1. СЕНСОРЫ ПОГЛОЩАЕМОЙ

Мощности излучения

1.1. Современное состояние и основные направления развития сенсоров поглощаемой мощности излучений

1.1.1. Обзор методов, на которых основывается работа сенсоров поглощаемой мощности

В сенсорах поглощаемой мощности энергия электромагнитных колебаний преобразуется в тепловую, механическую энергию или в электрический сигнал, доступный для дальнейшего преобразования и измерения.

В измерителях мощности применяют следующие виды сенсоров:

• тепловые - калориметрические (в том числе сухие калориметры), болометрические (термисторные), термоэлектрические и др.;

• пондеромоторные;

• электронные - детекторные на вакуумных и полупроводниковых диодах, газоразрядные, на основе эффекта "горячих" носителей, эффекта Холла и др.;

• ферритовые, использующие эффект ферромагнитного резонанса.

Тепловые методы основаны на преобразовании энергии излучений в тепловую энергию с последующим измерением приращения температуры рабочего тела, в котором происходит преобразование, или величины замещающей мощности постоянного тока, вызывающей эквивалентное приращение температуры рабочего тела. В основе метода лежит уравнение

где Q_т - количество теплоты, Дж; С_t - теплоемкость рабочего тела, Дж/ ^оС; q - приращение температуры рабочего тела, ^оС; t - время, с.

Возможность калибровки тепловых приборов на постоянном токе способствует достижению высокой точности измерений мощности. При конструировании тепловых приборов особое внимание обращают на время установления показаний, которое в основном определяется тепловой инерционностью элементов системы. Время установления теплового равновесия системы пропорционально произведению теплоемкости рабочего тела на тепловое сопротивление между ним и средой. Следовательно, уменьшить время установления показаний можно уменьшая оба влияющих фактора.

Уменьшить время установления показаний можно также применяя метод замещения. Метод основан на допущении, что замещающая мощность и поглощаемая мощность создают одинаковый тепловой эффект в рабочем теле. Перед измерением рабочее тело предварительно разогревают постоянным (переменным) током до определенного теплового состояния. После подачи измеряемого сигнала мощность постоянного (переменного) тока уменьшают на такую величину, чтобы состояние рабочего тела осталось неизменным. При этом приращение мощности постоянного (переменного) тока, получившое название замещающей, принимают равным измеряемой мощности. Таким образом, при замещении суммарная мощность, подводимая к рабочему телу до начала измерений и при измерении, остается неизменной. Это обуславливает постоянство температуры рабочего тела, а следовательно, и исключает в первом приближении зависимость времени измерения от тепловых характеристик рабочего тела. Метод замещения широко применяют в термисторных и калориметрических сенсорах. Обычно процесс замещения автоматизирован.

Пондеромоторный метод является является абсолютным методом измерения мощности излучений, поскольку результат может быть определен на основании прямого измерения массы, длины и времени. Метод основан на использовании эффекта механического (пондеромоторного) воздействия сил электро-магнитного поля на элементы сенсоров. Пондеромоторный метод может быть применен вплоть до миллиметрового диапазона длин волн. Однако, отдельные приборы имеют сравнительно узкий диапазон частот. Достоинства метода:

• высокая точность ( погрешность измерений порядка 0.7 - 1.5 %) [1];

• хорошая перегрузочная характеристика : приборы не выходят из строя при значительном превышении измеряемой мощности (чувствительные элементы при перегрузке устанавливаются в крайнее положение).

Недостатки пондеромоторного метода :

• повышенная чувствительность к вибрациям и тряске;

• малая надежность;

• необходимость высокой точности изготовления элементов механической конструкции;

• узкополосность;

• неприменимость метода в жестких условиях эксплуатации.

Таблица 1.1.