ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАДИОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01J5/00 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и предназначено для измерения температуры слабого теплового радиоизлучения, а также теплового радиоизлучения, интенсивность которого меняется в широких пределах, и может быть использовано в радиоастрономии, при медикобиологических исследованиях и при исследовании физических свойств материалов и сред.

Пироэлектрические радиометры это приборы для измерения температуры, использующие эффект электроизоляции полярных диэлектриков при изменении температуры. Поскольку пироэлектрический датчик основной элемент приборов данного типа вырабатывает напряжение, пропорциональное изменению температуры, измерение мощности непрерывного излучателя возможно только при использовании прерывателя. При этом пиродатчик попеременно экспонируют исследуемым и эталонным излучениями и определяют реакцию пиродатчика на изменение интенсивности поступающих на пиродатчик тепловых излучений. Исследуемое тепловое излучение, моделируемое прерывателем модулятора, поступает на вход пиродатчика и в течение одного полупериода модуляции нагревает пироэлектрическую пластину пиродатчика, а в течение следующего полупериода пироэлектрическая пластина пиродатчика нагревается эталонным тепловым потоком от калиброванного источника теплового радиоизлучения. При этом пиродатчик преобразует повторяющуюся с частотой модуляции разность температур в периодическое пироэлектрическое напряжение, усиливающееся усилителем и поступающее на сигнальный вход синхронного детектора, на опорный вход которого поступает опорный сигнал от опорного генератора с частотой модуляции. С помощью дальнейшей обработки определяют мощность исследуемого излучения.

Известен пироэлектрический радиометр, предназначенный для измерения температуры непрерывного теплового излучения (В.К.Новик, Н.Д.Гаврилова, Н.Б. Фельдман. Пироэлектрические преобразователи// Сов. Радио, 1979, с.96-97), который включает модулятор, пиродатчик, усилитель, синхронный детектор и опорный генератор.

Усовершенствование пироэлектрических радиометров происходило в нескольких направлениях. Большое число известных устройств было разработано с целью повышения точности определения численного значения измеряемой температуры. Так, в устройство, известное по патенту США N 5150969 (НКИ 374/128), введен микропроцессор, обрабатывающий данные, поступающие по двум каналам от датчиков, соответственно мощности исследуемого излучения и температуры внешней среды. Обработка производится по алгоритму, основанному на вычислении большого числа членов разложения в ряд выражения для температуры исследуемого объекта.

Усовершенствования пироэлектрических радиометров были направлены также на приспособление их для измерения слабых излучений, когда становится важным, чтобы тепловое излучение от исследуемого и калиброванного источников собиралось на поверхности соответствующих датчиков. Для этого применяют фокусирующие зеркала, как, например, в изобретении по патенту США N 4005605, или экраны с отверстием, за которым установлен датчик, как в патенте США N 4883364 (НКИ 374/129).

В некоторых известных устройствах усовершенствования были направлены на минимизацию ошибок определения температуры исследуемого источника путем более точной экспозиции пиродатчика излучением исследуемого и калиброванного источников. Это, например, технические решения, известные по патентам США N 4907895 и N 4797840 (НКИ 364/557). Сущность их состоит в том, что пиродатчик открывают для воздействия на него излучением на фиксированное время с помощью шторок и заслонок. Усовершенствования направлены на нормирование по времени порций мощности исследуемого теплового радиоизлучения, что уменьшает ошибки измерения. Однако временной интервал экспозиции пиродатчика порций исследуемого излучения зафиксирован и известные устройства конструктивно приспособлены к обработке порций излучения с данной конкретной длительностью.

Впрочем, в устройстве, известном по патенту США N 5127742, кроме режима обработки порций мощности фиксированной длительности предусмотрен режим обработки непрерывного излучения, для чего в устройство введен модулятор, что превышает и точность измерения и адаптационные возможности прибора. Но как интервал экспозиции, так и частота модуляции, жестко зафиксированы. При этом величина порции мощности, поступающей на пиродатчик за время экспозиции, зависит лишь от интенсивности исследуемого излучения, что при резком увеличении температуры радиоизлучения может привести к насыщению пиродатчика, а резкое уменьшение вынуждает прибор работать в области нелинейности характеристик, что ограничивает динамический диапазон прибора.

