38. Панорамные измерители амплитудно-частотных хар-к цепей.
Панорамные автоматизированные измерители АЧХ, построенные на основе генератора с качающейся частотой и электронно-лучевого индикатора. Структурная схема панорамного измерителя АЧХ:
Основой прибора является генератор качающейся частоты ГКЧ, охваченной петлей стабилизации амплитуды с блоком автоматической регулировки амплитуды АРА. Изменение частоты генератора производится чаще всего по пилообразному закону сигналом генератора модулирующего сигнала ГМС, напряжение которого одновременно поступает на горизонтально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки ЭЛТ. Синусоидальный сигнал с переменной частотой и постоянной амплитудой от ГКЧ поступает на исследуемый четырехполюсник X, вызывая на его выходе отклик пропорциональный АЧХ четырехполюсника. Синусоидальный отклик детектируруется детектором Д, затем усиливается линейным усилителем постоянного тока У и поступает на вертикально - отклоняющие пластины ЭЛТ. Для создания частотной шкалы на экране ЭЛТ используется генератор частотных меток ГЧМ, жестко синхронизированный с перестройкой частоты ГКЧ, иначе невозможно наблюдение неподвижных частотных отметок. Калибровку по амплитуде производят замыканием накоротко исследуемого четырёхполюсника при его предварительном включении.
39. Измерение мощности в цепях звуковых и высоких частот.
В диапазоне звуковых и более высоких частот применение электродинамических приборов недопустимо из-за большого влияния паразитных ёмкостей и значительной индуктивности катушек. Поэтому на частотах до 1МГц используют квадратичные преобразователи, в качестве которых используются либо полупроводниковые диоды, либо термоэлектрические преобразователи. Работа таких ваттметров поясняется по структурной схеме, где в качестве квадраторов используются вышеупомянутые преобразователи.
Подавая на вход схемы напряжение u=Um*sinωt, пропорциональное напряжению на нагрузке и напряжению Ri, пропорциональное току через нее i = Im sin(ωt + φ), на выходе перемножителя с квадраторами сигнал будет содержать постоянную и переменную составляющие 4Rui = 4Ruicosφ-4RUI cos(2ωt- φ).
Постоянная составляющая этого напряжения, пропорциональная мощности UIcos φ), измеряется магнитоэлектрическим прибором. Приборы называются по типу применяемых преобразователей: выпрямительными или термоэлектрическими. Поскольку на измерительный прибор ответвляется только часть мощности, выделяемая на нагрузке, приборы эти относят к ваттметрам проходящей мощности, в отличие от ваттметров, где вся мощность поглощается в измерительном приборе.
40. Измерение мощности на СВЧ Калориметрический, термоэлектрический, терморезистивный ваттметры: принцип действия, погрешности.
Калориметрический метод относится к наиболее точным при измерении высокочастотной мощности. Используется при измерении больших и средних мощностей в широком диапазоне частот (до сотен ГГц). Метод основан на преобразовании электрической энергии в теплоту, которое нагревает некоторое рабочее тело. Нагрев осуществляется либо в статических, либо в проточных калориметрах. В качестве нагреваемого тела обычно используется вода. В наиболее часто применяемых проточных калориметрах вода, протекая через резервуар, в который помещена нагрузка, нагревается. По разнице температур на входе и выходе, измеряемой термометрами T1 и Т2 определяют значение падающей в нагрузке мощности. При непосредственном измерении вместо термометров устанавливают термопары при встречном включении и по микроамперметру определяют мощность. В технических измерениях калориметрический метод позволяет определить мощность с погрешностью 5-7%.
Болометрический и термисторный методы основаны на изменении сопротивления терморезистора, помещенного в волноводный или коаксиальный СВЧ - преобразователь, в котором создаются условия для рассеивания на нём всей измеряемой мощности, как на оконечной нагрузке. Терморезистор зачастую включают в мостовую схему, работающую на постоянном или низкочастотном токе. По разбалансу моста от изменения сопротивления терморезистора определяют значение падающей мощности. Болометр представляет собой тонкую вольфрамовую нить (3-5 мкм) длиной меньше 0,1 X, запаянную в стеклянный баллончик.
