Вопрос 51. Цифровые вольтметры развёртывающего и интегрирующего преобразований.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) автоматически преобразуют непрерывную измеряемую величину или ее аналог (физическую величину, пропорциональную измеряемой} в дискретную, выполняют цифровое кодирование и выдают результат измерения на цифровое табло прибора в десятичном коде для визуального отсчета и в двоичном коде для ввода в компьютер или на цифропечатающее устройство. Термин «дискретный» применяют не только по отношению к дискретизации по времени, а дискретный по уровню - к квантованию. Квантование используют при представлении сигнала в цифровой форме с помощью цифрового кодирования, поскольку уровни можно пронумеровать числами с конечным числом разрядов.

Цифровое кодирование - операция условного представления числового значения величины цифровым кодом, т. е. последовательностью цифр (сигналов), подчиненных определенному закону.

Таким образом, в процессе измерения в ЦИП осуществляется автоматическое преобразование значений непрерывной измеряемой величины Н в ограниченное количество дискретных значений Д.

Код можно представить в виде электрических сигналов, где носителем информации является не значение физической величины, а временное или пространственное расположение этих сигналов.

По сравнению с аналоговыми приборами ЦИП имеют ряд достоинств: объективность, удобство отсчета и регистрации результатов измерения; высокую точность измерения до 0,001% при широком диапазоне измеряемых величин (0,1 мкВ - 1000 В); высокое быстродействие (до 10⁶ преобразований в секунду) из-за отсутствия электромеханических частей; полную автоматизацию процесса измерения (автоматический выбор предела и полярности измеряемых напряжений, коррекцию погрешностей); возможность непосредственного сочетания с ЭВМ, цифропечатающим устройством; возможность дистанционной передачи результатов измерений в виде кода без потери точности.

Недостатками ЦИП можно считать относительную их сложность и высокую стоимость. Но с применением интегральных схем эти недостатки существенно уменьшились.

Цифровые измерительные приборы многопредельны, универсальны, предназначены для измерения напряжения постоянного и переменного токов, частоты, фазы, сопротивления резисторов, емкости конденсаторов, отношения напряжений и других электрических, а также неэлектрических величин.

Цифровой код представляет собой последовательность цифр, подчиняющихся определенному закону, с помощью которого условно отображают численное значение измеряемой величины. В основе используемых цифровых кодов лежат различные системы счисления.

С точки зрения выполнения арифметических в логических операций удобной является десятичная система, поэтому результаты измерений во всех измерительных приборах выражаются в десятичной системе. В ЦИП в основном применяют устройства с двумя устойчивыми состояниями (триггер), позволяющие осуществлять кодирование в двоичной системе счисления.

Среди ЦИП особое место занимают цифровые вольтметры (ЦВ) постоянного тока. В отличие от аналоговых приборов они содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП), в котором выполняются операции квантования по уровню и кодирования, а также устройство цифрового отсчета. Цифровые вольтметры классифицируют по способу преобразования непрерывной величины в дискретную; структурной схеме АЦП; способу уравновешиваня.

По способу преобразования различают ЦВ с кодоимпульсным (поразрядным кодированием, взвешиванием), с время- и частотно-импульсными преобразованиями. В ЦВ с кодоимпульсным преобразованием происходит последовательное сравнение значений измеряемой величины с рядом дискретных значений известной величины, изменяющейся по определенному закону. Цифровой вольтметр с кодоимпульсным преобразованием называют еще вольтметром поразрядного кодирования. В ЦВ с времяимпульсным преобразованием измеряемая величина Ux преобразуется во временной интервал ∆x с последующим заполнением этого интервала импульсами N образцовой частоты, которые подсчитываются цифровым счетчиком. В ЦВ с частотно-импульсным преобразованием (интегрирующих) измеряемое напряжение Ux преобразуется в частоту f следования импульсов, которые подсчитываются за определенный интервал времени цифровым счетчиком.

По структурной схеме цифровые вольтметры делят на вольтметры прямого и уравновешивающего преобразования. В вольтметрах прямого преобразования отсутствует обратная связь с выхода на вход и непрерывная измеряемая величина непосредственно преобразуется в дискретную. В цепи прохождения сигнала имеется несколько преобразователей. Эти вольтметры отличаются относительно низкой точностью (из-за накопления погрешностей отдельных преобразователей в процессе преобразования), однако могут обеспечить максимально возможное быстродействие. В вольтметрах уравновешивающего преобразования обязательно имеется обратная связь, т. е. входная величина в процессе преобразования уравновешивается выходной. Так как выходной величиной преобразователя является код (цифра), обратный преобразователь называют цифроаналоговым преобразователем (ЦАП).

Аналого-цифровой преобразователь уравновешивающего преобразования обеспечивает максимально возможную точность за счет использования общей отрицательной обратной связи, но меньшее быстродействие.

