Содержание к диссертации
Введение
1. Электронные методы измерения параметров движения объектов 14
1.1 Электрические и магнитные датчики положения вращающихся объектов 14
1.1.1 Индукционные датчики 14
1.1.2 ДатчикХолла 19
1.1.3 Пьезоэлектрические датчики 24
1.2 Радиоволновые датчики характеристик движения объектов 25
1.2.1 Измерение линейной скорости 26
1.2.2 Измерение частоты вращения 27
1.2.3 Измерение вибраций 30
1.3 Проблемы точности измерения параметров движения не механическими способами 33
1.3.1 Источники и виды погрешностей 33
1.3.2 Погрешности нелинейностей характеристик 34
1.3.3 Погрешность, вызванная влиянием температуры 35
1.4 Оптоэлектронные системы для измерения радиочастотных характеристик и их использование в измерительных системах для уменьшения влияния электрических и магнитных наводок 38
2. Моделирование условий работы свч антенн, расположенных вблизи колеса паровой турбины. разработка радиоволновых датчріков вибраций и биений 49
2.1 Моделирование и анализ работы широкополосной СВЧ антенны, расположенной вблизи колеса паровой турбины 49
2.2 Моделирование и анализ характеристик резонансной СВЧ антенны, расположенной вблизи рабочего колеса турбины 54
2.3 Основные результаты моделирования антенны при перемещении лопатки паровой турбины вдоль оси X (имитация осевых биений) 55
2.4 Основные результаты моделирования антенны при перемещении лопатки паровой турбины вдоль оси Z (имитация радиальных биений) 59
2.5 Основные результаты моделирования антенны при перемещении лопатки паровой турбины вдоль оси Y (имитация вращения колеса перпендикулярно плоскости антенны) 63
2.6 Моделирование и анализ характеристик нескольких резонансных СВЧ антенн, расположенных вблизи рабочего колеса турбины 68
2.7Основные результаты моделирования работы двух резонансных антенн, расположенных вблизи рабочего колеса турбины 68
2.8 Основные результаты моделирования работы пяти резонансных антенн, расположенных вблизи рабочего колеса турбины 76
2.9 Радиоволновые измерители вибраций лопаток и биений рабочих колес паровой турбины 82
2.10 Применение остронаправленного СВЧ излучения для динамического контроля положения лопаток турбины 82
2.11 Датчик контроля положения турбинных лопаток на основе СВЧ замедляющей системы 84
3 Предельные соотношения для модулирующих световых ячеек. разработка оптоэлектронных измерителей параметров вибраций 89
3.1 Потенциальные частотные и энергетические характеристики модулирующих ячеек на основе полевых эффектов с согласующими цепями фильтрового типа 89
3.2 Разработка оптоэлектронных измерителей параметров отражений от входов антенн в системах измерения биений лопаток рабочих колес турбины 99
3.2.1 Устройство для измерения сигнала, отраженного от входа СВЧ антенны для радиоинтерференционных измерителей вибраций 99
3.2.2 Измерители параметров сигнала, отраженного от входа СВЧ антенны с несколькими оптическими каналами для систем измерения вибраций 105
3.3 Лазерный прецизионный гетеродинный измеритель деформации лопаток мощных турбин 114
4. Разработка и исследование печатных антенн для радиоволновых и оптоэлектронных датчиков вибраций лопаток рабочих колес паровых турбин 122
4.1 Моделирование печатной антенны на основе кольцевого резонатора на частоту 2.6ГГц 123
4.2 Экспериментальные исследования печатной антенны на основе кольцевого резонатора на частоту 2.6ГТц 127
Выводы по главе 4 131
Заключение 132
Библиографический список использованной
Литературы 134
Приложение 143
- Радиоволновые датчики характеристик движения объектов
- Основные результаты моделирования антенны при перемещении лопатки паровой турбины вдоль оси X (имитация осевых биений)
- Разработка оптоэлектронных измерителей параметров отражений от входов антенн в системах измерения биений лопаток рабочих колес турбины
- Экспериментальные исследования печатной антенны на основе кольцевого резонатора на частоту 2.6ГТц
Введение к работе
Лопатки паровых и газовых турбин являются одними из наиболее нагруженных элементов этих агрегатов. Получение информации о состоянии и вибрациях лопаток, осевых и радиальных биениях рабочих колес турбины в процессе работы турбин представляет собой первоочередную задачу как при разработке новых агрегатов, так и при эксплуатации, разработанных и произведенных ранее. Сопутствующими факторами, затрудняющими разработку и реализацию датчиков вибраций лопаток, являются, как правило, сложные условия их работы с точки зрения окружающей среды: агрессивные среды, высокие температуры в газовых турбинах, влажность и малая прозрачность в паровых турбинах, высокие уровни электрических и магнитных помех в силовых агрегатах.
