CN105241921A - 一种无损测量行波管热阻的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种无损测量行波管热阻构成的方法及装置，涉及微波真空电子器件检测技术领域。所述装置包括：热阻测试仪、测试探头和被测行波管。所述方法包括：将测试探头放入被测行波管的螺旋线内，测试二极管在工作电源提供的电压与电流下工作时产生的热量经传热触头传递到螺旋线，并经陶瓷夹持杆、管壳散热到周围环境，采集卡采集到加热过程中测试二极管的电学温敏参数的变化，并经计算得到被测行波管的散热通道的热阻构成。本发明实现了非破坏性地测量行波管的热阻构成并定点研究其散热情况，检测散热能力，测量无损伤、周期短、精度高、成本低，较现有技术有着明显的突破性。

Description

一种无损测量行波管热阻的方法及装置

技术领域：

本发明公开了一种无损测量行波管热阻构成的方法及装置，涉及微波真空电子器件检测技术领域。

背景技术：

探测雷达是国防、航空等领域的重要设备，其应用可靠性问题对国家的安全起着举足轻重的作用。探测雷达中的行波管是其中的关键元件。由于行波管真空封装的特性，其中螺旋线工作时产生热量，必须通过与陶瓷夹持杆散出去。螺旋线与陶瓷夹持杆的接触程度对散热性能有着重要的影响，是影响其可靠性的关键环节。目前螺线线与夹持杆之间的接触质量的检测尚缺少必要的技术手段，多数以理论计算及软件仿真等方法为主，对实际工作状态的检测和筛选，由于其结构微小且复杂，目前主流的温升测量方法中，物理接触法、光学法和电学法均无法实现非破坏性地直接测量其散热情况。

本发明设计并研制一种可放入微小空间内的专用二极管探头，利用电学法，通过测量与螺旋线接触的二极管的电学温敏参数的变化来获取其温度的变化，计算分析得到行波管的热阻构成，实现非破坏性地测量行波管的热阻构成并定点研究其散热情况。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的主要发明点是：设计并研制一种可放入微小空间内的专用二极管探头，提供一种无损测量行波管热阻构成的方法及装置，实现非破坏性地测量行波管的热阻构成并定点研究其散热情况。测量无损伤、周期短、精度高、成本低，较现有技术有着明显的突破性。

一种无损测量行波管热阻构成的方法，其特征在于，

将测试探头放入被测行波管的螺旋线内，测试探头既是发热元件又是探测元件，测试探头工作时产生的热量传递到螺旋线，并经夹持杆、管壳散热到外界环境，采集测试探头的电学温敏参数随时间的变化，计算得到加热响应曲线，进而计算得出被测行波管该处散热通道的热阻构成；

测试探头在被测行波管的螺旋线内，按照螺旋线的螺距前后移动，测试行波管多处的热阻构成，从而得到整个被测行波管的散热情况。

一种无损测量行波管热阻构成的的装置，其特征在于,包括有：热阻测试仪、测试探头和被测行波管；

所述热阻测试仪包括计算机、采集卡、测试电流源、工作电源开关、工作电源；

工作电源经工作电源开关控制,为被测器件提供工作电压电流，测试电流源为被测器件提供测试电流，采集卡采集被测器件的电学温敏参数，计算机处理采集到的电学温敏参数得到加热响应曲线和热阻构成等数据；

所述测试探头包括测试二极管、传热触头和两根移动杆；

传热触头设计为圆柱状，其中一端实心，直径比螺旋线内直径小，一端空心并沿着圆柱母线方向切割成多个片状物，直径比螺旋线内直径大；测试二极管焊接在传热触头的实心端，一根移动杆焊接在传热触头的空心薄片内，另一根移动杆焊接在测试二极管上；

将测试探头放入被测行波管的螺旋线内，传热触头与螺旋线接触，测试二极管与热阻测试仪的工作电源开关、测试电流源和采集卡连接，工作电源与工作电源开关连接并由工作电源开关控制，计算机连接并控制工作电源开关、测试电流源和采集卡。

进一步，传热触头由导热系数大于200W/m·K材料制成，其中一端实心，直径比螺旋线内直径小0.1-0.5mm，另一端空心并十字切割成四个片状物，直径比螺旋线内直径大0.01-0.1mm。

