновые резонансные частотомеры применяются в основном в диапазоне частот 2500 -1000 МГц, так как при более низких частотах размеры коаксиальной линии становятся слишком большими, а при более высоких - слишком малыми; и то и другое неудобно как при изготовлении, так и в эксплуатации.

Добротность резонансных частотомеров составляет 1000- 2000 единиц, что в сочетании с хорошим микрометрическим ог-счетным устройством обеспечивает погрешность измерений от 0,05 до 0,5%.

Полуволновые частотомеры не получи-

ли широкого распространения из-за трудности осуществления надежного контакта поршня с внутренней поверхностью наружного проводника коаксиальной линии по всей длине.

Четвертьволновой резонансный частотомер. Колебательный контур этого частотомера вьшолнен в виде разомкнутого отрезка коаксиальной линии (рис. 7.31). Настройка контура осуществляется изменением длины / внутреннего проводника коаксиальной линии; резонанс наступает при длине I, равной нечетному числу четвертей длин волн измеряемого колебания:

;=к(2пЧ-1)Х/4,

где п - целое число. Измерением длины внутреннего проводника при двух соседашх ре-зонансах можно найти значение половины длины волны: l2 - li=K/2.

Четвертьволновые частотомеры применяются на частотах от 600 до 10000 МГц. Погрешность измерений находится в пределах 0,05-0,1%.

Резонансный частотомер с нагруженной линией. Для расширения диапазона измеряемых частот разомкнутая коаксиальная линия нагружается на емкость, образуемую торцами внутреннего и наружного проводников (рис. 7.32). При настройке такого колебательного контура одновременно изменяются и длина линии I и емкость С, вследствие чего перекрытие диапазона частот возрастает до 3 или даже 4 (у рассмотренных выше резонансных частотомеров перекрытие составляет 1,3-1,5). Двумя резонансными частотомерами с нагруженной линией перекрывается диапазон частот от 150 до 1500 МГц.

Резонансные частотомеры с объемными резонаторами. Объемные электромагнитные резонаторы представляют собой замкнутые полости, ограниченные металлшческими стенками. В полости образуются стоячие волны электромагнитного поля, длина которых определяется типом возбужденной волны и геометрическими размерами полости. Для настройки объемного резонатора его

:S] I

Рис. 7.31. Схема четвертьволнового резонансного частотомера



Рис. 7.32. Схема резонансного частотомера с нагруженной линией

объем изменяется перемещением порщня либо введением в полость металлического стержня. Объемный резонатор предварительно градуируется при помощи измерительного генератора соответствующего диапазона частот. Вследствие удобства механической обработки наибольшее распространение получили объемные резонаторы цилиндриче-а<ой формы (рис. 7.32).

В зависимости от способа введения в полость возбуждающего электромагнитного поля в ней возникают колебания различных типов. При возбуждении полости через отверстие, расположенное в центре торцевой стенки, возникают колебания типа Нц; (рис. 7.33, а). В этом случае поршень должен обеспечивать хороший электрический контакт, т. е. прохождение токов между цилиндрической и торцевой стенками. Собственная длина волны k связана с размерами / и d резонатора следующей зависимостью: (1/0 -I- l,37(l/f0 = (2/л,, Если положить

l = d, го >ч,, x; l,3rf.

При возбуждении полости резонатора через отверстие в боковой стенке цилиндра возникают колебания типа H(,i, (рис. 7.33,6). Конфигурация поля в полости характеризуется отсутствием токов проводимости между торцевыми и цилиндрическими стенками резонатора. Это позволяет применить простой бесконтактный поршень для настройки. Колебания, возбуждающиеся в пространстве за поршнем, поглощаются материалом, нанесенным на заднюю поверхность поршня. Зависимость собственной длины

волны от размеров резонатора определяется выражением (1/0-I-5,94(l/d) =(2А„1,) Если l = d, то я; 0,76d.

При помощи резонатора с колебаниями типа Hjjj можно перекрыть значительный диапазон волн. Резонатором с колебаниями типа Hoj, перекрывается значительно меньший диапазон, что позволяет получить более точную настройку.

У объемных резонаторов внутренняя поверхность полируется до получения зеркальной поверхности и покрывается серебром или золотом. Такая обработка позволяет получить добротность до 10(Ю0-30(Ю0. Поэтому при помощи объемных резонаторов получают довольно высокую точность измерения (до 0,01%).

Частотомеры с объемными резонаторами используются в диапазоне частот от 2000 до 50000 МГц.

Погрешность измерения частоты резонансными частотомерами обусловлена рядом причин: низкой нагруженной добротностью резонатора, т. е. тупой резонансной кривой; погрешностями, вносимыми при получении градуировочной характеристики прибора; изменением окружающей температуры; изменением влажности окружающей среды; наличием люфта в механизме перемещения поршня в резонаторе; недостаточной чувствительностью.

7.2.3. МОСТОВОЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ

Этот метод основан на использовании моста, равновесие которого зависит от частоты питающего тока. На рис. 7.34 показана схема одинарного моста для измерения частоты. Условия равновесия для этой схемы (если пренебрегать сопротивлением потенциометра R) следующие:

R,RJ(\ +jaC,R,)==R2(R+l/jaxC}.

(7.69)

Раскрывая скобки и приравнивая вещественные и мнимые части получившегося выражения, получаем два равенства:



Рис. 7.33. Схемы резонансных частотомеров с основным колебанием типа Нц, (а) и типа Hq,, (й)



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 [88] 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0105