Они имеют положительный температурный коэффициент, невысокую чувствительность и сопротивление 5-10 Ом. Допустимая мощность рассеивания таких болометров до 2 Вт на частотах до 1 ГГц. На частотах до 10 ГГц используются плёночные болометры, имеющие сопротивление до нескольких сот омов. Термистор изготавливают из полупроводникового материала с впрессованными в него тонкими платиновыми проводниками. Бусинку из такого материала помещают в стеклянный баллончик. Сопротивление термистора изменяется в широких пределах и имеет отрицательный температурный коэффициент. Для улучшения согласования рабочая точка термистора регулируется предварительно подогревом постоянным током или током низкой частоты. Чувствительность термисторов в несколько раз выше чувствительности болометров, потому они применяются для измерения малых и очень малых мощностей в диапазоне частот до 100 ГГц. Погрешность термисторных ваттметров без учета рассогласования составляют 3-10%, болометрических до 1,5%.
Пондеромоторный метод измерения мощности на СВЧ заключается в использовании механического (пондеромоторного) действия электромагнитного поля на тела, расположенные в поле, воздействия индуцированных в них электрических зарядов и токов.
Подобные ваттметры измеряют проходящую мощность более 1 Вт в диапазоне частот свыше 1000 МГц с точностью 1-1,5%.
41. Измерение коэффициента гармоник сигнала.
42. Параметрические преобразователи неэлектрических величин в электрические(параметрические датчики). Виды, достоинства, недостатки, области применения.
Выходной величиной таких ИП является параметр электрической цепи (R, L, М, С). Для обеспечения процесса измерения с помощью таких ИП требуется внешний источник питания.
1)Реостатные преобразователи.
Основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины - перемещения.
Измерительные цепи: равновесные и неравновесные мосты, делители напряжения.
Достоинства:
-Высокая точность преобразования
-Большие выходные сигналы
-Простота конструкции
Недостатки:
-наличие скользящего контакта, что приводит к достаточно быстрому износу.
Погрешности:
-Температурная
-Дискретности
Область применения: для преобразования относительно больших перемещений и других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (усилие, давление, уровни жидкостей и т.д.).
2)Тензочувствительные
Основаны на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации.
K=(ΔR/R)/( Δl/l) – коэффициент тензочувствительности.
Погрешности:
-сильная температурная зависимость сопротивления тензорезистора
Достоинства:
-линейность статической характеристики преобразования;
-малые габариты и масса, простота конструкции.
Недостатки:
-Относительно малая чувствительность.
-Плохая воспроизводимость параметров.
Область применения: для измерения деформаций и других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в деформацию - усилий, давлений, моментов, ускорений и т.д.
3)Терморезисторы
Основаны на зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры. По режиму работы делятся на:
-перегревные,
-без преднамеренного нагрева.
По виду материала, из которого изготовлены терморезисторы, различают:
-металлические терморезисторы (болометры);
-полупроводниковые терморезисторы.
Измерительные цепи для терморезисторов - мосты, логометрические приборы.
Погрешности:
-отклонение характеристики преобразования от номинальной;
-изменение сопротивления внешних цепей (соединительные провода, контакты).
Достоинства:
-Достаточно высокая чувствительность, особенно у полупроводниковых терморезисторов.
-Малая инерционность (высокое быстродействие).
-Относительно малые размеры (особенно у термисторов).
-Высокая надежность и малая стоимость.
Недостатки:
-Малые значения начальных сопротивлений у металлических терморезисторов.
-Узкий диапазон рабочих температур для полупроводниковых терморезисторов.
-Плохая воспроизводимость характеристик для полупроводниковых терморезисторов.
Область применения: терморезисторы без преднамеренного перегрева - измерения температуры и физических величин, которые могут быть преобразованы в температуру. Перегревные терморезисторы - для измерения самых различных физических величин.
4)Электролитические(кондуктометрические) преобразователи
Основаны на зависимости электрического сопротивления раствора электролита от его концентрации, площади соприкосновения с электродами и других факторов.
