Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



ми как свойства самих термисторов, так и свойства их арматуры, а также способа монтажа. Для получения сопротивления тер-мистора, необходимого для согласования с высокочастотной линией, в нем должна быть рассеяна мощность начального подогрева, подаваемого термисторным мостом. Эта мощность зависит от окружающей температуры. Соответственно для термистора или термисторной вставки нормируется рабочее сопротивление термистора R, при котором гарантируются его высокочастотные свойства и значения начальной мощности подогрева при граничных значениях рабочего диапазона температур.

В общем случае как болометрам, так и термисторам присуща нелинейная зависимость изменения сопротивления от изменения уровня мощности и температуры окружающей среды (рис. 3.8). Для термисторов эту зависимость можно записать в виде

К, = К„ехрВХ, (3.4)

где Ксо, В, - постоянные, зависящие от свойств полупроводникового материала термистора; tk = tfoKp -f- 6 - абсолютная температура, при которой определяется сопротивление термистора К,; top ~ температура окружающей среды; 6 = Р/й, - превышение температуры термистора над температурой окружающей среды под воздействием мощности Р. Эта зависимость может быть представлена в следующем-виде:

P, = P,oKpexp[B,(fLKp- £?)]/£?oKpt?. (3.5)

Продифференцировав (3.4) или (3.5), можно определить относительный температурный коэффициент сопротивления:

а, = - B,i(tiY = - вЖощ, + 6). (3.6)


Рис. 3.8. Зависимость сопротивления термистора от уровня мощности и температуры окружающей среды

Из (3.6) следует, что температурный коэффициент сопротивления термистора является величиной отрицательной и существенно изменяется при изменении температуры термистора. Однако при изменении сопротивления термистора в пределах Р, = = ± (5 -10) % температурный коэффициент можно принять постоянным, что позволяет сравнивать характеристики термисторов. Крутизна характеристики термистора существенно изменяется с изменением окружающей температуры, и ее влияние тем выше, чем интенсивнее теплообмен термистора с окружающей средой. Параметром теплоза-щищенности термистора или термисторной вставки является коэффициент теплоотдачи rit, мВт/град, который равен отношению изменения мощности подогрева к вызвавшему ее изменению окружающей температуры (при условии постоянства рабочего сопротивления термистора), т.е. r], = dP/dt. Следует отметить, что этот параметр изменяется при монтаже термистора в арматуру. Поэтому он полно характеризует только терми-сторные вставки.

Общая чувствительность измерителей. мощности определяется не столько разрешающей способностью термисторных мостов, сколько тепловыми шумами, проникающими в термисторную головку извне из-за нестабильности окружающей температуры. Поэтому возможности головки при измерении предельно малых мощностей оцениваются не крутизной ее характеристики, а коэффициентом теплоотдачи термистора. Вследствие этого крутизна характеристики термистора не считается достаточно важным параметром головок, предназначенных для • точных измерений в схемах сбалансированных мостов. При работе с несбалансированными мостами чувствительность прибора оказывается пропорциональной крутизне термистора, и поэтому как значение крутизны, так и ее постоянство во всех режимах работы приобретают особое значение.

При измерении мощности с помощью термисторов и болометров измеряемую мощность Р... замещают равной ей мощностью постоянного тока Р. Мощности считают одинаковыми, если они вызывают одинаковые приращения сопротивления термистора. Это приращение измеряют на постоянном токе с помощью мостовых схем.

Приращение сопротивления терморезистора зависит от рассеиваемой в нем мощности и от распределения температуры. Если это распределение окажется различным при подаче одинаковых мощностей Р. и Р, то приращение сопротивления AR под дей-



ствием мощности Р. будет несколько отличаться от приращения AJ?, вызванного рассеиванием мощности Р=. При выполнении равенства hR,, =AR, фиксируемого с помощью мостовой схемы, окажется, что мощности Р. и Р„ не равны, т. е. возникает погрещность замещения.

Допустим, что нитевидный болометр радиусом г Охлаждается за счет конвекции и излучения, а теплоотвод через выводы пренебрежимо мал. Тогда под действием постоянного тока, плотность которого примерно одинакова по сечению нити, внутренние участки ее (г«г) будут нагреты сильнее, чем внещние. Под действием токов СВЧ, протекающих по поверхностному слою, установится одинаковой температура в любой точке сечения нити. Если Р.„=Р, то температура поверхности нити будет одинаковой, а приращение ее сопротивления, измеренное на постоянном токе, будет разным: ДЛ.. <ДК=.

Механизм появления погрешности замещения в бусинковом термисторе во многом подобен рассмотренному. Под действием постоянного тока интенсивно нагреваются внутренние участки термистора, расположенные между выводами, в результате чего температура внутренних участков термистора оказывается выше, чем температура поверхности. Из-за действия токов СВЧ устанавливается более равномерное распределение температуры. Следовательно, при равных мощностях приращения сопротивлений также будут неодинаковыми и возникает погрешность замещения. Бусинковым и цилиндрическим тер-мисторам свойственна значительная погрешность, которая заметно сказывается в диапазоне сантиметровых волн. Для пленочных болометров погрешность замещения оказывается очень малой.

Погрешность замещения возрастает с увеличением отношения длины проволоки L к длине рабочей волны %. Погрешность максимальна при L = Х/2 и может достигать в этом случае 12%. Но для L<0,1X макси-


Рис. 3.9. Соотношение между размерами болометра и длиной волньГ

мальная погрешность не превышает 2 %. Погрешность также зависит от отношения длины проволоки к ее диаметру d. На рис. 3.9 показано, каким должно быть соотношение между размерами болометра и длиной волны, чтобы погрешность не превышала 2%. Труднее оценить аналогичную погрешность для термистора, но можно считать, что она мала, если малы размеры бусинки по сравнению с длиной волны.

