Волковой М.С. Метрология

311

Важной характеристикой поля является его поляризация, определяемая направлением вектора Е. Различают линейную, эллиптическую и круговую поляризации. Эллиптическая поляризация характеризуется непрерывным вращением вектора Е в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, с одновременным изменением его длины. При круговой поляризации длина вращающегося вектора не меняется. Наиболее распространена линейная поляризация, при которой вектор Е сохраняет свое направление. Относительно земной поверхности существуют две линейные поляризации: вертикальная и горизонтальная.

Основными методами измерения напряженности электрического поля являются методы эталонной антенны и сравнения [13]. В первом случае используется антенна известных размеров и формы, которая располагается в электромагнитном поле в плоскости, параллельной плоскости поляризации электромагнитной волны. В антенне индуцируется ЭДС e Ehд, где

hд – действующая высота эталонной антенны. Значение hд определяется

расчетным путем, а величина	e измеряется при помощи вольтметра или
амперметра. Напряженность	поля вычисляется по формуле E eh .
	д

В диапазоне длинных, средних и коротких волн напряженность электрического поля лучше определять по напряжению на выходе эталонной антенны; в метровом и дециметровом диапазонах – по току в антенне, а на волнах короче 30 см – по мощности.

Метод сравнения реализуется способами замещения и калибровки. Для измерений используется произвольная антенна. Напряжение, наводимое в антенне измеряемым полем, сравнивается с напряжением, индуцированным в той же антенне полем эталонного генератора. Измерительное устройство перед каждым измерением калибруется по эталонному генератору. Для измерения сильных полей вблизи источника излучения удобен метод эталонной антенны, реализуемый в измерителях поля, а для измерения слабых полей – метод сравнения, на основе которого работают измерительные приемники.

Измерители поля состоят из эталонной антенны и прибора для измерения в ней напряжения, тока или мощности. В качестве эталонной антенны можно использовать любую антенну, характеристики которой известны. При измерениях в диапазоне длинных, средних и коротких волн применяются рамочные антенны, в диапазоне метровых и дециметровых волн

– полуволновые вибраторы, а в диапазоне сантиметровых волн – рупорные антенны. Иногда пользуются и простыми штыревыми антеннами.

Измеритель поля с рамочной антенной представлен на рис. 4.2. Рамочная антенна в форме квадрата или кольца содержит от одного до N витков изолированного провода. Чтобы распределение тока в рамке можно было считать равномерным, длина одного витка должна быть меньше 8,

Рамочная

антенна

Электронный

вольтметр

Рис. 4.2. Измеритель поля

312

где – длина волны электромагнитного колебания, напряженность которого измеряется. Конденсатор переменной емкости служит для настройки индикатора на частоту источника излучения.

Для выполнения измерения измеритель настраивают на нужную частоту, а антенну ориентируют в пространстве до достижения максимального показания вольтметра. При этом плоскость рамки совпадает с направлением на источник излучения. Напряженность поля Е определяется выражением

E 3 108UcRpC0 SN,

где Uc – напряжение на конденсаторе; Rp – активное сопротивление антенны на рабочей частоте; C0 – емкость конденсатора в момент резо-

нанса; S – площадь рамки; N – число витков рамки.

Измерителями определяются интенсивности полей, напряженность которых превышает десятки милливольт на метр. Погрешность измерений составляет 30–40 %.

Измерительные приемники используются для измерения напряженности полей от доли микровольта на метр до 105 мкВ/м. Эти устройства представляют собой чувствительные радиоприемники с вольтметром на выходе. Для уменьшения погрешности перед каждым измерением шкалу выходного вольтметра калибруют по напряжению внутреннего калибровочного генератора.

4.2. Оптические измерения

Свет имеет электромагнитную природу. Его можно рассматривать как распространение энергии квантов или электромагнитных волн. Разным зонам спектра соответствуют названия: ультрафиолетовое (УФ) излучение, видимый свет, ближний, средний и дальний диапазоны инфракрасного (ИК) излучения. Видимый диапазон соответствует электромагнитному излучению с длинами волн от 0,4 до 0,9 мкм. УФ излучение характеризуется длинами волн менее 0,4 мкм, ближний ИК диапазон – 0,9–1,5 мкм, средний

– 1,5–4,0 мкм и дальний – 4–100 мкм.

Информативными параметрами оптического излучения являются интенсивность, распределение интенсивности в диапазоне частот (спектр), распределение интенсивности в пространстве (изображение), фаза и поляризация. С целью измерения оптическое излучение преобразуется в электрический сигнал с помощью специальных преобразователей (детекторов).

