Меню

Резонансный метод измерения основан



Резонансный метод измерения частоты

Резонансный метод измерения частоты заключается в сравнении измеряемой частоты с собственной резонансной частотой градуированного измерительного колебательного контура.

Входное устройство служит для согласования источника измеряемой частоты с измерительной колебательной системой, которая настраивается в резонанс с измеряемой частотой. Момент резонанса фиксируется по максимальному показанию индикатора, присоединенного к контуру. Измеряемая частота определяется по градуированной шкале микрометрического механизма настройки с большим числом отсчетных точек. Контур и индикатор конструктивно объединены в устройство, называемое резонансным частотомером. Если шкала механизма настройки градуирована в длинах волн, то такое устройство называют резонансным волномером.

Измерительный контур резонансного частотомера в зависимости от диапазона частот, для которого он предназначен, выполняется с сосредоточенными или распределенными параметрами. Резонансные частотомеры с сосредоточенными элементами применяется на частотах до 200 МГц, а с распределенными параметрами широко применяются в диапазоне СВЧ.

Схема резонансного частотомера на сосредоточенных элементах

Четвертьволновый резонансный частотомер

Резонансный частотомер с объемным резонатором

Погрешность измерения частоты резонансным частотомером с распределенными параметрами составляет 0,1%

При измерении частоты этим методом используется явление парал­лельного или последовательного резонанса. На графике показана зависимость напряжения на конденсаторе последовательного контура от частоты. При резонансе это напряжение принимает максимальное значение.

Условием резонанса является равенство , откуда .

Обычно в таком приборе конденсатор де­лается переменным для плавной настройки в резонанс. Ряд катушек с колиброванной индуктивностью может быть использован для изменения пределов измерения. Шкала конденсатора может быть отградуирована непосредственно в единицах частоты.

Измерение частоты электронно-счётными частотомерами

Электронно-счётный частотомер (ЭСЧ) представляет собой прибор, содержащий источник образцовой частоты в виде кварцевого генера­тора, декадные делители и электронный счётчик импульсов. Непос­редственно к электронному счётчику подключается индикатор.

ВЦ — входная цепь;

ФУ — формирующее устройство;

ДД — декадные делители;

СЧ — счетчик импульсов;

ГОЧ — генератор образцовых частот;

УФВИ — устройство формирования временных импульсов;

Напряжение измеряемой частоты поступает на входную цепь, затем в формирующее устройство, включающее дифференцирую­щие цепи, ограничители и усилители. Исходный сигнал преобразуется в последовательность коротких импульсов с тем же периодом. Затем эти импульсы поступают на селектор через декадные делители. Селек­тор управляется устройством времени счёта, которое открывает его на калиброванный промежуток времени. Этот калиброванный промежу­ток времени задаётся генератором образцовых счётных импульсов с высокой стабильностью, а декадные делители устанавливают тре­буемую длительность. Счётчик пересчитывает импульсы, прошедшие через селектор и таким образом определяется частота.

;

Где N — количество импульсов;

— время счёта;

— коэффициент деления декадных делителей и

Работа ЭСЧ в режиме измерения периода.

— по равномерному закону

В режиме измерения периода во входном канале формируется импульс кратный периоду измеряемого сигнала. Этот импульс служит для управления селектором и открывания его на время действия им­пульса. На селектор непрерывно подаются импульсы с калиброванным периодом. Счётчик импульсов считает импульсы, прошедшие через селектор, число которых пропорционально .

При измерении периода становится существенной погрешность, связанная с наличием шумов на входе частотомера.

Источник

10.2. Резонансный метод измерения частоты

10.2. Резонансный метод измерения частоты

Принцип действия резонансного метода основан на сравнении измеряемой частоты fx с собственной резонансной частотой fр градуированного колебательного контура или резонатора. Обычно данный метод применяется в диапазонах высоких частот и СВЧ, но может использоваться и в более низком диапазоне. Измерительные приборы, работающие на основе этого метода, называютсярезонансными частотомерами, их обобщенная структурная схема приведена на рис. 10.2.

Читайте также:  Системы распределенного измерения температуры

Перестраиваемая колебательная система

Рис. 10.2. Обобщенная структурная схема резонансного частотомера

Перестраиваемая колебательная система возбуждается сигналом источника измеряемой частоты u(fx) через входное устройство. Интенсивность колебаний в колебательной системе резко увеличивается в момент резонанса , т.е. при fx= fр. Данный момент фиксируется с помощью индикатора резонанса, связанного с колебательной системой, и значение измеряемой частоты fx считывается с градуированной шкалы механизма настройки.

В качестве колебательной системы на частотах до сотен МГц используются колебательные контуры; на частотах до 1 ГГц — контуры с распределенными постоянными типа отрезков коаксиальной линии; на частотах, превышающих 1 ГГц, — объемные резонаторы.