进一步，测试二极管采用纵向结构，封装后尺寸小于螺旋线内直径，芯片电极由两端引出，一端直接焊接移动杆，另一端焊接在传热触头上。

应用所述装置的方法，其特征在于：

测量时，由移动杆控制，将测试探头放入被测行波管的螺旋线内的某一位置A，传热触头与螺旋线接触，测试二极管经分别连接热阻测试仪的工作电源开关、测试电流源和采集卡，工作电源与工作电源开关连接并由其控制，工作电源开关、测试电流源和采集卡接入计算机并由计算机控制；

启动测量程序后，计算机发出指令将测试电流源一直加载到测试探头的测试二极管，采集卡采集到此时未施加工作电流下的测试二极管两端电压V₀；

然后，计算机发出指令，将工作电源经工作电源开关加载到测试二极管，计算机发指令使采集卡采集到测试二极管的工作电压V和电流I，并计算出测试二极管的工作功率P＝VI；

测试二极管工作产生热量，通过传热触头传递到被测螺旋线，热量流经陶瓷夹持杆、管壳等散热到周围环境，待测试二极管的温度不再变化，达到稳态，计算机发出指令，经工作电源开关关断工作电源，并触发采集卡采集测试二极管上电压随时间变化的V(t)；

测试二极管的温度系数为α，其温升随时间变化ΔT(t)＝[V(t)-V₀]/α，工作时加载的功率P＝VI，计算机对ΔT(t)曲线进行计算，得出在位置A处的散热路径的热阻构成，即被测行波管在位置A处的热阻构成；

计算机保存位置A的测试数据后，由移动杆控制测试探头在被测行波管的螺旋线内移动到位置B，重复上述测试步骤，测量并计算得出被测行波管在位置B处的热阻构成，并保存数据；

重复上述移动及测试过程，完成整个被测行波管的热阻构成的测试。

本发明通过专门的设计，测试探头既是发热元件，又是探测元件，结合电学法热阻测试技术，实现了非破坏性地测量结构复杂、微小的行波管的热阻构成，分析其散热能力，检测行波管内部螺旋线与陶瓷夹持杆的粘接质量。

附图说明

图1是无损测量螺旋线行波管热阻构成装置示意图；

其中——100：热阻测试仪；101：计算机；102：采集卡；103：测试电流源；104：工作电源开关；105：工作电源；200：测试探头；201：测试二极管；202：传热触头；203：移动杆；300：被测行波管；301：被测行波管内的螺旋线；

图2是测试探头结构示意图；

其中——1：测试二极管；2：传热触头；3：移动杆；4：传热触头的空心薄片；

图3是传热触头内部结构示意图；

其中——4：传热触头的空心薄片；5：传热触头的实心端；

图4是传热触头空心薄片仰视图；

图5是具体实施方式中的热阻构成测试结果。

具体实施方式：

进一步，传热触头由导热系数大于200W/m·K的高导热材料铜制成；

实际应用中，测量时，传热触头与螺旋线接触并将测试二极管工作产生的传递到螺旋线，移动时，空心薄片受螺旋线的压力向内收缩，避免刮损螺旋线；

进一步，移动杆使用0.8mm镀锡铜导线，既是控制测试探头移动的工具，又是测试二极管的导线，其硬度足够承载并控制测试探头在螺旋线内的移动，其耐高温性可以承载测试二极管工作时的大电流；

移动杆焊接在测试探头的两端以便控制其在螺旋线内的前后移动。

进一步，测试二极管采用纵向结构，封装后尺寸小于螺旋线内直径，芯片电极由两端引出，一端直接焊接镀锡铜导线，一端焊接在铜传热触头上间接与镀锡铜导线连接；测试的电学温敏参数为正向结电压。

应用上述装置无损测量螺旋线行波管热阻构成的方法，其特征在于，

测量时，由移动杆203控制，将测试探头200放入被测行波管300的螺旋线301内的某一位置A，传热触头202与螺旋线301充分接触，测试二极管201分别连接热阻测试仪100的工作电源开关104、测试电流源103和采集卡102，工作电源105与工作电源开关104连接并由其控制，工作电源开关104、测试电流源103和采集卡102接入计算机101并由计算机101控制；

启动测量程序后，计算机101发出指令将测试电流源103一直加载到测试探头200的测试二极管201，采集卡102采集到此时未施加工作电流下的测试二极管201两端电压V₀；

