雷竞技注册

频率和相位测量

第12章 - 交流计量电路

PDF版本

直流电路中没有等同物的重要电气量频率

频率测量在交流电的许多应用中都是非常重要的,特别是在交流电路中交流电系统设计用于在一个频率和一个频率上有效运行。

如果AC由机电交流发电机产生,则频率将与机器的轴速度成比例,并且可以通过测量轴的速度来简单地测量频率。

但是,如果需要在距交流发电机的一定距离处测量频率,则需要其他测量手段。

频率测量方法

利用机械共振原理

电力系统中频率测量的一种简单但粗略的方法利用机械共振原理。每个具有弹性性质(弹性)的物理物体具有固有频率,其似乎振动。

调音叉子是一个很好的例子:罢工一次,它将继续以特定的音调振动。较长的调谐叉具有较低的谐振频率:它们的音调将较短的叉子缩小。

想象一行一排并排排列的逐步大小的调谐叉子。它们全部安装在公共基础上,并且通过电磁铁通过电磁铁以测量的AC电压(或电流)的频率振动。

无论哪个音叉在共振频率上最接近那个振动的频率将倾向于震动最大(或最大)。如果叉子的叉尖足够脆弱,我们可以通过模糊的长度看到每个叉尖的相对运动,就像我们从末端视角检查每个叉尖时看到的那样。

好吧,做一个“音叉”的收集从金属片切成类似于耙子的模式,你有振动芦苇频率计:

振动簧片频率仪表图。

振动簧片频率仪表图。

该仪表的用户观看所有这些不等长度的端部,因为它们在施加的交流电压的频率上统称到线圈。最接近应用AC的谐振频率将振动最多,看起来像:

振动簧片频率仪表前面板。

振动簧片频率仪表前面板。

显然,振动簧片米,是不是精密仪器,但它们非常简单,因此易于制造崎岖不平。它们通常在小型发动机驱动的发电机组上找到,用于设定发动机速度,以便频率稍微接近60(欧洲50)。

使用一种坦克电路

虽然芦苇式仪表不精确,但它们的操作原则不是。代替机械共振,我们可以替代电谐振并使用频率仪表使用电感器电容器以罐电路(并联电感器和电容器)的形式。见下图。

将一个或两个部件调节,仪表放置在电路中以指示两种组件上的电压的最大幅度。

调整旋钮被校准以显示任何给定设置的谐振频率,并且在将设备调整到仪表上的最大指示后,从它们读取频率。

基本上,这是调节的可调谐滤波器电路,然后以类似于桥电路的方式进行调整,然后必须平衡为“空”条件,然后读取)。

作为L-C谐振频率的谐振频率计“峰值”被调整为测试频率。

作为L-C谐振频率的谐振频率计“峰值”被调整为测试频率。

这种技术是一个适用于业余无线电运营商的流行(或者至少在昂贵的数字频率仪器出现之前计数器),特别是因为它不需要直接连接到电路。

只要电感和/或电容能拦截足够的杂散场(或者电的)分别来自被测电路导致仪表指示,它将起作用。

频率如同在其他类型的电测量中,最准确的测量方法通常是与已知数量比较标准,基本仪器的不仅仅是指示何时彼此等于。

这是基本原则背后直流(惠斯通)电桥电路它是整个科学施加的一种健全的计量原理。如果我们可以访问精确的频率标准(恰好恰好到单个频率的AC电压源),则通过比较的未知频率的测量应该相对容易。

使用石英晶晶.

对于该频率标准,我们将注意力转回调谐叉,或者至少是它叫做的更现代的变化石英晶体

石英是一种自然发生的矿物,拥有一个非常有趣的财产压电.压电材料在受到物理应力时在其长度上产生电压,当外部电压在其长度上施加时将发生物理变形。

这种变形在大多数情况下非常非常轻微,但它确实存在。

石英岩是弹性(弹性的),在该弯曲的小范围内,外部电压会产生,这意味着它将具有其自身的机械谐振频率,其能够表现为电压信号。

换句话说,如果渣位的芯片被击中,它将“环”具有由其自身独特的频率,由芯片的长度确定,并且该谐振振荡将产生可以挖掘的石英芯片的多个点的等效电压通过固定在芯片表面的电线进入。

以互换的方式,当通过施加的AC电压恰好右频率时,石英芯片倾向于振动最多,就像振动簧片频率计上的簧片一样。

可以精确地切割石英岩的芯片,以便为所需的谐振频率切割,并且该芯片在保护壳内牢固地安装,导线延伸以连接到外部电路。

包装时,所得到的设备简称为a水晶(或有时”晶体“)。示意图符号如下图所示。

晶体(频率确定元素)原理图符号。

晶体(频率确定元素)原理图符号。

电动,该石英芯片相当于串联LC谐振电路。(下图)Quartz的电介质特性将附加电容元件贡献到等效电路。

石英晶体等效电路。

石英晶体等效电路。

串联显示的“电容”和“电感”仅仅是石英机械共振特性的电学等效物:它们不作为晶体内的分立元件而存在。通过介电(绝缘)石英体的导线连接所显示的并联电容是真实的,它对整个系统的谐振响应有影响。

