CN104977088B - 微波功率器件瞬态温度测量系统及其数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波功率器件瞬态温度测量系统及其数据处理方法，涉及微波功率器件温度测量装置或方法技术领域。所述测量系统包括：红外辐射探测器，与放大大路的信号输入端连接，用于采集微波功率器件发出的红外辐射信号；放大电路，与数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的红外辐射信号进行放大处理；数据采集卡，与工控计算机进行双向数据交互，用于根据工控计算机的控制进行数据采集；工控计算机，用于处理数据采集卡采集的数据，并将采集卡采集的电信号转换为温度数据进行存储并显示。通过所述测量系统能够实现对微波功率器件周期性和非周期性的任意瞬态温度的测量，且测量速度快，精度高。
Description
技术领域
本发明涉及微波功率器件温度测量装置或方法技术领域，尤其涉及一种微波功率器件瞬态温度测量系统及其数据处理方法。
背景技术
在微波功率器件温度测量领域中，红外测温法以其非接触测量，不影响器件正常工作条件的特点被广泛应用于各类器件的温度测量。
由于无需与被测件有直接的接触，红外测温装置适用于任何种类的微波功率器件。对于微波功率器件而言，不同条件下的温度或其变化可以反映器件的不同特性，如：显微红外热成像装置可以获取器件不同部位温度的分布情况如图1，这为器件的热设计和失效分析提供了有力的支持；瞬态红外设备能够测量器件某一部位温度随时间周期性变化的情况，如图2，这有效的支撑了对脉冲大功率器件的热特性研究工作。
上述两种红外测温装置在目前微波功率器件温度检测领域应用最为普遍。但是，在某些研究领域，需要对非周期性、呈高速变化的瞬态温度信号进行测量，如：根据国际标准JEDEC51-14分析微波功率器件的热阻抗和热接触变化时需要测量器件的升温曲线或降温曲线，图3是一幅典型的降温曲线。采用结构函数法分析升温曲线或降温曲线能够有效得到器件热传导途径的材料热特性（热阻、热容），能够有效发现器件热传导途径材料热特性的变化情况。该信号是非周期性的，且温度的主要变化集中在100ms甚至更短的时间内，现有的红外测温装置无法满足该需要。迄今为止，只有基于电学原理和拉曼原理的微波功率器件温度测量技术能够实现对升温曲线和降温曲线的测量。但是，电学法会干扰器件的工作状态，目前还无法满足给类器件尤其是新兴的GaN HEMT器件的测试需求；拉曼法测试系统复杂，测试速度慢，成本高，且国内尚无任何机构掌握该技术。
现有微波功率器件测温技术的优点有：
1）瞬态红外设备可以检测周期性高速变化的温度信号，有效满足对于脉冲工作条件下大功率器件的温度测量需求。
2）显微红外热像仪可以实现成像式检测，得到不同部位的温度分布情况，能够分辨微小结构的温度分布，具备较高的空间分辨力。
3）电学法会影响器件的工作状态，在GaN HEMT等新兴大功率器件温度测量方面成熟度较差，且不能测量瞬态温度。
4）拉曼法空间分辨率高，技术先进，适用于对器件结温的精确检测和分析，是近十几年来新兴的微波功率器件温度检测技术。
上述四种装置或技术的其缺点如下：
1）显微红外热成像装置测量速度较慢，只能实现帧频为50Hz以下的检测，某些精度较低的热像仪帧频可以达到上百，但是，这些无法满足对高速变化温度信号的检测需求。
2）瞬态红外设备只是针对周期性温度信号进行测量的。不具备测量非周期性温度信号的能力。
3）电学法会影响器件的工作状态，且无法测量GaN HEMT等新兴大功率器件。
4）拉曼法系统复杂，测量速度慢，国内尚无法实现对瞬态温度的测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种波功率器件瞬态测量系统及其数据处理方法，通过所述测量系统能够实现对微波功率器件周期性和非周期性的任意瞬态温度的测量，且测量速度快，精度高。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种微波功率器件瞬态温度测量系统，其特征在于所述测量系统包括：红外辐射探测器、放大电路、数据采集卡以及工控计算机，所述红外辐射探测器与放大大路的信号输入端连接，用于采集微波功率器件发出的红外辐射信号；所述放大电路与数据采集卡的信号输入端连接，用于将采集的红外辐射信号进行放大处理；数据采集卡与工控计算机进行双向数据交互，用于根据工控计算机的控制进行数据采集；所述工控计算机用于处理数据采集卡采集的数据，并将采集卡采集的电信号转换为温度数据进行存储并显示。
