Измерение частоты

Резонансный метод

Резонансный метод измерения частоты пригоден для любых частот, на которых можно обнаружить явление электрического резонанса. Структурная схема реализации этого метода приведена на рис. 9.3 рис. 9.3. Источник напряжения измеряемой частоты fx; момент резонанса фиксируется по индикатору И, а измеряемая частота или длина волны определяется по шкале механизма настройки измерительного контура. Резонансный метод применяется только на высоких частотах – от 50 кГц и выше, так как на низких измерительный контур слишком громоздок.

Рис. 9.3. К измерению частоты резонансным методам

Погрешность измерения резонансным методом зависит от многих параметров и характеристик, главные из которых следующие: значение добротности измерительного контура, точность его настройки в резонанс, температура и влажность окружающего воздуха, точность градуировки шкалы механизма настройки и отсчета по ней, ширина диапазона измеряемых частот.

Резонансные частотомеры с сосредоточенными параметрами.

В диапазоне частот от 50 до 200 МГц измерительный колебательный контур представляет собою образцовый конденсатор переменной емкости, к которому присоединяют одну из сменных катушек индуктивности (рис. 9.4 рис. 9.4), такая конструкция обеспечивает довольно широкий общий диапазон измеряемых частот при сравнительно узких частных поддиапазонах, например диапазон 50 кГц – 50 МГц при 6 сменных катушках.

Для измерения частоты в диапазоне от 200 до 1000 МГц используют измерительный колебательный контур смешанного типа: емкость сосредоточенная, индуктивность рассредоточенная. Такая конструкция обеспечивает перекрытие значительного диапазона частот без механического переключения элементов контура.

Рис. 9.4. Схема резонансного частотомера с сосредоточенными параметрами

Резонансные частотомеры с распределенными параметрами

Колебательный контур частотомера в зависимости от диапазона измеряемых частот выполняют либо в виде отрезка коаксиальной линии, либо в виде объемного резонатора.

Коаксиальную линию настраивают в резонанс изменением длины ее внутреннего проводника, объемный резонатор – изменением его внутреннего объема. Точные механизмы настройки градуируют в безразмерных делениях с большим числом отсчетных точек. Для определения измеряемой частоты к каждому частотомеру прилагают индивидуальные градуировочные таблицы. Некоторые частотомеры градуируют непосредственно в единицах частоты или длины волны.

Полуволновый резонансный частотомер. Колебательный контур полуволнового частотомера представляет собою закороченный отрезок коаксиальной линии, длина которого изменяется перемещением поршня П (рис. 9.5 рис. 9.5).

Рис. 9.5. Схема полуволнового частотомера

Резонанс наступает каждый раз, когда длина отрезка линии становится приблизительно равной половине длинны волны измеряемого колебания:

Полуволновые резонансные частотомеры применяют в диапазоне частот 2,5 - 10 ГГц. Добротность таких частотомеров составляет 1000 - 2000 единиц, что в сочетании с хорошим микрометрическим отсчетным устройством обеспечивает погрешность от до .

Четвертьволновый резонансный частотомер. Колебательный контур этого частотомера выполнен в виде разомкнутого отрезка коаксиальной линии (рис. 9.6 рис. 9.6).

Рис. 9.6. Схема четвертьволнового частотомера

Настройка его осуществляется изменением длины l, равной нечетному числу четвертей волн измеряемого колебания:

где n – целое число; измерением длины внутреннего проводника при двух соседних резонансах можно найти значение половины длины волны:

Четвертьволновые частотомеры применяются на частотах от 600 до 10 000 МГц. Погрешность измерения частоты лежит в пределах от до .

Резонансный частотомер с нагруженной линией. Полуволновые и четвертьволновые частотомеры имеют малое перекрытие диапазона измеряемых частот (1,3 - 1,5). Для расширения разомкнутая коаксиальная линия нагружается емкостью, образуемой торцами внутреннего и наружного проводников (рис. 9.7 рис. 9.7).

Рис. 9.7. Схема частотомера с нагруженной линией

Резонанс в нагруженной линии наступает при выполнении условия

где D – внутренний диаметр наружного проводника, d – внешний диаметр внутреннего проводника. При настройке такой линии одновременно изменяются и ее длина, и емкость нагрузки, вследствие чего перекрытие возрастает до 3 и даже 4. Двумя частотомерами с нагруженной линией перекрывается диапазон частот от 150 до 1500 МГц. Измеряемую частоту определяют при помощи градуировочных таблиц или графиков. Погрешность измерения равно .

Резонансные частотомеры с объемными резонаторами. Представляют собой замкнутые полости, ограниченные металлическими стенками. Внутри полости образуются стоячие волны электромагнитного поля, длина которых зависит от типа возбуждаемой волны и от геометрических размеров полости.

В зависимости от способа введения в полость резонатора возбуждающего электромагнитного поля в ней возникают колебания различных типов.

Для уменьшения погрешности измерения повышают добротность резонаторов. Добротность достигает 10 000 - 30 000 единиц.