CN113125048A - 可直接测量热偶型功率传感器的微量热计及功率基准系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波功率测量技术领域，提出了一种可直接测量热偶型功率传感器的微量热计及功率基准系统，该微量热计包括基准底盘和外盖密封形成的腔室、隔热段以及热电堆；隔热段同轴上连接头的一端与热偶型功率传感器连接，另一端与隔热传输线连接，隔热传输线设置于所述非金属绝热支撑内部，隔热传输线的另一端与隔热段同轴下连接头的一端连接，隔热段同轴下连接头的另一端通过同轴传输线与射频信号源输出端连接，基准底盘与非金属绝热支撑通过隔热段基层支撑连接。通过设置隔热段，可以减少射频传输线损耗功率的影响。该微量热计可以直接用于测量热偶型功率传感器的有效效率，不需要用热敏电阻型功率传感器作为中间标准件进行量值传递。

Description

可直接测量热偶型功率传感器的微量热计及功率基准系统

技术领域

本发明涉及微波功率测量技术领域，尤其涉及一种可直接测量热偶型功率传感器的微量热计及功率基准系统。

背景技术

功率基准是用来复现功率量值，用以建立连续溯源链的系统装置，其准确度最高，是功率量值传递的起点。目前世界各国的功率基准均采用量热的方法，即采用量热计法或微量热计法建立功率基准，微量热计是将功率传感器作为吸收负载，利用能量转换的方式，将电磁波能量直接转换为热能，根据直流功率和被测功率所引起温度变化的不同，获得被测功率的量值，其具有非常好的长期稳定性。微量热计功率基准的作用是定标被测功率传感器的有效效率，经基准定标后的功率传感器可以作为功率标准器开展量传工作。

传统的微量热计是将热敏电阻型功率传感器作为被测件，采用直流替代原理测量微波功率，即通过直流功率变化量来表征微波功率。但热敏电阻型功率座反射系数较高，响应速度比较慢，受环境温度影响比较大，易烧毁，不如热电偶的方便，而且因为工业应用太少，18GHz以上都停产了，无法支撑基准测量。同时，直流替代原理不适用于热偶型功率传感器，目前常见的方法是将热敏电阻型功率传感器作为中间标准件进行量值传递。

发明内容

因此，为了解决现有技术中微量热计不能直接测量热偶型功率传感器而需要用热敏电阻型功率传感器作为中间标准件进行量值传递的问题，本发明提出了一种可直接测量热偶型功率传感器的微量热计及功率基准系统，可以直接用于测量热偶型功率传感器的有效效率，不需要用热敏电阻型功率传感器作为中间标准件进行量值传递，极大的简化了测量过程，缩短溯源链，可有效的降低测量不确定度，且该微量热计具有更低的失配误差，以及具有更宽的工作频段，作为量值传递标准时比热敏电阻型功率座受温度波动影响更小。

具体的，主要通过以下技术方案来实现：

一种可直接测量热偶型功率传感器的微量热计，包括：

基准底盘和外盖，所述基准底盘与外盖相连，且密封形成腔室，被测热偶型功率传感器设置在所述密封腔室内；

所述热偶型功率传感器连接设置有隔热段，所述隔热段包括隔热段同轴上连接头、隔热段同轴下连接头以及非金属绝热支撑，所述隔热段同轴上连接头的一端与所述热偶型功率传感器连接，另一端与隔热传输线连接，所述隔热传输线设置于所述非金属绝热支撑内部，所述隔热传输线的另一端与所述隔热段同轴下连接头的一端连接，所述隔热段同轴下连接头的另一端通过同轴传输线与射频信号源输出端连接，所述基准底盘与所述非金属绝热支撑通过隔热段基层支撑连接；

以及用于测量功率损耗导致的温升的热电堆，与所述热电堆连接设置有热参考环和中心导热环，所述热参考环通过支撑柱与所述隔热段基层支撑连接，所述中心导热环与所述隔热传输线连接。

一种功率基准系统，包括：

射频信号源、恒温水槽、数字电压表、功率计、自动测量控制系统以及上述一种可直接测量热偶型功率传感器的微量热计；

被测热偶型功率传感器与所述微量热计连接，并安装在所述密封腔室内，悬置于所述恒温水槽中；

所述热偶型功率传感器与所述功率计连接，功率计用于测量热偶型功率传感器内部芯片吸收的射频信号的功率；

所述微量热计中热电堆与数字电压表连接，数字电压表用于测量微量热计中热电堆的输出电压；

所述射频信号源通过同轴传输线与微量热计连接，用于提供系统所需频率的微波激励；

射频信号源、数字电压表、功率计通过GPIB线与所述自动测量控制系统连接。

本发明相较于现有技术具有以下有益效果：

本发明公开的微量热计可以直接用于测量热偶型功率传感器的有效效率，不需要用热敏电阻型功率传感器作为中间标准件进行量值传递，极大的简化了测量过程，缩短溯源链，可有效的降低测量不确定度，且该微量热计具有更低的失配误差，以及具有更宽的工作频段，作为量值传递标准时比热敏电阻型功率座受温度波动影响更小。

