X. Компенсаційні калориметри для визначення ефективності болометрів і вимірювання потужності лазерних діодів

Система автоматизованих калориметричних вимірювань із використанням мікрокомп’ютера створена для визначення ефективності болометричної системи в діапазоні хвиль міліметрової довжини [241].

Система містить частину, що відповідає за калориметричні вимірювання, частину, що відповідає за болометричні вимірювання і частину, що відповідає за контроль і обробку даних. Система сконструйована і досліджена в спектральному діапазоні 35 ГГц. Точність вимірювання системи оцінюється в межах 0,37 % [241].

Рис. 144 Базова діаграма калориметричної системи [241].

Існують різні установки для вимірювання потужності хвиль мікро метрового і міліметрового діапазону. Якщо вони мають добрі характеристики достатні для калібрування іншими засобами, вони є придатними для використання в точних вимірювачах потужності. Як стандарт потужності широко використовуються болометричні установки. Риси установок в калібруванні є описані за допомогою параметра ефективності [241]. Це означає відношення вимірюваної потужності постійного струму до споживаної потужності міліметрових хвиль. Сьогодні комбінована вимірювальна система болометричного методу і калориметричного методу розглядається в якості найбільш точної системи для визначення ефективності болометричної установки, вона має широке застосування [241].

В основному, теплоємність теплового навантаження, що використовується в калориметрі є настільки великим, що відповідь системи є дуже повільною. Тому, тривале спостереження і контроль системи є необхідним у вимірюваннях. Із цих причин, калориметричні вимірювання займають багато часу і є дуже незручними.

Проте сьогодні, із метою збереження трудового часу і підвищення точності, ми розробили автоматичну калориметричну систему із використанням мікрокомп’ютера для вимірювання ефективності болометричної системи [241].

Принцип системи [241]. Базова калориметрична система показана на рис. 1. Принцип вимірювання оснований на постійнострумових замінних вимірюваннях при умовах теплового балансу. Умови теплового балансу реалізуютсья за допомогою контролю температури теплового навантаження із використанням термоелектричного елемента і допоміжного нагрівача. Термоелектричний охолоджуючий елемент відкачує теплову енергію у відповідності до величини струму живлення. Потійнострумовий нахил потужності болометричної установки контролюється за допомогою постійної опору. Результуюча температурна різниця між тепловим навантаженням і фланцем кожуха визначається термоелектричними детективними елементами. Тоді, потужність пропорційна до цієї різниці температур є сигналом живлення допоміжного нагрівача. Тут, для того щоб отримати представлення про роботу системи, приймемо, що система є ідеальним тепло збалансованим калориметром. Умови теплового балансу записуються у вигляді [241].

(1)

Де, Ph є потужністю допоміжного нагрівача, P_b є потужністю нахилу болометра, Pm застосовується для означення міліметрової потужності, і Р_с є потужністю охолодження. Постійнострумові замісні (компенсивні) вимірювання виконуються для болометричної потужності нахилу і для потужності допоміжного нагрівача при застосуванні чи незастосуванні потужності міліметрового діапазону [241]. Допустим, що болометрична потужність нахилу є P_bi, а потужність допоміжного нагрівача позначається як Phi, коли не застосовується потужність міліметрового діапазону, а позначення при наявності потужності міліметрового діапазону P_bf і P_hf відповідно. Для калориметричних вимірювань, показано, що

(2)

Для калориметричних вимірювань

(3)

де, η_e є ефективність болометричної установки.

Рис. 145 Блочна діаграма автоматичної калориметричної системи [241].

Відповідно до (1) для початкових і кінцевих умов, і використовуючи співвідношення (2) і (3), ефективна ефективність становить:

(4)

де

(5)

Для справжньої калориметричної системи теплопровідність теплового навантаження має бути визначеною. Виходячи із детального аналізу, відповідь калориметра, тепловому і електричному еквівалентному колі показує, що (5) змінюється р-ням (6).

(6)

де,

S є градієнтом кривої Pb і Ph на робочому нахилі потужності Pdc болометрчної системи за умов балансу температур дотриманого для постійного струму. Рівняння (4) і (6) є рівняннями, що описують вимірювання запропонованої калориметричної системи.