В связи с этим исследование методов измерения вибраций лопаток, уровней осевых и радиальных биений рабочих колес турбины заслуживают самого пристального внимания как специалистов в области турбин, так и измерительной техники.
Существующие методы и приборы для измерения параметров вибраций лопаток, радиальных и осевых биений колес турбин основаны на самых различных физических принципах. Для измерений используются электрические и магнитные датчики различной конструкции и физических принципов действия, пьезоэлектрические датчики, фотоэлектрические датчики, оптические топографические датчики, а в последнее время начинают применяться радиоволновые датчики. В основе последних лежит взаимодействие электромагнитных волн сверхвысокочастотного диапазона частот (СВЧ) с контролируемыми объектами - лопатками колес паровых и газовых турбин.
В настоящее время имеется большое число научных работ, посвященных вопросам теории и практических применений радиоволновых методов и средств для контроля технологических параметров и их изменений в ходе технологических процессов. Однако среди этих работ практически отсутствуют работы, посвященные исследованиям и разработке устройств для определения типов
вибраций лопаток турбин и их параметров: амплитуд, частот и т.д. В то же время
разработка новых агрегатов, отличающихся высоким КПД, приводит к тому, что линейная скорость лопаток в выходных колесах даже силовых паровых турбин из-за их больших диаметров превышает скорость звука более чем в полтора раза при частоте вращения ротора 50ГЦ и, особенно, 60ГЦ. Столь быстро протекающие процессы могут быть надежно зарегистрированы лишь с помощью СВЧ или оптических колебаний. В частности использование радиоинтерференционных методов позволяет выявить весь спектр вибраций лопаток с высокой точностью, представить картину изменения формы лопаток турбины во времени. Этот большой объем информации крайне необходим разработчикам новых агрегатов и материалов для них. Еще большие возможности имеют радиоголографические методы. Исследование радиоинтерференционных и радиоголографических методов измерения параметров вибраций и биений рабочих колес турбин, а также разработка датчиков, основанных на этих принципах, представляют собой сложную научно-техническую задачу, многие аспекты которой не исследованы вплоть до настоящего времени.
Таким образом, исследовательскую работу, посвященную разработке методов определения параметров вибраций и биений рабочих колес паровых и газовых турбин и конкретных устройств для их практической реализации, можно несомненно считать актуальной.
Цель и задачи работы.
Целью настоящей диссертационной работы являлось исследование возможности измерения параметров движения лопаток рабочих колес турбинного колеса СВЧ радиоинтерференционными методами, использующими в качестве датчиков малогабаритные СВЧ антенны, расположенные перед плоскостью рабочего колеса турбины; разработка устройства для измерения параметров сигналов, отраженных от входов антенн, наименее подверженных влиянию внешней агрессивной среды и электрических и магнитных помех.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие
задачи:
1.Выполнено математическое моделирование одной и нескольких СВЧ антенн, расположенных вблизи рабочего колеса турбины, и определено изменение их импедансных характеристик в зависимости от положения и деформаций лопаток колеса. Показана возможность определении радиальных и осевых биений колеса турбины, а также определения спектра вибраций лопаток радиоинтерферометрическим методом при использовании нескольких идентичных антенн.
2.Математическим моделированием выявлены диапазоны изменения измеряемых параметров отраженных сигналов антенн при возникновении вибраций лопаток и биения рабочего колеса турбины.
З.Для построения оптоэлектронных интерферометрических датчиков определены предельные характеристики и эффективные параметры электрооптических модулирующих ячеек, содержащих направляющую систему с Т-волной.
4.Предложены, защищенные патентами, два оптоэлектронных устройства для регистрации отраженного сигнала от входа антенны, предназначенные для работы в составе интерферометрических датчиков.
5.Выполнена разработка и экспериментальные исследования кольцевых антенн бегущей волны, предназначенных для работы в составе интерферометрических датчиков.
Методы исследовании.
