基于压力传感器的脉冲微波量热计

叶虎　宁辉　田彦民　杨猛　杨文森

(1.清华大学工程物理系,北京 100084;

2.西北核技术研究所 高功率微波技术重点实验室,西安 710024)



基于压力传感器的脉冲微波量热计

叶虎1,2宁辉2田彦民2杨猛2杨文森2

(1.清华大学工程物理系,北京 100084;

2.西北核技术研究所 高功率微波技术重点实验室,西安 710024)

摘要设计了一种基于固定体积液体吸收微波能量后温度升高、压力增大原理的脉冲微波量热计.采用纯水作为吸收介质,压阻传感器作为传感装置,具有对液体热学性能参数要求低、量程大和灵敏度高的优点.实验结果表明:该型量热计的能量分辨率为0.5 J,量程大于180 J,证明了该方法用于大功率脉冲微波能量测量的可行性.同时,在对吸收腔体表面的场分布进行优化设计后,也可用于高功率微波能量测量,为用于高功率微波能量测量的量热计设计提供了一种新的技术思路.

关键词脉冲微波能量;量热计;压力传感器;高功率微波

DOI10.13443/j.cjors.2015032301

Pulsed microwave calorimeter with pressure sensor

YE Hu1,2NING Hui2TIAN Yanmin2YANG Meng2YANG Wensen2

(1.DepartmentofEngineeringPhysics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.ScienceandTechnologyonHighPowerMicrowaveLaboratory,NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,China)

Abstract Based on measuring the pressure increment of liquid that results from heating by the absorbed microwave energy, a calorimeter with pressure sensor is designed. Pure water is used as the absorbing material. The calorimeter has advantages of less requirements on the thermodynamic parameters of liquid, wide measurement range and high sensitivity. The experimental results indicate that the calorimeter can be used to measure pulsed microwave energy, and the energy resolution and measurement range of which are 0.5 J and 180 J, respectively. Meanwhile, with careful electromagnetic simulation of calorimeter cavity, the calorimeter can also be used to measure the high power microwave energy.

Keywords pulsed microwave energy; calorimeter; pressure sensor; high power microwave

引言

高功率微波源的微波功率测量主要有三种方法:在线耦合探针、辐射远场功率密度积分和量热计测量[1-2].量热计法属于阻挡式测量,具有测量直接、测量不确定度相对较小和对器件工作重复性没有要求以及模式对测量不确定度影响较小等特点[3].随着技术的发展,它正成为评估高功率微波器件产生功率和能量的主要方法.量热计主要由装有吸收介质的能量吸收腔体和传感器两部分组成,常见的传感器通过测量吸收介质的体积变化反推微波能量,主要有毛细管传感器和电容传感器等[4-6],毛细管传感器需要架设摄像设备,测量过程较为复杂,而采用电容传感器需要吸收介质性质稳定、热膨胀系数大,即对介质热学特性要求较高.为消除该影响,我们采用了一种压力传感器作为传感器单元,基于固定体积液体吸收微波能量后温度升高体积增大的原理设计了一种量热计,在X波段100 kW微波源上进行了实验研究,实验结果表明该量热计的量程大于180 J,可测最小能量优于0.5 J.

1理论分析

量热计利用损耗介质(纯水)吸收微波能量后温度升高,引起腔内压强变化的原理测量微波能量[7-8],其压强的变化值可由一级近似情况下的液体的状态方程为[9]:

(1)

式中: V0为腔内吸收介质的初始体积; α为吸收介质的热膨胀系数,K-1; κT为吸收介质的压缩系数,Pa-1; T和p分别为吸收介质的温度和压强.

由于脉冲微波能量较小,在完全吸收微波能量后液体的温升较小,因而在一定温度变化范围内,液体的热膨胀系数和压缩系数可视为常数,所以式(1)可简化为

V=V0[1+α(T-T0)-κT(p-p0)]

=V0[1+αΔT-κTΔp].