Измерительные цепи: мосты.
Погрешности:
-Сильное влияние на проводимость электролита температуры окр.среды.
-за счет электролиза при протекание измерительного тока.
Области применения: для измерения концентрации раствора, а также перемещений, скорости, температуры.
5) Индуктивные преобразователи
Основаны на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи.
Измерительные цепи: равновесные и неравновесные мосты для чисто индуктивных ИП, а для трансформаторных ИП - вольтметры или компенсаторы.
Достоинства:
-Значительные по мощности выходные сигналы.
-Простота конструкции, высокая надежность.
Недостатки:
-Обратное воздействие ИП на исследуемый объект (реакция якоря). Дело в том, что при протекании измерительного тока через обмотки, возникает электромагнитное поле, противодействующее первичному возмущению.
-Высокая инерционность (относительно малое быстродействие).
Область применения: для преобразования линейных и угловых перемещений, а также усилий, давлений, моментов и прочих физических величин.
6)Емкостные преобразователи
Основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.
Достоинства:
-Простота конструкции.
-Высокая чувствительность.
-Малая инерционность.
Недостатки:
-Сильное влияние внешних электрических полей, температуры, влажности.
-Относительная сложность цепей включения и необходимость в источниках питания высокой частоты.
7)Ионизационные
Основаны на явлении ионизации газа или люминесценции некоторых веществ под воздействием ионизирующего излучения.
Погрешности:
-С течением времени интенсивность излучения источника уменьшается за счет естественного распада.
-Ядерный распад носит случайный характер как по времени распада и по траектории частицы распада, так и по захвату частиц веществом. Для уменьшения случайной погрешности необходимо увеличить время измерения.
Достоинства:
-Возможность бесконтактных измерений.
-Отсутствие влияния изменения внешних условий (температура, давление, напряжение питания и др.).
Недостаток: необходимость применения биологической защиты.
Область применения: измерения плотности и состава веществ, геометрических размеров, изделий, механических величин и т.д.
8)фотоэлектрические
Основаны на зависимости величины фототока или сопротивления ИП от освещенности преобразователя. Различают три вида преобразователей: с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом и фотогальванические.
Погрешности: погрешность достаточно велика, определяется старением, усталостью и зависимостью параметров преобразователей от температуры, отклонением от номинальной характеристики.
Достоинства:
-Высокая чувствительность фотопреобразователей.
-Высокое быстродействие (ФЭУ, фотодиоды).
-Возможность измерения без механического контакта с объектом измерения.
Недостатки:
-Сильная зависимость характеристик фоторезисторов и фотодиодов от температуры.
-Относительно малое быстродействие газонаполненных фотоэлементов.
Область применения. Для измерения освещенностей и других (несветовых) величин, которые могут быть преобразованы в силу света (концентрации растворов, частота и скорость углового и линейного перемещения и т.д.).
43. Генераторные преобразователи неэлектрических величин в электрические(генераторные датчики). Виды, достоинства, недостатки, области применения.
1)Термоэлектрические преобразователи
Основаны на термоэлектрическом эффекте, возникающем в цепи термопары.
Термопара представляет собой два отрезка проволоки, изготовленных из разнородных проводников (или полупроводниковых) и соединенных одним концом.
Измерительные цепи: магнитоэлектрические милливольтметры с предварительным усилением термоЭДС и потенциометры постоянного тока, в том числе автоматические.
Погрешности.
-Отличие от номинальной характеристики.
-Погрешность термоЭДС, обусловленная изменением температуры свободных концов термопары.
-Погрешность, обусловленная изменением внешнего сопротивления соединительных контактов и проводов в зависимости от температуры, степени окисления и т.д.
Достоинства: широкий диапазон рабочих температур.
Недостатки.
-Относительно малая чувствительность.
-Необходимость обеспечения постоянства температуры свободных концов термопары (иногда применяется термостатирование).
Область применения. Для измерения температуры и других физических величин, которые преобразуются в температуру.
