пластин. Включив такой конденсатор в резонансную схему или используя мост, возбуждаемый переменным током высокой частоты, можете улавливать и измерять очень малые изменения положения. Емкостные микрофоны используют этот приндип для преобразования акустического давления или скорости его изменения в электрический сигнал звуковой частоты.

Интересные схемные решения применяются в усилителях для конденсаторных микрофонов, и они имеют большое практическое значение, поскольку многие из лучших микрофонов для записи являются просто емкостными датчиками положения, состоящидш из тонкой металлизированной пластиковой фольги, расположенной почти вплотную к жестко закрепленной пластине. Конденсатор заряжается через большое сопротивление напряжением от 50 до 100 В, и фиксируются изменения напряжения при движении диафрагмы в звуковом поле.

Си 1 wr?

1000

20 пФ

а

+I5 -15

Смещение по В

-Питание 0V

Дпинный кабель

1MDM 1000 МОм

20 лф

Ф cJT 1 MKT

10 нОм

Длинный -ва&ель (ЗОм)

----i----

Смещение +50 в

Рис, 14.14, Усилители для емкостных микрофонов.

Конденсаторные микрофоны имеют чрезвычайно высокие импедан-сы источника (типичная капсула имеет емкость около 20 пФ или ре* активное сопротивление около 400 МОм при 20 Гц), поэтому шансы,

ЧТО сигнал сумеет пройти даже через кабель малой длины, практически отсутствуют, если не поместить непосредственно при капсуле предусилитель. На рис. 14.14 представлены два способа усиления напряжения с капсулы, амплитуда которого может принимать значения от 1 мВ до 100 мВ (эфф.) для обычно используемых материалов. В первой схеме малошумящий операционный усилитель на полевых транзисторах обеспечивает усиление 20 дБ и низкое выходное сопротивление, необходимое, чтобы возбудить однопроводную экранированную линию. Поскольку усилитель должен располагаться вплотную к капсуле микрофона (в пределах нескольких сантиметров), следует рабочие напряжения (смещение для капсулы, а также питание ОУ) подавать через микрофонный кабель, а в данном случае по дополнительным проводам. Особенностью этой схемы является плавающая микрофонная капсула, позволяющая упростить задание смещения ОУ. Ri и Ci- фильтр напряжения смещения микрофона, а должен иметь высокое сопротивление по сравнению с капсулой на всех звуковых частотах. R и Q образуют фильтр ВЧ, так как линия несбалансирована н в нее, следовательно, могут проникать радиочастотные наводки и помехи.

Эта схема не лишена некоторых недостатков. Она требует 4-жиль-ного кабеля, тогда как промышленностью выпускается стандартны!! экранированный двухжильный кабель. К тому же плавающая капсула создает чисто технические трудности. Эти недостатки ликвидируются во второй схеме, где смещение на капсулу подается по линии, служащей и для передачи звуковой частоты, причем линия представляет собой согласованную 200-омную пару. Один электрод капсулы заземлен, а уо-канальный р - п-полевой транзистор (ПТ) используется в режиме истокового повторителя, работающего на небольшой трансформатор звуковой частоты. Однополюсный выход восстанавливается на удаленном конце, где смещение подается на центральное ответвление трансформатора. Кое-кто может возразить, что увеличение числа трансформаторов - плохая идея, но на практике они прекрасно работают.

Углы. Угол поворота объекта с достаточно хорошей точностью можно преобразовать в электрические сигналы. Например, имеются модификации ДПЛП для измерения углов поворота, весьма популярны вращающиеся синусно-косинусные преобразователи, В обоих случаях используется возбуждение переменным током, и угловое положение легко измеряется вплоть до дуговой минуты. Приложив некоторые усилия, можно измерять углы и на уровне дуговой секунды. В других приборах используется, например, световой пучок, падающий на стеклянный диск с серыми радиальными штрихами.