(2)

基于压力传感器的量热计为封闭腔结构,可以认为腔内液体的体积保持不变,即V=V0,则联合式(2)及热力学公式ΔQ=mcΔT=ρV0C0ΔT即可得腔内压强的变化量与吸收的微波能量之间的关系式为

(3)

式中:Δp为压强变化量;ΔQ为吸收的微波能量; C0为初始温度时吸收液体的热容值.

由于液体的压缩系数非常小,通常为10-10Pa-1量级,以纯水为例,纯水的体膨胀系数和压缩系数分别为α=3.02×10-4K-1,κT=4.6×10-10Pa-1,则根据式(3)可知当量热计腔体为封闭腔结构时,即液体体积保持不变,温度的微小改变将会产生非常大的压强,以100 cm3水为例,当其温升为1 ℃时,压强变化约200 Pa.

2量热计结构

X波段脉冲微波量热计腔体如图1所示,输入端采用阻抗渐变的斜面结构[10],以减小其反射系数.冷测得到的腔体的驻波比曲线如图2所示,在f=9.3 GHz处其驻波比为1.27,即能量吸收效率约为98%.

传感装置为压阻式压力传感器,如图3所示,基于固体压阻效应,当固体受力后,电阻率就发生变化.压阻式传感器具有高灵敏度、高分辨力、测量电路及传感器一体化及频响高等优点[11],适于短脉冲信号的快速测量.

图1　X波段量热计吸收腔体

图2　X波段量热计实测电压驻波比

图3　压阻传感器实物

3实验结果及分析

该量热计的验证实验在X波段100 kW微波源上开展,该源的主要性能指标如下:工作频率9.3 GHz;脉冲功率1～100 kW可变;脉冲内幅值平坦度小于2%;脉冲间幅值稳定度小于5%;脉冲宽度1 μs.实验的结构如图4所示,功率计用以监测微波源的输出功率和脉宽,通过调节微波源输出功率和脉冲数最终拟合得到不同微波能量与传感器输出电压值的标定曲线.

图4　实验原理图

图5为实验中得到的典型波形(由于示波器存储深度有限,在实验中采用余辉显示,可得到完整实验波形:上升段为能量吸收过程,中间下降段为量热计与外界的热交换导致的能量散失过程),图中横轴为时间,纵轴为传感器输出电压.此时微波源的重复频率为200 Hz,脉冲数为100,输出持续时间约为500 ms,通过功率计监测得到的注入量热计的微波能量为8.6 J,通过示波器监测到的电压变化量为49.2 mV.由图5可以看出此时电压上升时间约为495 ms,基本上与源的输出时间保持一致,说明该压力传感器的响应时间满足测量需求,在ms量级.通过调节微波源的输出脉冲数得到该量热计的能量分辨率为0.5 J,量程大于180 J,且最大输出电压大于1 V,因而在强电磁辐射环境中抗电磁干扰能力强.

图5　典型实验波形

图6为利用X波段100 kW微波源所标定的微波能量和输出电压变化量之间的关系曲线,其拟合方程为

y=-0.3116+0.20138·x-7.63831×

10-5·x2+4.84714×10-8·x3-

2.0295×10-11·x4.

(4)

式中: x为传感器输出电压值,mV; y为吸收能量值,J.

由拟合方程可知在能量较低时,方程的高次项可以忽略,即说明较低能量时输入的微波能量和输出电压变化量之间呈线性关系.

图7为六次标定结果的拟合曲线簇.从图7可以看出六次标定结果存在一定的差异,该标定结果的重复性可利用标准偏差来描述[12],即

(5)

式中: t为置信系数,通常取2或3 (t=2时,置信概率为95.4%; t=3时,置信概率为99.73%); σ为子样标准偏差; yFS表示满量程输出,yFS=|A+B·(xmax-xmin)+C·(xmax-xmin)2|.

