CN108844639A - 电读出非制冷红外探测器的测试电路与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电读出非制冷红外探测器的测试电路与方法，测试电路包括：待测样品、固定电阻、可变电阻、电压源、电压放大模块、电压表和电压示波器。其中以待测样品作为测量臂、两个固定电阻作为比例臂、可变电阻作为比较臂，构成惠斯通电桥；电桥由电压源供电，电压表并联在与测量臂串联的比例臂上，输出端电压经电压放大模块放大后由电压示波器显示。本发明的测试电路与方法可以测量获得电读出非制冷红外探测器的响应时间、热导和热容，具有电路简单、操作简便，功能多样、测量精度高的特点。

Description

电读出非制冷红外探测器的测试电路与方法
技术领域
本发明涉及非制冷红外探测器技术领域，具体的说是涉及一种电读出非制冷红外探测器的测试电路与方法。
背景技术
非制冷红外探测器在军事、电力、消防、医疗等领域均获得了大规模的应用。目前，非制冷红外探测器根据成像机理可分为电读出和光读出两类。其中，电读出是利用结构中敏感元件的热敏效应，将红外辐射产生的热能转化为电学信号之后读出成像的。精确地测量非制冷红外探测器件像元级的性能参数，对综合评价电读出非制冷红外探测器性能有着重要意义，特别是掌握器件单个像元的热导、热容以及响应时间，有助于全面了解像元，并辅助其结构设计与工艺优化。
获取电读出非制冷红外探测器热导和热容的主流方法是采用理论计算与仿真模拟相结合的方法，但无法反应器件的实际数值。热响应时间的传统测量方法主要有两种：一、使用机械斩波器周期性调制黑体辐射，二、用脉冲红外激光源测量。机械斩波器由于本身的斩波过程存在机械延迟，会对热响应时间测量造成很大的干扰；同时由黑体辐射到器件像元的辐射量在被斩波器调制之后也有较大变化，使得通过机械斩波法测得的热响应时间存在精度问题，对毫秒级的响应时间的测量干扰较大。而脉冲红外激光法所需的测试设备不容易获取，高精度的脉冲红外激光源设备十分昂贵，普通研究单位和公司难以负担。此外采用机械斩波法和脉冲激光法测热响应时间时，器件在工作电流下的自热效应会对热响应时间的测量造成干扰。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种电读出非制冷红外探测器的测试电路与方法。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种电读出非制冷红外探测器的测试电路，包括非制冷红外探测器的待测样品、第一固定电阻、第二固定电阻、可变电阻、电压源、电压放大模块、电压表和电压示波器，以所述待测样品作为测试臂，所述第一固定电阻和第二固定电阻作为比例臂，所述可变电阻作为比较臂，构成惠斯通电桥；所述惠斯通电桥由所述电压源供电，所述电压表并联在与所述测试臂即待测样品串联的比例臂即第一固定电阻上，所述惠斯通电桥的输出端电压经所述电压放大模块放大后由所述电压示波器显示。
作为本发明的进一步改进，所述电压放大模块包括前级运算放大器和后级运算放大器，所述电压放大模块以惠斯通电桥的测量臂和比较臂的两端电压作为输入，其中测量臂的输出端与所述前级运算放大器的同相输入端相连，所述前级运算放大器的输出端的一条支路直接反馈到所述前级运算放大器的反相输入端，所述前级运算放大器的另一条支路与第四电阻串联后，接入所述后级运算放大器反相输入端；所述后级运算放大器的同相输入端与比较臂的输出相连，所述后级运算放大器的输出端与第四电阻串联后反馈回所述后级运算放大器的反相输入端。
作为本发明的进一步改进，所述待测样品为热敏电阻型、PN结二极管型、热电堆型和热释电型其中之一。
作为本发明的进一步改进，所述电压源为高精度的信号发生器。
本发还提供一种基于上述的电读出非制冷红外探测器的测试电路的测试方法，采用所述电读出非制冷红外探测器的测试电路对所述待测样品进行热导测试、热响应时间测试和热容测试。
作为本发明的进一步改进，所述热导测试包括如下步骤：
步骤1，信号发生器为测试电路提供一个恒定电压源；
步骤2，待电路工作后读出电压表的示数，并根据与电压表并联的第一固定电阻的阻值，计算出流过待测样品的电流；
步骤3，反复调节信号发生器输出电压的幅值，使待测样品工作在工作电流下；
步骤4，计算出待测样品正常工作时的两端电压，结合红外器件的电压温度系数反推得出待测样品工作的温度；
步骤5，根据这个工作温度和环境温度，计算出非制冷红外探测器的热导。
作为本发明的进一步改进，所述热响应时间测试包括如下步骤：
步骤1，信号发生器先为测试电路提供一个恒定电压源；
步骤2，调节比较臂上的可变电阻使电桥的两个输出端电位相等；