Справжня система [241] складається із трьох підсистем. Вони представлені калориметричною вимірювальною системою, болометричною вимірювальною системою, і системою для системою для контролю і обробки даних, як показано на рис. 2. Калориметрична частина для вимірювань зроблена із калориметричного тіла і контрольного кола. Калориметричне тіло має теплове навантаження, що складається із тонко плівкової болометричної системи із допоміжним нагрівачем. Пара термоелектричних охолоджуючих елементів і детектуючих елементів установлена на фланці жакета, як показано на рис. 144. Спочатку охолоджується теплове навантаження, а пізніше детектується різниця температур між тепловим навантаженням і фланцем жакета [241]. Для того, щоби ізолювати теплове навантаження від жакету, адіабатичний хвилевід використовується для передачі потужності до навантаження. Калориметричне тіло поміщене в подвійні кожухи, що поміщені в масляну ванну для стабілізації внутрішньої температури. Оскільки супроводжуючі компоненти калориметричного вимірювання, джерело постійного струму використовуються для термоелектричного охолодження і підсилювач використовується для контролю зворотного зв’язку для теплового навантаження. Частина для болометричного вимірювання складається із автоматичного болометричного містка із адаптивним контролем [T. Inoue and K. Yamamura, "Automatic bolometer bridge using an adaptive control technique for RF power measurement," IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. IM-27, pp. 166-169, June 1978.]. Блочна діаграм показана на рис. 4 [241].

Зазвичай, частина для болометричних вимірювань використовує такий болометричний місток із простим підсилювачем сигналу зворотного зв’язку і має домінантну похибку через вимірювання болометричного струму нахилу і недосконалість міскового контролю [241].

Рис. 146. Блочна діаграма автоматичного болометричного містка [241].

Містковий струм і місткова напруга дисбалансу замінюються запрограмованими джерелами, і ці похибки зменшуються [241]. На рис. 146 контролер струму заміщення і контролер балансу містка скомбіновані запрограмованими джерелами створеними із A/D, D/A конвертерів, і пам’яті. Контролер струму заміщення має струмів бустер на додачу. Процедура роботи містка є наступною. Спочатку, місток збалансований підсилювачем зворотнього зв’язку так само, як і звичайний болометричний місток з автобалансом. Дальше, струм балансу містка І₀ через R, вимірюється і зберігається в цифровому вигляді в пам’яті [241]. Струм заміщення, що відповідає I₀ подається на вершину містка через R_S2 із контролера струму заміщення і струм підсилювача набуває залишкового значення I . Якщо I₀ залишається постійним, I₁ буде зменшуватися до струму підсилювача I₂ коли застосовується потужність міліметрового діапазону. Таким чином, потужність міліметрового діапазону P обчислюється як:

(7)

де, R є робочим опором болометричної зборки [241]. Тут, I₁ - I₂ може бути виміряним так само точно, як і I₀, тому, похибка вимірювання струму зменшується, порівняно із методом, при якому вимірюється загальний струм містка прямо. Контрольне відхилення містка також вимірюється заздалегідь і заміщується так само при належному виборі часу вимірювання потужності. Частина контролю і обробки даних складається із мікрокомп’ютера і його периферійних пристроїв. Напруга на декількох виходах калориметричних і оболометричних вимірювальних частин селективно вимірюється цифровим вольтметром через підсилювач [241].

Процедура вимірювання [241]. Перед початком процедури вимірювання ефективності, необхідно здійснити певні приготування. Спочатку, струм охолодження в ручному режимі установлюється трохи більшим за струм, необхідний для теплового балансу болометричної потужності нахилу. Після того, як вся система приходить в умови теплового балансу, фактор корекції S в співвідношенні (6) визначається вимірюванням болометричної потужності нахилу чи потужності нагрівника незалежно за умови постійності струму охолодження. Процедура вимірювання ефективності показана на рис. 147. Із початком вимірювальної програми, дані, такі як дата, час, і температура, і т.д. покладені в TTY відповідно до інструкції мікрокомп’ютера. Фактор корекції S, що вимірюється спочатку також задається. Тоді, болометрична потужність нахилу також вимірюється. Вона обчислюється за допомогою співвідношень (4) і (6). Струм охолодження також вимірюється. Процедура вимірювання ефективної ефективності продовжується п’ять раз для усунення похибки ,обумовленої дрейфом температури методом усереднення. Інтервал часу кожного вимірювання становить 10 хв. Потужність нагрівача визначається напругою Vh і струмом I'h. На перевагу болометричного вимірювання потужності, контроль балансу містка також зроблений для компенсації температурного дрейфу. Болометрична потужність нахилу і ефективна ефективність обчислюються і роздруковуються. Приклад вимірювання на частоті35 Гц показаний на рис. 6. Де знак мінус струму вимірювання показує напрям струму. Незважаючи на варіацію (зміну) потужності міліметрового діапазону, обчислена ефективна ефективність у колонці Х становить + 0,01%, випадковість знаходиться в межах +0,1%.