通过设置隔热段，可进一步减少射频传输线损耗功率的影响，将被测热偶型功率传感器设置在密封铜桶内，并悬置于恒温水槽中，使得功率敏感元件工作在温度稳定、热传导分布均匀的工作环境中，与恒温水槽的水进行隔离，有利于提高热偶型功率传感器的有效效率的测量准确度。

附图说明

1、图1为本发明实施例中功率基准系统的结构示意图；

2、图2为本发明实施例中可直接测量热偶型功率传感器的微量热计的结构图；

3、图3为本发明实施例中可直接测量热偶型功率传感器的微量热计的局部结构图；

4、图4为本发明实施例中利用微量热计测量热偶型功率传感器每个测量频点的未修正有效效率的实验结果图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更清楚的理解本发明的核心思想，下面将结合附图对其进行详细的说明。

实施例一

本发明公开了一种可直接测量热偶型功率传感器的微量热计，该微量热计是功率基准系统的核心装置，用来直接连接被测热偶型功率传感器并测量被测功率座温升的装置。为使功率敏感元件工作在温度稳定、热传导分布均匀的工作环境中，被测功率座连接微量热计，安装在密封铜桶内，悬置于恒温水槽中。

所述功率基准系统具体结构如图1所示，包括射频信号源、恒温水槽、上述微量热计(本发明实施例中以采用2.4mm微量热计为例进行说明)、数字电压表、功率计以及自动测量控制系统。

自动测量控制系统可以安装在计算机上，由计算机实现远程控制自动测量。

微量热计悬置在恒温水槽中，其内部设置的热偶型功率传感器通过引线与外部的功率计连接，热电堆通过微量热计的引线与数字电压表连接。

射频信号源通过同轴传输线与微量热计相连，射频信号源、数字电压表、功率计通过GPIB线与上述计算机相连，最终测量计算和设备控制利用计算机软件实现。射频信号源用于为系统提供所需频率的微波激励。

恒温水槽为微量热计提供温度稳定、热传导分布均匀的工作环境。

数字电压表用来测量微量热计中热电堆的输出电压，反映微量热计内部射频功率损耗导致的温升。

功率计用于测量热偶型功率传感器内部芯片吸收的射频信号的功率。

实施例二

如图1和2所示，本发明实施例提供的一种可直接测量热偶型功率传感器的微量热计，其具体结构包括：位于微量热计底部的基准底盘，微量热计外部还设置有外盖，基准底盘与外盖相连，基准底盘与外盖密封形成腔室，用于实现与所述恒温水槽的水隔离。

所述外盖为铜，使所述基准底盘与外盖相连且密封形成铜桶，并悬置于恒温水槽中，使得功率敏感元件工作在温度稳定、热传导分布均匀的工作环境中，且与恒温水槽的水进行隔离，有利于提高热偶型功率传感器的有效效率的测量准确度。

由于微量热计的工作原理是测量功率传感器吸收射频功率对应所散发的热量，因此，为减少射频传输线损耗功率的影响，在热偶型功率传感器和射频输入之间安装了隔热段。

如图3所示，隔热传输线为非金属绝热同轴传输线，其上下接头部分采用黄铜加工制作，中间隔热部分(包括外导体和内导体)采用工程塑料镀金加工制作，保证隔热段具有良好的电磁波传输特性和绝热特性，使得功率敏感元件工作在温度稳定、热传导分布均匀的工作环境中。

本发明实施例中以采用2.4mm同轴连接头为例进行说明，所述隔热段包括隔热段2.4mm同轴上连接头、隔热段2.4mm同轴下连接头以及非金属绝热支撑，所述隔热段2.4mm同轴上连接头的一端与所述热偶型功率传感器连接，另一端与隔热传输线连接，所述隔热传输线设置于所述非金属绝热支撑内部，所述隔热传输线的另一端与所述隔热段2.4mm同轴下连接头的一端连接，所述隔热段同轴2.4mm下连接头的另一端通过同轴传输线与射频信号源输出端连接，所述基准底盘与所述非金属绝热支撑通过隔热段基层支撑连接。其中，隔热传输线通过非金属绝热支撑保持竖直状态，非金属绝热支撑对传输线起保护、支撑和二次绝热作用。基准底盘与非金属绝热支撑通过隔热段基层支撑连接。

