26. Резонансные частотомеры

Резонансный метод измерения частоты основан на явлении резонанса в колебательных системах. Его сущность состоит в сравнении измеряемой частоты с собственной резонансной частотой градуированного колебательного контура или резонатора. Резонансные частотомеры используются для измерения частоты непрерывных и импульсно-модулированных колебаний в диапазоне до 220 ГГц.

Обобщенная структурная схема резонансного частотомера (РЧ) (рисунок 4.1):

Колебательная система с помощью органов перестройки и индикатора настраивается в резонанс на частоту , а само значение отсчитывается по шкале органа перестройки.

В зависимости от диапазона измеряемых колебательная система может представлять собой контур с сосредоточенными или распределенными постоянными. Контуры с сосредоточенными постоянными в диапазоне частот до 100 МГц. В диапазоне 100 – 1000 МГц -- колебательные системы на основе контуров смешанного типа: сосредоточенная емкость (переменный конденсатор) и распределенная по ободу статора индуктивность. На частотах выше 1000 МГц -- контуры с распределенными постоянными: коаксиальные или объемные резонаторы. Практическое использование РЧ в настоящее время – диапазон СВЧ, где они выпускаются и применяются для нужд соответствующих ведомств и как самостоятельные приборы.

Коаксиальный полуволновой резонатор представляет собой отрезок коаксиальной линии, короткозамкнутой с одной стороны стенкой, а с другой стороны поршнем П. Индикатор резонанса состоит из детекторной секции и индикатора, в качестве которого при измерении непрерывных сигналов применяются МЭИП, а при измерении импульсно-модулированных сигналов - селективные измерительные усилители. Связь частотомера и источником и индикатором – индуктивная с помощью петель связи. Длина резонатора изменяется перемещением поршня П с помощью микрометрического механизма, снабженного соответствующей шкалой.

Моменту настройки в резонанс (максимальным показаниям индикатора) соответствует длина резонатора , где , что и используется при измерении .

Шкала отсчетного устройства может быть проградуирована и непосредственно в значениях . Конструкция органа перестройки определяется диапазоном измеряемых , который для рассматриваемого РЧ составляет (2,5-10) ГГц. На более низких частотах применяют РЧ с коаксиальными четвертьволновыми резонаторами, а не более высоких частотах – РЧ с волноводными резонаторами. РЧ с волноводными резонаторами по конструкции и алгоритму измерения аналогичны РЧ с коаксиальными резонаторами.

Рисунок 4.2 – Схема частотомера с полуволновым резонатором

Точность резонансных частотомеров определяется точностью настройки их в резонанс, которая зависит от добротности колебательной системы и чувствительности индикатора. Необходимая чувствительность индикатора обеспечивается с помощью усилителей. Добротность для коаксиальных резонаторов 1500 – 2000, а для объемных 5 – 10 тысяч. Чтобы обеспечить высокую добротность резонаторов их внутренние поверхности полируют и серебрят. Т.о. эта составляющая суммарной погрешности значительно меньше чем у частотомеров на контурах с сосредоточенными постоянными. Другими составляющими суммарной погрешности являются погрешность отсчетного устройства и погрешность из-за изменения внешних условий (температуры и влажности). Для уменьшения этого влияния применяются материалы с малым температурным коэффициентом расширения, температурная компенсация и герметизация резонаторов.

Относительная погрешность измерения РЧ, обусловленная неточностью настройки в резонанс и погрешностью отсчетного устройства:

(4.3)

где - добротность колебательной системы;

- погрешность шкалы отсчетного устройства;

- отсчет со шкалы.