Рис. 147. Блок-схема калориметричних вимірювань [241]

Оцінка похибок вимірювання [241].

Можуть бути оціненими систематичні похибки, що спричинені неточністю/нестабільністю компонент системи [241]. І навпаки, випадкові похибки спричинені неочікуваними факторами, такими як робота оператора, сильні збурення Тому, вона може бути оціненою за статистичним опрацюванням даних. В автоматизованій системі, випадкова похибка може бути зменшеною через меншу частку ручної роботи і здійснення повторних вимірювань. Фактори похибки в цій системі показані як наступні: a) похибка устаткування вимірювання постійного струму; b) похибка допоміжного нагрівача контролю; c) похибка рівнянь вимірювання; d) похибка затухання; e) похибка рівнозначності розподілу; і f) випадкова похибка.

Нижче описані аналіз і оцінка цих факторів похбки.

A. Похибка вимірювального устаткування постійного струму ε_dc. Ця похибка зумовлена вимірюванням постійного струму устаткуванням, що знаходиться в системі. Аналізуючи (4) і (6), отримується наступне рівняння похибки

(8)

де, ε_b є точністю вимірювання потужності зсуву болометра і ε_h є точністю вимірювання потужності допоміжного нагрівача. В цій системі, цифровий вольтметр із точністю ± 0.01% і стандартні опори із точністю ±0.015-% використовуються для них. Таким врезультаті отримуємо ε_b = ± 0.045% і ε_h= ±0.035%. Тому, ε_dc наближається до ± 0.032 %, припускаючи, що ε_e = 0.9.

B. Похибка контролю допоміжного нагрівача ε_con. Ця похибка спричинена залишковим відхиленням контролю допоміжного нагрівача. Цей факт означає, що різниця температур між тепловим навантаженням і фланцем кожуха не дорівнює точно нулю. Цей фактор похибки оцінюється наступним рівнянням, так само, як (8)

(9)

де, ε_hc означає похибку вимірювання потужності допоміжного нагрівача завдяки відхиленню контролю. Із експерименту теплового балансу ε_hc отримується величиною ±0.2 %. Відповідно, ε_con наближається до ±0.08% із (9) припускаючи, що η_e = 0.9.

C. Похибка рівняння вимірювання ε_eq. Коли рівняння вимірювання ефективної ефективності (4) і (6) були виведені, наступним терміном можна було знехтувати [6].

(10)

Де, k = r_b/(r₁ + r_b). r_b є тепловим опором між елементом болометра і поверхнею хвилевода. r, є тепловим опором між елементом болометра і зовнішнім повітрям в зборці. Для оцінки ε_eq бажано знати максимальну величину |ε_eq|. Припускаючи, що σ є постійною |ε_eq| приймає максимальну величину, коли k в рівнянні (10) є максимальним, тому що 0 < k < 1. Аналізуючи характеристики передачі тепла в болометричній зборці, k приймає максимальну величину 0.00452. σ є приблизно рівним 1-η_e. Таким чином, те що, ε_eq наближається до - 0.045%, припускає, що η_e =0.9 [241].

D. Похибка затухання ε_att [241]

Втрати адіабатичного хвилевода спричиняють появу ε_att, що оцінюється як ±0.1%.

E. Похибка рівномірності розподілу ε_dist.

Ця похибка виникає через те, що температурний розподіл болометричного елемента відрізняється, коли потужність постійного струму чи потужність хвиль міліметрового діапазону застосовується. Для 35ГГц зборки тонкоплівкового болометра, 0 < ε_dist < 0.08 %.

F. Випадкова похибка

Випадкова похибка системи оцінюється в межах ±0.1% із результатів декількох вимрюівань. Фактори похибки обговорюються вище і показані в таблиці I. Відповідно, загальна точність автоматизованої калориметричної системи оцінюється в межах +0.37%.

Табл. 1. Точність вимірювальної системи

Систематичні похибки	Похибка устаткуваня для вимірювання постійного струму	εdc	±0.032%
	Похибка контролю допоміжного нагрівача	εcon	±0.08 % -
	Похибка рівняння вимірювання	εeq	0.045%
	Похибка затухання	εatt	±0.1 %
	Похибка рівномірності розподілу	εdist	±0.08 % j
Випадкова похибка		εrand	±0.1%
Загальна точність

Розроблена автоматизована калориметрична система для вимірювання ефективної ефективності болометричної зборки і проекспериментована для частоти випромінювання 35-GHz band. Ця система досконаліша не тільки відсутністю праці лаборанта, але і більшою надійністю вимірювань. Загальна точність системи оцінена в межах +0.37 % [241].