52.Квантовый генератор - это устройство, генерирующее электромагнитное излучение за счет вынужденного испускания фотонов ансамблем микрочастиц. При термодинамическом равновесии системы микрочастиц, взаимодействующей с электромагнитным полем, вынужденное испускание фотонов много меньше поглощения их частицами. В этом случае вынужденное испускание, играя принципиальную роль в обеспечении термодинамического равновесия, не может привести к генерации. Для генерации необходимо обеспечить инверсию населенностей двух энергетических уровней частиц.

Вынужденное излучение возникает в результате одновременного, согласованного по частоте и направлению испускания электромагнитных волн огромным количеством атомов или молекул вещества под действием внешнего поля. Оно может происходить в широком диапазоне частот – от радиоволн до ультрафиолета и гамма-излучения.

Квантовая механика,., показала, что электроны в атомах могут занимать только вполне определенные энергетические уровни Е0, Е1, Е2 …. Уровень Е0, соответствующий наименьшей энергии, называется основным, остальные – возбужденными. Под действием кванта электромагнитного излучения электрон может перейти с одного уровня на другой, причем Е2 – Е1 = hv, где v – частота излучения, h – постоянная Планка. Если переход осуществляется с низкого уровня на более высокий, происходит поглощение кванта излучения. Обратный переход сопровождается его испусканием, причем частота и фаза возникшей и первичной волн в точности совпадают. Это излучение называется вынужденным.

Таким образом, в результате вынужденного излучения каждый квант, действующий на возбужденный атом, молекулу или ион, удваивается. И если количество возбужденных атомов вещества больше, чем его атомов в основном состоянии (такое положение называется инверсной населенностью, а само вещество – активным), вещество начинает усиливать проходящую сквозь него электромагнитную волну.

Вещество не только может усиливать электромагнитные волны, но одновременно и поглощает их. Величина усиления зависит от соотношения между числом актов вынужденного излучения и величиной потерь. Чем оно больше, тем больше коэффициент усиления. Его можно повысить, если заставить электромагнитную волну проходить активное вещество многократно, увеличивая число излученных квантов. Для этого вещество помещают в полость, ограниченную отражающими стенками – резонатор. Волну вводят в резонатор через отверстие связи в его стенке, и сквозь нее же выводят усиленное излучение, увеличивая тем самым потери. Поэтому коэффициент усиления такого квантового усилителя будет расти при уменьшении отверстия связи.

Если отверстие связи и поглощение внутри резонатора сделать очень малыми, приращение энергии волны за счет усиления станет больше ее потерь. Тогда амплитуда любого случайно возникшего в резонаторе электромагнитного колебания станет быстро возрастать – квантовый усилитель превратится в квантовый генератор электромагнитного излучения. Квантовые генераторы оптического диапазона называются лазерами.

Лазеры широко применяются в измерительной технике. Лазерные интерферометры (в них источником света служит лазер) используются для сверхточных дистанционных измерений линейных перемещений, коэффициентов преломления среды, давления, температуры. Например, рассмотренный выше гелий-неоновый лазер из-за излучения высокой стабильности, направленности и монохроматичности (полоса частот 1 Гц при частоте 1014 Гц) незаменим при юстировочных и нивелировочных работах.

53. Явление интерференции и его применение в метрологии.

Интерференция – взаимодействие двух и более когерентных волн. Обязательные условия интерференции: это когерентность, колебания в одной плоскости (или по крайней мере не в двух перпендикулярных плоскостях) и нахождение в одной точке пространства интерферирующих волн. Результатам интерференции двух волн будет

, где Δφ – разность фаз это характеристика поля.

Интерферометр - измерительный прибор, в котором используется интерференция волн. Существуют И. для звуковых и для электромагнитных волн: оптических (ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра) и радиоволн различной длины. Применяются И. весьма широко. Наибольшее распространение получили оптические И., о которых пойдёт речь ниже. Они применяются для измерения длин волн спектральных линий, показателей преломления прозрачных сред, абсолютных и относительных длин, угловых размеров звёзд и пр., для контроля качества оптических деталей и их поверхностей, для контроля чистоты обработки металлических поверхностей и пр.

Принцип действия всех И. одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных пучков, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе. В месте схождения пучков наблюдается интерференционная картина, вид которой, т. е. форма и взаимное расположение интерференционных максимумов и минимумов, зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, разности их оптических путей (оптической разности хода), относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света.

Методы получения когерентных пучков в И. очень разнообразны, поэтому существует большое число различных конструкций И. По числу интерферирующих пучков света оптические И. можно разбить на многолучевые и двулучевые.

Интерферометр Майкельсона

Пучок света от практически точечного источника S, находящегося в фокусе линзы, превращается этой линзой в параллельный пучок (часто в современных применениях этот пучок - просто лазерное излучение). Далее этот пучок полупрозрачным плоским зеркалом SM делится на два, каждый из которых отражается назад зеркалами М1,2 соответственно. Эти два отраженных пучка формируют на экране SC интерференционную картину, характер которой определяется соотношением форм волновых фронтов обоих пучков (см. рис. 2).