Ближайшим аналогом изобретения по наибольшему числу сходных существенных признаков является устройство, упомянутое вначале. Данное устройство, как уже упоминалось, является наименее сложным прибором, воплощающим основной принцип построения пироэлектрических радиометров. Устройство содержит модулятор, опорный генератор, пиродатчик, информативный сигнал с которого поступает на усилитель и далее на синхронный детектор, выделяющий сигнал, несущий информацию о температуре исследуемого объекта в приемлемом для дальнейшей обработки виде, и регистратор.

Однако в данном устройстве, как и в других известных, частота модуляции фиксирована, а значит, управлять потоком мощности, поступающей на пиродатчик, ни по величине, ни по времени экспозиции невозможно. Это снижает адаптационные возможности устройства при измерении температуры в условиях, когда она изменяется в широких пределах.

Задачей изобретения является повышение адаптационных возможностей пироэлектрического радиометра, позволяющих производить измерения теплового радиоизлучения объектов, температура которых за непродолжительное время может существенно изменяться.

Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.

Разработанный пироэлектрический радиометр, как и известный, содержит на входе модулятор, выход которого соединен по сигналу с пиродатчиком, а опорный вход подключен к выходу опорного генератора, при этом выход пиродатчика связан по сигналу через усилитель с сигнальным входом синхронного детектора, опорный вход которого связан с выходом опорного генератора, а выход соединен со входом регистратора, выход которого является выходом пироэлектрического радиометра.

Новым в разработанном пироэлектрическом радиометре является то, что в него введен блок адаптации, содержащий блок переключения режимов, частотно-зависимый каскад, включенный по сигналу между выходом пиродатчика и входом усилителя и управляемый фазовращатель, включенный между выходом усилителя и сигнальным входом синхронного детектора или между выходом опорного генератора и опорным входом синхронного детектора. Опорный генератор и регистратор выполнены управляемыми. Вход и выход блока переключения режимов соединены соответственно с выходом синхронного детектора и управляющим входом опорного генератора. При этом коэффициент K₁ передачи по напряжению частотно-зависимого каскада связан с коэффициентом K₂ передачи по напряжению пиродатчика соотношением K₁(fm) A/K₂(fm), где fm - частота модуляции, A коэффициент пропорциональности.

Для повышения адаптационных возможностей прибора использовано обстоятельство, вообще говоря, считающееся фактором, отрицательно влияющим на точность измерений, которое состоит в том, что чувствительность пиродатчика зависит от частоты модуляции, что обусловлено реактивным характером сопротивления пиродатчика. Введение блока адаптации, включающего блок переключения режимов, частотно-зависимый каскад и управляемый фазовращатель, обеспечивает изменение частоты модуляции прямо пропорционально изменению уровня сигнала на входе синхронного детектора (т.е. изменению температуры исследуемого объекта). При изменении частоты модуляции изменяется и порция мощности исследуемого излучения, которой экспонируется пиродатчик за полупериод модуляции, и соответственно, уровень сигнала на выходе пиродатчика. При этом изменения уровня сигнала на сигнальном входе синхронного детектора поддерживаются в небольших пределах с помощью частотнозависимого каскада, коэффициент K₁ передачи по напряжению которого связан с коэффициентом K₂ передачи по напряжению пиродатчика соотношением K₁(fm) A/K₂(fm), где fm частота модуляции, A коэффициент пропорциональности. Одновременно сдвиг фаз между сигнальным и опорным входами синхронного детектора, обусловленный реакцией пиродатчика на изменение частоты модуляции, компенсируется управляемым фазовращателем, угол поворота фазы на выходе которого также определяется частотой модуляции. Таким образом, реализуется управление величиной порций мощности поступающего на пиродатчик исследуемого излучения, что обеспечивает работу пиродатчика на линейном участке характеристик вне зависимости от уровня исследуемого излучения и достижение технического результата расширения динамического диапазона пироэлектрического радиометра.

На фиг.1 приведена одна из возможных реализаций структурной схемы разработанного устройства; на фиг.2 другая возможная реализация структурной схемы разработанного устройства; на фиг.3 график зависимости чувствительности пиродатчика от частоты модуляции.

