Главная Измерительная установка - комплекс средств измерений



ния, магнитного потока и электрического поля. Направление электрического поля в рассматриваемом случае определяется расположением электродов датчика. При повороте датчика против часовой стрелки вокруг оси симметрии, расположенной в плоскости XZ, на угол от О до 360° можно получить следующие результаты. Если электроды датчика расположены вдоль эквипотенциальных линий поля, то Uh = 0. Это может иметь место, когда угол е = 90 и 270°. За нулевое положение датчика принимается положение, показанное на рис. 3.49. При 6=0° напряжение на выходе датчика, вызванное эффектом Холла, максимально.

При е = 180° напряжение Холла также максимально, но его полярность противоположна полярности напряжения при О = 0°.

Эффект Эттингсхаузена объясняется появлением градиента температуры в направлении, перпендикулярном направлению продольной составляющей электрического тока и поперечного магнитного поля:

dTldY= -AeBxSy.

Коэффициент Эттингсхаузена для арсе-нида индия оказался незначителен, и составляющая напряжения за счет этого эффекта значительно меньще составляющей напряжения, вызванного эффектом Холла, и может не учитываться.

Составляющая напряжения, обусловленная вентильным эффектом, зависит от нелинейных свойств электродов датчика и асимметрии в расположении его контактов. Эта составляющая прямо пропорциональна току смещения.

Появление термоэлектрической составляющей напряжения и вызывающего ее градиента температуры в датчике обусловливаются следующими причинами:

неравномерным нагревом датчика вследствие неоднородностей в передающей линии за счет размещенного в ней датчика Холла;

чрезмерно большим током смещения;

неравномерным разогревом датчика из-за неоднородностей самой передающей линии.

Температурные градиенты вследствие искажений, обусловленных неоднородностя-ми линии и датчика, определяются одновременно. Предположив, что термоэлектрическая составляющая напряжения имеет ту же полярность, что и напряжение Холла при О = О и 270°, эта составляющая будет равна О, а при О = 180° она будет иметь обратную полярность.

Так как составляющая напряжения, вызванная вентильным эффектом, всегда имеет

одну и ту же полярность, то она может быть легко исключена и из суммарного значения напряжения Холла и термоэлектрической составляющей. Это можно осуществить сравнением положительного и отрицательного максимумов выходного напряжения постоянного тока, которые имеют место при изменении О на 180°.

Из анализа уравнения

[/д+[/гн = 0,5 [+[/„-(-[/„)]

следует, что если выпрямленное напряжение велико по сравнению с Uh + Uth, то отрицательный максимум (-[/(,) сместится, так что напряжение на нем поменяет знак на положительный.

Исследование свойств термоэлектрического напряжения и напряжения Холла показывает, что имеются три ("фактора, которые позволяют эти напряжения различать:

1) время нарастания. Напряжение Холла при подаче импульсной мощности должно иметь крутые перепады фронта и среза, т. е. инерционность практически отсутствует. Время установления термоэлектрического напряжения, как правило, значительно больше;

2) напряжение Холла зависит от разности фаз тока, проходящего через датчик, и магнитного потока; термоэлектрическое напряжение не зависит от разности фаз;

3) термоэлектрическая составляющая напряжения возникает вследствие температурного градиента, обусловленного главным образом действием электрического поля, она не зависит от магнитного потока; напряжение Холла зависит одновременно от электрической и магнитной составляющих поля. Путем соответствующего расположения датчика Холла в волноводе можно исключить влияние неоднородностей передающего тракта и значительно уменьшить влиянию термоэлектрической составляющей напряжения (рис. 3.49).

В положении 1 термоэлектрическая составляющая будет равна О, а в положении 2 - максимальна. Значительно труднее исключить влияние неоднородностей, вызванных самим датчиком.

Для этого полупроводниковые концы датчика покрывают материалом, имеющим значительно большую проводимость, чем проводимость датчика. Искажения останутся, но они перестанут влиять на выходной сигнал датчика.

Эффективность метода разделения составляющей напряжения, вызванной эффектом Холла, от термоэлектрической составляющей можно проверить экспериментально на установке, структурная схема которой



Генератор СВЧ

Нагрузка

Направленный ответ-Битель

Вентиль

Датчик Холла

Ваттметр СВЧ

Согласующий элемент

Нагрузка

Гальванометр

Направленный ответ-Битель

Нагрузка

Ваттметр СВЧ

Рис. 3.50. Структурная схема разделения напряжения, вызванного эффектом Холла, от

термоэлектрической составляющей

показана на рис. 3.50, путем измерения выходного напряжения датчика при изменении характера стоячих волн в передающей линии. Стоячие волны в волноводе можно получить с помощью согласующего штыря. Меняя положение пггыря, можно получить минимальный и максимальный разогревы датчика и таким образом определить значение термоэлектрической составляющей напряжения. Очевидно, что при отсутствии рассогласования термоэлектрическая составляющая отсутствует. При правильном размещении датчика в передающем тракте КСВН увеличивается незначительно и искажения, вносимые самим датчиком, будут минимальными. Даже при больших рассогласованиях в тракте датчик может быть размещен так, чтобы искажения, вносимые им, не влияли на выходное напряжение.

Для исследования влияния угла поворота датчика на выходное напряжение датчик помещается в волноводной линии на основании конической формы, позволяющей поворачивать его на 360°. Глубина погружения датчика в волновод должна быть минимальной, чтобы снизить искажения, вызываемые датчиком.