Интерферометрия. Измерения положения с высокой точностью можно проводить, используя отражение лазерного луча от зеркал, скрепленных с предметом, и считывая число интерференционных полос. Предельная точность таких методов определяется длиной волны излучения, так что приходится приложить большие усилия, чтобы добиться точности, большей чем полмикрона (1 микрон, или микрометр,

Измерения и обраиопыа сигналов 317

равен 1/1000 мм). Например, промышленный измеритель (5526А) на лазере, выпускаемый фирмой Hewlett - Packard, имеет разрешение, приближающееся к 10 ® см, или 0,1 дуговой секунды. Лазерные интерферометры сейчас используют для непрерывных наблюдений, для измерений плоскостности и для решения различных задач в научно-исследовательских лабораториях.

В Национальном бюро стандартов большинство прецизионных измерений размеров осуществляется интерференционно с помощью Deslatt. Дислэтты, кесомнепио, прекрасны, когда требуется проводить прецизионные физические измерения, так как они позволяют измерять интервалы до миллиангстрема (10 см) и углы в дуговых миллисекундах.

Кварцевые генераторы. Кварцевые кристаллы откликаются на деформацию изменением своей резонансной частоты, таким образом обеспечивая очень точный метод измерения малых смещений или изменений давления. Кварцевые преобразователи давления обеспечивают

;>самое высокое разрешение из всех устройств, имеющихся в настоящее

Цремя (об этом см. ниже).

14.04. Ускорение, давление, сила, скорость

г

Описанные методы позволяют измерять ускорение, давление и j-силу. Акселерометры содержат в себе тензодатчик, связанный с мас- сивньгл пробником, или датчик емкостного типа, которые реагируют

на изменение в положении этой пробной массы. В акселерометрах, -которые измеряют непосредственно перемещение пробной массы для

получения выходного сигнала, приходится демпфировать систему для предотвращения колебаний. В некоторых системах используют г^)братную связь, препятствующую массе перемещаться относительно ,1ела акселерометра. В этом случае выходной сигнал акселерометра бу-. дет соответствовать величине силы, возникающей в петле обратной t связи.

; ДПЛП, тензодатчики, емкостные преобразователи и кварцевые генераторы применяются для измерений давления в сочетании со

-специальными устройствами, такими, как манометр Бурдона, полые спиральные кварцевые трубки, которые раскручиваются при заполнении газом. ДПЛП, например, охватывают область измерений от 70 гс/см до 7 тс/см или больше. Кварцевые осцилляторы обеспечивают самое высокое разрешение и точность. Образцы, выпускаемые фирмой Paroscientific, обеспечивают точность 0,01 % и стабильность 0,001%. Фирма Hewlett - Packard выпускает кварцевые манометры с полной шкалой 800 ктс/см- и паспортным разрешением (0,7 гс/см-).

Для измерения силы и веса часто используются ДПЛП, хотя здесь подходит любой метод измерения перемещений. Полная шкала общедоступного ряда приборов охватывает диапазон от 10 г до 250 т с точ-

Датчики ускорения.- Прим. ред,

Магнитная головка магнитофона - типичный датчик скорости.-Ярш.

ностью 0,1%. Для измерения с высокой точностью малых сил в лабораторных условиях используют приборы с торсионным балансированием кварцевой ннти, электростатической балансировкой и т. п. Интересный пример современного подхода представляет собой гравиметр разработки фирм Goodkind и Warburton. В нем вес сверхпроводящей сферы под действием магнитного поля грубо компенсируется в нуль, а остаточный небаланс снимается с помощью электростатических датчиков и пластин. Такой метод позволяет измерять изменения гравитационного поля до 10 и с легкостью наблюдать изменение барометрического давления, связанное с влиянием воздушных fiacc на локальное гравитационное поле!

Магнитные преобразователи скорости. Прежде всего следует отметить, что датчш<и перемещений можно использовать для измерения скорости, которая является производной положения по врг-мени. Однако можно и непссредстЕенио проводить измерения скорости, принимая во внимание, что напряжение, индуцируемое в проволочной петле, движущейся в магнитном поле, пропорционально скорости изменения магнитного потока, пронизывающего петлю. Такие устройства для измерения скорости содержат длинную проволочную катушку с магнитным сердечником, движущимся внутри ее.