进一步的技术方案在于：所述红外辐射探测器为红外敏感元件。
进一步的技术方案在于：所述红外敏感元件为独立的高速光电二极管。
进一步的技术方案在于：所述放大电路的带宽大于20kHz，放大倍率大于100倍。
进一步的技术方案在于：所述数据采集卡的采样率大于20 MS/s，采样深度在10bit以上。
进一步的技术方案在于：所述工控计算机内设有控制软件模块和数据处理软件模块；测量系统工作时，通过控制软件模块选择数据采集卡的工作模式，数据采集卡工作模式分为触发模式和连续模式；触发模式对应周期性脉冲温度测量，连续模式对应非周期温度信号的测量。
进一步的技术方案在于：所述触发模式下数据采集的方法为：（1）系统整体初始化；（2）初始化一次采样；（3）初始化完成后等待触发；（4）外部触发后进行采样处理；（5）采样完成后读取数据；（6）读取完成后初始化下一次采样请求，直到完成设定的采样数量。
本发明还公开了一种微波功率器件瞬态温度测量系统的数据处理方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1）背景辐射测量及修正：每次测温过程中，在测量目标辐射量之前，首先测量背景辐射，并将得到的反映背景辐射量的电平数据保存；在测量目标温度时，将获得的反映目标的辐射量的电平数据减去反映背景辐射量的电平数据，得到目标修正后的红外辐射数据；
2）电平-温度转换：测温时根据目标发射率计算等效黑体辐射对应的电平，其中，V 0为等效黑体辐射对应的电平，V为目标电平与背景辐射电平之差，ε为目标发射率，同时读取黑体的电平-温度数据，拟合成曲线，然后根据曲线将目标的电平换算成温度值，即得到修正后的目标温度数据；
3）数据降噪处理：触发工作模式下，通过周期平均的方法抑制噪声；连续工作模式下，通过牺牲采样率，增大积分时间来抑制噪声；
4）数据显示及存储：将原始电平数据或处理后的温度数据以曲线的形式输出，将原始电平数据或处理后的温度数据以及对应的时间储存至.txt文件。
进一步的技术方案在于：所述发射率通过以下方法得到：预先测量70度下黑体，并将此时黑体的电平数据预存；测量发射率时，在70度下测量目标得到电平数据，根据公式，得到目标发射率，其中，V 0为等效黑体辐射对应的电平，V为目标电平与背景辐射电平之差，ε为目标发射率。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：根据红外测温原理，器件温度变化时其红外辐射也会变化，红外辐射探测器探测辐射信号并将其转化成电信号输出给放大电路；放大电路对较弱的电信号进行放大，数据采集卡依据工控计算机的命令进行数据采集，数据处理软件通过计算与拟合将数据采集卡采集的电信号转化为温度数据并显示。通过所述测量系统能够实现对微波功率器件周期性和非周期性的任意瞬态温度的测量，且测量速度快，精度高。
附图说明
图1是典型显微红外热像仪检测结果图；
图2是典型瞬态红外测温设备检测结果图；
图3是典型降温曲线测试结果图；
图4是本发明所述测量系统的原理框图；
图5是本发明中工控计算机软件的主要模块及数据和执行关系图；
图6是触发工作模式下数据采集装置工作流程图；
图7是工控计算机中触发工作模式用户界面图；
图8是工控计算机中连续工作模式用户界面图；
图9是周期性脉冲温度测量结果图；
图10是降温曲线测量结果图；
其中：1、红外辐射探测器 2、放大电路 3、数据采集卡 4、工控计算机。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图4所示，本发明公开了一种微波功率器件瞬态温度测量系统，所述测量系统包括：红外辐射探测器1、放大电路2、数据采集卡3以及工控计算机4，所述红外辐射探测器1与放大大路2的信号输入端连接，用于采集微波功率器件发出的红外辐射信号；所述放大电路2与数据采集卡3的信号输入端连接，用于将采集的红外辐射信号进行放大处理；数据采集卡3与工控计算机4进行双向数据交互，用于根据工控计算机4的控制进行数据采集；所述工控计算机4用于处理数据采集卡采集的数据，并将采集卡采集的电信号转换为温度数据进行存储并显示。
红外辐射探测器的选取：
红外辐射探测器选用一个独立的红外敏感元件（光电二极管），其具备较高的峰值响应时间，典型为3μs。由于探测器只有一个敏感元件，因此可以以极高的速度对其输出信号进行读取。
放大电路的选取：
放大电路应具备足够的带宽，本系统采用的放大器带宽为20kHz，放大倍率为100倍。
数据采集卡的选取：
