Резонансный метод измерения частоты

Этот метод измерения частоты основан на использовании явления резонанса и заключается в наблюдении резонанса в колебательной системе под действием исследуемого сигнала с известной частотой резонанса колебательной системы.

Различают две разновидности резонансного метода:

- метод механического резонанса;

- метод электрического резонанса.

С помощью механического резонанса, как правило, измеряют низкие частоты до 400 Гц. Соответствующие измерительные приборы называются вибрационными частотомерами.

Принцип работы вибрационного частотомера поясняется с помощью рисунка 6.

Рис. 6. Вибрационный частотомер

Напряжение измеряемой частоты подаётся на высокоомную обмотку электромагнита 1 (см. рис. 6а). Рядом с сердечником электромагнита 2 расположен якорь 3, установленный вместе с планкой 4 на пружинных опорах 5. Вдоль планки 4 закреплено несколько стальных пластин 6 с загнутыми под углом 90⁰ и окрашенными светлой краской свободными концами. Крепление пластин выполнено таким образом, что частота их собственных колебаний возрастает слева направо.Под воздействием поля, создаваемого электромагнитом, якорь, планка и стальные пластины вибрируют. Пластина, у которой частота собственных колебаний совпадает с частотой вынужденных колебаний, естественно, будет колебаться с наибольшим размахом. Фиксация местоположения этой пластины позволяет выполнить отсчёт значения измеряемой частоты по шкале частотомера (см. рис. 6б). На рисунке 6б представлен фрагмент шкалы прибора; с помощью прямоугольника максимального размера, расположенного напротив деления шкалы «5.0», условно изображены максимальные колебания соответствующей пластины.

Погрешность измерения частоты определяется точностью изготовления механического преобразователя, главным образом, металлических пластин и их крепления, и составляет ±1%.

Метод электрического резонанса обычно применяют для измерения высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот. Однако, использование этого метода возможно и для измерения более низких частот; в этих целях применяют мостовые схемы с колебательными контурами (см. рис. 7).

Известно, что при настройке последовательного колебательного контура R3-C-L (см. рис. 7) на частоту резонанса ω_р его реактивные сопротивления оказываются равными друг другу ω_рL=1/ω_рC и полное сопротивление контура приобретает активный характер Z=R3. Известно также, что равновесие мостовой схемы наступает при условии выполнения равенства R1·R2=R3·R4.

Таким образом, измерение частоты этим методом сводится к приведению мостовой схемы в равновесие путём настройки колебательного контура в резонанс с измеряемой частотой f_x=ω_р. Настройка колебательного контура выполняется с помощью конденсатора переменной ёмкости С, шкала которого градуируется в единицах частоты. Расширение пределов измерений достигается использованием сменных катушек индуктивности L. В качестве индикатора баланса (равновесия) мостовой схемы может использоваться электронный вольтметр, а на частотах 100 Гц – 5000 Гц – головные телефоны.

Рис.7. Схема измерения частоты с использованием мостовой схемы

В практике измерений широкое применение находят частотомеры с использованием электрического резонанса на основе высокодобротного параллельного колебательного контура (см. рис. 8). Прибор образован двумя индуктивно связанными катушками индуктивности L1 и L2, одна из которых совместно с конденсаторами С1, С2 и С3 образует высокодобротный параллельный резонансный контур.

Рис. 8. Схема резонансного частотомера с параллельным контуром

Резонансный контур прибора с помощью катушек с индуктивной связью возбуждается исследуемым сигналом. С помощью конденсатора переменной ёмкости контур настраивается в резонанс с частотой входного сигнала. В момент резонанса, фиксируемого с помощью индикатора, выполняется отсчёт значения измеряемой частоты по шкале настройки резонансного контура. Очевидно, что при резонансе f_x=1/(2π·√L·C).

Как и ранее, для расширения диапазона измерений в частотомере применяются сменные катушки индуктивности и конденсаторы переменной ёмкости. Магазин индуктивностей и ёмкостей позволяет не только перекрыть значительный диапазон частот, но и, одновременно, проводить измерения частоты в сравнительно узких поддиапазонах частот с целью уменьшения погрешности измерений. Для повышения точности измерений механизм поворота ротора конденсатора переменной ёмкости включает редуктор, а соответствующая шкала содержит большое число делений, обычно до 2500. В качестве индикатора, как правило, используется электронный вольтметр.