Пироэлектрический радиометр (фиг.1) содержит на входе модулятор 1, выход которого связан по сигналу с входом пиродатчика 2, блок адаптации 3, усилитель 4, выход которого соединен с сигнальным входом синхронного детектора 5, опорный генератор 6, выход которого соединен с опорным входом модулятора 1, и регистратор 10. Блок адаптации 3 включает частотно-зависимый каскад 7, управляемый фазовращатель 8 и блок 9 переключения режимов. При этом вход и выход блока 9, вход и выход частотно-зависимого каскада 7, вход и выход управляемого фазовращателя 8 являются соответственно первыми, вторыми и третьими входом и выходом блока адаптации 3. Вход блока 9 соединен с выходом синхронного детектора 5, выход блока 9 соединен с управляющим входом опорного генератора 6 и опорным входом регистратора 10. Вход и выход частотно-зависимого каскада 7 подключены соответственно к выходу пиродатчика 2 и входу усилителя 4. Вход и выход управляемого фазовращателя 8 соединены соответственно с выходом опорного генератора 6 и опорным входом синхронного детектора 5. Выход усилителя 4 подключен к сигнальному входу синхронного детектора 5, выход которого подключен к входу регистратора 10, выход которого является выходом пироэлектрического радиометра.

Пироэлектрический радиометр (фиг.2) содержит на входе модулятор 1, выход которого связан по сигналу с входом пиродатчика 2, блок адаптации 3, усилитель 4, синхронный детектор 5, опорный генератор 6, выход которого соединен с опорными входами модулятора 1 и синхронного детектора 5, и регистратор 10, выход которого является выходом пироэлектрического радиометра. Блок адаптации 3 включает частотно-зависимый каскад 7, управляемый фазовращатель 8 и блок 9 переключения режимов. При этом вход и выход блока 9, вход и выход частотно-зависимого каскада 7, вход и выход управляемого фазовращателя 8 являются соответственно первыми, вторыми и третьими вход и выходом блока адаптации 3. Вход блока 9 соединен с выходом синхронного детектора 5, выход блока 9 соединен с управляющим входом опорного генератора 6 и опорным входом регистратора 10. Вход и выход частотно-зависимого каскада 7 подключены соответственно к выходу пиродатчика 2 и входу усилителя 4. Вход и выход управляемого фазовращателя 8 соединены соответственно с выходом усилителя 4 и с сигнальным входом синхронного детектора 5.

Модулятор 1 представляет собой устройство для периодического изменения интенсивности излучения, падающего на пиродатчик 2 и может быть выполнен, например, в виде вращающегося секционного диска (сб. "Источники и приемники излучения", С.-П. "Политехника", 1991, с.218, рис.7.4а).

В качестве пиродатчика 2 может быть использовано стандартное устройство типа БП2-1 или БП-2 (М.Д.Аксеенко, М.Л.Бараночников. Приемники оптического излучения//М. Радио и связь, 1987, с.273).

Усилитель 4 выполнен по известной схеме операционного усилителя (Б.И.Горошков. Радиоэлектронные устройства//М. Сов.Радио, 1984, с.106, рис.4,5). Синхронный детектор 5 может быть выполнен по схеме двухтактного детектора (там же, с.221, рис.8.34). Опорный генератор 6 может быть выполнен по известной схеме генератора, управляемого напряжением (там же, с.272, рис.12.1).

Частотно-зависимый каскад 7 предназначен для компенсации частотной зависимости коэффициента передачи K₂ пиродатчика 2 от частоты модуляции Fm и может быть выполнен в виде многозвенного фильтра верхних частот с частотной характеристикой типа K1 ≈ Fm (там же, с.162, рис.5.17, 5.19).

Управляемый фазовращатель может представлять собой каскад с изменением фазы сигнала на выходе в зависимости от частоты сигнала на входе (т.е. частоты опорного генератора Fm) (там же, с.345).

Блок 9 переключения режимов предназначен для управления частотой опорного генератора 6 (т.е. частотой модуляции Fm) в зависимости от уровня сигнала на выходе синхронного детектора 5 и может быть выполнен как в виде кнопочного переключателя (делителя), которым оператор может управлять вручную, снимая с регистратора данные о входном сигнале, характеризующем измеряемую температуру, так и виде последовательно включенных компенсатора и ключевой схемы, управляющей проводимостью управляемого блока (В.К.Захаров, Ю.И.Лынарь. Электронные устройства автоматики и телемеханики, Л. Энергоиздат, 1984, с.357).

Регистратор 10 может быть выполнен в виде блока, включающего цифровой вольтметр с изменяемыми пределами измерения и индикации (Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры. М. Радио и Связь, 1986, с.244) и преобразователь опорного сигнала в постоянное напряжение, уровень которого прямо пропорционален частоте опорного сигнала (В.Граф, Электрические схемы, М. Мир, 1968, стр. 276, рис. 2.11).