В основу выполненных в диссертационной работе исследований положены методы математического моделирования, теории матриц, методы теории цепей и теории потенциала, численные методы.
Подтверждение результатов теоретических исследований получено с помощью компьютерного моделирования и экспериментальных исследований.
Научная новизна.
В диссертации разработан один из подходов к построению радиоинтерферометров для измерения вибраций лопаток паровых и газовых турбин, радиальных и осевых биений рабочих колес турбины, которые могли бы использоваться на стендах для отработки новых конструкций турбин.
Основные новые научные результаты работы заключаются в следующем:
-математическим моделированием показано, что использование радиочастотного датчика с несколькими идентичными СВЧ антеннами, одна из которых является излучающей, а остальные приемными, расположенного вблизи рабочего колеса в кожухе турбины, позволяет измерять деформации и вибрации лопатки в сечении установки датчика. Установка нескольких подобных датчиков по радиусу турбины позволяет получить полную информацию о деформациях, спектрах вибраций лопаток, осевых и радиальных биениях рабочего колеса;
-определены предельные ограничения, связывающие частотные и энергетические свойства и конструктивные характеристики электрооптических модулирующих ячеек, которые могут быть интегрированы с антеннами радиочастотного датчика для переноса сигналов, несущих информацию о вибрациях и деформациях лопаток турбин в оптическую область спектра, чтобы уменьшить влияние сильных электрических и магнитных наводок от силовых агрегатов;
-на основе выполненных исследований предложены защищенные патентами схемы оптоэлектронных измерителей параметров отраженных от антенн радиоинтерферометра сигналов, пригодные для использования в системах контроля вибраций и биений лопаток рабочих колес паровых и газовых турбин;
-предложены схемы оптических гетеродинных датчиков вибраций и выполнена оценка их точностных характеристик, показана возможность
12 использования их в качестве прецизионных устройств на испытательных
стендах для проверки остальных типов датчиков.
Практическая значимость результатов работы.
Ряд результатов диссертации как теоретического, так и экспериментального характера получены в процессе выполнения госбюджетных НИР на кафедре радиоэлектронных средств Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ) в 2002-2005 годах, где выполнялась работа.
Результаты математического моделирования работы СВЧ антенн, расположенных вблизи рабочего колеса турбины, предложенные в работе интегрированные с антеннами оптоэлектронные измерители параметров антенн, будут использованы при разработке радиоинтерферометра для измерения спектра вибраций лопаток и биений рабочих колес турбин на испытательном стенде.
Предельные ограничения, связывающие частотные и энергетические свойства и конструктивные характеристики электрооптических модулирующих ячеек, могут быть полезны разработчикам оптических каналов связи и оптических локаторов.
Результаты работы могут быть использованы и в других смежных областях, например, в измерительно-информационных комплексах для автоматического контроля и диагностики судовых двигателей.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций". Самара. 2004; 14-я Международная Крымская конференция "СВЧ- техника и телекоммуникационные технологии". Севастополь, Крым, Украина. 13-17 сентября 2004г.; Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и современные проблемы радиотехники". Севастополь, Украина.
13 24-29 апреля 2005 г.
Материалы работы в 2003-2006 годах докладывались на конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (ЛЭТИ).
Публикации по теме работы.
Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, в числе которых 2 статей (в журнале Известия ГЭТУ «ЛЭТИ» за 2004 г; в журнале Известия ГЭТУ «ЛЭТИ» за 2006 г), 2 работы в материалах международной и всероссийской конференций, 2 патента РФ на полезную модель.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 94 наименований и двух приложений. Основная часть . работы изложена на 125 страницах машинописного текста. Работа содержит 84 рисунка.
Радиоволновые датчики характеристик движения объектов
Измерение параметров, характеризующих движение твердых тел, жидкостей, сыпучих веществ, газов, в настоящее время широко проводится в промышленности, сельском хозяйстве, ирригации, на транспорте и др. с помощью радиоволновых методов[17]. К измеряемым радиоволновыми методамипараметрам относятся скорость перемещения изделий, деталей и элементов технологических установок, скорость потоков, объемный и массовый расход веществ, перемещаемых по трубопроводам и открытым системам (желобам, конвейерам, каналам и т. п.), частота вращающихся объектов, ускорение, вибрации и др. [18]. Радиоволновые методы обладают большими возможностями для измерения параметров движущихся объектов обладают во многих случаях возможностью обеспечить бесконтактные и дистанционные измерения [19].