Источником непостоянства погрешности является изменение КПД головки, зависящего от потерь в элементах конструкции, окружающих болометр или термистор. Коэффициент полезного действия головки есть доля обшей мощности СВЧ, поданной в головку, которая в действительности поглощается и измеряется. Коэффициенты полезного действия терморезисгорных головок разных типов, применяемых в диапазонах длин волн 1,25 и 3 см, лежат в пределах от 0,83 до 0,99. Измерение КПД производится калориметрическим методом.

Еще один вид погрешности возникает при измерении импульсной мощности модулированных сигналов из-за динамики термистора. Эта погрешность значительна, когда для измерения среднего значения мощности применяются термисторы с очень малой постоянной времени, такие, например, как болометры с воластоновской нитью. Погрешность частично обусловливается влиянием изменения сопротивления термистора на схему, в которую он включен, а частично конструкцией болометра и изменением его полного сопротивления за время действия импульса, вследствие чего часть мощности отражается. Определенная доля этой погрешности определяется неравномерностью охлаждения болометра в интервале между импульсами. При длительности импульса 1 МКС и частоте повторения 1000 имп./с погрешность болометра, включенного в равноплечий мост, составляет 5%.

В настоящее время применяются в основном широкополосные головки, не требующие настройки во всем рабочем диапазоне частот.

Основные характеристики наиболее распространенных терморезисторов приведены в табл. 3.2.

Как термисторы, так и болометры ис-: пользуются для измерения малых уровней мощностей непрерывных сигналов и среднего значения мощности импульсно-модулированных СВЧ сигналов. На практике предпочтение отдают термисторам из-за более высокой чувствительности и большей энергии перегорания при одном и том же максималь-



Таблица 3.2. Характеристики терморезисторов

т, с

Рср, Вт

терморезистора

1/°С

Вт/Х

%/Вт

Термисторы Т8, Т9, ТК,

50-250

0,03

0,15-0,5

30-10-3

1,25

ТВ, ТШ

Термисторы СТЗ-18,

50-200

0,02

0,17

11,75

0,6-1

40-10-3

СТЗ-32

Проволочные платино-

100-400

0,004

0,05

5-10-5-

10-10-3

вые болометры 1 мкм

10-4

Нитевидные пленочные

100-150

0,0025

0,08

3,5-10-4

20-10-3

0,5-1,0

болометры на стекло-

волокне 3 мкм

Плоские пленочные бо-

50-75

0,001

До 1

лометры на слюдяной

подложке

ном пределе измерения среднего значения мощности импульсно-модулированных сигналов. Вместе с тем проволочные и нитевидные болометры на стекловолокне применяют для измерения малых уровней импульсной мощности благодаря их малой постоянной времени На проволочных болометрах, имеюгцих более стабильные параметры, строят образцовую аппаратуру.

Плоские пленочные болометры позволяют расширить динамический диапазон средних уровней мощности до 1 Вт. Для уровней мощности ниже 10 мВт такие болометры малопригодны из-за большой постоянной рассеяния, обусловливающей значительный дрейф показаний при измерениях.

Терморезисторные мосты. Для измерения мощности терморёзистор обычно включают в схему моста постоянного или переменного тока, и небольшие изменения сопротивления болометра или термистора, происходящие под воздействием СВЧ мощности, могут быть легко измерены.

Простейшая схема терморезисторного моста показана на рис. 3.10. В этой схеме терморезистор является единственной деталью (в идеальном случае), сопротивление которой зависит от мощности, рассеиваемой внутри нее. Положим для простоты, что плечи моста Ri, R2 и одинаковы. Их сопротивление Ro выбрано в соответствии с рабочими характеристиками терморезистора. Это значит, что при R=Rg и сбалансированном мосте терморезистор хорошо согласован с линией СВЧ и в нем рассеивается необходимая мощность. Процесс измерения заключается в том, что при подведении к терми-стору СВЧ мощности он дополнительно разогревается, в результате чего его сопро-

тивление изменяется на некоторое значение R. Ранее сбалансированный с помощью резистора R мост приходит в состояние разбаланса. Разбаланс индицируется гальванометром, включенньпм[ в диагональ моста. При малом разбалансе сохраняется линейная зависимость между током в диагонали моста и изменением сопротивления терморезистора, следовательно, и СВЧ мощностью, вызывающей это изменение, т. е.

PcB4=W,

где к - коэффициент пропорциональности; / - ток в диагонали моста.

Коэффициент к можно определить на СВЧ токе, постоянном токе или переменном токе низкой частоты. При известном значении к шкалу гальванометра можно програ-дуировать в единицах мощности. Эту схему применяют только для индикации мощности или при ее относительных измерениях, так как схема не обеспечивает высокой точности измерений и имеет следующие недостатки;

коэффициент к сильно зависит от температуры окружающей среды и смены терморезистора. Так как сопротивление терморезистора меняется с изменением температуры окружающей среды, то меняется и уровень мощности, при котором мост балансируется В связи с этим меняется чувствительность и, следовательно, градуировка моста;

малый динамический диапазон (до 2 мВт), зависящий от уровня рассеиваемой терморезистором мощности постоянного тока, при которой наступает баланс моста;

степень согласования с СВЧ трактом зависит от уровня измеряемой мощности, так как при ее изменении изменяется сопроти-



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 [42] 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168


0.0115