Волковой М.С. Метрология

151

Uг

t

UY

Uр

t2 = 0

t

Uг

t2

t2 =

t

Рис. 2.68. Временные диаграммы рефлектометра

Величина задержки t1 определяет положение изображения зондирующего импульса относительно импульса генератора. Изменяя t1, изображение зондирующего импульса совмещают с линией отсчета шкалы экрана при t2 = 0. Регулируя величину t2, перемещают изображение отклика на место, где был зондирующий импульс, т.е. совмещают с той же линией отсчета. Величину задержки t2 = считывают со шкалы БЗ2. Если обеспечить возможность введения поправки на коэффициент укорочения, то шкалу блока задержки можно проградуировать непосредственно в единицах длины.

2.11.4. Измерения в волоконно-оптических линиях связи

Основу волоконно-оптической линии связи составляет оптический кабель, содержащий несколько волоконных световодов, заключенных в общую оболочку. Основными параметрами оптического кабеля, определяющими оптические и информационные характеристики линии связи, являются: затухание за счет потерь в кабеле, ширина полосы пропускания частотного спектра полезного сигнала, уширение импульса, переходное затухание между оптическими волокнами в кабеле и др.

152

Измерение затухания оптических кабелей. Потери мощности сигна-

ла при распространении по оптическому кабелю зависят от свойств материала, геометрии волокна, от защитной оболочки. Дополнительные потери возникают из-за изгибов кабеля. Для измерения коэффициента затухания используют методы, основанные на измерении уровней сигнала, и методы обратного рассеяния.

Метод измерения уровней основан на сравнении оптических сигналов на входе и выходе кабеля [11]. В качестве источника излучения могут использоваться источники белого света (широкополосное излучение) и ар- сенид-галлиевый лазер (фиксированная длина волны). В первом случае необходимая полоса частот формируется в монохроматоре. Схема измерения показана на рис. 2.69.

И

Рис. 2.69. Схема измерения затухания оптического кабеля

Световой поток от источника 1, пройдя через оптическую систему 2 и монохроматор 3, попадает на полупрозрачное зеркало 4. Зеркало расщепляет поток на две составляющие. Одна часть поступает на фотодетектор 1 (ФД1), а вторая через кювету с иммерсионной жидкостью 5 – на полированный торец световода 6. Иммерсионная жидкость, в которую погружен конец световода, имеет коэффициент преломления, равный коэффициенту преломления отражающей оболочки. Это позволяет избавиться от влияния света, проходящего через отражающую оболочку. Световой поток, прошедший через световод, поступает на фотодетектор 2 (ФД2). С обоих фотодетекторов информация поступает на блок обработки (БО). При обработке информации учитывается, что ФД1 получает лишь часть светового потока, поступающего на испытуемый кабель. В качестве индикатора используется стрелочный прибор или самописец.

Измерение других параметров волоконно-оптических систем связи подробно рассмотрено в [8].

153

2.12.Автоматизация измерений

2.12.1.Общие сведения

Сложность объектов исследований, большое число измеряемых параметров, высокие требования к точности и быстродействию средств измерений приводят к необходимости автоматизации измерений. Автоматизированные средства измерений подразделяют на автономные непрограммируемые приборы и гибкие измерительные системы (ГИС).

Автономные автоматизированные приборы работают по жесткой программе и предназначены для измерений определенных параметров сигналов или цепей. Как правило, это цифровые приборы, например вольтметры, в которых часть операций, таких как определение полярности или переключение диапазонов, осуществляется автоматически. Основная особенность ГИС – возможность путем изменения программы перестраивать систему для измерения различных физических величин и изменять режим измерений. Среди ГИС выделяют: измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), микропроцессорные приборы и компьютерно-измеритель- ные системы (КИС). Также используется понятие измерительная информационная система (ИИС), содержащая ИВК в качестве ядра системы и дополнительно включающая датчики, канал связи и исполнительные устройства [7]. ИИС кроме измерения могут выполнять функции автоматического контроля, технической диагностики и т.п.

2.12.2. Измерительно-вычислительные комплексы

ИВК создаются путем объединения с помощью специальной многопроводной магистрали в одну измерительную систему компьютера, измерительных приборов и устройств отображения информации. Устройство сопряжения компьютера со средствами измерений или любыми другими внешними системами называют интерфейсом. Иногда в это понятие включают, кроме аппаратных средств и линий связи, также протокол (совокупность правил, устанавливающих единые принципы взаимодействия подсистем) и программное обеспечение процесса обмена информацией.

По отношению к интерфейсу система (комплекс) в общем виде может быть представлена как совокупность приборов, передающих информацию (источников); приборов, воспринимающих информацию (приемников) и устройств, управляющих обменом информации (контроллеров). Некоторые приборы могут быть и источниками, и приемниками. Например, вольтметр в режиме настройки параметров является приемником, а при измерениях – передатчиком. Наиболее распространенные интерфейсы имеют магистральную структуру, когда все приборы подключаются к общей магистрали; каждый прибор имеет свой адрес.

156

2.12.4. Компьютерно-измерительные системы

Персональные компьютеры могут использоваться не только как вычислительные средства, но и как универсальные измерительные приборы. КИС на основе персонального компьютера заменяют стандартные измерительные приборы. По сравнению с микропроцессорными приборами КИС обладают следующими преимуществами:

–возможность использования стандартных прикладных программ;

–возможность оперативной передачи данных по локальным и глобальным компьютерным сетям;

–возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости;

–возможность оперативного перепрограммирования для решения конкретных измерительных задач;

–использование высокоразвитого графического интерфейса, обеспечивающего быстрое освоение взаимодействия с КИС;

–возможность использования различных устройств документирования результатов измерений.

