Схемы измерения фазового сдвига на частотах оптического диа­пазона. На рис. 12-24 лриведена схема светодальномера, который

состоит из генератора Г1 гармониче­ских колебаний, полупроводниково­го лазера Г, фотоприемника ФП и фазометра. Излучение лазера Г, мо­дулированное по амплитуде, распро­страняется до уголкового отражате­ля УО, установленного на расстоя­нии D_x от дальномера. Отраженное излучение возвращается к фотоприем­нику ФП. Время распространения волны до отражателя и обратно со­ставляет t = 2D_xti!c. За это время фаза напряжения, питающего лазер, изме­нится на величину ср* = со₀t — со₀2D_xti/c, где со₀ — частота модуля­ции; п — показатель преломления среды. Сдвиг фаз <р_х измеряется с помощью фазометра.

Порог чувствительности современных промышленных высоко­частотных фазометров составляет около 0,1°, что при частоте моду­ляции /о = 10 МГц и n ^ 1 соответствует D_x ность результатов измерения опреде­ляется стабильностью частоты модуля­ции и постоянством условий на пути светового потока.

На рис. 12-25 показан принцип дей­ствия интерферометра Майкельсона, в котором для измерения фазового сдви­га оптических колебаний использовано преобразование на основе явления ин­терференции фазового сдвига в интен­сивность света. Интерферометр состоит из лазера Г, светоделителя СД, двух зеркал 31 и 32. Пучок света Ф₀ проходит через светоделитель СД и разделяется на два

Рис. 12-24

4. мм. Стабиль- 31

1-2

СД

1 Ф₂

\32

Фо

Ф

срп

г®

Рас. 12-25

пучка Ф_г и Ф₂, которые, отразившись от зеркал, вновь попадают на светоделитель, где объединяются и интерферируют. Полученный в ре­зультате интерференции пучок света Ф преобразуется фотоприемин- ком ФП в соответствии с выражением (12-3). Разность фаз ср зависит от разности длин оптического пути ср = 2л (1_г — /₂) Д и длины волны X излучения. Предположим, что под действием измеряемой величины зеркало 31 переместилось на расстояние 1_Х от исходного положения, определяемого расстоянием /₀ = 1_Х = 1₂• В этом слу­чае фаза изменится на величину cp._v = 2nl_xfk = 2лЫ_х, где N_x = (гД — общее число полных периодов фазы, укладывающихся на отрезке /_Л-.

Таким образом, считая число экстремумов функции V — 0,5{/_о (1 + + cos 2nl_xIX) и зная длину волны X излучения, можно измерить перемещение 1_Х.

На рис. 12-26 показан принцип* действия пьезооптического пре­образователя механических напряжений, основанного на явлении фотоупругости.

Первоначально изотропный упругий чувствительный элемент в виде прямоугольной прозрачной призмы 4 находится в условиях одноос­ного напряженного состояния под действием силы F_x. Пучок света от источника 1 поляризуется поляризатором 2 (например, поляроид- ной пленкой) в плоскости, наклоненной под углом 45° к направле­нию главной деформации, которое в данном случае совпадает с на­правлением действия силы F_x. Поляризованные лучи А и В проходят

и 5/?, один из которых скрещен с поляризатором 2, а второй парал­лелен ему. После анализаторов лучи А и В падают соответственно на фотоприемники 6а и 6д.

Интенсивность света, попадающего на приемник 6_В, определяется, как было показано выше [см. рис. 12-6 и формулу (12-3)1, выраже­нием = /о sin² [(2лДА + ос₀) /2], интенсивность света, попадаю­щего на приемник — как /₂ = /₀ cos² [(2лА/X + а₀) /2], где а₀ — фазовый сдвиг, вносимый пластиной 4. Зависимость разности хода А от деформации е_п определяется как Д = n;*/ (p_u — р₁₂) е_ш где п₀ — показатель преломления фотоупругого материала в ненапряженном состоянии; I — длина образца в направлении просвечивания; р_п и р₁₂ — упругооптические коэффициенты, являющиеся тензорами четвертого ранга (см. § 4-5). Выходное напряжение диагонали моста» в который включены фотоприемники, пропорционально разности их освещенностей: U_BVa = U_A — U_B — ^h cos (2яДЛ + a₀). При a₀ = = л/2 и малых a = 2лДМ, можно считать cos (я/2 + а) « а и U_BbIK — = 1М₀2пп*1 (Рп — р₁₂) М 6ц.

