Принцип работы радиоволновых преобразователей основан на зависимости волновой картины в распределенных электромагнитных системах от параметров окружающей среды. Распределенными называются электромагнитные системы (катушки, проводники, лампы), размеры которых сравнимы с длиной протекающих в них высокочастотных колебаний. Провода и другие электрические элементы, вдоль которых распространяются электромагнитные волны, называются длинными линиями. При создании радиоволновых преобразователей используются отрезки длинных линий и волноводы.
Характерными особенностями распространения электромагнитных волн (ЭМВ) рассматриваемого диапазона являются:
а) сильное излучение волн в окружающее пространство, приводящее к потере энергии и возникновению нежелательных связей между элементами схем. Поэтому нередко вместо открытых проводов применяют полые металлические провода (волноводы, коаксиальные провода), внутри которых распространяются ЭМВ;
б) в рассматриваемом диапазоне волн ток протекает в очень тонком поверхностном слое проводника (скин–эффект) [12];
в) электромагнитная энергия распространяется вне провода, который только задает направление или ограничивает пространство, в котором распространяется ЭМВ;
г) для ЭМВ сантиметрового и миллиметрового диапазонов становятся справедливы законы геометрической оптики [12].
Принцип устройства радиоволновых преобразователей основан на том, что распределенные параметры отрезков длинных линий меняются при изменении характеристик среды, окружающей линию. В качестве выходных характеристик отрезка преобразователя можно применять входное сопротивление при заданной частоте возбуждения линии, положения и узлов напряжения или тока, резонансные частоты [14] и др.
В волновых преобразователях используются явления отражения, прохождения, преломления, поглощения, поляризации и преобразования радиоволнового излучения, а также изменение резонансных свойств колебательных систем.
Рис. 4.11. Схемы методов измерения параметров веществ:
а) резонансный метод; б) волновой метод; в) амплитудно-фазовый метод
В резонансном методе (рис. 4.11, а) исследуемое вещество 2 помещается в резонатор 1, связанный с волноводом 4 посредством отверстий 3. В волновом методе (рис. 4.11,б) исследуемый образец 2 помещается непосредственно в волновод 1. ЭМВ пронизывает образец и отражается от стенки 3. В амплитудно-фазовом методе измерения (рис. 4.11, в) исследуемое изделие 2 помещается между излучающим 1 и приемным рупо-ром 3.
Электромагнитные радиоволновые преобразователи применяются для измерения уровня и количества жидких и сыпучих тел, а также для определения электромагнитных параметров. Они также находят применение при измерении размеров тел, малых расстояний (микронного уровня), для распознания внутренней структуры тел и др.
Гальваномагнитные преобразователи
Гальваномагнитные преобразователи основаны на физических эффектах, возникающих в находящихся в магнитном поле твердых телах при движении в них заряженных частиц. В качестве измерительных преобразователей практическое применение получили полупроводниковые гальваномагнитные преобразователи, основанные на использовании эффектов Холла и Гаусса. Эффекты обусловлены изменением траектории движения заряженных частиц в магнитном поле, возникают одновременно и связаны между собой так, что каждый из них приводит к ослаблению другого.
Преобразователи Холла
Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины.
На рис. 5.1 преобразователь выполнен в виде тонкой пластинки или пленки из полупроводникового материала. Токовые электроды 1 и 2 выполняются по ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по сечению преобразователя. Потенциальные электроды 3 и 4 расположены в центральной части продольных граней. Выходная величина пропорциональна произведению двух входных величин – тока и магнитной индукции.
Достоинства: простота конструкции, отсутствие трения. Недостатки: остаточное напряжение, погрешность линейности, погрешность от возникновения собственного магнитного поля преобразователя, нестабильность, перепад температур зависит от наличия примесей. Преобразователи применяются для измерения параметров постоянных, переменных и импульсных магнитных полей, для определения характеристик ферромагнитных материалов [5].
Рис. 5.1. Преобразователь Холла