развитый приемный элемент, не объединенный с чувствительным элементом. К

достоинствам калориметров относятся широкий спектральный и динамический

диапазон работы, высокая линейность, точность и стабильность характеристик,

простота конструкции, возможность их использования с высокоточными, хотя и

инерционными цифровыми приборами, возможность калибровки преобразователей

по эквивалентному электрическому воздействию.

Любая калориметрическая система (рис.1.1) содержит внутреннее

калориметрическое тело К (приемный элемент), в котором протекает процесс

выделения (или поглощения) тепла, и внешнюю оболочку О, с которой

происходит теплообмен калориметрического тела путем теплопроводности,

конвекции и излучения.

Рисунок 1.1 Принципиальная схема калориметра

Тепловой поток Д от калориметрического тела на оболочку зависит

главным образом от разности температур их поверхностей Ф=GT(Tk-To), где GT

— параметр, характеризующий тепловую проводимость cреды между

калориметрическим телом и оболочкой. Часто теплообмен между K и O

характеризуют также обратной величиной RT=1/GT, имеющей смысл теплового

сопротивления среды. Наиболее широкое распространение для измерения таких

усредненных во времени энергетических параметров лазерного изучения, как

энергия и средняя мощность, получили калориметры переменной температуры

(или неизотермические калориметры), у которых в процессе измерения

ТK=f(t)(const. Уравнение теплового равновесия калориметрического тела K с

оболочкой О в таком калориметре в предположении бесконечной

температуропроводности вещества K имеет вид:

[pic] (1.1)

где P(t) — мощность, рассеиваемая в калориметре; c — теплоемкость K: T=TK-

TO

У непрерывных лазеров характерным энергетическим параметром, который

указывается в паспорте, является мощность лазера P. У лазеров, работающих в

режиме свободной генерации одиночных импульсов лазерного излучения, обычно

нормируется энергия импульса Wu. Лазеры, работающие в режиме модуляции

добротности резонатора и в режиме синхронизации мод, обычно характеризуются

значением Wu и дополнительно значением максимальной PUmax или средней PUср

мощности импульса. Импульсно-периодические лазеры характеризуются средней

мощностью Pср со временем усреднения, значительно превышающим период

следования импульсов.

В соответствии с этим рассмотрим некоторые частные решения

дифференциального уравнения (1.1).

1. Мощность, рассеиваемая а калориметре, не изменяется во времени,

т.е. P(t)=PO=const. Тогда

[pic] (1.2)

где (=RTC постоянная времени калориметра.

Максимальное значение Т(t) достигается при t(( и равно Tmax=RT(PO.

2. Мощность в калориметре выделяется в виде периодической

последовательности прямоугольных импульсов: PO, (u и q — импульсная

мощность, длительность и скважность импульсов соответственно. Можно

показать, что в этом случае для значений параметров лазерного излучения,

наиболее часто встречающихся на практике ,

[pic] (1.3)

3. В калориметре рассеивается энергия одиночного прямоугольного

импульса. Температура калориметрического тела в этом случае изменяется во

времени следующим образом:

(1.4)

при 0(t((u

при (u(t<(

[pic]

Максимальное значение Т(t) достигается при t=(u и равно Tmax=B(RT(Wu

(Wu=PO((uимпульса; д -- постоянная калориметра) . Перечисленные частные

случаи описывают три основных режима работы калориметрических

преобразователей переменной температуры: режим измерения мощности

непрерывных лазеров, средней мощности импульсно-периодический лазеров и

режим измерения энергии одиночных лазерных импульсов.

В рассматриваемых калориметрах наибольшее распространение получили

твердотельные приемные измерительные преобразователи. Такие ПИП часто

изготавливают в виде полостей — полого конуса, сферы с отверстием, полого

цилиндра, а также комбинацией этих элементов. За счет использовать эффекта

многократных переотражений излучения внутри полости удается увеличить

коэффициент поглощения приемного преобразователя и тем самым расширить

рабочий диапазон длин волн, а также увеличить верхний предел измерения

мощности и энергии лазерного излучения.

Рисунок 1.2 Упрощенная конструкция калориметрического ПИП прибора ИМО-

2

В качестве примера на рис.1.2 изображен ПИП прибора ИМО-2, серийно

выпускаемого отечественной промышленностью для измерения средней мощности и

энергии импульсов лазерного излучения. Здесь приемный элемент 1 выполнен в

виде медного конуса со встроенным электрическим нагревателем для

градуировки, причем на его приемную поверхность нанесено поглощающее

покрытие, В качестве чувствительного элемента 2 применена медно-

константановая термобатарея, содержащая более 2000 термопар, равномерно

распределенных между наружной поверхностью приемного элемента и

поверхностью пассивной теплоемкой оболочки 3 калориметра. Термобатарею

получают путем меднения полувитков спирали прямоугольного сечения из

константановой — проволоки. Такие элементы не требуют включения в состав

ПИП источников питания, так как их выходной величиной является термо-ЭДС,

возникающая между холодным и нагретым спаями разнородных металлов и

полупроводников. Большое количество термопар в составе термобатареи

повышает чувствительность таких ПИП.