实现对红外辐射探测器经前置放大电路输出的电信号的采集，要求与瞬态红外设备良好匹配，支持触发工作模式和连续工作模式。考虑到瞬态红外设备标称的响应时间在微秒量级，因此要求数据采集卡的采样率应不低于20 MS/s以确保足够的采样带宽。为保证良好的测量精度，采样深度应在10 bit以上。为便于研究被测器件温度变化与驱动电信号的关系，需要支持外部触发源，能够使用被测器件的驱动信号进行触发以实现同步。选用高速数据采集卡，最高支持100 MS/s的采样率。提供两个采样通道，可以同时采集高速红外辐射探测器经前置放大器输出的待测信号以及驱动被测器件的信号并以后者作为外部触发源。
软件系统的设计
软件系统从功能上分为控制软件和数据处理软件。软件的主要模块及数据和执行关系如图5所示。
4.1控制软件的设计
系统工作时，数据采集卡工作模式分为触发模式和连续模式；触发模式对应周期性脉冲温度测量，连续模式对应非周期温度信号的测量。
4.1.1触发模式配置
系统工作于触发模式时，触发源可以根据需要选择信号触发或外部触发，红外辐射探测器发生顶降时温度数据应使用器件的驱动信号作为外部触发源。
为便于分析，可以将外部触发源送入另一个数据通道，并将该通道作为触发源，同时进行采样，然后将待采样信号与触发信号一同显示，便于分析器件温度变化与电信号之间的时间关系。
触发工作模式下数据采集装置工作流程如图6所示。初始化配置完成后开始一次acquisition，外部触发后开始sampling，完成后立即fetch，取回整个record，然后初始化下一次acquisition，直至完成预设的record数量。
为保证程序可以随时暂停或中止，配置数据采集卡每次采集record数为1，通过程序内循环来完成所需的record数量。
4.1.2连续工作模式配置
在测量降温曲线等应用场景中，需要在较长时间(数秒至数分钟)内连续测量被测器件的温度，系统开发了连续工作模式。
工作在连续模式下，采集卡连续采样，直至手动停止或达到目标采样时间/采样点数软件部分定期读取采样数据，确保不出现数据溢出数据采集卡设置为单次采样，触发源设置为软触发(Software)，从而数据采集卡将持续采样(Pre-Reference TriggerSampling)直至程序发出触发信号(Reference Trigger)结束采样。
4.1.3发射率获取
允许用户自行输入发射率或通过测量得到。预先测量70度下黑体，并将测量的电平数据预存。测量发射率时，在70度下测量目标得到电平数据，计算，（其中，V 0为等效黑体辐射对应的电平，V为目标电平与背景辐射电平之差，ε为目标发射率）得到目标发射率。
4.2数据处理软件的设计
4.2.1背景辐射量测量与修正
每次测温过程中，在测量目标辐射量之前，需要首先测量背景辐射，并将得到的电平数据保存；在测量目标温度时，将获得点电平数据减去背景值，得到背景修正后的红外辐射数据。
4.2.2电平-温度转换
将修正后的电平数据转换为温度数据。
根据黑体辐射定律，物体的红外辐射强度由其温度和发射率决定。为提高运行效率，预先通过测量黑体在一系列标准温度下的红外辐射，获得黑体的电平-温度数据并保存。测温时根据目标发射率计算等效黑体辐射对应的电平，其中，V 0为等效黑体辐射对应的电平，V为目标电平与背景辐射电平之差，ε为目标发射率，同时读取黑体的电平-温度数据，拟合成曲线，然后根据曲线将电平换算成温度值，即得到目标温度数据。
4.2.3数据降噪处理
瞬态红外测温受噪声影响严重，需要采取有效的噪声抑制措施，以获取准确的温度数据。
触发工作模式下，由于得到的数据为稳定的周期信号，可以通过周期平均的方法有效的抑制噪声。平均的周期数没有限制，由用户根据需要自行配置。
连续工作模式下，不能利用周期平均，只能通过牺牲采样率，增大积分时间来抑制噪声，在软件中进行块平均可以达到与增大积分时间相同的噪声抑制效果。本发明可以采用NI 5122数据采集卡，由于NI 5122数据采集卡不允许在采样过程中改变采样率，块平均可以根据需要在不同的时间段选择不同的平均块大小，以实现不同的等效采样率。
4.2.4数据显示及存储
将原始电平数据或处理后的温度数据以曲线的形式输出，支持将外部触发信号与数据同步显示。
将原始电平数据或处理后的温度数据以及对应的时间储存至.txt文件
触发工作模式用户界面如图7所示。允许用户选择触发通道，支持触发通道与数据通道同时显示，允许用户设置显示周期数，可以选择显示原始电平数据或温度数据。开始采样后进行周期平均，用户可以设定平均周期数，也可以随时中止采样。最终数据存储至用户设定的文件中。
连续工作模式用户界面如图8所示。运行时间和平均块大小由用户根据需要配置，点击开始按钮即开始采样，同时显示已运行时间，用户可以随时中止采样。最终数据存储至用户设定的文件中。
结果分析
