專(zhuān)利名稱(chēng)：標(biāo)準(zhǔn)源式薄膜型同軸熱電變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量電變量的裝置，更確切地說(shuō)是涉及一種用于建立標(biāo)準(zhǔn)電壓量值的采用熱電變換器的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具。
電壓測(cè)量的可測(cè)頻率范圍極寬，從直流到幾吉赫甚至更高頻率。測(cè)量電壓的方法主要有檢波法、采樣法、熱電法、測(cè)輻射熱法和補(bǔ)償法等，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。
目前世界各國(guó)建立的電壓標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)幾十千赫以下的低頻電壓標(biāo)準(zhǔn)，多應(yīng)用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局F.L.Harmach開(kāi)發(fā)的低頻熱電變換器標(biāo)準(zhǔn)直接測(cè)量;對(duì)幾十兆赫至幾吉赫的高頻、超高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)可采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局M.C.Selby開(kāi)發(fā)的測(cè)輻射熱計(jì)式電壓標(biāo)準(zhǔn)直接計(jì)量;而對(duì)于幾十千赫至幾十兆赫的較高頻率的電壓，還沒(méi)有直接計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)，一般應(yīng)用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局F.L.Harmach開(kāi)發(fā)的同軸型熱電變換器作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)。
目前已有的建立在熱電效應(yīng)基礎(chǔ)上的高頻同軸熱電變換器，均屬于只有一個(gè)輸出端口的終端負(fù)載型器件，為單一的圓筒腔結(jié)構(gòu)，由高頻或超高頻熱偶串接薄膜棒狀限流電阻和金屬圓筒組成。腔的終端封閉，既是同軸外導(dǎo)體又是屏蔽罩，輸入端采用某種型式的同軸接頭。當(dāng)輸入電壓時(shí)，加熱絲中流過(guò)電流，產(chǎn)生溫升使旁置的熱偶兩端產(chǎn)生一個(gè)熱電勢(shì)。當(dāng)分別施加的高頻電壓和直流電壓所產(chǎn)生的熱電勢(shì)相等時(shí)，就認(rèn)為高頻電壓的有效值等于直流電壓值。但實(shí)際上兩值是有差異的，這就是交直流差值，即交直流轉(zhuǎn)換誤差。
上述高頻同軸熱電變換器的缺點(diǎn)是隨著頻率的提高，其阻抗特性變差，表現(xiàn)為交直流差值的波動(dòng)，在1吉赫可高達(dá)2%甚至20%。因而同軸熱電變換器在低頻時(shí)可以作為原始電壓標(biāo)準(zhǔn)，而在高頻、超高頻則作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，也就是要由上一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其校準(zhǔn)后作為次一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)使用。
應(yīng)用真空型熱偶和薄膜型熱偶兩種不同類(lèi)型的熱電變換元件而形成兩大類(lèi)型的同軸熱電變換器。采用真空型熱偶的同軸熱電變換器，交直流差值在1吉赫時(shí)為5%至20%。由日本安立公司首先研制成功的采用薄膜型熱偶的同軸熱電變換器，交直流差值得到了一定改善，但僅應(yīng)用在安立公司的產(chǎn)品中作為機(jī)內(nèi)電壓基準(zhǔn)器，由于其終端負(fù)載腔體幾何尺寸無(wú)法做到寬帶補(bǔ)償，因而到1吉赫的準(zhǔn)確度只能達(dá)到±2%。