На основе пьезооптических преобразователей в МГУ им. М. В. Ло­моносова (Институт механики) разработан ряд приборов: датчики давления, акселерометры, силоизмерители, тензометры. В част-

кости, пьезооптические акселерометры имеют предел измерений 50—1000 g при собственной частоте 4—15 кГц, порог чувствитель­ности около Ю^-4 (от предела измерений) и погрешности 0,2—1,5%. При измерении статических величин температурная погрешность

составляет 0,1%/К (дрейф нуля) и 0,05—0,1%/К (изменение чув­ствительности).

На рис. 12-27 показан принцип действия устройства «Трансоптик», предназначенного для дистанцион­ного измерения тока в линиях электропередачи.

«Трансоптик» представляет со­бой измерительную систему с фа- радеевским датчиком 1 (стеклян­ный стержень из тяжелого флинта), размещенным вблизи провода 2 линии электропередачи, в которой требуется измерить ток 1_Х. Пло- скополяризованное излучение Ф₀ от лазера 3 проходит в стержень 1 и, отразившись от торца с зеркаль­ным покрытием, возвращается на землю к приемной части.

Приемная часть системы содер­жит компенсационный фарадеев- ский датчик 4 с обмоткой, подклю­ченной через резистор 5 и ампер­метр к выходу усилителя 6\ два фотодиода 7 и 8_У подключенных к ин­вертирующему и неинвертирующему входам усилителя 6, и бианали- затор 9, световые потоки Ф_х и Ф₂ на выходе которого равны, если в системе не происходит поворота плоскости поляризации. При про­хождении светового луча че­рез датчик / плоскость по­ляризации луча поворачива­ется на угол пропорцио­нальный, как видно из выра­жения (12-4), напряженности Н_х и, следовательно, току /*. В компенсационном дат­чике 4 ток /_к направлен так, что сводит эффект вра­щения плоскости поляризации в датчике 1 к нулю, т. е. \р_х — яр_к =0. При идентичных оптических элементах датчиков 1 и 4 = *ф_к при /_к — I_x/w_K, где w_K — число витков датчика 4. Подобные системы называют иногда оптико-электронными трансформаторами тока.

Рис. 12-27

Схема измерения частоты и длины волны излучения оптического диапазона. На рис. 12-28 показана структурная схема преобразо­вателя с гетеродинным преобразованием частоты. Преобразователь

содержит источник опорного сигнала ИОС частоты v₀, светодели­тель СД, фотоприемник ФГ1_У усилитель Ус и частотомер. На свето­делитель поступают два пучка света: пучок света, частоту кото­рого v_x нужно определить, и опорный пучок. Эти пучки складываются и посылаются на фотоприемник. Световой поток, поступающий на фотоприемник, кроме постоянной составляющей Ф, содержит низко­частотную составляющую Ф (/) = Ф,„ cos (\_х — v₀) /. Если разност­ная частота v_BbIX — — v₀ находится в полосе пропускания элек­тронной схемы, то измерение этой частоты частотомером при извест­ном значении v₀ позволяет найти v* = v_BbIX 4- v₀.

Устройства с интерференционным преобразованием частоты стро­ятся на базе интерферометров с использованием модуляции излуче­ния по частоте,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — Л,: Энергия, 1980.

2. Ленк А. Электромеханические системы. Системы с сосредоточенными пара­метрами: Пер. с нем./Под ред. Н. В. Петькина. — М.: Мир, 1978.

3. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. — М.: Металлур­гия, 1980.

4. Малов В. В. Пьезорезонансныс датчики. — М.: Энергия, 1978.

5. Мирошников М* М. Теоретические основы оптикоэлектронных приборов. —« Л.: Машиностроение, 1977.

6. Прецезионные датчики угла с печатными обмотками/Л. Н. Сафонов, В. Н. Вол- нянский, А. И. Окулов, В. Н. Прохоров. — М.: Машиностроение, 1977.