Пироэлектрический радиометр (фиг.1) работает следующим образом. На вход модулятора 1 поступает исследуемое излучение. Опорный генератор 6 формирует опорный сигнал с частотой модуляции Fm, поступающий на опорный вход модулятора 1, который попеременно с частотой Fm пропускает исследуемое излучение с температурой Т_и и эталонное излучение с температурой Т_м на вход пиродатчика 2. В качестве эталонного используют тепловое излучение модулятора 1. Пиродатчик 2 преобразует повторяющуюся с частотой Fm разность температур Т'=Т_и-Т_м в периодическое пироэлектрическое напряжение V, величина которого пропорциональна Т' и зависит от частоты модуляции Fm (фиг.3). Пироэлектрическое напряжение V поступает с выхода пиродатчика 2 на частотно-зависимый каскад 7 блока адаптации 3. В то же время на вход управляемого фазовращателя 8 блока адаптации 3 от опорного генератора 6 поступает опорный сигнал с частотой Fm. Управляемый фазовращатель 8 обеспечивает сдвиг фазы опорного сигнала на величину, определяемую частотой опорного сигнала Fm и равную суммарному сдвигу фазы, вносимому в сигнал пиродатчиком 2 частотно-зависимым каскадом 7, коэффициент K₁ передачи по напряжению которого связан с коэффициентом K₂ передачи по напряжению пиродатчика 2 соотношением K₁(fm)=A/K₂(fm), где fm частота модуляции, A коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально для используемого пиродатчика. С выхода частотно-зависимого каскада 7 сигнал V'= K₁•V поступает на усилитель 4 и далее на сигнальный выход синхронного детектора 5. При этом на опорный вход синхронного детектора 5 поступает опорный сигнал со скорректированной фазой с выхода управляемого фазовращателя 8. Синхронный детектор 5 осуществляет преобразование сигнала V' в информативный сигнал, пропорциональный температуре исследуемого излучения, который с выхода синхронного детектора 5 поступает на регистратор и на блок 9 переключения режимов.

Изменение частоты модуляции Fm в зависимости от уровня сигнала на выходе синхронного детектора 5 осуществляется следующим образом. При резком возрастании интенсивности исследуемого излучения, а значит, и уровня сигнала на выходе синхронного детектора 5, блок 9 формирует управляющий сигнал, уровень которого соответствует изменению сигнала на входе блока 9. Управляющий сигнал поступает на вход опорного генератора 6, который обеспечивает увеличение частоты Fm опорного сигнала, а значит и увеличение частоты модуляции. При этом в соответствии с увеличением частоты модуляции Fm уменьшается величина коэффициента K₁ увеличивается величина коэффициента K₂ (фиг.3). Таким образом, пироэлектрическое напряжение V с выхода пиродатчика 2 и сигнал V' с выхода частотно-зависимого каскада 7 поддерживается в определенных пределах так, что в результате на сигнальном входе синхронного детектора 5 уровень сигнала остается прежним.

Сигнал с выхода синхронного детектора 5 поступает на вход регистратора 10. Одновременно на опорный вход регистратора 10 поступает управляющий сигнал с выхода блока 9. Регистратор 10 осуществляет преобразование управляющего сигнала в постоянное напряжение, пропорциональное частоте Fm, и обеспечивает изменение пределов индикации измеряемой температуры в соответствии с уровнем этого постоянного напряжения, а значит, в соответствии с изменением частоты модуляции Fm. При этом регистратор 10 формирует значение измеряемой температуры в установленных пределах индикации.

Пироэлектрический радиометр (фиг.2) работает следующим образом. На вход модулятора 1 поступает исследуемое излучение. Опорный генератор 6 формирует опорный сигнал с частотой модуляции Fm, поступающий на опорный вход модулятора 1, который попеременно с частотой Fm пропускает исследуемое излучение с температурой Т_и и эталонное излучение с температурой Т_м на вход пиродатчика 2. В качестве эталонного используют тепловое излучение модулятора 1. Пиродатчик 2 преобразует повторяющуюся с частотой Fm разность температур Т'= Т_и-Т_м в периодическое пироэлектрическое напряжение V, величина которого пропорциональна Т' и зависит от частоты модуляции Fm (график зависимости приведен на фиг.3). Пироэлектрическое напряжение V поступает с выхода пиродатчика 2 на частотно-зависимый каскад 7 блока адаптации 3. С выхода частотно-зависимого каскада 7 сигнал V'= K₁•V поступает на усилитель 4 и далее на вход управляемого фазовращателя 8. Управляемый фазовращатель 8 обеспечивает сдвиг фазы сигнала на величину, определяемую частотой модуляции сигнала Fm и равную суммарному сдвигу фазы, вносимому в сигнал пиродатчиком 2 и частотно-зависимым каскадом 7.