由于綜上所述的問(wèn)題，因而建立從幾十千赫至幾十兆赫頻率范圍內(nèi)的電壓標(biāo)準(zhǔn)用于直接計(jì)量的技術(shù)也成為該領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)。中國(guó)雜志“計(jì)量學(xué)報(bào)”1984年4月第5卷第2期P.86“高頻同軸熱電轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)”，由高頻棒狀電阻和超高頻真空熱偶串聯(lián)而成，置于金屬圓筒的軸線(xiàn)上，文章說(shuō)明了通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)確定幾十千赫至幾十兆赫頻段內(nèi)的交直流差值，可達(dá)到的準(zhǔn)確度為1MHz時(shí)是±0.01%，10MHz時(shí)是±0.03%，30MHz時(shí)是±0.1%，50MHz時(shí)是±0.2%。目前這種理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作仍在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局中進(jìn)行著。
本發(fā)明的目的是提供一種新型的電壓標(biāo)準(zhǔn)器，不僅可以直接建立前述幾十千赫至幾十兆赫工作頻率范圍內(nèi)的電壓標(biāo)準(zhǔn)量值，并達(dá)到準(zhǔn)確度指標(biāo)、與目前各國(guó)所建立的高頻、超高頻原始電壓標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度一致，而且能覆蓋從幾赫至幾吉赫的工作頻率范圍，并具有優(yōu)良的頻率特性，其交直流差不用校準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器完成低頻、高頻和超高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一建立，是一種可獨(dú)立復(fù)制的標(biāo)準(zhǔn)品，其量值可直接朔源到直流電壓。
本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)源式薄膜型同軸熱電變換器，應(yīng)用了旁熱式薄膜型熱偶，安放在具有輸入和輸出兩個(gè)端口的同軸結(jié)構(gòu)的測(cè)量座內(nèi)，可視為垂直于電磁場(chǎng)傳輸方向上裝有旁熱式薄膜型熱偶的一段同軸線(xiàn)。
本發(fā)明包括測(cè)量座，由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體構(gòu)成的同軸線(xiàn)形成腔體并具有輸入、輸出兩個(gè)端口，腔體內(nèi)有垂直于內(nèi)導(dǎo)體的絕緣基片，絕緣基片的一個(gè)端面上涂覆有電阻膜對(duì)，另一個(gè)端面上涂敷有熱偶膜對(duì)，組成旁熱式薄膜型熱偶、電阻膜對(duì)并接于內(nèi)、外導(dǎo)體間與內(nèi)、外導(dǎo)體可靠接觸并面向輸出端口，熱偶膜對(duì)與內(nèi)、外導(dǎo)體隔離并引出測(cè)量座外，當(dāng)輸入端口施以交流或直流電壓時(shí)，在電阻膜對(duì)上產(chǎn)生電壓降，該電壓降所對(duì)應(yīng)的焦耳熱使熱偶膜對(duì)受熱而產(chǎn)生熱電勢(shì)，精密地監(jiān)視該熱電勢(shì)可根據(jù)功率替代原理，利用測(cè)熱技術(shù)以已知的直流或低頻電壓代替高頻電壓，借助于該交直流替代法，從而在絕緣基片電阻膜端面上建立起已知的電壓量值，并通過(guò)輸出端口進(jìn)行傳遞。
下面結(jié)合實(shí)施例附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)。
附

圖1.現(xiàn)有技術(shù)的同軸熱電變換器結(jié)構(gòu)原理圖附圖2.本發(fā)明標(biāo)準(zhǔn)源式薄膜型同軸熱電變換器結(jié)構(gòu)原理圖附圖3.附圖2中旁熱式薄膜型熱偶的結(jié)構(gòu)及其側(cè)視圖3-1附圖4.標(biāo)準(zhǔn)源式薄膜型同軸熱電變換器用于電壓標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量的電原理圖附圖5.標(biāo)準(zhǔn)源式薄膜型同軸熱電變換器的實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖參見(jiàn)附圖1，具有園筒腔結(jié)構(gòu)，腔的終端封閉的金屬園筒1，腔內(nèi)的內(nèi)導(dǎo)體2為外導(dǎo)體的同軸線(xiàn)，串接薄膜棒狀限流電阻3和熱偶的熱絲4，5為熱偶，熱偶5的熱絲4被電流加熱使產(chǎn)生熱電勢(shì)輸出。