7. Проектирование датчиков для измерения механических величин/Е. П. Осад- чий, А. И. Тихонов, В. И. Карпов и др. Под ред. Е. П. Осадчего. — М.: Машино­строение, 1979.

8. Спектор С. А. Измерение больших постоянных токов. — Л.: Энергия, 1978.

9. Средства измерений параметров магнитного поля/Ю. В. Афанасьев, Н. В. Сту- денцов, В. Н. Хорев и др —Л.: Энергия, 1979.

10. Электрические измерения неэлектрических величин/А. М. Туричин, П. В. Но­вицкий, Е. С. Левшина и др. Под ред. П. В. Новицкого. — Л.: Энергия, 1977,

11. Якушенков Ю. Г. Основы оптикоэлектронного приборостроения. — Мл Советское радио, 1977.

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

Абсорбция 129

Акселерометр 45, 119, 131, 311 Активность 226 Анализатор света 211 Аналог электрический 45 Анизотропия магнитная 193, 195

• оптическая 290, 292

Болометр 297

Вакуумметр 257 Вариетор 85 Веберметр 200

Величина входная естественная 5 Виброметр 200

Волны акустические поверхностные 129 Вольтметр электростатический 136

Газоанализатор 129, 257 Геркон 89 Гигрометр 129 Гистерезис механический 71 Голограмма 294

Датчик давления 39, 82, 101, 128. 135, 143. 311

• уравновешивания магнитоэлектри­ческий 171

Декремент затухания 41 Делитель лестничный 88

• многоступенчатый 87

• напряжения 85 индуктивный 169

• тока 85

Диск Корбино 222 Диссоциация 225 Добротность 41

Жесткость вносимая 175

Закон Гол и ци па—Вина 285

• Планка 285

• Стефана—Больцмана 285 Затухание контура 41 Защита эквипотенциальная 61

Индуктосин 188 Индукция насыщения 205

Индукция остаточная 163 Инерционность пневматическая 36

• тепловая 34 Интервалы группирования 13 Интерференция 293 Интерферометр Майкельсона 310 Ионистор 249

Калибровка 57 КНК-структура 101 КНС-структура 101 Когерентность 289 Компоненты напряжения 76 Конвекция 253

Конденсатор динамический 140 Контрэксцесс, погрешность определен

ния 15 Контур резонансный [48 Коррекция погрешностей 57, 218 Коэффициент активности 226

• барический 84, 93

• излучения 285

• Пуассона 67, 78

• температурный индукции 166 сопротивления 83, 265

• теизорезистивиый 94

поперечный 94

продольный 94

сдвиговый 94

• теизочувствителыюсти 93

• теплоотдачи 35

• теплопроводности 253

• трансформации 167

• электромеханической связи 47 Кривая видности 284

• размагничивания 163 Критезистор 275 Критерий Прандтля 254

• Рейнольдса 254

Лазер 296

Лампа газоразрядная 295

• накаливания 295 Лучеиспускание 254

Магнит 163 Магнитодиод 223

Магниторезистор 221 Масса эквивалентная 44 Матрица упругости 78 Мембрана, расчет 72 Механизм измерительный магнитоэлек­трический 178 ферродинамический 178

• — электродинамический 178

электромагнитный 178

электростатический 136

Микрофон конденсаторный 141 Модуль пьезоэлектрический 109

• сдвига 67, 78

• упругости 67, 78

• Юнга 67, 78 Момент вращающий 178

• инерции 41

• противодействующий 178 Монохроматичность 288 Мост измерительный 53

кназнуравновешенный 106

неравновесный 55

параллельно-симметричный 55

последовательно-симметричный 55

равновесный 58

Мощность допустимая 57, 81, 160, 173

Обмотка бифилярная 82 Оптрон 306 Освещенность 286

Ось кристаллографическая 78, 94, 111 Пироэлектрик 298

Плотность излучения спектральная 286

• среды оптическая 287 Погрешность, законы распределения 17 —, правила округления 16

—, правила суммирования *?7

• прогрессирующая 7

• с заданной доверительной вероят­ностью (доверительная) 9

• систематическая 6

• случайная 6

• средняя квадратическая 11 —, энтропийное значение 12 Податливость эквивалентная 44 Позистор 275