本发明的测量系统可以测量任意种类的瞬态温度信号，包括：周期性脉冲温度信号（图9）；升温曲线，降温曲线（图10）等。
利用所述测量系统可以有效对包括GaN HEMT在内的各种微波功率器件进行任意工作条件下，任意时间段的温度测量。
Claims (8)
1.一种微波功率器件瞬态温度测量系统，其特征在于所述测量系统包括：红外辐射探测器(1)、放大电路(2)、数据采集卡(3)以及工控计算机(4)，所述红外辐射探测器(1)与放大大路(2)的信号输入端连接，用于采集微波功率器件发出的红外辐射信号；所述放大电路(2)与数据采集卡(3)的信号输入端连接，用于将采集的红外辐射信号进行放大处理；数据采集卡(3)与工控计算机(4)进行双向数据交互，用于根据工控计算机(4)的控制进行数据采集；所述工控计算机(4)用于处理数据采集卡采集的数据，并将采集卡采集的电信号转换为温度数据进行存储并显示；
所述工控计算机内设有控制软件模块和数据处理软件模块；测量系统工作时，通过控制软件模块选择数据采集卡的工作模式，数据采集卡工作模式分为触发模式和连续模式；触发模式对应周期性脉冲温度测量，连续模式对应非周期温度信号的测量；
数据处理软件模块用于：1)背景辐射测量及修正：每次测温过程中，在测量目标辐射量之前，首先测量背景辐射，并将得到的反映背景辐射量的电平数据保存；在测量目标温度时，将获得的反映目标的辐射量的电平数据减去反映背景辐射量的电平数据，得到目标修正后的红外辐射数据；
2)电平-温度转换：测温时根据目标发射率计算等效黑体辐射对应的电平V0＝V/ε，其中，V0为等效黑体辐射对应的电平，V为目标电平与背景辐射电平之差，ε为目标发射率，同时读取黑体的电平-温度数据，拟合成曲线，然后根据曲线将目标的电平换算成温度值，即得到修正后的目标温度数据；
3)数据降噪处理：触发工作模式下，通过周期平均的方法抑制噪声；连续工作模式下，通过牺牲采样率，增大积分时间来抑制噪声；
4)数据显示及存储：将原始电平数据或处理后的温度数据以曲线的形式输出，将原始电平数据或处理后的温度数据以及对应的时间储存至.txt文件。
2.根据权利要求1所述的微波功率器件瞬态温度测量系统，其特征在于：所述红外辐射探测器为红外敏感元件。
3.根据权利要求2所述的微波功率器件瞬态温度测量系统，其特征在于：所述红外敏感元件为独立的高速光电二极管。
4.根据权利要求1所述的微波功率器件瞬态温度测量系统，其特征在于：所述放大电路(2)的带宽大于20kHz，放大倍率大于100倍。
5.根据权利要求1所述的微波功率器件瞬态温度测量系统，其特征在于：所述数据采集卡(3)的采样率大于20MS/s，采样深度在10bit以上。
6.根据权利要求1所述的微波功率器件瞬态温度测量系统，其特征在于：所述触发模式下数据采集的方法为：(1)系统整体初始化；(2)初始化一次采样；(3)初始化完成后等待触发；(4)外部触发后进行采样处理；(5)采样完成后读取数据；(6)读取完成后初始化下一次采样请求，直到完成设定的采样数量。
7.根据权利要求1所述的一种微波功率器件瞬态温度测量系统的数据处理方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1)背景辐射测量及修正：每次测温过程中，在测量目标辐射量之前，首先测量背景辐射，并将得到的反映背景辐射量的电平数据保存；在测量目标温度时，将获得的反映目标的辐射量的电平数据减去反映背景辐射量的电平数据，得到目标修正后的红外辐射数据；
2)电平-温度转换：测温时根据目标发射率计算等效黑体辐射对应的电平V0＝V/ε，其中，V0为等效黑体辐射对应的电平，V为目标电平与背景辐射电平之差，ε为目标发射率，同时读取黑体的电平-温度数据，拟合成曲线，然后根据曲线将目标的电平换算成温度值，即得到修正后的目标温度数据；
3)数据降噪处理：触发工作模式下，通过周期平均的方法抑制噪声；连续工作模式下，通过牺牲采样率，增大积分时间来抑制噪声；
4)数据显示及存储：将原始电平数据或处理后的温度数据以曲线的形式输出，将原始电平数据或处理后的温度数据以及对应的时间储存至.txt文件。
8.根据权利要求7所述的微波功率器件瞬态温度测量系统的数据处理方法，其特征在于：所述发射率通过以下方法得到：预先测量70度下黑体，并将此时黑体的电平数据预存；测量发射率时，在70度下测量目标得到电平数据，根据公式ε＝V/V0，得到目标发射率，其中，V0为等效黑体辐射对应的电平，V为目标电平与背景辐射电平之差，ε为目标发射率。
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