由于這種同軸熱電變換器設(shè)計(jì)成表式結(jié)構(gòu)，即具有一個(gè)輸入端口的負(fù)載式結(jié)構(gòu)，作為一種電壓表來(lái)使用，由結(jié)構(gòu)內(nèi)部的駐波所致，其負(fù)載阻抗隨頻率的變化而變化成為引起測(cè)量誤差的重要因素，表現(xiàn)在高頻、超高頻下的交、直流差，且由于制作、特別是熱偶的焊接而引起同一產(chǎn)品的不一致性。
參見(jiàn)附圖2，設(shè)計(jì)成源式結(jié)構(gòu)即具有輸入U(xiǎn)i和輸出U0兩個(gè)端口的同軸結(jié)構(gòu)的測(cè)量座，由內(nèi)導(dǎo)體24和外導(dǎo)體25組成，絕緣基片21的兩端面分別涂覆有電阻膜對(duì)22和熱偶膜對(duì)23，組成旁熱式薄膜型熱偶，位于測(cè)量座內(nèi)內(nèi)導(dǎo)體24的垂直面上，電阻膜對(duì)22朝向輸出端口U0，熱偶膜對(duì)23朝向輸入端口Ui。旁熱式薄膜型熱偶的電阻膜對(duì)22在AA′橫截面上與內(nèi)導(dǎo)體24與外導(dǎo)體25可靠地接觸，而熱偶膜對(duì)23則與內(nèi)、外導(dǎo)體24、25隔離并引出至測(cè)量座外，實(shí)施時(shí)，AA′端面上的熱偶膜必須與內(nèi)導(dǎo)體24垂直，即垂直于電磁場(chǎng)傳輸方向。
本發(fā)明的薄膜型同軸熱電變換器按兩端口設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)源式結(jié)構(gòu)，是作為一種電壓源來(lái)使用，因而徹底擺脫了現(xiàn)有技術(shù)的熱電變換器作為負(fù)載使用所帶來(lái)的誤差因素。原則上只和薄膜熱偶元件本身的頻響有關(guān)，而且由于電阻膜對(duì)面向著輸出端口，輸出直接取至AA′端面上建立的標(biāo)準(zhǔn)電壓(或通過(guò)一個(gè)很薄的用于保護(hù)薄膜熱偶元件的隔板輸出，)具有嚴(yán)格的電壓參考面，不僅有好的頻響特性而且產(chǎn)品具有唯一性。
參見(jiàn)附圖3及其3-1，旁熱型薄膜熱偶包括絕緣基片21，其一個(gè)端面上涂覆有電阻膜對(duì)22并通過(guò)大面積的鍍金區(qū)如圖中打有斜線(xiàn)的面積區(qū)與內(nèi)導(dǎo)體24及外導(dǎo)體25(圖中未畫(huà)出)可靠接觸、絕緣基片21的另一個(gè)端面上涂覆有熱偶膜對(duì)23，由碲化銻SbTe(圖中深色區(qū))、鉍Bi(圖中淺色區(qū))兩種材料構(gòu)成，熱偶膜對(duì)23與內(nèi)、外導(dǎo)體均隔離，有熱電勢(shì)的正、負(fù)極引出端并涂覆有金，以便可靠引出。
實(shí)施中，電阻膜對(duì)的原度必須足夠小，即當(dāng)工作頻率為上限時(shí)，電阻膜對(duì)的原度應(yīng)小于電磁場(chǎng)對(duì)膜金屬穿透深度的0.07，就可認(rèn)為電阻膜在直流和射頻下具有同一阻值，且不影響電磁場(chǎng)的正常傳輸。
參見(jiàn)附圖4，本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)源式薄膜型同軸熱電變換器41，其輸入端口Ui接射頻交流源AC，輸出端口U0接被檢表V，熱偶對(duì)熱電勢(shì)輸出正、負(fù)極接數(shù)字電壓表DVM，調(diào)正R，使被檢表V有一固定指示Vm，并記下此時(shí)DVM指示的熱電勢(shì)值emf，將另一直流DC標(biāo)準(zhǔn)源替代圖中的射頻AC源，調(diào)正R，當(dāng)DVM中指示的值與前者emf值一致時(shí)，此時(shí)的DC值就是準(zhǔn)確的射頻Vrf值，而被檢表V的誤差即為Vm與Vrf的差值、通過(guò)上述測(cè)量步驟即可完成用本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)源式薄膜型同軸熱電變換器對(duì)其他電壓標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行誤差計(jì)量的工作。
參見(jiàn)圖5，本發(fā)明實(shí)施例按7mm同軸線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，輪廓尺寸為φ40×40mm，帶有N型陰性同軸輸入接頭螺母的殼體51通過(guò)支撐環(huán)52固定著內(nèi)導(dǎo)體53，熱偶的熱電勢(shì)引出電極板54為一分為二的兩個(gè)環(huán)狀半圓，它們和殼體1的內(nèi)端面間夾有一層絕緣薄膜55;它們和輸出極板56之間安放著旁熱式多元薄膜熱偶57，輸出極板56與薄膜熱偶57的電阻膜外電極相接觸。熱偶的熱電勢(shì)引出電極板54與薄膜熱偶57的熱偶膜正、負(fù)電極相接觸，并由一對(duì)插頭58引出殼外。