313

Детекторы электромагнитных волн, лежащих в спектральном диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного излучений, называются световыми детекторами (фотоприемниками). Фотоприемники предназначены для преобразования светового излучения в электрические сигналы. В качестве фотоприемников могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фотоэлементы, приборы с зарядовыми связями (ПЗС) и т.д.

Фотоэлектрические явления, на основе которых строятся фотоприемники, можно разделить на три основных вида:

изменение электропроводности вещества при его освещении – внутренний фотоэффект;

возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света (фотоэффект в запирающем слое используется в полупроводниковых фотоэлементах);

испускание веществом электронов под действием света – внешний фотоэффект (используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах).

В фоторезисторах используется явление изменения сопротивления вещества под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения. Основным элементом фоторезистора является полупроводниковая пластинка, электрическое сопротивление которой при освещении уменьшается. Изменение проводимости материала фоторезистора происходит за счет того, что кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны вещества и переводят их из валентной зоны в зону проводимости. Кроме того, они могут вызвать переход электронов из валентной зоны на примесные уровни и увеличение только дырочной электропроводности или переход электронов с примесных уровней в зону проводимости и увеличение электронной электропроводности.

Основной характеристикой фоторезистора является чувствительность – отношение выходной величины к входной величине. Чаще применяется токовая чувствительность, определяемая как отношение фототока IФ к световому потоку Ф или к освещенности Е:

SФ = IФ/Ф; SE = IФ/E.

Фотодиоды имеют структуру обычного p–n-перехода. В результате освещения полупроводника по обе стороны от p–n-перехода увеличиваются концентрации основных носителей заряда. Если p–n-переход разомкнут, то происходит накопление отрицательного заряда в n-области и положительного – в p-области. ЭДС, возникающая на выводах фотодиода при его освещении, называется фотоэлектродвижущей силой. Ее величина зависит от светового потока, облучающего p–n-переход. Если параллельно фотодиоду присоединить резистор, то в цепи пойдет ток. При этом фотодиод

314

работает в режиме генератора, преобразуя световую энергию в электрическую.

Однако чаще фотодиод включают в схему совместно с источником электрической энергии, положительный полюс которого подключен к n-области, а отрицательный – к p-области. Таким образом, на p–n-переход подается запирающее напряжение. Через фотодиод при отсутствии освещения протекает очень небольшой темновой ток. При освещении фотодиода поток носителей заряда через p–n-переход возрастает, увеличивается ток во внешней цепи.

Фототранзистор, как и обычный транзистор, имеет два p–n- перехода. Конструктивно фототранзистор выполнен таким образом, что световой поток облучает область базы. Фототранзистор можно рассматривать как комбинацию фотодиода и транзистора. Его характеристики аналогичны характеристикам фотодиода, но за счет усилительных свойств транзистора токовая чувствительность существенно выше.

Многоэлементные фотоприемники имеют плоскую решетку, обра-

зованную системой ортогональных проводников. Фоточувствительные элементы расположены в местах пересечения проводников и связаны с ними электрически. Электронные схемы управления обеспечивают последовательный опрос всех фоточувствительных элементов. В итоге получается полная информация о распределении светового потока по поверхности светочувствительной матрицы.

В качестве фоточувствительных элементов матрицы используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, приборы с зарядовыми связями.

4.3. Акустические измерения

Звуковыми волнами называются периодические сжатия и расширения среды (твердых тел, жидкостей и газов), происходящие с определенной частотой. Частицы среды совершают колебательные движения в направлении распространения волны, поэтому такие волны называются продольными механическими волнами. Название «звуковые» связано с диапазоном восприятия человеческого слуха, который приблизительно составляет интервал 20–20 000 Гц. Продольные механические волны ниже 20 Гц называются инфразвуковыми, а выше 20 кГц – ультразвуковыми.

Спектр звуковых волн может содержать одну гармонику определенной частоты либо набор гармонических составляющих с разными частотами. Интенсивность звуковой волны определяется как мощность, переданная через единичную площадь. Однако на практике звук чаще характеризуется не интенсивностью I, а уровнем β, определенным относительно

стандартной интенсивности I0	= 10-12 Вт/м2: β 10log	I	.
		I0

315

Величина I0 соответствует нижней границе слуха человеческого уха. Единицей измерения уровня звука является децибел (дБ).

Акустические преобразователи, предназначенные для измерения интенсивности звуковых волн, фактически являются датчиками давления. Преобразователи, работающие в слышимом диапазоне, называются микрофонами. В состав микрофона, как правило, входят диафрагма (мембрана) и преобразователь перемещения, преобразующий отклонение мембраны в электрический сигнал.

Основные характеристики микрофонов: частотный диапазон, в котором частотная характеристика имеет неравномерность не больше заданной; неравномерность частотной характеристики, выраженная в дБ; осевая чувствительность на частоте 1 кГц, измеряемая отношением выходного напряжения микрофона к величине звукового давления (мВ·м2/н).