步骤3，调节信号发生器，产生一个周期方波电压给测试电路供电；
步骤4，用电压运放模块读取电桥两个输出端电压的变化并放大，并由电压示波器显示出来。
作为本发明的进一步改进，所述热容测试方法为间接测试法，测试所述待测样品的热导和热响应时间，再根据公式：热容＝热导×热响应时间，计算获得。
本发明的有益效果是：该电读出非制冷红外探测器的测试电路与方法基于红外器件的自热效应，不用考虑外界的辐射，可以更好控制对实验起干扰的因素，实验可操作性高，精度也高。本发明的测试电路简便易行，与传统测试方法相比，应用设备简单，实验操作简单，可以对样品加载进行精确控制，所需的测试设备容易获取，其测试设备选用常规电学设备，很好地控制了测试成本，同时测试精度也较高，可以对毫秒量级的热响应时间实现精确测量，实用性很高。
附图说明
图1为本发明所述电读出非制冷红外探测器的测试电路图。
结合附图，作以下说明：
S_01——惠斯通电桥； S_02——电压放大模块；
VCC——电压源； R1——第一固定电阻；
R2——第二固定电阻； R3——第三固定电阻；
R4——第四固定电阻； D——待测样品；
R5——可变电阻器； U1——前级运算放大器；
U2——后级运算放大器； U3——电压示波器；
U4——电压表。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的一个较佳实施例作详细说明。但本发明的保护范围不限于下述实施例，即但凡以本发明申请专利范围及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖范围之内。
参阅图1，为本发明所述的一种电读出非制冷红外探测器的测试电路，包括非制冷红外探测器的待测样品D、第一固定电阻R1、第二固定电阻R2、可变电阻R5、电压源VCC、电压放大模块S_02、电压表U4和电压示波器U3，以所述待测样品D作为测试臂，所述第一固定电阻R1和第二固定电阻R2作为比例臂，所述可变电阻R5作为比较臂，构成惠斯通电桥S_01；所述惠斯通电桥S_01由所述电压源VCC供电，所述电压表U4并联在与所述测试臂即待测样品D串联的比例臂即第一固定电阻R1上，所述惠斯通电桥S_01的输出端电压经所述电压放大模块S_02放大后由所述电压示波器U3显示。
所述电压放大模块S_02包括前级运算放大器U1和后级运算放大器U2，所述电压放大模块S_02以惠斯通电桥的测量臂和比较臂的两端电压作为输入，其中测量臂的输出端与所述前级运算放大器U1的同相输入端相连，所述前级运算放大器U1的输出端的一条支路直接反馈到所述前级运算放大器U1的反相输入端，所述前级运算放大器U1的另一条支路与第四电阻R4串联后，接入所述后级运算放大器U2反相输入端；所述后级运算放大器U2的同相输入端与比较臂的输出相连，所述后级运算放大器U2的输出端与第四电阻R3串联后反馈回所述后级运算放大器U2的反相输入端。
其中，所述待测样品为热敏电阻型、PN结二极管型、热电堆型和热释电型其中之一，所述电压源为高精度的信号发生器。
一种基于上述的电读出非制冷红外探测器的测试电路的测试方法，采用所述电读出非制冷红外探测器的测试电路对所述待测样品进行热导测试、热响应时间测试和热容测试。
热导测试，即I-V测试法，其测试原理：红外器件样品在吸收外界红外辐射之后器件自身温度会升高，而待测红外器件样品两端的电压会随器件自身温度的升高而减小。我们用电压温度系数这个概念来量化红外器件两端电压与器件本身的温度之间的关系。I-V测试法根据这个原理，在待测样品上加载一个电流偏置，由于红外器件的自热效应会产生热量，这个热量使得样品自身的温度上升，最终保持在一个温度上，通过测量此时像元两端电压，再根据TCV得出样品此时的温度T。由样品工作温度和环境温度Ts，再结合热导定义式计算得出器件的热导。
该热导测试包括如下步骤：
步骤1，信号发生器为测试电路提供一个恒定电压源；
步骤2，待电路工作后读出电压表U4的示数，并根据与电压表U4并联的第一固定电阻R1的阻值，计算出流过待测样品(D)的电流；
步骤3，反复调节信号发生器输出电压的幅值，使待测样品工作在工作电流下；
步骤4，计算出待测样品正常工作时的两端电压，结合红外器件的TCV曲线反推得出待测样品工作的温度；
步骤5，根据这个工作温度和环境温度，计算出非制冷红外探测器的热导。
热响应时间测试原理：将待测红外器件样品置于完全黑暗的室温环境中时，环境辐射和目标辐射以及自身对外界的热辐射均可完全忽略，此时热平衡方程为：
其中c为热容，I、V为待测样品上的电压和电流，G为待测样品与环境之间的热导。根据电压表(U4)得出R1两端电压为V1，故样品上电流待测样品两端电压V＝VCC-V1。我们假设IV的乘积在实验期间变化不大；然后对等式两边进行积分得：