然后，计算机101发出指令，将工作电源105经工作电源开关104加载到测试二极管201，计算机101发指令使采集卡102采集到测试二极管201的工作电压V和电流I，并计算出测试二极管201的工作功率P＝VI；

测试二极管201工作产生热量，通过传热触头202传递到被测螺旋线301，热量流经陶瓷夹持杆、管壳等散热到周围环境；待测试二极管201的温度不再变化，达到稳态，计算机101发出指令，经工作电源开关104关断工作电源105，并触发采集卡102采集测试二极管201上电压随时间变化的V(t)；

测试二极管201的温度系数为α，其温升随时间变化ΔT(t)＝[V(t)-V₀]/α，工作时加载的功率P＝VI，计算机101对ΔT(t)曲线进行计算，得出在位置A处的散热路径的热阻构成，即被测行波管300在位置A处的热阻构成；

计算机101保存位置A的测试数据后，由移动杆203控制测试探头200在被测行波管300的螺旋线301内移动到位置B，重复上述测试步骤，测量并计算得出被测行波管300在位置B处的热阻构成，并保存数据；

重复上述移动及测试过程，完成整个被测行波管300的热阻构成的测试。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：

选用螺旋线内直径1.3mm的行波管作为被测行波管；

传热触头由导热系数大于200W/m·K的高导热材料铜制成，设计为细圆柱状，其中一端实心，直径1.2mm，一端空心并十字切割成四个薄片，直径比螺旋线内直径1.31mm；

实际应用中，测量时，传热触头与螺旋线接触并将测试二极管工作产生的传递到螺旋线，移动时，空心薄片受螺旋线的压力向内收缩，避免刮损螺旋线；

测试二极管焊接在传热触头的实心端，移动杆焊接在传热触头的空心薄片内；

移动杆使用0.8mm镀锡铜导线，既是控制测试探头移动的工具，又是测试二极管的导线，其硬度足够承载并控制测试探头在螺旋线内的移动，其耐高温性可以承载测试二极管工作时的大电流；

移动杆焊接在测试探头的两端以便控制其在螺旋线内的前后移动；

选用GaN二极管作为测试探头的测试二极管，GaN材料易切割，保证芯片封装后尺寸小于1.3mm，且可做纵向结构，芯片电极由两端引出，一端直接焊接镀锡铜导线，一端焊接在铜传热触头上间接与镀锡铜导线连接，电极使用金作为电极材料，提高附着力，保证芯片与移动杆、传热触头的焊接质量；

测试的电学温敏参数为正向结电压；

测试二极管正向结电压由采集卡采集，采集卡采样速度为100次/秒；

测试前，由移动杆203控制，将测试探头200放入被测行波管300的螺旋线301的起始位置A，传热触头202与螺旋线301充分接触，测试二极管201分别连接热阻测试仪100的工作电源开关104、测试电流源103和采集卡102，工作电源105与工作电源开关104连接并由其控制，工作电源开关104、测试电流源103和采集卡102接入计算机101并由计算机101控制；

测量时，计算机101发出指令将测试电流源103一直加载到测试探头200的测试二极管201，测试电流1mA，采集卡102采集到此时未施加工作电流下的测试二极管201两端电压V₀；

然后，计算机101发出指令，将工作电源105经工作电源开关104加载到测试二极管201，工作电流150mA，计算机101发指令使采集卡102采集到测试二极管201的工作电压V和电流I，并计算出测试二极管201的工作功率P＝VI；

测试二极管201工作产生热量，通过传热触头202传递到被测螺旋线301，热量流经陶瓷夹持杆、管壳等散热到周围环境；待测试二极管201的温度不再变化，达到稳态，计算机101发出指令，经工作电源开关104关断工作电源105，并触发采集卡102采集测试二极管201上电压随时间变化的V(t)；

测试二极管201的温度系数为α，其温升随时间变化ΔT(t)＝[V(t)-V₀]/α，工作时加载的功率P＝VI，则热阻R_th＝[V(t)-V₀]/αP，由此可以得出测试二极管201的冷却响应曲线，对曲线由热阻测试仪进行结构函数处理后，可得出被测行波管300在螺旋线301的起始位置A处由螺旋线301到陶瓷夹持杆、管壳及周围环境的热阻构成；