Чаще всего магнитные датчики скорости используются в промышленных звукозаписывающих и воспроизводящих устройствах: шл-KpoonsLX (и в обратном варианте - гдомкоговорителе), кассетных магнитофонах, электромагнитных звукоснимателях, аналоговых записывающих устройствах Эти датчики обычно дают сигналы очень низкого уровня (несколько милливольт) и требуют своеобразных схемных решений. Чтобы получить высококачественное воспроизведение звука, надо снизить шумы и наводки на 60 дБ и более, т. е. до уровня микровольт. Поскольку Б студиях звукозаписи и на радиостанциях эти сигналы проходят по кабелю очень большие расстояния, задача может осложниться.

На рис, 14.15 показаны способы усиления слабых сигналов от микрофонов и магнитных звукоснимателей. Динамический микрофон противоположен по принципу громкоговорителю: катушка под действием звукового давления движется в магнитном поле. Выходной импеданс этих приборов 200 OiM, а уровень сигналов от 50 мкВ до 5 мВ (эфф) для тихой речи и концертного зала соответственно. Всякий соединительный кабель значительной длины представляет собой сбалансированную и экранированную скрученную пару и заканчивается стандартным 3-штырьковым разъемом Cannon для звуковой аппаратуррд.

На дальнем конце кабеля производится преобразование сопротивления к уровню около 50 кОм с помощью высококачественного звукового согласующего трансформатора, как показано на рис. 14.15, а.

Уровень сигнала при этом трансформируется к значениям от 1 мВ до 100 мВ (эфф.), и, как показано, далее сигнал должен усиливаться малошумящим предусилителем. Хотя часто используются предуси-лители с усилением 40 дБ, но, чтобы получить хорошие параметры при перегрузках, лучше остановиться на усилении 20 дБ. Это особенно

15-10X cKpaHpceaHHcivi ии л,роБан-

З-Штьфьковьй I

КЕ5534

l£ J (XuR) i

200 Ом 50 kOu плоский, экранированный 4.7 KDt трапсфоргэтор

4Ь пОм ТЕЛЬ Z0 ft6

Магнитна?! головка

10 мГ

Нврвткии нэбель (~гм)

: 100 пФ

NE5534 ИЛИ 79

1 кОм

ВЫХОД

6800 пФ 160Q пФ 25 МКФ

Рис, 14 ] 5. Усилители для динамического л1икро}она и электромагнитного звукоснимателя.

справедливо при записи популярной музыки, где певцы часто заканчивают выступление выкриками прямо в микрофон. Использование сбалансированного 200-омного микрофонного кабеля значительно ослабляет помехи благодаря его способности сильно подавлять синфазные сигналы. Хорошие трансформаторы звуковых частот, предназначенные для такого рода применений, имеют электростатический экран между обмотками, что дополнительно уменьшает чувствительность к ВЧ-наводкам. Если радиочастотные помехи недостаточно подавляются этой схемой, как может быть при наличии близко расположенных передающих станций, можно добавить на входе предусили-теля низкочастотный фильтр. Наводки можно подавить, если после-

Сигнал радиостанции накладыцается на полезный сигнал.- Прим. ред.

довательно входу подключить резистор 1 кОм (или небольшой дроссель) и заземленный конденсатор 100 пФ.

Звукосниматели не нуждаются в сбалансированной линии, так как кабель к предусилителю обычно очень короткий. Стандартный способ - это просто использовать одножильный экранированный провод, конец которого заземляется через 47 кОм, что нужно для получения надлежащей частотной характеристики (рис. 14.15, б). Здесь показан также входной фильтр для уменьшения наводок радиочастот, которые являются всеобщей проблемой в городах. ВЧ-сигналы на входе звуковой аппаратуры ставят специфические задачи, так как вследствие нелинейностей усилителя звуковых частот в диапазоне радиочастот происходит их паразитное детектирование, в результате чего возникают помехи на звуковых частотах и искажения При конструировании ВЧ-фильтра нельзя делать емкость нагрузки большой (не больше 300 пФ, включая емкость кабеля), иначе изменится частотная характеристика полезного сигнала. Чтобы сохранить уровень шума низким, сопротивление последовательной цепи следует выбирать не более нескольких сотен омов. До некоторой степени большие величины индуктивности можно безбоязненно использовать, поскольку индуктивность самой головки обычно составляет 0,5 Г. Приведенная усилительная схема имеет стандартную характеристику RIAA, используемую для звукозаписи в США.