Измерительная головка ИМ0-2 содержит две одинаковые калориметрические

секции с ПИП, которые находятся внутри пассивного термостата, образованного

толстостенным медным корпусом и кожухом измерительной головки. Для

уменьшения нестабильности ПИП термобатареи включены последовательно

навстречу друг другу, что позволяет исключить влияние температуры

окружающей среды. Измерительной блок содержит стабильный усилитель

постоянного тока для усиления сигнала с выхода термопреобразователя,

стабилизированный источник постоянного напряжения для проверки сохранности

градуировочной характеристики прибора в процессе эксплуатации, цепи

коммутации и регулировки коэффициента усиления УПТ и аналоговое отсчетное

устройство.

Для расширения верхнего предела измерения мощности непрерывного

лазерного излучения в комплекте прибора имеется ослабитель.

Основные технические характеристики прибора ИМО-2 и некоторых других

тепловых средств измерений мощности и энергии лазерного излучения, серийно

выпускаемых промышленностью, приведены в табл. 2.

В приборе ИКТ имеется также конический элемент, который обладает более

высокой стойкостью к лазерному излучению в вследствие того, что на его

конический приемный элемент действует лазерное излучение, прошедшее

рассеивающий матированный сапфировый элемент. В результате этого излучение

распределяется по всей приемной поверхности и плотность его снижается. В

качестве чувствительного элемента здесь используется термометр

сопротивления, выходной величиной которого является изменение

электрического сопротивления ПИП под действием изменения температуры

приемного элемента, возникающего при поглощении падающего излучения.

Поэтому в состав таких ПИП должен входить источник питания. Измерительная

головка ИКТ, так же как и в ИМ0-2, содержит два одинаковых ПИП с

термометрами сопротивления, включенных в плечи моста постоянного тока.

Примером ПИП проходного типа может служить малоинерционный проволочный

болометрический измеритель средней мощности излучения (рис.1.3). Такой ПИП

выполнен в виде двух редких решеток из тонких металлических проволок,

перекрывающих все сечение пучка излучения и соединенных последовательно.

Принцип работы преобразователя основан на болометрическом эффекте,

возникающем при частичном поглощении проходящего через решетки лазерного

излучения.

Для редкой двойной решетки, если ее период ( значительно превышает

диаметр d проволоки, полные потери оптического излучения, включающие потери

на отражение, дифракцию и поглощение в элементах решетки, не превышают

4d/(. Наиболее подходящими материалами для проволок являются платина,

золото и никель, которые обладают высокой механической прочностью и

технологической простотой изготовления решеток с малым диаметром d и

большим периодом (.

Таблица 2

|№ |Наимено-|Тип ПИП |Рабочи|Диапазон |Время |Время|Диапа|Диап|Основ|Вид |

|п/п|вание | |й |измерения |одного |устан|зон |азон|ная |индикации|

| | | |диапаз|мощности |измерен|овлен|длите|изме|погре| |

| | | |он |энергии |ия для |ия |льнос|ряем|шност| |

| | | |длин |Вт |мощност|показ|тей |ых |ь | |

| | | |волн, |Дж |и |ания |измер|диам|измер| |

| | | |мкм | | | |яемых|етро|ения,| |

| | | | | | | |импул|в |% | |

| | | | | | | |ьсов,|пучк| | |

| | | | | | | |с |ов, | | |

| | | | | | | | |мм | | |

|1 |ОСИСМ — |Термоэлек|0.4 - |10-3 - | |2.5 мин| | |4 ( |(P=1 |Цифровой |

| |образцов|трический|12 |102 | | | | |10 |( 3 | |

| |ое | | | | | | | | | | |

| |средство| | | | | | | | | | |

| |измерени| | | | | | | | | | |

| |й | | | | | | | | | | |

| |средней | | | | | | | | | | |

| |мощности| | | | | | | | | | |

|2 |ОИМ-1-1 |То же |0.3 - |10-3 - | |8 мин | | |3 ( |(P=1 |Стрелочны|

| |— | |3.5 |10-1 | | | | |8 | |й |

| |образцов| | | | | | | | | | |

| |ый | | | | | | | | | | |

| |измерите| | | | | | | | | | |

| |ль | | | | | | | | | | |

| |мощности| | | | | | | | | | |

| |излучени| | | | | | | | | | |

| |я (80 | | | | | | | | | | |

| |кг) | | | | | | | | | | |

|3 |ИМО-2-2М|То же |0.4 - |10-2 - |10-1 |3 мин |5 с /|2(10-|4 ( |(P=1 |Цифровой |

| |— | |10.6 |102 |- 10 | |2 мин|4 - |12 |( 3 | |

| |образцов| | | | | | |10-3 | |(E=3 | |

| |ый | | | | | | | | |( 4 | |

| |измрител| | | | | | | | | | |

| |ь | | | | | | | | | | |

| |мощности| | | | | | | | | | |

| |и | | | | | | | | | | |

| |энергии | | | | | | | | | | |

| |лазерног| | | | | | | | | | |

| |о | | | | | | | | | | |

| |излучени| | | | | | | | | | |

| |я | | | | | | | | | | |

|4 |ИМО-2 — |Термоэлек|0.33 |5(10-3 -|3(10-|2.5 мин|8 c /|10-4 |4 ( |(P=5 |Стрелочны|

| |измерите|трический|-10.6 |102 |3 - | |2 мин|- |12 |( 8 |й |

| |ль | | | |10 | | |10-3 | |(E=7 | |

| |средней | | | | | | | | |( 22 | |

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11