这里没有关于晶体动态的完整讨论,但是需要了解晶体的需要是该谐振电路等价,以及如何在一个内部利用振荡器电路实现具有稳定,已知频率的输出电压。

晶体作为谐振元件,通常具有高得多的“Q”(质量)比电感器和电容器建造的罐电路的值,主要是由于缺失阻力的相对缺失,使其谐振频率非常明确,精确。

因为谐振频率完全依赖于石英的物理性质(从机械角度来说,石英是一种非常稳定的物质),谐振频率随时间的变化非常非常低。这就是石英运动手表的高精度是通过一个由石英晶体谐振作用稳定的电子振荡器来实现的。

但是对于实验室应用,可能需要更大的频率稳定性。为此,所讨论的晶体可以放置在温度稳定的环境(通常是烤箱)中,从而消除由于石英的热膨胀和收缩而导致的频率误差。

对于频率标准的终极,迄今为止,没有发现任何谐振原子的准确性。这是所谓的原则原子钟,使用悬浮在真空中的汞(或铯)原子,通过外部能量激发以其独特的频率激发。

得到的频率被检测为无线电波信号,并且形成了人类已知的最准确的时钟的基础。世界各地的国家标准实验室维持这些超准确的时钟和广播频率信号,基于这些原子的科学家和技术人员的振动来调整和使用频率校准目的。

实践部分

现在我们进入实际部分:一旦我们有一个准确频率,我们如何将其与未知频率进行比较以获得测量?

一种方法是使用CRT作为频率比较装置。阴极射线管通常具有使电子束在水平和垂直轴线中偏转的方法。

如果金属板用于静电偏转电子,则光束的左侧和右侧将有一对板以及如下图中的梁上方和下方的一对板。

阴极射线管(CRT)与垂直和水平偏转板。

阴极射线管(CRT)与垂直和水平偏转板。

如果我们允许一个交流信号上下偏转光束(交流电压源连接到垂直偏转板)和另一个交流信号转移梁左和右(使用另一双偏转板),模式将产生的CRT显示在屏幕上这两个交流频率。

这些模式被称为lissajous数字是电子学中常用的比较频率测量方法。雷竞技最新app

如果两个频率相同,我们将在阴极射线管的屏幕上得到一个简单的图形,图形的形状取决于两个交流信号之间的相移。这是两个等频率的正弦波信号的Lissajous采样图,显示它们将出现在示波器(一种交流电压测量仪器,使用CRT作为它的“运动”)的表面。

第一幅图是由两个完全相同的交流电压形成的Lissajous图形:

lissajous图:相同的频率,零度相移。

lissajous图:相同的频率,零度相移。

如果两个交流电压不相同时,就不会形成一条直线。相反,如果两个信号之间的相移正好是90°,并且它们的振幅相等,Lissajous图形将呈现椭圆形的外观,成为完美的圆形:

Lissajous图:相同的频率,90或270度相移。

Lissajous图:相同的频率,90或270度相移。

最后,如果两个交流信号在阶段(180°Shift)彼此直接相对,我们将再次结束一条线,只有这次将在相反方向上取向:

Lissajous图:同频,相移180度。

Lissajous图:同频,相移180度。

当我们面对不一样的信号频率时,Lissajous数字会变得更加复杂。考虑以下示例,它们给出了垂直/水平频率比:

利萨图:水平频率是垂直频率的两倍。

利萨图:水平频率是垂直频率的两倍。

水平和垂直频率之间的比率越复杂,Lissajous数字越复杂。考虑水平和垂直之间的3:1频率比的以下说明:

利萨图:水平频率是垂直频率的三倍。

利萨图:水平频率是垂直频率的三倍。

。频率比3:2(水平= 3,垂直= 2)如下图所示。

lissajous图:水平/垂直频率比为3:2。

lissajous图:水平/垂直频率比为3:2。

在两个交流信号的频率不是彼此的简单比率(但关闭)的情况下,Lissajous的数字将出现“移动”,随着两个波形之间的相位角在0°和0°之间的相位角慢慢改变方向。180°。

如果两个频率彼此之间以精确的整数比锁定,则Lissajous的数字将在CRT的视图上稳定。

Lissajous图形的物理特性限制了它们作为频率比较技术的用途,即频率比是简单的整数值(1:1、1:2、1:3、2:3、3:4等)。

尽管有这种限制,但是Lissajous数字是一种流行的频率比较方式,无论是否存在可访问的频率标准(信号发生器)。

审查:

  • 一些频率计在机械谐振原理上工作,指示频率在测量频率下摇动一组独特调谐的“簧片”之间的相对振荡。
  • 其他频率计使用电谐振电路(通常是LC槽电路)来表示频率。一个或两个组件是可调的,有一个精确校准的调整旋钮,和灵敏的仪表读数的最大电压或电流在谐振点。
  • 频率可以以比较方式测量,就像使用CRT产生Lissajous数字时的情况一样。可以通过使用石英晶体作为谐振装置,通过振荡器电路具有高精度来进行参考频率信号。对于超精密,可以使用原子钟信号标准(基于单个原子的谐振频率)。