Калориметричний метод для вимірювання повної потужності лазерного діода [242].

Розроблений метод калориметричних вимірювань для абсолютної величини загальної радіаційної потужності від лазерного діода [242]. Загальна радіаційна потужність вимірюється як різниця між вхідною потужністю постійного стрму, що живить лазерний діод і його теплові втрати за допомогою калориметра. Метод також корисний для звичайних напівпровідникових джерел світла [242].

В конструкції чи оцінці лазерного діода (LD), загальна радіаційна потужність є одним із важливих параметрів. В звагальному, LD емітує пучок від як передньої, так і тильної дзеркальної поверхонь, а також і спонтанну ін когерентну емісію [242]. Авторами роботи 242 загальна радіаційна потужність розглядається як все це емітоване світло. Точні вимірювання радіаційної потужності від LD є більш складними ніж для вимірювання потужності звичайного лазерного пучка, в основному тому, що кут пучка для LD є великим. Умовно, вимірювання здійснене із застосуванням наступної техніки: (i) використання лазерного вимірювання потужності, що має сенсор великої площі; (ii) вимірювання густини потужності і радіаційного зразка сенсором потужності із малою площею; (iii) використанням інтеграційної сфери. У першому методі, величина вимірювання залежить від установки сенсора відносно LD, і погіршується інтерференцією між поверхнею сенсора і LD. Другий метод є дуже часомістким, для того, щоби робити вимірювання густини випромінювання у всіх напрямках. Останній метод вимагає калібрування інтеграційної сфери стандартним джерелом світла. Для того, щоби подолати ці труднощі, розвинута техніка для вимірювання загальної радіаційної потужності основана на так званому калориметричному методі [242].

Принцип вимірювання. В умовах роботи, частина дисипованої потужності в LD емітується, як світло, а залишкова частина як теплові втрати. Відповідно, потужність випромінювання може бути визначеною із потужності постійного струму живлення і теплових втрат. Вимірювання теплових втрат може бути здійснено калориметричним методом, використаним для вимірювання потужності ІЧ [242].

Рис.. 148 Діаграма вимірювального кола [242]

Діаграма вимірювання показана на рис. 148. Теплове навантаження калориметра містить нагрівач і LD, що досліджується. Термоелектричний детектуючий елемент детектує різницю температур між тепловим навантаженням і оболонкою. Термоелектричний охолоджуючий елемент відкачує теплові втрати. Емітоване світло від LD абсорбується оточуючою зачрненою оболонкою. Робота LD і охолодження теплового навантаження в надлишку LD потужності зміщення, контролер працює таким чином, щоби отримати ізотермічні умови між тепловим навантаженям і оболонкою через нагрвач. При стаціонарному температурному розподілі, різниця теплової потужності, що натікає і витікає із оболонки стає рівною нулю. Наступні співвідношення містять потужність охолодження Pc, застосовувану потужність Pd до LD, потужність зсуву нагрівача Phl і радіаційна потужність P, із LD.1 [242].

(1)

де k1, k2 і k3 є функціями теплового опору в калориметрі. Той самий контроль і вимірювання зроблені у випадку відсутності живлення LD. Якщо потужність зсуву нагрівача Ph2 є виміряною, отримується наступне рівняння:

(2)

Радіаційна потужність P, є наступною:

(3)

де S = (l -ky)l{\ - k2). В заагльному, емітований вихід світла LD має малу флуоресценцію нижче порогового струму. Тому, якщо калориметричні вимірювання здійснюються при струмі, що нижчий за порогів струм LD, коефіцієнт S може бути отриманий із прирівняння P, = 0 в рівнянні 3:

(4)

де P'_h1 і P'_h2 є величинами потужності зсуву нагрівача коли вхідна потужність до LD становить P'_d і нуль, відповідно. Із графічного виразу коефіцієнта S у залежності від вхідного струму I_l величина, що використана для вимірювання радіаційної потужності може бути визначена, якщо взяти границю I_l → 0 (P_l → 0) за допомогою екстраполяції.

Експериментальні результати: LD, що використаний в експерименті має структуру прямокутного зразка і емітована потужність становить 10 мВт при 100мA вхідного струму. Довжина емітованого світла становить 850 нм. Як нагрівач в основі теплового навантаження лежить невеликий вуглецевий резистор і він прикріплений теплопровідним адгезивом [242]. Внутрішня поверхня корпусу покрита фарбою, що поглинає радіаційну потужінсть. Для того, щоби виміряти S, були зроблені калориметричні вимірювання нижче порогового струму лазерного діода, що становить 60мА, і параметру S у залежності від вхідного струму, як це показано на рис. 2 [242].