重复性误差服从正态分布,标准偏差可以根据贝塞尔公式来计算.先计算各标定点的标准偏差,即

(6)

图6　注入微波能量与传感器输出电压关系

图7　多次重复性实验结果

对于全部n个测点,当认为是等精度测量时,可利用n个测点的子样标准偏差中的最大值来计算σ,即标定曲线拟合方程的标准不确定度为

σ=max(σi).

(7)

将各标定点的数据代入式(7)可得σ=14.7,所以当t=2时,该压力型传感器的重复性指标为

δR=18.9%.

(8)

从图6的标定结果和图7的重复性考核结果可以看出,标定曲线非线性且基于该量热计的重复性与理论上存在一定差距.分析其主要原因为公式(3)中假设量热计吸收介质的体积不发生变化即V=V0,为一理想条件,但在实际使用中该条件不一定能够满足,产生该变化的主要因素有:

1) 压力传感器中传感芯片的形变.考虑到该传感器基于固体的压阻效应,传感芯片的位移变化量很小,且压力传感器测量孔的内径仅为2 mm,所以由传感器引入的体积变化量非常小可以忽略.

2) 量热计盛装吸收介质的腔体发生形变.腔体基于BJ-100矩形波导设计,而BJ-100矩形波导内截面的尺寸仅为10.16 mm×22.86 mm,在设计中为保证有足够量的吸收介质以提高量热计的能量吸收效率,腔体的壁厚选择为1 mm,因此在吸收微波能量后,吸收介质的体积变化同时也会导致腔体发生形变,进而引起压强变化量与公式(3)中假设V=V0的不符.假设腔体的形变量为ΔV,此时公式(2)变为

V0+ΔV=V0[1+αΔT-κTΔp],

(9)

则公式(3)应变为

(10)

公式(10)的结果说明压强变化量与腔体的形变密切相关.假设腔体的形变与压强变化量成线性关系,即ΔV=η·Δp,则可得到

(11)

此时Δp与ΔQ仍呈线性关系.但在验证实验中由于腔体太薄,控制腔体形变的条件不易满足,而且在重复性考核实验中每次将腔体装入矩形波导时其受力发生改变,因而导致其重复性偏差较大.

针对以上分析结果,为保证测量过程中腔体结构不出现形变,接下来的研究中主要通过选择不同的腔体材料,并将现在的矩形截面腔体更换为机械强度更高的圆形截面腔体以期达到改善测量结果重复性的目的.其中材料的选择依据主要从以下三个方面考虑: 1) 介质损耗小; 2) 弹性模量大,即刚度好; 3) 易加工.

4结论

设计了一种基于压力传感器的脉冲微波量热计,验证实验表明,利用压力传感器测量液体吸收微波能量后温度升高所引起的压力变化的方法测量脉冲微波能量的原理是可行的,其能量分辨率为0.5 J,量程大于180 J,其标定曲线的重复性根据标准偏差约为18.9%.该型脉冲微波量热计为高功率微波能量测量提供了一种新的技术路线.

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叶虎(1984-),男,湖北人,西北核技术研究所助理研究员,在读博士研究生,主要研究方向为高功率微波产生和测量等.

宁辉(1969-),男,陕西人,西北核技术研究所研究员,博士生导师,主要研究方向为高功率微波产生和测量等.

田彦民(1967-),男,陕西人,西北核技术研究所高级工程师，主要研究方向为高功率微波测量.

作者简介

中图分类号TM931

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)01-0074-05

收稿日期：2015-03-23

叶虎, 宁辉, 田彦民, 等. 基于压力传感器的脉冲微波量热计[J]. 电波科学学报,2016,31(1):74-78. DOI: 10.13443/j.cjors.2015032301

YE H, NING H, TIAN Y M, et al. Pulsed microwave calorimeter with pressure sensor[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(1):74-78. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015032301

联系人： 叶虎 E-mail: yxc0228@163.com