Размер датчика выбирается намного меньше поперечного сечения волновода. Чувствительность датчика мало зависит от частоты. Для датчика из германия на частоте 300 МГц может быть получена чувствительность 3 мкВ/Вт. Применяя полупроводники типа InSb в трехсантиметровом диапазоне длин волн, можно получить чувствительность от 0,4 до 1 мкВ/мВт.

Для получения больших значений выходного напряжения необходимо увеличивать плотность потока в датчике при низких значениях тока -проводимости и связанной с ним мощности рассеяния и нагрева полупроводникового элемента. С этой же целью в коаксиальных трактах датчик помещают как можно ближе к центральному проводнику, а в волноводе датчик располагают вдоль широкой стенки или сужают часть волновода. Увеличение выходного напряжения до-

стигается также определенным размещением датчика в специальном резонаторе.

Зондовый метод измерения проходящей мощности. На практике для измерения проходящей мощности наиболее широкое распространение получили зондовые устройства (датчики), представляющие собой отрезки линий передачи с расположенньпчи на них зондами. Зонд, как правило, состоит из первичного измерительного преобразователя и элемента связи, и имеет пренебрежимо малые размеры по сравнению с длиной волны в линии передачи электромагнитной энергии. Зонд как измерительный преобразователь характеризуется погрешностью преобразования и амплитудной характеристикой. Выбором соответствующей конструкции зонда добиваются уменьшения его влияния на форму поля в линии передачи и собственное потребление энергии.

Зондовый датчик калибруют по известной мощности в согласованной нафузке. При реальных нафузках вследствие того, что зонд реагирует на распределение поля вдоль линии передачи, возникает составляющая погрешности из-за наличия стоячей волны. К числу других составляющих пофеш-ности следует отнести пофешность за счет нестабильности коэффициента преобразования и погрешность, обусловленную изменением коэффициента связи в полосе частот.

Погрещность рассогласования зависит от числа зондов, места их расположения относительно нагрузки, электрического расстояния между ними, модуля и фазы коэффициента отражения нафузки. Если эти параметры известны, то можно ввести поправку в результат измерения для диапазона частот. Для однозондового датчика максимальная погрешность рассогласования

8ртах+= +2Гн1/(1-Г„);

бр„«х- = -2Гн 1/(1+1 Г„).

Уменьшение погрешности рассогласования достигается применением двухзондового датчика. Если зонды расположены друг от



друга на расстоянии Х/Л, то погрешность на средней длине волны не зависит от места расположения зондов относительно нагрузки, имеет только положительный знак и равна:

8г = 2ГнР/(1-Г„Р).

Максимальное значение погрешности в полосе частот + An зависит не только от модуля коэффициента отражения, но и от его фазы ф. С учетом введения поправки, компенсирующей погрешность рассогласования на средней длине волны, значение этой погрешности для коаксиального тракта

8р™х = ± [21Г„Icost:(1 - Дп)/2]/(1 - Г„П

Путем калибровки двухзондового датчика при несогласованной нагрузке, коэффициент отражения которого лежит в пределах

можно добиться еще большего уменьшения погрешности рассогласования.

Погрещность измерения на средней частоте при оптимальном условии калибровки

IfнI = 1/(Гн1х + 1н1™«)/2 составит

8р = (21 Г„ р - 21Р)/(1 - I Г„р)(1 + IР),

для полосы частот +Ап

g 2ГнР-2Г;,р±2Гнх Р (1-Г„П(1 + Ги)

X [cos(7t/2)(l+An)](l-r„p) (1-Г„р)(1 + ГнП Приведенные соотношения получены в предположении, что связь зондов с линией передачи одинакова, а характеристики их идентичны.

Применив четыре зонда, можно значительно улучшить частотные свойства датчика. При нулевом смещении между парами зондов (рис. 3.51) погрешность рассогласова-

ния в полосе частот определяется выражением

8р = [21 Гн Р + 21 Г„ 1 cos (п/2) (1 - Дп)] /(1 -

В качестве зондов на практике используются термопарные полупроводниковые объемные элементы, которые устанавливают в датчике так, чтобы одна торцевая плоскость с нанесенным на нее поглощающим слоем несколько погружалась в волновод, а другая имела с. ним хороший тепловой контакт. При расположении двух термоэлементов на расстоянии Х/4 друг от друга значение проходящей мощности определяется как

где и 62 - ЭДС термопар.

На практике определение среднего геометрического значения ЭДС термопар затруднено, поэтому часто ограничиваются изменением суммы ЭДС двух термопар Р = = k(ei + e2). В этом случае выходной ток

/ = 2/с1/£1ад + £;

2

Отр,

где £пад и £отр - напряженности поля падающей и отраженной волны соответственно.

Динамический диапазон датчика не может превьппать 6. Верхний предел ограничивается электрической прочностью волновода, так как чувствительность термопары может быть уменьшена соответствующей установкой термопары в волноводе. Минимальное значение измеряемой мощности, Вт, может быть приближенно определено по следующей формуле:

Pmin = 0,84a=b,

где а и b ~ размеры широкой и узкой стенок волновода соответственно.


Рис. 3.51. Зондовый метод измерения проходящей мощности

3.4. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ

Измерение мощности производится ваттметром. В соответствии с классификацией методов измерения мощности ваттметры разделяются на две основные группы:

поглощаемой мощности (условное обозначение МЗ...),

проходящей мощности (условное обозначение М2...).

К основным входным характеристикам ваттметров относятся пределы измерения мощности, рабочий диапазон частот, основная погрещность, коэффициент эффективно-



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


0.013