На рис. 10.3 приведена уп­рощенная структурная схема резонансного частотомера (волномера) с объемным ре­зонатором, включающая вол­новод 1, по которому поступает энергия измеряемой частоты fx, петлю связи 2, детектор (полу­проводниковый диод) 3 с индикатором резонанса И, объемный резонатор 4 и плунжер 5, предназначенный для изменения одного из размеров резонатора и связанный с отсчетной шкалой. Связь резонатора с детектором индуктивная и осуществляется петлей связи 2.

Линейный размер резонатора l в момент настройки в резонанс однозначно связан с длиной волны λ возбуждаемых в нем электромагнитных колебаний. Резонанс наступает при длине резонатора l = n λ/2, где п = 1,2, 3 и т. д. Поэто­му, перемещая плунжер 5 до момента получения первого резонанса, а затем следующего и оценивая по отсчетной шкале разность △l= l1- l2=λ/2, можно определить длину волны λ. Здесь l1 и l2 — показания отсчетной шкалы в мо­мент 1-го и 2-го резонансов. Измеряемая частота fx вычисляется по формуле fx = с/λ, где с — скорость распространения света в вакууме.

Чтобы увеличить точность измерений частоты, необходимо повышать добротность Q резонаторов. С этой целью их внутренние поверхности поли­руют и серебрят, доводя величину Q до значения (5…10)103. С целью умень­шения сопротивления в месте подвижного контакта плунжера с резонатором применяют системы длинных линий (отрезки линий длиной λ /2, λ /4).

Резонансные частотомеры (волномеры) имеют простое устройство и дос­таточно удобны в эксплуатации. Наиболее точные из таких приборов обеспе­чивают измерение частоты с относительной погрешностью 10-3 …10-4. Ос­новными источниками погрешностей измерения являются погрешность на­стройки в резонанс, погрешность шкалы и погрешность считывания данных.

Источник

Резонансный метод измерения основан

Резонансный метод измерения частоты заключается в сравнении измеряемой частоты с собственной резонансной частотой градуированного измерительного колебательного контура.

Рис. 8-3. Структурная схема измерения частоты резонансным методом

Рис. 8-4. Схема резонансного частотомера

Этот метод применяется в диапазоне высоких и сверхвысоких частот. Структурная схема его реализации приведена на рис. 8-3. Источник напряжения измеряемой частоты с помощью элемента связи соединяется с прецизионным измерительным контуром ИК, который настраивается в резонанс с частотой Момент резонанса фиксируется по максимальному показанию индикатора, присоединенного к контуру через второй элемент связи. Измеряемая частота определяется по градуированной шкале микрометрического механизма настройки с большим числом отсчетных точек. Контур и индикатор конструктивно объединены в устройство, называемое резонансным частотомером. Если шкала механизма настройки градуирована в длинах волн, то такое устройство называют резонансным волномером.

Читайте также:  Технология измерения артериального давления алгоритм

Схема резонансного частотомера (рис. 8-4) позволяет выявить источники погрешности измерения. Погрешность градуировки определяется качеством механизма настройки; ее можно уменьшить путем предварительной градуировки шкалы частотомера с помощью образцовой меры. Нестабильность частоты измерительного контура возникает вследствие изменения его геометрических размеров под влиянием изменения температуры окружающей среды; ее можно вычислить по следующей формуле:

где отклонение частоты от резонансной под влиянием изменения температуры на а — линейный температурный коэффициент расширения материала контура; конструктивный коэффициент.

Нестабильность настройки контура возникает также при изменении вносимых реактивных сопротивлений со стороны источника и индикатора. Активные вносимые сопротивления уменьшают добротность контура. Уменьшение влияния вносимых сопротивлений достигается ослаблением связи с источником и индикатором.

Рис. 8-5. Резонансная кривая колебательного контура

Неточность фиксации резонанса определяется значением добротности нагруженного измерительного контура и разрешающей способностью индикатора. Из уравнения резонансной кривой (рис. 8-5) можно получить формулу для расчета относительной погрешности от неточности фиксации резонанса:

где показание индикатора при резонансе; показание при расстройке измерительного контура на

Измерительный контур резонансного частотомера в зависимости от диапазона частот, для которого он предназначен, выполняется с сосредоточенными или распределенными параметрами. Резонансные частотомеры с сосредоточенными параметрами в настоящее время полностью вытеснены цифровыми частотомерами (см. § 8-5), а с распределенными параметрами широко применяются в диапазоне СВЧ.

Резонансные частотомеры характеризуются диапазоном измеряемых частот, погрешностью и чувствительностью, т. е. минимальной мощностью, поглощаемой от источника измеряемой частоты, необходимой для уверенного отсчета показаний индикатора при резонансе.

Резонансные частотомеры с распределенными параметрами. Колебательный контур частотомера выполняют либо в виде отрезка коаксиальной линии, либо в виде объемного резонатора. Настройка коаксиальной линии производится изменением ее длины, объемного резонатора — изменением его объема.