14.05. Магнитное поле

Точные измерения магнитных полей необходимы в научных исследованиях при наличии измерительной аппаратуры, в которой используются магнитные поля (магнитный резонанс, магнетроны, приборы с магнитной фокусировкой электронов и т. п.), а также в геологии при разведке полезных ископаемых. Для измерений на уровне 1 % достаточно датчиков на эффекте Холла. Эффект Холла вызывает появление поперечного напряжения на токонесущем куске материала (обычно это полупроводник), помещенном в магнитное поле, и полная шкала промышленных магнитометров на основе эффекта Холла перекрывает область от 1 Гс (гаусс) до 10 кГс. Чтобы вы имели представление о масштабе этих величин, скажем, что земля обладает полем примерно 0,5 Гс, в то время как сильный постоянный магнит - несколько сотен гаусс. Холловские магнитометры дешевы, несложны, небольших размеров и надежны. Эффект Холла используется также при построении бесконтактных распределительных щитов и панелей переключений, как было отмечено в разд. 9.04.

Давно известен метод, в котором многовитковая проволочная катушка либо вращается в магнитном поле с некоторой постоянной скоростью, либо перемещается поступательно. При этом измеряется соответственно или индуцированное переменное напряжение, или инте-

тральный ток. Сама по себе катушка очень проста, и для нее имеется стройная электромагнитная теория, но применение таких катушек делает приборы громоздкими, да и выглядят они старомодно.

Для измерения очень малых магнитных полей нет ничего лучше СКИПа (SQUID - сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор) - весьма хитроумного устройства на сверхпроводниках, легко измеряющего один квант магнитного потока (0,2 мкГс иа 1 см). С помощью СКИПа можно измерить магнитное поле, наводимое в вашем теле, когда вы пьете стакан холодной воды, если это зачем-либо понадобится. Имеются фантастические устройства, требующие значительного оснащения криогенной аппаратурой, жидким гелием и т. п., и здесь нет необходимости их рассматривать.

Точные измерения магнитного поля в диапазоне килогаусса лучше всего осуществляются с помощью ЯМР (ядерный магнитный резо-нанс)-магнитометра. Это устройство, в котором используется прецессия атомных ядер (обычно водорода) во внешнем магнитном поле. Этим методом пользуются физики, и точность измерения без усилий достигается порядка 10~* или еще лучше. Поскольку выходным сигналом является частота, подходят все методы точного измерения частоты - времени (более подробно об этом сказано ниже).

В таких приборах, как магнитометры с насыщенным сердечником и магнитные усилители, осуществляется еще один способ измерения магнитных полей. В них феррит возбуждается переменным полем, а наблюдаемый сигнал соответствует наложенному внешнему полю.

14.06. Вакуумные манометры

Измерения в вакууме, к счастью, не вызывают затруднений, и вакуум играет немаловажную роль, например, при производстве транзисторов и HiHC, изготовлении тонких пленок и сублимации кофе. Основным измерительным прибором в подобных процессах служит к BaHvywHoii ионизационный манометр, который внешне напоминает вывернз^тую наизнанку вакуумную лампу -

, , Нить шьтшт

триод (рис. 14.16). Горячая нить

накала испускает электроны, которые притягиваются к положительно заряженному аноду. На пути к аноду пучок электронов сталкивается с находящимися в трубке молекулами газа и создает положительно заряженные ионы, которые притягиваются к центральному электроду, потенциал которого близок к потенциалу земли. Ионный ток В точности пропорционален молекулярной плотности газа, то есть

Ионный коллентор Стенляннзя нол^а Анод

Рис. 14.16. Ионизационный манометре

давлению. Ионные манометры используют в тех случаях, когда давление (вакуум!) измеряется в пределах от 10~* до 10 мм рт. ст. (единица давления 1 мм рт. ст. называется также торром, нормальное атмосферное давление равно 760 ш\ рт. ст.). Для того чтобы поддерживать давление равным 10~ мм рт. ст., требуется величайшая тщательность в работе, даже наличие отпечатка пальца на внутренней стороне баллона может свести на нет все ваши усилия.