Рассмотрим такие методы и соответствующие средства применительно к измерению основных параметров вибраций лопаток паровых турбин.
Измерять линейную скорость объектов радиоволновыми методами можно как с помощью излучающих устройств, служащих для бесконтактного зондирования объекта под некоторым углом, отличным от прямого, так и с помощью направляющих систем (полых волноводов, длинных линий и др.) при бесконтактном или контактном расположении движущегося объекта в их электромагнитном поле вне или (и) внутри этих систем. Контролируемые объекты могут быть как проводниками, так и диэлектриками с потерями или без потерь.
В основе работы измерителей скорости с излучающими устройствами лежат принципы, известные в радиолокации и применяемые для определения скорости и координат движущихся объектов[20,21].
Для измерения линейной скорости технологических объектов с помощью излучающих устройств наибольшее распространение получил доплеровский радиолокационный метод измерения, связанный с зондированием объектов непрерывными волнами сантиметрового или миллиметрового диапазона длин волн или сверхкороткими импульсными сигналами и базирующийся на доплеровском смещении частоты рассеянной на движущемся объекте волны[22]. На рис. 1.10а приведена схема простейшего доплеровского измерителя скорости с передающей и приемной антеннами. Непрерывные электромагнитные колебания с СВЧ генератора 1 поступают на передающую антенну 2. Излучаемые ею по нормали к движущемуся со скоростью v отражателю 3 волны с частотой fa после отражения от него поступают на приемную антенну 4, имея частоту ±/л {верхний знак соответствует приближению отражателя, нижний - удалению).
Далее принятые сигналы подаются на смеситель 5, куда приходят также колебания частоты f0 с генератора. Частота /а колебаний на выходе смесителя пропорциональна скорости v отражателя.
В варианте, изображенном на рис. 1.106 и содержащем двойной Т-образный мост, имеется одна приемо-передающая антенна 4. Здесь также обозначены: 1 - СВЧ генератор; 2 - короткозамы-кающий поршень; 3 - смеситель.
Важные преимущества СВЧ измерителей частоты вращения заключаются в бесконтактности измерений, отсутствии влияния на контролируемый объект (изделие), возможности получения информации через диэлектрические поверхности, закрывающие контролируемый объект, широком диапазоне измерения, возможности дистанционных измерений и получения информации в процессе обработки изделий[23].
Большинство известных методов измерения связано с зондированиемвращающегося объекта электромагнитными волнами, приемом отраженных волни измерением их характеристик. Вследствие удаления одних отражающих(рассеивающих) элементов вращающегося объекта по отношению к передающейи приемной антеннам и приближения других элементов имеет место модуляцияотраженных (рассеянных) волн, которая и позволяет получить информацию очастоте вращения [24,25].
Для получения отраженного от контролируемого объекта сигнала могут быть использованы различные неоднородности: геометрические (например, асимметрия формы изделия), механические (отверстия, щели, штыри и др.), электрические. Достаточным может оказаться наличие шероховатости поверхности изделия, а для гладкого изделия - наличие пятен краски на его поверхности или какого-либо подходящего диэлектрика для искусственного создания неоднородностей.СВЧ измерители частоты вращения позволяют регистрировать частоты порядка 5 Л О5 об/мин [26] в процессе «искусственного скручивания» в производстве гофрированной синтетической пряжи. Возможно измерение и больших частот вращения ( 10б об/мин).
Весьма разнообразные по диапазонам контролируемых частот и условиям контроля возможности позволяют применять рассматриваемые устройства в различных отраслях машиностроения для измерения частоты вращения роторов турбин, валов, вентиляторов и других вращающихся узлов и механизмов. Возможно построение датчика, в котором используется две антенны: передающая и приемная. При облучении рабочего колеса турбины СВЧ волной, излучаемой передающей антенной, отраженная от лопаток рабочего колеса СВЧ волна будет нести информацию о скорости движения лопаток и их вибрациях, заключенную в доплеровской составляющей[27].В устройстве, описанном в[28] и приведенном на рис. 1.11, возможность получения информации о вибрациях вала обусловлена амплитудной модуляцией
Основные результаты моделирования антенны при перемещении лопатки паровой турбины вдоль оси X (имитация осевых биений)
Результаты моделирования, часть из которых представлена в предыдущем параграфе показали, что для измерения характеристик вибраций лопаток турбины использование широкополосных антенн не рационально и поэтому было произведено моделирование и определено изменение характеристик резонансных СВЧ антенн при перемещении перед ними лопаток рабочего колеса турбины на различных расстояниях от плоскости колеса. В качестве резонансной антенны была выбрана печатная Patch - антенна, рабочей полосой которой можно управлять в широком диапазоне при изменении ее конструктивных параметров [77]. Кроме того, такая антенна не требует в процессе моделирования больших вычислительных затрат.