计算机101保存螺旋线301起始位置A的正向结电压、加热响应曲线、冷却响应曲线及热阻构成等测试数据后，由移动杆203控制测试探头200在被测行波管300的螺旋线301内前进3mm，移动到位置B，重复上述测试步骤，测量并计算得出被测行波管300在位置B处的热阻构成，并保存数据；

重复上述移动及测试过程，完成整个被测行波管300的热阻构成的测试。

其中位置A处的热阻构成测试结果如图2所示。从图中可以看出，R₁＝3.28K/W为二极管的结壳热阻，R₁与R₂之差98.72K/W为传热触头的热阻，R₂与R₃之差18.58K/W为行波管慢波结构的热阻。由热阻测试仪给出的测试报告可以读出，总温升16.29℃。

根据行波管内每一处的测试结果与标准值的横向比较，及不同位置间测试结果的纵向比较，可以分析出其散热能力，检测行波管螺旋线与陶瓷夹持杆之间的粘接质量。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无损测量行波管热阻构成的的装置，其特征在于,

包括有：热阻测试仪、测试探头和被测行波管；

所述热阻测试仪包括计算机、采集卡、测试电流源、工作电源开关、工作电源；

工作电源经工作电源开关控制,为被测器件提供工作电压电流，测试电流源为被测器件提供测试电流，采集卡采集被测器件的电学温敏参数，计算机处理采集到的电学温敏；

所述测试探头包括测试二极管、传热触头和两根移动杆；

传热触头设计为圆柱状，其中一端实心，直径比螺旋线内直径小，另一端空心并沿着圆柱母线方向切割成多个片状物，直径比螺旋线内直径大；测试二极管焊接在传热触头的实心端，一根移动杆焊接在传热触头的空心薄片内，另一根移动杆焊接在测试二极管上；

将测试探头放入被测行波管的螺旋线内，传热触头与螺旋线接触，测试二极管与热阻测试仪的工作电源开关、测试电流源和采集卡连接，工作电源与工作电源开关连接并由工作电源开关控制，计算机连接并控制工作电源开关、测试电流源和采集卡。

2.根据权利要求1所述的一种无损测量行波管热阻构成的装置，其特征在于：

传热触头由导热系数大于200W/m·K材料制成，其中一端实心，直径比螺旋线内直径小0.1-0.5mm，另一端空心并十字切割成四个片状物，直径比螺旋线内直径大0.01-0.1mm。

3.根据权利要求1所述的一种无损测量行波管热阻构成的装置，其特征在于：

测试二极管采用纵向结构，封装后尺寸小于螺旋线内直径，芯片电极由两端引出，一端直接焊接移动杆，另一端焊接在传热触头上。

4.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于：

测量时，由移动杆控制，将测试探头放入被测行波管的螺旋线内的某一位置A，传热触头与螺旋线接触，测试二极管经分别连接热阻测试仪的工作电源开关、测试电流源和采集卡，工作电源与工作电源开关连接并由其控制，工作电源开关、测试电流源和采集卡接入计算机并由计算机控制；

启动测量程序后，计算机发出指令将测试电流源一直加载到测试探头的测试二极管，采集卡采集到此时未施加工作电流下的测试二极管两端电压V₀；

然后，计算机发出指令，将工作电源经工作电源开关加载到测试二极管，计算机发指令使采集卡采集到测试二极管的工作电压V和电流I，并计算出测试二极管的工作功率P＝VI；

测试二极管工作产生热量，通过传热触头传递到被测螺旋线，热量最终散热到周围环境，待测试二极管的温度不再变化，达到稳态，计算机发出指令，经工作电源开关关断工作电源，并触发采集卡采集测试二极管上电压随时间变化的V(t)；

测试二极管的温度系数为α，其温升随时间变化ΔT(t)＝[V(t)-V₀]/α，工作时加载的功率P＝VI，计算机对ΔT(t)曲线进行计算，得出在位置A处的散热路径的热阻构成，即被测行波管在位置A处的热阻构成；

计算机保存位置A的测试数据后，由移动杆控制测试探头在被测行波管的螺旋线内移动到位置B，重复上述测试步骤，测量并计算得出被测行波管在位置B处的热阻构成，并保存数据；

重复上述移动及测试过程，完成整个被测行波管的热阻构成的测试。