Для измерения более умеренных уровней давления (от 1 мм рт. ст. до 1 мкм рт. ст., такое давление создают с по.мощью механических форвакуумных насосов) чаще всего используют манометры с термопарой. Такой манометр представляет собой термопару, соединенную с небольшим нагревателем; через нагреватель пропускают некоторый ток и определяют температуру с помощью термопары. Аппарат охлаждается остаточным газом, при этом понижается выходное напряжение термопары. /Ланометры с термопарами обычно используют для того, чтобы узнать, когда можно включать насосы (диффузионные или ионизационные) высокого вакуума.

14.07. Детекторы элементарных частиц

В ядерной физике и физике элементарных частиц, а также в многочисленных областях науки, использующих в своей практике радиоактивные частицы (медицина, судебная экспертиза, промышленный контроль и т. п.), существенное место отводится вопросам обнаружения, идентификации, спектрального анализа заряженных частиц и фотонов высоких энергий (рентгеновских лучей и гамма-лучей). Сначала рассмотрим детекторы рентгеновского и гамма-излучения, а затем детекторы заряженных частиц.

Детекторы рентгеновского а гамма-излучения. Классический образ искателя урана предполагает седеющего, измученного жарой субъекта, который бродит по пустыне со счетчиком Гейгера в руке. В наши дни в отношении детекторов достигнут значительный прогресс. Во всех современных детекторах используется следующий эрфект: энергия поступающего в детектор фотона используется для ионизации какого-либо атома, при этом благодаря фотоэлектрическому эффекту излучается электрон. С этим электроном поступают по-разному в различных типах датчиков.

Ионизацг.очкая г.аг.ера, пропорциональный счетчик, счетчик Гейгера. Эти детекторы состоят из цилиндрической (как правило) камеры, имеющей в диаметре несколько сантиметров, и проходящего в центре тонкого провода. Камера бывает заполнена каким-либо газом или смесью газов. С одной стороны имеется узкое окошко из материала, пропускающего интересующее вас излучение (пластик, бериллий и т. п.). Центральный провод имеет положительный потенциал и подключается к некоторой электронной схе?ле. Типичная конструкция такого детектора представлена на рис. 14.17.

Когда в камере появляется квант излучения, он ионизирует атом, и тот испускает фотоэлектрон, последний затем отдает энергию, ионизируя атомы газа до тех пор, пока запас энергии не иссякнет. Оказывается, что электрон отдает около 20 В энергии в расчете на создаваемую им пару электрон - ион, следовательно, полный заряд, высвобожденный фотоэлектроном, пропорционален энергии, которую первоначально несло излучение. В ионизационной камере этот заряд собирается и усиливается усилителем заряда (интегрирующим), который работает также как фотоумножитель. Итак, выходной импульс пропорционален энергии излучения. Аналогичным образом работает пропорциональный счетчик, но на его центральном проводе поддерживается более высокое напряжение, следовательно, притягиваемые к нему электроны вызывают дополнительную ионизацию и результирующий сигнал получается большим. Эффект умножения заряда позволяет использовать пропорциональные счетчики при небольших значениях энергии излучения (порядка киловольт и ниже), когда ионизационные счетчики использовать невозможно. В счетчике Гейгера на центральном проводе поддерживается достаточно высокое напряжение, при котором любая начальная ионизация порождает большой одиночный выходной импульс (фиксированной величины), В данном случае вы получаете хороший большой выходной импульс, но не имеете никакой информации об энергии рентгеновского излучения.

В разд. 14.16 вы познакомитесь с интересным прибором, называемым анализатором ширины импульсов, который позволяет преобразовать последовательность импульсов различной ширины в гистограмму. Если ширина импульса является мерой энергии частицы, то с помощью такого прибора получим не что иное, как энергетический спектр! Итак, с помощью пропорционального счетчика (но не счетчика Гейгера) можно проводить спектрографический анализ излучения.