Схема моделирования показана на рис.2.5. Резонансная частота антенны была выбрана равной 3.365ГГц, добротность составляла СМ-0. В процессе моделирования исследовалось влияние на условия работы антенны перемещения лопаток вдоль оси X (имитация осевых биений), вдоль оси Z (имитация радиальных биений), вдоль оси Y (имитация вращения рабочего колеса антенны). Ниже результаты моделирования приведены в сокращенном виде, позволяющем подтвердить основные выводы настоящего параграфа [77].
Результаты моделирования частично показаны на рис.2.6. На рис.2.6а, б, кривые 1 - соответствуют центральному положению лопатки, 2 - сдвигу лопатки на 10 мм вдоль оси X, 3 - сдвигу лопатки на -10 мм вдоль оси X. Как видно из приведенных графиков, осевые биения лопатки турбины (вдоль осиХ) и расстоянии от антенны до лопатки равном четверти рабочей длины волны целесообразно осуществлять измерением модуля Su резонансной антенны начастотах несколько превышающей резонансную частоту patch-антенны (на частотах 3,37-3,375 ГГц в нашем случае), где наблюдается наиболее сильное и симметричное относительно центрального положения лопатки изменение модуля Su антенны [77]. Результаты моделирования для этого варианта расположения антенны ирабочего колеса турбины частично приведены на рис.2.7. Здесь, как и раньше,кривые 1 — соответствует центральному положению лопатки, 2 — сдвигулопатки на 10 мм вдоль оси X (имитация осевых биении), 3 — сдвигу лопатки на-10 мм вдоль оси X.
Как показывают графики рис.2.7а,б, осевые биения рабочего колеса турбины (вдоль оси X) при расстоянии от антенны до плоскости колеса равном половине длины волны целесообразно измерять по изменению фазы SJJ на частоте резонанса patch-антенны [77].
Результаты моделирования при расстоянии между антенной и рабочим колесом турбины равном три четверти длины волны.Рис.2.8а. Зависимость модуля коэффициента отраженияот частоты при вибрации лопатки паровой турбины(расстояние от антенны до лопатки 0,75 длины волны)
Результаты моделирования для этого варианта расположения антенны и рабочего колеса турбины частично приведены на рис.2.8. На рис.2.8 кривые 1 -соответствуют центральному положению лопатки, 2 - сдвигу лопатки на 10 мм вдоль оси X (вдоль оси вращения), 3 - сдвигу лопатки на - 10 мм вдоль оси X
Как видно из графиков рис.2.8, на таком расстоянии провести измерения осевых биений рабочего колеса с помощью Su вблизи резонансной частоты антенны не представляется возможным.
Таким образом, результаты моделирования вибраций лопатки, отстоящей от антенны на расстояния в одну четверть, половину и три четверти длины волны, показали, что фиксировать осевые биения рабочего колеса турбины (вдоль оси X на рис.2.5) возможно либо при расположении антенны на расстоянии от лопатки равном 0,25 длины волны, измерением модуля Su на частотах выше частоты резонанса антенны (3,37-3,375 ГГц против резонансной частоты 3.365ГГц в нашем случае), либо при расположении антенны на расстоянии от лопатки равном 0,5 длины волны, измерением фазы Su на частоте резонанса patch-антенны (3,365 ГГц) [77].
Разработка оптоэлектронных измерителей параметров отражений от входов антенн в системах измерения биений лопаток рабочих колес турбины
На рис.3.4 показано электрооптическое измерительное устройство, которое может использоваться для контроля параметров антенны в процессе работы нагруженного на антенну генератора, для измерения модуля и фазы коэффициента отражения и коэффициента стоячей волны в радиочастотном тракте, а также во многих других случаях, когда необходимо обеспечить высокий уровень развязки между измерительными и сигнальными цепями в условиях наводок из-за сильных электрических и магнитных полей, например, при измерениях уровня отраженного сигнала в радио голографических методах контроля вибраций лопаток колес паровых, газовых или водяных турбин на электростанциях.