热电堆连接热参考环和中心导热环，热电堆用来测量微量热计内部功率损耗导致的温升，其中热参考环通过支撑柱与隔热段基层支撑连接，为热电堆提供恒定的冷端温度；中心导热环与隔热传输线相连，为热电堆提供热端温度(功率损耗导致温升)。

需要说明的是，被测热偶型功率传感器的有效效率为功率计测得的射频功率与功率传感器吸收的净功率之比。加入射频信号(由射频信号源提供)后，功率计可以测得功率传感器内部芯片吸收的射频功率，但功率传感器吸收的净功率还包括传感器内部传输线损耗的功率，而热电堆感应温升换算得到的功率损耗包括三部分：传感器内部芯片吸收的功率、传感器内部传输线损耗的功率和隔热传输线损耗的功率。

具体对被测热偶型功率传感器的有效效率进行测量的原理如下：

首先，计算机(自动测量控制系统)控制射频信号源不加射频信号，实时测量热电堆的输出电压e_off；当系统达到热平衡状态时加上低频信号(100kHz)，实时测量热电堆的输出电压e_lf与功率计读数P_lf；当系统再次达到热平衡状态时，计算机(自动测量控制系统)控制射频信号源加入射频信号，实时测量热电堆的输出电压为e_rf与功率计读数P_rf。

然后，根据上述系统达到热平衡状态时所测得的参数，计算热偶型功率传感器的未修正有效效率，即，功率计测得的射频功率P_rf与热电堆感应温升得到的损耗功率之比：

进一步，有效效率由以下公式计算：

η_e＝gη′_e

其中g是与微量热计系统中隔热段损耗相关的修正因子。

最后，通过该2.4mm微量热计可直接测量热偶型功率传感器。

如图4所示，通过3次重复连续的计算结果，得到每个测量频点的未修正有效效率，从图4中可知，每个测量频点未修正有效效率的标准偏差都低于0.5％，表明本发明公开的微量热计具有良好的重复性。

由上可知，本发明实施提供的可直接测量热偶型功率传感器的微量热计，可以直接用于测量热偶型功率传感器的有效效率，不需要用热敏电阻型功率传感器作为中间标准件进行量值传递，极大的简化了测量过程，缩短溯源链，可有效的降低测量不确定度，且该微量热计具有更低的失配误差，以及从DC到50GHz更宽的工作频段，作为量值传递标准时比热敏电阻型功率座受温度波动影响更小。

需要说明的是，本发明实施例以2.4mm功率探头为例进行说明，并非对本发明的限定，若采用其它探头则可以具有更高的工作频率，使得该微量热计具有更宽的工作频段，从而作为量值传递标准时比热敏电阻型功率座受温度波动影响更小。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种可直接测量热偶型功率传感器的微量热计，其特征在于，包括：

基准底盘和外盖，所述基准底盘与外盖相连，且密封形成腔室，被测热偶型功率传感器设置在所述密封腔室内；

所述热偶型功率传感器连接设置有隔热段，所述隔热段包括隔热段同轴上连接头、隔热段同轴下连接头以及非金属绝热支撑，所述隔热段同轴上连接头的一端与所述热偶型功率传感器连接，另一端与隔热传输线连接，所述隔热传输线设置于所述非金属绝热支撑内部，所述隔热传输线的另一端与所述隔热段同轴下连接头的一端连接，所述隔热段同轴下连接头的另一端通过同轴传输线与射频信号源输出端连接，所述基准底盘与所述非金属绝热支撑通过隔热段基层支撑连接；

以及用于测量功率损耗导致的温升的热电堆，与所述热电堆连接设置有热参考环和中心导热环，所述热参考环通过支撑柱与所述隔热段基层支撑连接，所述中心导热环与所述隔热传输线连接。

2.一种功率基准系统，其特征在于，包括：

射频信号源、恒温水槽、数字电压表、功率计、自动测量控制系统以及如权利要求1所述的一种可直接测量热偶型功率传感器的微量热计；

被测热偶型功率传感器与所述微量热计连接，并安装在所述密封腔室内，悬置于所述恒温水槽中；

所述热偶型功率传感器与所述功率计连接，功率计用于测量热偶型功率传感器内部芯片吸收的射频信号的功率；

所述微量热计中热电堆与数字电压表连接，数字电压表用于测量微量热计中热电堆的输出电压；

所述射频信号源通过同轴传输线与微量热计连接，用于提供系统所需频率的微波激励；

射频信号源、数字电压表、功率计通过GPIB线与所述自动测量控制系统连接。

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