Именно, эти два пучка в точке нахождения экрана могут иметь различные радиусы кривизны волновых фронтов R1,2, а также взаимный наклон последних α. В частности, легко сообразить, что оба указанных радиуса окажутся одинаковыми, а α=0, тогда и только тогда, когда зеркала М1,2 оба плоские (или вообще одинаковой формы), и положение зеркала М1 в пространстве совпадает с зеркальным отражением М2 в делителе SM, то есть М2'

И. Майкельсона широко используется в физических измерениях и технических приборах. С его помощью впервые была измерена абсолютная величина длины волны света, доказана независимость скорости света от движения Земли.

Интерферометр Рэлея

В интерферометре Релея, предназначенном для измерения показателей преломления газов и жидкостей, использован, как и в опыте Юнга, метод деления волнового фронта. Источник в виде узкой щели S расположен в фокальной плоскости линзы L1 (см. рисунок).

Выходящий из нее параллельный пучок идет через диафрагму с двумя щелями S1 и S2, параллельными щели S. Пучки света от S1 и S2 проходят через кюветы K1 и K2 и образуют интерференционные полосы в фокальной плоскости линзы L2. Введение кювет, содержащих исследуемые газы или жидкости, требует значительного расстояния между S1 и S2, вследствие чего интерференционные полосы располагаются тесно и для их наблюдения требуется большое увеличение. Для этой цели удобен цилиндрический окуляр в виде тонкой стеклянной палочки, ось которой параллельна полосам. Кюветы занимают только верхнюю половину пространства между линзами L1 и L2, а внизу свет идет вне кювет. Благодаря этому возникает вторая система интерференционных полос с таким же расстоянием между полосами, которая может служить шкалой для отсчета. Верхняя система полос сдвинута относительно нижней, так как при прохождении света через кюветы появляется добавочная разность хода Δ=( n₂ – n₁)l, где n₁ и n₂ - коэффициенты преломления веществ, заполняющих кюветы; l – длина кюветы. По этому смещению определяют n₂ – n₁. В один из пучков ставится компенсатор, с помощью которого можно добиваться, чтобы плавно изменялась оптическая разность хода, противоположная по знаку той, которая обусловлена прохождением света через кюветы. Совпадение двух систем полос используется для установления полной компенсации разности хода.

Интерферометр Фабри-Перо

Интерферометр Фабри-Перо может быть выполнен в виде плоскопараллельной стеклянной или кварцевой пластины, на обе поверхности которых нанесены отражающие слои, либо в виде двух пластин, у которых покрытые отражающими слоями плоскости установлены строго параллельно друг другу и разделены воздушным промежутком.

Отражение света от двух параллельных плоскостей приводит к образованию локализованных в бесконечности (или фокальной плоскости линзы) интерференционных полос равного наклона. В некоторую точку P фокальной плоскости линзы собираются лучи, которые до линзы образуют с ее оптической осью один и тот же угол θ (см.рисунок).

Разность хода Δ двух соседних интерферирующих лучей определяется формулой: Δ=2nhcosθ^’. Максимумы интенсивности в проходящем свете расположатся там, где Δ составляет целое число длин волн:

2nhcosθ^’=mλ₀.

Линиям равных интенсивностей соответствует одно и то же значение угла θ, поэтому интерференционные полосы в фокальной плоскости линзы имеют вид концентрических колец с центром на оси линзы. Центру картины соответствует наибольший порядок интерференции. При этом расположение максимумов интенсивности будет таким же, как в полосах равного наклона при двулучевой интерференции. Однако для определения структуры максимумов в случае высокого коэффициента отражения светоделительных поверхностей необходимо учесть интерференцию всех приходящих в точку P волн, образующихся при многократных отражениях.

Применение в метрологии

Интерферометр Фабри-Перо применяется в метрологии для сравнения длины волны излучения эталонного источника с длинами волн других спектральных линий.

Наиболее точные сравнения концевых мер с первичным эталоном длины (излучением оранжевой линии криптона-86) также производятся с помощью этого интерферометра.

При исследовании формы контуров спектральных линий используют фотоэлектрическую регистрацию. Фотоумножитель (в отличие от фотопластинки) не обладает способностью пространственного разрешения, поэтому для измерения распределения интенсивности в центр интерференционной картины помещают круглую диафрагму и каким-либо способом изменяют оптическую толщину nh интерферометра. Тогда через центр последовательно проходят максимумы разных порядков всех компонент исследуемой линии, и фотоумножитель регистрирует изменения проходящего через отверстие диафрагмы потока излучения.

Размер диафрагмы выбирается так, чтобы вырезаемый ею спектральный интервал не превосходил существенно ширины отдельного максимума в монохроматическом свете - в противном случае уменьшится разрешающая способность (см. спектральные приборы). Сканирование обычно осуществляется изменением давления и, следовательно, показателя преломления газа, находящегося между отражающими поверхностями. Оптическую толщину можно изменять и перемещением зеркал. Это достигается изменением электрического напряжения, приложенного к изготовленному из пьезоэлектрического материала распорному кольцу между пластинами.