其中，Q为IV对时间的积分。按照热响应时间定义：红外探测器的温度从最初的温度到最终温度的1-e-1＝63％时所花的时间，即热响应时间大小为
所述热响应时间测试包括如下步骤：
步骤1，信号发生器先为测试电路提供一个恒定电压源；
步骤2，调节比较臂上的可变电阻使电桥的两个输出端电位相等；
步骤3，调节信号发生器，产生一个周期方波电压给测试电路供电；
步骤4，用电压运放模块读取电桥两个输出端电压的变化并放大，并由电压示波器显示出来。
热容测试方法，该测试方法为间接测试法。由测试出来的热导参数和热响应时间，再根据公式：热容＝热导*热响应时间，计算得出热容。
本发明的测试方法的原理是基于红外器件的自热效应，不用考虑外界的辐射，可以更好控制对实验起干扰的因素，实验可操作性高，精度也高。本专利的测试电路简便易行，与上述传统测试方法相比，应用设备简单，实验操作简单，可以对样品加载进行精确控制，所需的测试设备容易获取，其测试设备选用常规电学设备，很好地控制了测试成本，同时测试精度也较高，可以对毫秒量级的热响应时间实现精确测量，实用性很高。

Claims (8)

1.一种电读出非制冷红外探测器的测试电路，其特征在于：包括非制冷红外探测器的待测样品(D)、第一固定电阻(R1)、第二固定电阻(R2)、可变电阻(R5)、电压源(VCC)、电压放大模块(S_02)、电压表(U4)和电压示波器(U3)，以所述待测样品(D)作为测试臂，所述第一固定电阻(R1)和第二固定电阻(R2)作为比例臂，所述可变电阻(R5)作为比较臂，构成惠斯通电桥(S_01)；所述惠斯通电桥(S_01)由所述电压源(VCC)供电，所述电压表(U4)并联在与所述测试臂即待测样品(D)串联的比例臂即第一固定电阻(R1)上，所述惠斯通电桥(S_01)的输出端电压经所述电压放大模块(S_02)放大后由所述电压示波器(U3)显示。
2.根据权利要求1所述的电读出非制冷红外探测器的测试电路，其特征在于：所述电压放大模块(S_02)包括前级运算放大器(U1)和后级运算放大器(U2)，所述电压放大模块(S_02)以惠斯通电桥的测量臂和比较臂的两端电压作为输入，其中测量臂的输出端与所述前级运算放大器(U1)的同相输入端相连，所述前级运算放大器(U1)的输出端的一条支路直接反馈到所述前级运算放大器(U1)的反相输入端，所述前级运算放大器(U1)的另一条支路与第四电阻(R4)串联后，接入所述后级运算放大器(U2)反相输入端；所述后级运算放大器(U2)的同相输入端与比较臂的输出相连，所述后级运算放大器(U2)的输出端与第四电阻(R3)串联后反馈回所述后级运算放大器(U2)的反相输入端。
3.根据权利要求1所述的电读出非制冷红外探测器的测试电路，其特征在于：所述待测样品为热敏电阻型、PN结二极管型、热电堆型和热释电型其中之一。
4.根据权利要求1所述的电读出非制冷红外探测器的测试电路，其特征在于：所述电压源为高精度的信号发生器。
5.一种基于权利要求1-4中任一项所述的电读出非制冷红外探测器的测试电路的测试方法，其特征在于，采用所述电读出非制冷红外探测器的测试电路对所述待测样品进行热导测试、热响应时间测试和热容测试。
6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述热导测试包括如下步骤：
步骤1，信号发生器为测试电路提供一个恒定电压源；
步骤2，待电路工作后读出电压表(U4)的示数，并根据与电压表(U4)并联的第一固定电阻(R1)的阻值，计算出流过待测样品(D)的电流；
步骤3，反复调节信号发生器输出电压的幅值，使待测样品工作在工作电流下；
步骤4，计算出待测样品正常工作时的两端电压，结合红外器件的电压温度系数反推得出待测样品工作的温度；
步骤5，根据这个工作温度和环境温度，计算出非制冷红外探测器的热导。
7.根据权利要求5或6所述的测试方法，其特征在于，所述热响应时间测试包括如下步骤：
步骤1，信号发生器先为测试电路提供一个恒定电压源；
步骤2，调节比较臂上的可变电阻使电桥的两个输出端电位相等；
步骤3，调节信号发生器，产生一个周期方波电压给测试电路供电；
步骤4，用电压运放模块读取电桥两个输出端电压的变化并放大，并由电压示波器显示出来。
8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述热容测试方法为间接测试法，测试所述待测样品的热导和热响应时间，再根据公式：热容＝热导×热响应时间，计算获得。
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