Частотомеры с распределенными параметрами связывают с источниками измеряемой частоты через штыревую или рупорную антенну или через элементы связи в виде петель, зондов, щелей и круглых отверстий.

Рис. 8-6. Четвертьволновый резонансный частотомер

Рис. 8-7. Резонансный частотомер с нагруженной линией

На входе частотомера часто включают аттенюаторы с переменным ослаблением для регулировки входной мощности. Иногда применяют направленные ответвители.

Индикатор частотомера состоит из полупроводникового (германиевого или кремниевого) диода и магнитоэлектрического микроамперметра большой чувствительности. Связь диода с измерительным контуром осуществляется через петлю связи, располагаемую внутри коаксиальной линии или объемного резонатора. Если частотомер предназначен для использования при импульсной модуляции, то видеоимпульсы, получившиеся после детектирования диодом, поступают на транзисторный усилитель и амплитудный вольтметр. Параллельно последнему можно включить осциллограф.

Коаксиальные частотомеры выполняют в основном двух типов: четвертьволновые и с нагруженной линией.

Четвертьволновый резонансный частотомер представляет собой разомкнутый отрезок коаксиальной линии (рис. 8-6). Настройка его осуществляется с помощью

микрометрического механизма со шкалой, градуированной в единицах длины Резонанс в линии наступает при I, равной нечетному числу четвертей длины волны:

Читайте также:  Граненый стакан мера измерения

где

Отсчеты и соответствуют к поэтому их разность равна половине длины волны. В общем случае

Четвертьволновые частотомеры применяются на частотах Погрешность измерения лежит в пределах

Резонансный частотомер с нагруженной линией отличается от четвертьволнового тем, что разомкнутая коаксиальная линия нагружается емкостью С, образуемой торцами внутреннего и наружного проводников (рис. 8-7). Резонанс в нагруженной линии наступает при выполнении условия

где внутренний диаметр внешнего проводника; внешний диаметр внутреннего проводника; волновое сопротивление линии.

При настройке такого частотомера одновременно изменяются и длина линии и емкость С. Перекрытие, по сравнению с четвертьволновым частотомером, возрастает в 2— 3 раза. Двумя частотомерами с нагруженной линией перекрывается диапазон частот от 150 до 1500 МГц. Измеряемую частоту определяют с помощью градуировочных таблиц или графиков. Погрешность измерения

Резонансный частотомер с объемным резонатором настраивается передвижением подвижного поршня (плунжера). Возбуждаемые внутри полости резонатора стоячие волны бывают различных типов. Это зависит от способа введения возбуждающего электромагнитного поля. При возбуждении цилиндрического резонатора через отверстие в центре торцевой стенки (рис. 8-8, а) возникают колебания типа Из электродинамики известно, что собственная длина волны в резонаторе связана с его диаметром и высотой I следующей зависимостью:

Если положить то

При возбуждении полости резонатора через отверстие в его боковой стенке возникают колебания тина Поле этих волн характерно отсутствием токов проводимости между торцевой и цилиндрической стенками резонатора, что позволяет применить для настройки бесконтактный плунжер. Проникающая при этом в нерабочее пространство за поршнем энергия поглощается предусмотренным для этой цели покрытием, нанесенным на левую (рис. 8-8, б) поверхность плунжера.

Рис. 8-8. Схемы частотомеров с объемными резонаторами

Зависимость собственной длины волны типа от размеров резонатора определяется выражением

Если для этого резонатора также положить то

Шкала настройки частотомеров с объемными резонаторами градуируется с помощью измерительного генератора соответствующего диапазона частот. Следовательно, главным источником погрешности градуировки является погрешность установки частоты по шкале генератора. Чтобы не усугублять погрешность измерения неточностью настройки в резонанс, добротность объемного резонатора доводят до очень высокого значения. Это достигается полировкой и золочением внутренней поверхности резонатора; при этом добротность достигает Все же погрешность составляет . К недостаткам частотомеров с объемными резонаторами относится малое перекрытие, что приводит к необходимости иметь большое их число для измерения нужного диапазона частот.

Частотомеры с распределенными параметрами по способу включения в измеряемую цепь разделяют на проходные и поглощающие. Проходной частотомер снабжен двумя элементами связи — входным для связи с электромагнитным полем и выходным для связи с индикатором. Момент

настройки в резонанс определяют по максимальному показанию индикатора (рис. 8-9, а). Поглощающий частотомер имеет один элемент связи — входной, а индикатор включают в линию передачи (рис. 8-9, б).

Рис. 8-9. Проходной (а) и поглощающий (б) частотомеры

Пока частотомер не настроен в резонанс, показания индикатора максимальны; при настройке часть энергии поглощается в резонаторе и показания индикатора уменьшаются.

Источник