Вшироко распространенных электродинамических микрофонах в

качестве преобразователя колебаний мембраны используется индукционный преобразователь, состоящий из цилиндрической катушки, соединенной с мембраной и помещенной в зазор магнитной системы, содержащей постоянный магнит. При колебании мембраны катушка перемещается в магнитном поле, и в ней наводится ЭДС, зависящая от амплитуды и частоты колебаний. Динамические микрофоны имеют существенную неравномерность частотной характеристики.

Электростатический микрофон, который еще называют конденса-

торным или емкостным, представляет собой плоский конденсатор с воздушным диэлектриком, одна из обкладок которого выполняет роль мембраны. При колебании мембраны изменяется зазор между обкладками и, соответственно, емкость и напряжение на конденсаторе. Конденсаторным микрофонам требуется высоковольтный (выше 100 В) источник питания, однако они имеют высокие чувствительность и равномерность частотной характеристики.

Впьезоэлектрическом микрофоне используется пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический микрофон состоит из тонкого диска, выполненного из пьезокерамики, с двумя электродами, нанесенными на обе плоскости диска. Пьезокристалл воспринимает акустические волны и преобразует их в электрический заряд. Пьезоэлектрические микрофоны применяют как в звуковом, так и, особенно успешно, в ультразвуковом диапазоне. Пьезоэлектрические микрофоны имеют высокую чувствительность и большую неравномерность частотной характеристики (15 дБ в диапазоне

100–5 000 Гц).

Электретный микрофон изготавливается на основе электрета. Электрет – это диэлектрический материал кристаллической структуры с постоянной электрической поляризацией. Электретный микрофон – это электростатический преобразователь, состоящий из металлизированной электретной мембраны и параллельной ей металлической пластины, отделенных

180º

Рис. 4.3. Характеристика направленности микрофона

0º

316

друг от друга воздушным зазором. Под действием поверхностного заряда электрета в воздушном зазоре создается электрическое поле. Слой металлизации и металлическая пластина соединены через резистор. Под действием акустической волны электрет перемещается, изменяя воздушный зазор, при этом на резисторе появляется напряжение. Электретные микрофоны могут работать в широком диапазоне (от 10-3 Гц до сотен кГц) и имеют неравномерность частотной характеристики в диапазоне 20–18 000 Гц не более 2 дБ.

Направленные микрофоны

Направленные микрофоны подразделяют на комбинированные, групповые и микрофоны с параболическим рефлектором [22]. Основными характеристиками направленных микрофонов являются характеристика (диаграмма) направленности и индекс направленности.

Диаграмма направленности – это чувствительность микрофона в зависимости от угла θ между рабочей осью микрофона и направлением на источник звука. Ее

270º 90º определяют для ряда частот или в пределах полосы частот. Обычно используют норми-

рованную характеристику направленности R (θ), т.е. зависимость отношения чувствительности Еθ, измеренной под углом θ, к осевой (максимальной) чувствительности

Еос:

R (θ) = Еθ/ Еос .

Графически характеристику направленности обычно изображают в полярных координатах (рис. 4.3).

Индекс направленности показывает выраженную в децибелах разницу уровней мощности сигналов на выходе микрофона от двух источников звука: одного, расположенного на оси, и другого – источника рассеянных звуковых волн (шума), если оба создают в точке расположения микрофона одинаковое акустическое давление. Иными словами, индекс направленности показывает величину подавления шума, приходящего с бокового направления, по отношению к сигналу, приходящему с направления, совпадающего с осью микрофона.

Комбинированные микрофоны обычно состоят из двух микрофонов. Один из них реагирует на величину звукового давления, а второй – на градиент давления, т.е. на изменение величины акустического сигнала. Индекс направленности таких микрофонов не превышает 6 дБ.

317

К групповым микрофонам относятся линейные группы микрофонов, располагаемых в ряд по прямой горизонтальной линии так, чтобы их оси были параллельны друг другу (рис. 4.4).

r

θ

d

Рис. 4.4. Линейная группа микрофонов

Электрические выходы микрофонов последовательно соединяют в специальном смесителе.

Характеристика направленности такой линейной группы R(θ), состоящей из N элементов, определяется как произведение характеристики направленности одиночного микрофона R1(θ) и характеристики группы:

R (θ) = R1 (θ) sin Nx ,

Nsin x

где x = π (d/λ) sin θ; d – расстояние между отдельными микрофонами; λ – длина волны акустического сигнала.