Известны устройства, в которых для измерения коэффициента отражения сигнала от входа СВЧ элемента используется электрооптический эффект Поккельса [81,89]. Наиболее близким по конструкции является устройство для измерения параметров сигнала, отраженного от входа СВЧ элемента, предложенное в авторском свидетельстве [89].
Однако в этом устройстве две первых секции измерительной линии выполнены на диэлектрической подложке, обладающей линейным электрооптическим эффектом, а третья секция содержит диэлектрик с квадратичным электрооптическим эффектом. Это затрудняет реализацию устройства, кроме того наибольший квадратичный электрооптический эффект обнаруживают кристаллы перовскитов группы KTN, у которых точка Кюри лежит в области комнатных температур. Измерительная часть схемы, включающая фотодетекторы, усилители, сумматоры и делители является слаботочной и расположена вблизи измерительного тракта, что делает ее слабо защищенной от внешних электромагнитных наводок при сильных электрических полях уровня напряженностью 5-10мВ/м, которые присутствуют на электростанциях.
Таким образом для успешного использования устройства необходимо реализовать все три фазовых ячейки секций измерительной линии надиэлектрике с линейным электрооптическим эффектом, увеличить развязкуэлектронной измерительной части от внешних электромагнитных наводок засчет увеличения расстояния между электронной частью и измерительнойдиэлектрическом материале обладающим линейным электрооптическимэффектом, например ЫЫЬОз, упрощает конструктивную реализациюустройства, повышает термостабильность, так как не используются кристаллыперовскитов группы KTN, у которых точка Кюри лежит в области комнатытемператур. Кроме того предлагаемое устройство для измерения сигнала,отраженного от входа СВЧ антенны, содержит оптические волокна, числокоторых равно числу датчиков и которые включены между оптическимианализаторами и фотодетекторами. Оптические волокна позволяютмаксимально возможно удалить электронную измерительную часть устройства для измерения сигнала, отраженного от входа СВЧ антенны от измерительных секций и тем самым минимизировать наводки электромагнитного поля на фотодетекторы. Эти наводки наиболее сильны в месте размещения измерительных секций линии. Максимальная длина оптических волокон определяется длиной когерентности лазерного излучения.
Схема устройства поясняется рис.3.4. Устройство содержит источник когерентного света 1 {лазер) с оптическим делителем светового луча на три луча равной интенсивности, первый, второй и третий электрооптические датчики 2-4, измерительную линию 5, СВЧ генератор 6, контролируемую антенну 7, три оптических волокна одинаковой длины 8-10, три фотодетектора 11-13, три усилителя 14-16, первый и второй делители 17 и 18, первый и второй сумматоры 19 и 20, индикатор фазы 21 и индикатор модуля коэффициента отражения 22. Каждый из электрооптических датчиков содержит коллиматор 23, вход которого является входом датчика, оптический поляризатор 24, фазовую ячейку 25 и оптический анализатор 26, выход которого является выходом датчика.
Модулирующие ячейки 26 во всех трех датчиках 2-4 представляют собойотрезки микрополосковой линии передачи, выполненных на подложке из материала, обладающего линейным электрооптическим эффектом, на пример LiNb03. Последовательное соединение фазовых ячеек 26 образует измерительную микрополосковую линию.
Первый и второй датчики 2-3, состоят из коллиматора 23, поляризатора 24, четвертьволновой пластинки 25, фазовой ячейки 26 и оптического анализатора поляризации 27 служат для получения оптических сигналов, интенсивность которых пропорциональна эффективному напряжению СВЧ сигнала на электродах фазовой ячейки 26, а оптические волокна 8-Ю - для передачи этих сигналов на фотодетекторы 11-13, которые вырабатывают электрические сигналы пропорциональные эффективному напряжению на электродах ячейки 26. Устройство третьего датчика подобно двум первым, за исключением четвертьволновой пластинки 25, которая в нем отсутствует,Электронная часть устройства может быть выполнена как в аналоговом, так и цифровом виде. В последнем случае предполагается наличие в устройстве на выходе фотодетекторов 11-13 аналого-цифровых преобразователей, преобразующих сигнал в цифровую форму
Устройство работает следующим образом. После включения СВЧ генератора 6 вследствие частичного отражения сигнала от входа СВЧ антенны 7 в секциях измерительной линии 5 устанавливается режим смешанных волн. Это частичное отражение сигнала от входа антенны 7 может происходить из-за некачественного выполнения антенны, либо появления в зоне ближнего поля антенны каких либо возмущений, например, движения металлических лопаток паровой турбины.