Структурная схема КИС приведена на рис. 2. 72.

Рис. 2.72. Структурная схема компьтерно-измерительной системы

Взаимодействие между отдельными элементами КИС осуществляется с помощью внутренней магистрали персонального компьютера, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей, внешняя память, принтер), так и измерительная схема, состоящая из коммутатора, АЦП и блока образцовых программно-управляемых мер напряжения и частоты. С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы;

157

интерфейсный модуль (ИМ) служит для подключения КИС к магистрали приборного интерфейса.

Дополнительное оборудование (измерительная схема, ЦАП, ИМ) в простых КИС может быть размещена на слотах компьютера. Существуют и более сложные КИС, в которых в соответствии с решаемой измерительной задачей по установленной программе коммутируются необходимые измерительные элементы, т.е. меняется архитектура системы.

2.12.5. Виртуальные приборы

Виртуальный измерительный прибор является разновидностью КИС, он состоит из быстродействующего персонального компьютера и одной или двух плат сбора данных, на которых реализована измерительная схема. Важной составляющей при создании виртуальных приборов является специализированное программное обеспечение, решающее задачи сбора, обработки и отображения информации. Кроме того, соответствующая программа эмулирует на экране дисплея компьютера виртуальную переднюю панель измерительного прибора со всеми кнопками, ручками и переключателями в привычном для оператора виде, на которые можно воздействовать с помощью курсора.

В зависимости от примененных платы сбора данных и программного обеспечения виртуальный прибор может выполнять функции осциллографа, генератора сигналов, анализатора спектра и т.д. Причем имеется возможность реализовать прибор с особыми характеристиками, которые необходимы для решения конкретной измерительной задачи.

Заключение

Измерение электрических величин отличается разнообразием способов и средств измерения. Для измерения напряжения, тока и мощности могут использоваться электромеханические и электронные измерительные приборы. Широкие возможности измерения параметров электрических сигналов предоставляют электронно-лучевые осциллографы. Для измерения параметров электрических цепей широко используются мостовые схемы. При измерениях в системах телекоммуникации используют логарифмические единицы. Применение микропроцессорных контроллеров и ЭВМ позволяет автоматизировать процесс измерения, выполнять обработку результатов и настраивать параметры и конфигурацию измерительной системы применительно к требованиям задачи измерения.

158

3.ИЗМЕРЕНИЕ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

3.1.Датчики линейных и угловых перемещений и силы

3.1.1. Реостатные датчики

Линейные реостатные датчики

Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой физической (неэлектрической) величины. На рис. 3.1 приведены разновидности щеток реостатного датчика, на рис. 3.2 показано реостатное включение и его характеристика. Естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, а выходной величиной – изменение сопротивления цепи при реостатном включении или изменение выходного напряжения при потенциометрической схеме включения. Реостатный преобразователь конструктивно состоит из каркаса, выполненного из изоляционного материала, обмотки и щетки. Формы каркасов разнообразны: пластины, цилиндра, кольца и т.д. Материал каркаса должен обладать достаточной механической прочностью, жесткостью, влагостойкостью и теплостойкостью, чтобы не деформироваться при изменении температуры и влажности. Изоляционные материалы неметаллических каркасов – гетинакс, текстолит, эбонит, радиокерамика, а металлических – алюминий или алюминиевые сплавы с последующим их анодированием и лакировкой. Материал обмоточного провода должен обладать высоким удельным сопротивлением, малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), прочностью, коррозийной устойчивостью и износоустойчивостью.

Для намотки применяется проволока из константана, манганина, фехраля, платины, платиноиридиевого сплава, сплава серебра с палладием, сплавов платины с серебром, рубидием и осмием. Диаметр провода от 0,03 мм до 0,3 мм. Провод реостатного преобразователя должен быть изолирован эмалью либо слоем окислов. Щетка перемещается по контактной дорожке, где снята изоляция. Щетки обычно изготавливаются из двух-трех проволок небольшого диаметра (0,1–2,0 мм), укрепленных на щеткодержателе. Такие щетки применяются в преобразователях, где необходимо обеспечить минимальное усилие для их перемещения. В преобразователях, где допускаются сравнительно большие усилия для перемещения, щетки изготавливаются либо из одной профилированной пластины, либо из нескольких пластин для обеспечения надежного контакта при вибрации. Проволочные щетки изготавливаются из сплава платины с бериллием или серебром, палладиевоиридиевого сплава. Пластинчатые щетки выполняются из серебра, сплава серебра с палладием или фосфористой бронзы. Щетка преобразователя должна перекрывать 2–3 витка намотки, чтобы не было раз-

159

рыва цепи. Контактное усилие перемещения щетки для проволочных щеток составляет 0,005 Н, а для пластинчатых – 0,05–1 Н.

Рис. 3.1. Разновидности щеток реостатного датчика

R

x

x(φ)

Рис. 3.2. Реостатное включение датчика и его характеристика

На рис. 3.3 показано потенциометрическое включение датчика и его характеристика.

U

x(φ)

0 xmax

φmax

Рис. 3.3. Потенциометрическое включение датчика и его характеристика

При реостатном включении чувствительность определяется сопротивлением. Чем больше сопротивление, тем больше чувствительность. При потенциометрическом включении выходная величина определяется величиной питающего напряжения. Порог чувствительности определяется диаметром провода. У реостатных датчиков имеется погрешность от влияния нагрузки. На рис. 3.4 приведена статическая характеристика нагруженного реостатного датчика.