Чем меньше отношение длины волны λ к расстоянию, занимаемому группой микрофонов (N – 1)d, тем уже будет основной лепесток диаграммы направленности и больше индекс направленности. Так, например, для группового приемника, состоящего из шести ненаправленных микрофонов, расположенных с шагом d = 10 см, на частоте сигнала f = 1000 Гц (λ = 33 см), ширина основного лепестка диаграммы направленности равна 41º, а индекс направленности равен 8 дБ.

Трубчатый микрофон органного типа тоже использует свойство групповых антенн.

Конструкция трубчатого микрофона органного типа схематично показана на рис. 4.5. Он состоит из нескольких десятков тонких трубок 1. Длина трубки от нескольких сантиметров до метра. Трубки собраны в пучок – длинные в центре, короткие – по периферии. Ровно срезанные концы трубок сообщаются с предкапсюльным объемом 2. Микрофонный капсюль 3 электродинамического или электромагнитного типа.

	318
	θ
	А – А
	1
А	А
2
3

Рис. 4.5. Трубчатый микрофон органного типа: 1 – звуковые трубки; 2 – предкапсюльный объем; 3 – капсюль микрофона

Звуковые волны, приходящие по осевому направлению, поступают через трубки в предкапсюльный объем в одной фазе. Их амплитуды складываются арифметически. Звуковые волны фонового шума, приходящие под углом θ к оси, попадают в предкапсюльный объем сдвинутыми по фазе на угол, величина которого зависит от длины конкретной трубки. Поэтому амплитуды волн, прошедших через разные трубки, складываются геометрически. За счет этого сигнал фонового шума ослабляется. Индекс направленности трубчатых микрофонов около 8 дБ (шумы, действующие с боковых направлений, ослабляются по отношению к фронтальному сигналу почти в 10 раз). Основным недостатком таких микрофонов является сравнительно большая длина трубок.

Трубчатый щелевой микрофон представляет собой трубку с отверстиями или сплошной продольной прорезью по всей длине. С некоторым приближением такую трубку можно рассматривать как множество трубок разной длины, поэтому трубчатый щелевой микрофон относят к приемникам группового типа.

Если звук проходит по оси, то пути его распространения по трубке и через отверстия одинаковы и составляющие звукового давления от пришедших колебаний синфазны и, следовательно, их сумма, воздействующая

319

на диафрагму микрофонного капсюля, максимальна. Если же звук приходит под углом θ к оси трубки, то разность пути звука по всей трубке и пути от входа в трубку до входа в отверстие, находящееся на расстоянии d, обусловит сдвиг фаз, зависящий от величины θ. Между колебаниями, пришедшими через разные отверстия, создается сдвиг фаз различной величины, что приводит, как и в предыдущем случае, к уменьшению результирующего давления на диафрагму.

В фазированной решетке открытые торцы звуководов (трубок), воспринимающие воздействие звукового поля, расположены в одной плоскости. Все звуководы имеют равную длину и сходятся к некоторой полости, называемой акустическим сумматором, в которой расположен микрофонный капсюль. Если звук приходит с осевого направления, то все сигналы, распространяющиеся по звуководам, будут в одной фазе и их сложение в акустическом сумматоре даст максимальный результат. Если источник звука расположен под некоторым углом к оси, то сигналы в различных точках приемной плоскости будут разными по фазе и результат их сложения будет меньше. Число звуководов может достигать нескольких десятков, тем не менее фазированная решетка менее громоздка, чем микрофон органного типа, однако уступает ему в показателях направленности.

Устройство направленного микрофона с параболическим рефлекто-

ром иллюстрируется рис. 4.6.

3

2

1

3

Рис. 4.6. Направленный микрофон с параболическим рефлектором: 1 – микрофон; 2 – рефлектор; 3 – звуковая волна

Микрофон 1 размещен в фокусе отражателя 2 параболической формы. Звуковые волны с осевого направления, отражаясь от параболического зеркала, суммируются в фазе в точке фокуса. Возникает усиление звукового поля. Чем больше диаметр рефлектора, тем большее усиление может обеспечить устройство. Если направление прихода звука не осевое, то сложение отраженных от разных частей параболического зеркала звуковых волн, попадающих на микрофон, даст меньший результат, поскольку не все слагающие будут в фазе. Ослабление будет тем сильнее, чем больше угол между осью зеркала и направлением на источник звука.

320

Заключение

Электромагнитные, оптические и акустические поля могут переносить информацию. Для считывания информации необходимо измерять такие параметры полей, как амплитуда, фаза, поляризация, спектр и скорость распространения волны. В процессе измерения информационный параметр поля преобразуется в электрический сигнал с помощью специального преобразователя. При измерении напряженности электрического поля используются измерители поля и измерительные приемники. Для оптических измерений используются оптоэлектронные преобразователи, а для акустических измерений – микрофоны.