Подобные газонаполненные счетчики используют в диапазоне значений энергии от 1 кэВ до 100 кэВ \ Пропорциональные счетчики обладают разрешающей способностью порядка 15% при значении энергии 5,9 кэВ (распространенная для излучения калибровка, которую обеспечивает распад железа-55). Они недороги и могут иметь как очень большие, так и очень маленькие габариты, но для них требуется высокостабильный источник питания (умножение растет по экспоненциальному закону с напряжением), и они не отличаются

Диаметр 50.8 мм

Рис, 14.17, Пропорциональный счетчик частиц.

Вдоль оси проходит вольфрамовый провод диаметром 0,0254 мм. / - смесь газов 87% Аг. 10% Хе, 3% СО,; 2 - разъем MHV (высоковольтный разъем типа BNC), S - окошко диаметром 25,4 мм с фольгой из бериллия толщиной 25 мкм.

Имеется в виду электрон-вольт.- Прим. ред, > Килоэлектрон-вольт,- Прим. ред.

ВЫСОКИМ быстродействием (максимальная практически достижимая скорость счета грубо определяется величиной 25 ООО имп./с).

Сцннтнлляторы. Сцинтилляторы преобразуют энергию фотоэлектрона, электрона Комптона или пары электрон - позитрон в световой импульс, который воспринимается подключенным к прибору фотоумножителем. Распространенным сцинтиллятором является кристаллический иодид натрия (Nal) с примесью таллия. Как и в пропорциональном счетчике, в этом датчике выходной импульс пропорционален поступающей энергии рентгеновского (или гамма) излучения, а это значит, что с помощью анализатора ширины импульсов можно производить спектрографический анализ (разд. 14.16), Обычно кристалл Nal обеспечивает разрешение порядка 7% при значении энергии 1,3 МэВ (распространенная для гамма-излучения калибровка, которую обеспечивает распад кобальта-60) и используется в энергетическом диапазоне от 10 кэВ до нескольких ГэВ. Световой импульс имеет длительность порядка I мкс, следовательно, эти детекторы обладают достаточно высоким быстродействием. Кристаллы Nal могут иметь различные размеры, вплоть до нескольких сантиметров, однако они сильно поглощают воду, следовательно, хранить их следует в закрытом виде. В связи с тем, что свет нужно каким-то образом устранять, кристаллы обычно поставляют в металлическом корпусе, имеющем окошко, закрытое тонкой пластинкой алюминия или бериллия, в котором находится датегральный фотоумножитель.

В сцинтилляторах используют также пластики (органические материалы), которые отличаются тем, что они очень недороги. Разрешение у них хуже, чем у иодида натрия, и используют их в основном Б тех случаях, когда имеют дело с энергией выше 1 МэВ. Световые импульсы получаются очень короткими - их длительность составляет примерно 10 НС. В биологических исследованиях в качестве сцинтил-ляторов используют жидкости ( коктейли ). При этом материал, исследуемый на радиоактивность, примешивается к коктейлю , который помещается в темную камеру с фотоумножителем. В биологических лабораториях можно встретить очень красивые приборы, в которых процесс автоматизирован; в них через камеру счетчика одна за другой помещаются различные ампулы и регистрируются результаты.

Детекторы на твердом теле. Как и в других областях электроники, революцию в области обнаружения рентгеновского и гамма-излучения произвели достижения в технологии изготовления кремниевых и германиевых полупроводников. Детекторы на твердом теле работают точно так же, как классические ионизационные камеры, но активный объем Камеры заполняется в данном случае непроводящим (чистым) полупроводником. Приложенный потенциал порядка 1000 В вызывает ионизацию и генерирует импульс заряда. При использовании кремния электрон теряет всего около 2 эВ на пару электрон-ион, значит, при той же энергии рентгеновского излучения создается гораздо больше ионов, чем в пропорциональном газонаполненном детекторе, и обеспечивается лучшее энергетическое разрешение благодаря более пред-