Экспериментальные исследования печатной антенны на основе кольцевого резонатора на частоту 2.6ГТц
Рассчитанные антенны были изготовлены и экспериментально исследованы в трех вариантах на подложке из материала Флан толщиной 1.9мм и подложке из материала Rogers 3003 толщиной 1.27мм. В последнем случае направленный ответвитель был выполнен с балластным резистором и без балластного резистора. Фотографии экспериментальных макетов антенны приведены на рис.4.5. из материала Флан и Rogers 3003. Размеры подложки экспериментальных антенн составляли 38 38мм2 , внешний диаметр резонатора был равен 25мм, внутренний диаметр 15мм, ширина микрополосковои линии направленного ответвителя -3.5мм, зазор между линии кольцевого резонатора и микрополосковои линией ответвителя был равен 0.6мм, толщина металлизации составляла 0.017мм.
В процессе экспериментальных исследований антенны измерялся коэффициент отражения на входном порту антенны, а также диаграмма направленности (коэффициент усиления) по правой круговой поляризации. Для измерения указанных характеристик была собрана измерительная установка на основе векторного измерителя цепей НР8719 образцовой измерительной антенны П6-23А. Схема измерительной установки показана на рис.4.6.
Полученная в результате исследований зависимость входногокоэффициента отражения на входном порту антенны при нагрузке второговыхода направленного ответвителя балластным резистором 50Ом показана
Как видно из рис.4.2, рис.4.7 полоса пропускания экспериментальной антенны по уровню модуля /5у/равному -12дБ составляет 62МГц, против расчетных 65МГц, а центральная частота равна 2.655ГГц против расчетного значения центральной частоты равного 2.57ГГц. Таким образом совпадениерасчетных и экспериментальных импедансных характеристик антенныоказалось достаточно точным.
На рис.4.8 приведена экспериментальная диаграмма направленности антенны по правой круговой поляризации.
Как видно из рис.4.8 максимальный коэффициент усиления антенны составляет 4DBI, в то время как расчетное значение коэффициента направленности было равно 5.8 DBI. Уменьшение коэффициента усиления по сравнению с коэффициентом направленности на 1.8 DBI можно объяснить потерями в проводниках и материале подложки, а также расширением основного лепестка диаграммы направленности.
Ширина главного лепестка диаграммы направленности по уровню -ЗдБ в эксперименте была равна 100 против 95 по результатам моделирования, уровень кроссполяризации (LHCP) у экспериментального образца антенны составлял -20дБ против -26дБ по расчету (см.рис.4.4), уровень обратногоизлучения был несколько меньше расчетного и составил -8дБ.
Приведенные данные свидетельствуют о достаточном для практики совпадении расчетных и экспериментальных характеристик антенны и подтверждают, сделанные в процессе моделирования допущения.
Несмотря на хорошее совпадение результатов моделирования и экспериментальных исследований макета антенны, антенна на диэлектрической подложке с малой электрической плотностью (е=3.8) имеет слишком большие размеры для использования в датчике вибраций.
Поэтому темой дальнейших исследований должно послужить выполнение этой антенны на более электрически плотной подложке, например из поликора (є=9.8), что позволит по результатам расчетов уменьшить размеры одной антенны примерно в два раза при той же толщине подложки 2мм. Еще более разумным представляется расчет антенны на подложке из ЫШОз , что позволит интегрировать антенну с оптоэлектронными измерителями сигнала на выходном порту антенны, разработанными в третьей главе.1.Определены оптимальные частота и характеристики антенны для радиоволнового датчика вибраций, выполнено моделирование и оптимизация геометрических размеров печатной антенны с кольцевым резонатором на подложке с органическим диэлектриком.2.Проведены экспериментальные исследования макета антенны с кольцевым резонатором, подтвердившие исходные предпосылки.3.Получены необходимые данные для проектирования антенны на электрически плотной подложке, например из ниобата лития для интегрирования антенны с оптоэлектронным измерителем параметров отраженного сигнала.