Показатель поглощения 287 Полуэлемеит каломельный 240

• хлорсеребряпый 240 Поляризатор света 291 Поляризация электродов 229 Помсхоподавленме 64, 119 Постоянная Больимана 83

• Планка 300

• Стефана—Бол ьцма на 285

• Холла 215

Потенциал электродный 227, 238

• злектрокинетический 231 Потенциалометр магнитный 199 Потери диэлектрические 133

- Преобразователь взаимоиндуктУщ- ный 186

• виброскорости 202 • — вихретоковый 190

• гальванический 238

• гальваномагнитный 214

• гальваномагниторекомбинацион- ный 223

• генераторный 5

• дифференциальный 101,105,142,186, 196, 236, 308

• емкостный 141

-— индуктивный 184

• индукционный 197

• кондуктомегрический 232

• контактного сопротивления 90

• контактный 89

• кулоиометрический 244

• магнитомодуляциоиный 204

• мйгниторезистивный 221

• магиитоупругий .191

• магнитоэлектрический 47, 170, 178

• ма г нитоэлектрогидр оди нам иче­ский 175

• множительный 155, 215

• неравновесия 171

• обратный 170

• параметрический 5

• перемещения 89, 90, 142, 184, 186, 206, 308, 310

• пироэлектрический 298

• полярографический 247

• пьезооптический 311

• пьезоэлектр и чес к ий 107

• реостатный 31, 90

• скорости 256

• тепловой 256

• трансформаторный 186

• угла поворота 189, 201

• Холла 214

• электромагнитный 50

• электростатический 50

• электрохимический 225 Проводимость магнитная 159 Проницаемость диэлектрическая 135 Пьезокерамика ИЗ Пьезомодуль 109 Пьезорезоиатор 113, 121 Пьезоэлемент биморфный 112, 120 —, срезы 111

Пьезоэффскт 108

• поперечный ПО

• продольный ПО

Разность потенциалов контактная 134 Расходомер иидукционш>н 203 Резонанс акустический 42, 121, 129

• механический 42

Результат, правила округления 16

Светимость 286 Светода ль номер 310

Светодиод 296 Свойства анизотропные 74

• динамические 34 Сердечник тороидальный 151 Сжатие гидростатическое 77, 93, 110 Сила магнитодвижущая 160

• электромагнитная 155 Согласование 52 Сопротивление вносимое 49

• линии 61

• утечки 61 Степень успокоения 41 Схема эквивалентная 45 магнитной цепи 157

Тахогеиератор 201 Тахометр 201, 213 Тензометр 92, 236, 311 Тензопреобразовател ь кондуктометри-

ческий 236 Тензор 74

• механических напряжений 76

• упругости 78 Тензорезистор 92

• термокомпенсировэнный 96

• фольговый 98 Тензоэффект 92 Теплоемкость 34, 252 Теплообмен 252 Теплопроводность 253 Термоанемометр 257 Термодиод 274 Термометр 277 Термопара 259 Терморезистор 265

• медный 265

• платиновый 265

• полупроводниковый 267 Термо-ЭДС 62, 259 Термозлектрод удлинительный 262 Токосъем емкостный 146 Торсион 67

Трансформатор измерительный 166

• постоянного тока 207

Указатель фазочувствительный 60 Усилитель заряда 116

• операционный 106, 116, 146, 270, 304

Успокоитель 179 Феррозонд 209 Фотоварикап 306 Фотодиод 364 Фотоприемник 299 Фоторезистор 301 Фотоумножитель 301 Фотоупругость 292, 311 Фотоэлемент 300

Характеристика преобразования номи­нальная 6 реальная 6

Частота собственная 41 Ч у вств и тел ь ность га л ьв а нома г и ит- ная 216«

• магнитоупругая 193*

Шум термодинамический 83, 302

ЭДС граничная 228

• Холла 215

Экран электростатический 63 Экспозиция 286 Экспонометр 307 Электрод водородный 239

• стеклянный 240 Электролиз 229 Электрометр 138 Электроосмос 231 Электрофорез 231 Элемент нормальный 243