С выхода управляемого фазовращателя 8 на сигнальный вход синхронного детектора 5 поступает сигнал V' со скорректированной фазой. В то же время на опорный вход синхронного детектора 5 от опорного генератора 6 поступает опорный сигнал. При этом на сигнальном и опорном входах синхронного детектора 5 уровень сигнала и разность фаз между сигналом V' и опорным сигналом остаются в тех же пределах, что и при работе пироэлектрического радиометра по фиг.1. Синхронный детектор 5 осуществляет преобразование сигнала V' в информативный сигнал, пропорциональный температуре исследуемого излучения, который с выхода синхронного детектора 5 поступает на регистратор и на блок 9 переключения режимов.

Изменение частоты модуляции Fm в зависимости от уровня сигнала на выходе синхронного детектора 5, а также регистрация информативного сигнала при работе пироэлектрического радиометра по фиг.2 осуществляется аналогично тому, как это реализуется в пироэлектрическом радиометре по фиг. 1.

Поскольку функцией частотно-зависимого каскада 7 является поддержание в узких пределах величины изменений уровня сигнала на сигнальном входе синхронного детектора 5, частотно-зависимый каскад 7 может быть включен в сигнальном плече пироэлектрического радиометра также и между усилителем 4 и сигнальным входом синхронного детектора 5. Также в обеих описанных реализациях включение управляемого фазовращателя 8 в одно из плеч пироэлектрического радиометра обеспечивает (при существенном изменении температуры исследуемого излучения) сохранение в определенных пределах разности фаз между сигналом V' и опорным сигналом на сигнальном и опорном входах синхронного детектора 5. Поэтому в сигнальном плече пироэлектрического радиометра для облегчения сдвига фазы пироэлектрического напряжения возможно подключение управляемого фазовращателя 8 после любого из блоков, входящих в сигнальное плечо. При этом управляемый фазовращатель 8 может быть подключен и после пиродатчика 2, и после частотно-зависимого каскада 7, и после усилителя 4 как в случае включения частотно-зависимого каскада 7 между пиродатчиком 2 и усилителем 4, так и в случае включения частотно-зависимого каскада 7 между усилителем 4 и синхронным детектором 5.

Использование: изобретение относится к радиоизмерительной технике, предназначено для измерения температуры слабого теплового радиоизлучения, а также теплового радиоизлучения, интенсивность которого меняется в широких пределах, и может быть использовано в радиоастрономии, при медикобиологических исследованиях и при исследовании физических свойств материалов и сред. Сущность: в разработанном техническом решении за счет введения блока адаптации, включающего частотно-зависимый каскад, блок переключения режимов и управляемый фазовращатель повышены адаптационные возможности прибора. В пироэлектрическом радиометре предусмотрено изменение частоты модуляции прямо пропорционально уровню сигнала на выходе. Изменение уровня сигнала в сигнальном тракте поддерживается в небольших пределах с помощью частотно-зависимого каскада. Одновременно сдвиг фаз между сигнальным и опорным входами синхронного детектора, обусловленный реакцией пиродатчика на изменение частоты модуляции, компенсируется управляемым фазовращателем, угол поворота фазы которого также определяется частотой модуляции. 3 ил.

Пироэлектрический радиометр, содержащий на входе модулятор, выход которого соединен по сигналу с пиродатчиком, а опорный вход подключен к выходу опорного генератора, при этом выход пиродатчика связан по сигналу через усилитель с сигнальным входом синхронного детектора, опорный вход которого связан с выходом опорного генератора, а выход соединен с входом регистратора, выход которого является выходом пироэлектрического радиометра, отличающийся тем, что в него введен блок адаптации, содержащий блок переключения режимов, частотно-зависимый каскад, включенный по сигналу между выходом пиродатчика и входом усилителя, и управляемый фазовращатель, включенный между выходом усилителя и сигнальным входом синхронного детектора или между выходом опорного генератора и опорным входом синхронного детектора, опорный генератор и регистратор выполнены управляемыми, вход и выход блока переключения режимов соединены соответственно с выходом синхронного детектора и управляющим входом опорного генератора, при этом коэффициент К1 передачи по напряжению частотно-зависимого каскада связан с коэффициентом К2 передачи по напряжению пиродатчика соотношением
К1(f_м) A/K2(f_м),
где f_м частота модуляции;
А коэффициент пропорциональности.