可更換型式的同軸輸出接頭螺母59在壓緊螺母510的作用下，通過(guò)接觸環(huán)511將殼體51內(nèi)的全部另件壓牢并使輸出極板56和殼體51良好地接觸?？筛鼡Q型式的內(nèi)導(dǎo)體輸出插頭512借助于與內(nèi)導(dǎo)體53的彈性連接壓緊薄膜熱偶57，使電阻膜內(nèi)電極與內(nèi)導(dǎo)體53具有良好接觸。形成具有N型陰性輸入接頭和可更換輸出接頭形式、裝有旁熱式薄膜熱偶的同軸結(jié)構(gòu)的電壓標(biāo)準(zhǔn)器?？煞奖愕馗鼡Q另件59和512，組成與被檢表適配的接口?？芍苯佑?jì)量高阻探頭式電壓表，也可直接計(jì)量具有同軸探頭的低阻表，圖中所示513為與NRS型功率計(jì)無(wú)性接頭的連接狀況。
本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)源式薄膜型同軸熱電變換器，應(yīng)用了旁熱式多元薄膜熱偶，形成了一個(gè)基于簡(jiǎn)單的交、直流替代法原理的恒壓源式電壓標(biāo)準(zhǔn)器。既保持了測(cè)輻射熱計(jì)在超高頻段的優(yōu)良輻頻特性，同時(shí)克服了測(cè)輻射熱計(jì)溫度漂移、高頻座太大的缺點(diǎn);又從原則上保持了同軸熱電變換器在低頻下的精密度，同時(shí)克服了其阻抗失配于傳輸線(xiàn)特性的缺點(diǎn)，尤其在幾十千赫至幾十兆赫頻率范圍內(nèi)可直接建立足夠準(zhǔn)確的電壓量值，并能覆蓋從幾赫至幾吉赫的工作頻率范圍。
本發(fā)明的初樣在1千赫至0.1兆赫工作頻率范圍內(nèi)與傳統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換器比對(duì)的不一致性為0.01%，在1吉赫、2、5吉赫的工作頻率下與測(cè)幅射熱計(jì)比對(duì)的不一致性為0.2%、0.3%，本發(fā)明的理論工作頻率可達(dá)10吉赫以上。
權(quán)利要求
1.一種旁熱式薄膜型同軸熱電變換器，包括由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體組成的同軸結(jié)構(gòu)的測(cè)量座和由兩個(gè)端面分別涂覆有電阻膜對(duì)和熱偶膜對(duì)的絕緣基片組成的旁熱式薄膜型熱偶，其特征在于1)所述的由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體組成的同軸結(jié)構(gòu)的測(cè)量座是具有輸入、輸出兩個(gè)端口的標(biāo)準(zhǔn)源式結(jié)構(gòu)；2)所述的旁熱式薄膜型熱偶的電阻膜對(duì)端面朝向所述的測(cè)量座的輸出端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種旁熱式薄膜型同軸熱電變換器，其特征在于所述的旁熱式薄膜型熱偶在所述的測(cè)量座內(nèi)垂直于其軸線(xiàn)安放。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種旁熱式薄膜型同軸熱電變換器，其特征在于所述的旁熱式薄膜型熱偶的電阻膜對(duì)并接在所述的測(cè)量座的內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體間，并與內(nèi)導(dǎo)體及外導(dǎo)體可靠接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于建立標(biāo)準(zhǔn)電壓量值的采用熱電變換器的計(jì)量器具，用于實(shí)現(xiàn)用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器完成低頻、高頻、超高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一建立，其量值直接溯源到直流且能獨(dú)立復(fù)制。它將旁熱式薄膜型熱偶安放在具有輸入輸出兩個(gè)端口的同軸結(jié)構(gòu)的測(cè)量座內(nèi)，輸入端口施以交、直流電壓，薄膜型熱偶的電阻膜上產(chǎn)生電壓降，其所對(duì)應(yīng)的焦耳熱使熱偶膜產(chǎn)生熱電勢(shì)，由交直流替代法在電阻膜端面上建立起已知的電壓量值并通過(guò)輸出端口進(jìn)行傳遞。
文檔編號(hào)G01R35/00GK1052735SQ90109299
公開(kāi)日1991年7月3日 申請(qǐng)日期1990年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1990年11月22日
發(fā)明者韓鐵生, 王勇 申請(qǐng)人:郵電部通信計(jì)量中心