• упругий 66

Эффект Баркгаузена 153, 211

• Видемана 193

• Гаусса 214

• Керра электрооптический 292

• Пельтье 260

• пироэлектрический 298

• поверхностный 82, 158

• Поккельса электрооптический 292

• Томсона 260

• Фарадея магнитооптический 292,312

• Холла 214

Эффективность преобразования 51 Яркость 286

ОГЛАВЛЕНИЕ

„ « j/".-i 1, 13

/ уd м У 1) 14

-в) 146

д 166

Vl 1 11 178

Rr _ \f 2 V \Г2 ■ 2,0 245

^ -(0,1 4-1,5) со- 277

Еш-чГ™ hKreOMy, 281

а) 1 xl 307

/ = у J [^sin(— + cpJJ = (12-2) 349

0,8 1,2 1,6 мкм 368

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 383

10-5. Полярографические преобразователи

10-6. Ионисторы

10-7. Электрокинетические преобразователи

„ « j/".-i 1, 13

/ уd м У 1) 14

-в) 146

д 166

Vl 1 11 178

Rr _ \f 2 V \Г2 ■ 2,0 245

^ -(0,1 4-1,5) со- 277

Еш-чГ™ hKreOMy, 281

а) 1 xl 307

/ = у J [^sin(— + cpJJ = (12-2) 349

0,8 1,2 1,6 мкм 368

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 383

Рис. 8-6

2. Электромеханические преобразователи электрического тока в электромагнитную силу. Эти преобразователи используются в элек­тромеханических приборах: амперметрах, вольтметрах, ваттметрах, частотометрах, фазометрах и в качестве обратных преобразователей датчиков уравновешивающего преобразования.

3. Индукционные преобразователи, основанные на законе элек­тромагнитной индукции е = —dWIdt и используемые для измерения

-Ф_Н) |

I 7^Г 7

11 X. X

Зависимости коэффициента трансформации ИТТ от значения на­грузки и относительного значения тока ///_ном представлены на рис. 8-18. Как видно из рис. 8-18, токовая погрешность (аналогично и погрешность напряжения для ИТН) может быть уменьшена, если приписать ИТТ номинальный коэффициент трансформации, несколько больший отношения витков, т. е. —

Индуктивные делители напряжения (ИДИ) в настоящее время широко применяются в измерительных устройствах. Лучшие индук- системе счисления коэф­фициентом деления т составлен из нескольких ступеней, каждая сту­пень состоит из 10 сек­ций. Для показанного на рис. 8-19 трехступенчатого делителя выход­ное напряжение U₂ = (0,1 т₁ + 0,01 т₂ + 0,001 m_s) U_v Одним из основных достоинств ИДН является то, что на его коэффициент деле­ния мало влияет подключаемое к выходным зажимам сопротивление нагрузки.

Для идеально выполненного ИДН коэффициент деления опреде­ляется только отношением числа витков, и поэтому ИДН принци­пиально может обладать меньшей погрешно­стью, чем резистивный делитель. Как видно из эквивалентной схемы (см. рис. 8-2, б), что­бы обеспечить это условие, коэффициент де­ления в каждой ступени должен определять­ся основными индуктивностями L каждой сек­ции. В соответствии с этим к выполнению ИДН предъявляются следующие требования: возможно большая основная индуктивность, малая индуктивность рассеяния, малые меж- витковые и межсекционные емкости, малые потери в сердечнике и в обмотке, т. е. боль­шое R_nor и малое/*, и, наконец, идентичность всех перечисленных пара­метров для всех секций. Высокой идентичности добиваются примене­нием жгутовой обмотки с равномерным расположением витков жгута на тороидальном сердечнике. Концы жгута соединяются последовательно, при 10 проводах в жгуте получается ступень ИДН с 10 секциями.

Применение тороидального сердечника обеспечивает относительно большую индуктивность L и высокую помехозащищенность ИДН.

8-4. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГИИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАТЧИКОВ УРАВНОВЕШИВАНИЯ

Магнитоэлектрические обратные преобразователи (МЭОП) исполь­зуются в наиболее точных приборах для измерения давления и ускоре-

I Закон распределения суммы случайных величин является композицией за­конов распределения составляющих.