2)Индукционные преобразователи
Основаны на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому ЭДС, индуцированная в катушке
Индукционные преобразователи служат для измерения скорости линейных и угловых перемещений.
Погрешности.
-За счет изменения магнитного поля во времени и от температуры.
-Погрешность, определяемая величиной потребляемого измерителем от преобразователя тока.
-Изменение сопротивления обмоток за счет изменения температуры.
Достоинства:
-простота конструкции, высокая надежность;
-высокая чувствительность.
Недостаток: ограниченный частотный диапазон измеряемых величин.
3)Пьезоэлектрические преобразователи
Основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под влиянием механических напряжений.
Погрешности.
-За счет нестабильности параметров входной цепи измерителя.
- из-за несовершенства материала преобразователя.
-Погрешность, обусловленная поперечным пьезоэффектом.
-За счет наводок от внешних электромагнитных полей.
-Погрешность, обусловленная зависимостью характеристик материала от температуры.
Достоинства: высокая стабильность свойств.
Недостатки:
-Возможность измерения только переменных величин.
-Достаточно жесткие требования к измерительным приборам в части стабильности входных параметров.
Области применения: используются для измерения переменных усилий, давлений, параметров вибраций, ускорений, температур и т.д.
4)Гальванические
Основаны на зависимости ЭДС гальванической цепи от химической активности ионов электролита, т.е. от концентрации ионов и окислительно-восстановительных процессов в электролите.
Применяются для определения реакции раствора (кислая, нейтральная, щелочная), которая зависит от активности водородных ионов раствора, а также для измерения концентрации ионов в растворе.
Измерительные цепи: электронные вольтметры, компенсаторы, потенциометры.
Погрешности.
-За счет конечного Rex измерительной цепи. При измерении ЭДС через раствор протекает ток, происходит электролиз, что приводит к погрешности.
-При протекании измерительного тока на большом внутреннем сопротивлении электролита падает напряжение, что приводит к погрешности измерения.
-Температурная погрешность.
5)Гальваномагнитные преобразователи
Основаны на физических эффектах, возникающих в находящихся в магнитном поле твердых телах при движении в них заряженных частиц (при протекании тока). Известны эффекты Холла и Гаусса.
Погрешности:
-Нелинейность характеристики (0,1-10% при изменении индукции В в пределах 0-е-10 Тл).
-Нестабильность чувствительности (0,1-е-1 % в год).
-Наличие и дрейф остаточного напряжения (ЭДС Холла при В=0).
-Температурная погрешность.
Основная погрешность при малых В обычно составляет десятые доли процента.
Достоинства. Возможность измерения как постоянных, так и переменных магнитных полей. Хорошее пространственное разрешение благодаря малым размерам преобразователя.
Недостаток. Сравнительно большая зависимость ЭДС Холла от температуры.
Область применения. Измерение магнитных полей и измерение неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в ток и магнитную индукцию.
44.Автоматизация измерений: микропроцессорные СИ, информационно-измерительные системы.
Наиболее широкое распространение получили отдельные измерительные приборы с использованием микропроцессоров или микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ в этом случае встраиваются непосредственно в приборы и производят всю логическую и математическую обработку информации программными методами. При этом ЭВМ выполняет функции управления процессом измерения (контроллера), математической обработки результатов измерений (вычислителя) и преобразования информации к виду, необходимому для отображения на средствах индикации, а также для передачи на внешние устройства.
Микро-ЭВМ может использоваться в самых различных цифровых измерительных приборах и выполнять различные функции в соответствии с программой. При этом можно указать следующие достоинства использования ЭВМ в СИ:
1). Сокращается время проектирования и изготовления измерительных приборов вследствие хорошей проработки программных и технологических средств вычислительной техники.
2). ЭВМ позволяет реализовать сложнейшие алгоритмы измерений, ранее невозможные из-за технических трудностей.
3). Обеспечивается многофункциональность приборов. Возможно совмещение измерения различных физических величин в одном приборе.
4). Расширение измерительных возможностей приборов - использование косвенных и совокупных измерений.
