CN108981934A - 一种热敏电阻型红外探测器噪声测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热敏电阻型红外探测器噪声测试系统及测试方法，针对锰钴镍氧化物红外探测器的结构特点，在详细分析噪声模型的基础上，设计了其不同偏压下噪声测试方法和相应测试系统的设计方案。与现有技术相比，本发明系统可以准确测试红外探测器噪声时域信号和频域信号，提取范围内带频噪声、点频噪声、爆裂噪声的幅度、特征频率等信息，也可以切换不同偏置电压，进行不同偏压下噪声的测试分析，通过测试不同偏压下的噪声系数，可用于提前剔除存在疑点的探测器。
Description
技术领域
本发明涉及一种热敏电阻型红外探测器噪声测试新方法，适用于热敏电阻型红外探测器的噪声测试。
背景技术
热敏电阻型红外探测器是红外地球敏感器的核心元件，其质量决定整个卫星姿态测量精度，用于将入射的红外辐射转换为另一种可测量的物理量。其质量是决定整个卫星姿态测量精度的核心要素，尤其是长时间在轨工作的质量及可靠性。由锰、钴、镍氧化物制成的负温度系数热敏电阻型红外探测器是一种温度敏感器件。当热辐射投射到热敏电阻材料上时，引起材料温度升高，材料电阻阻值随之下降。
由于热敏电阻型红外探测器元件制造过程工艺复杂，技术难点大，可靠性要求严格，目前针对该类器件的研究主要集中在器件结构、薄片制作工艺与电气特性等方面，噪声机理及测试方法是目前应该主要关注的领域。
目前国内研究的测试平台多采用通用仪器设备来搭建，在红外探测器工作偏压下提取红外探测器噪声点频值或观察噪声时域均方根值和峰峰值。在实际使用过程中，对该种探测器失效模式进行分析可知，低频噪声的突然增大是该类红外探测器主要失效模式，且噪声变大与热敏电阻薄片内引极界面存在接触缺陷或晶格缺陷有关，目前通用的测试手段无法剔除该类型器件。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种更全面的噪声测试方法，该方法不仅可以剔除内部界面存在缺陷的探测器，还可以对探测器的噪声性能有一个更加全面的分析，并在一定程度上对探测器的噪声的发展趋势做一个预估。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：一种热敏电阻型红外探测器噪声测试系统，包括适配器、放大电路、噪声采集分析系统、屏蔽盖，其中：
适配器，为待测热敏电阻红外探测器提供测试接口，并根据外部指令控制产生偏置激励，激发出热敏电阻型红外探测器的低频噪声，实现多个热敏电阻红外探测器噪声同时测量；
放大电路，接收热敏电阻型红外探测器产生的低频噪声后进行放大，产生低频噪声送至噪声采集分析系统；
噪声采集分析系统，接收放大后的低频噪声，进行频域分析、时域分析；
屏蔽盖，将热敏电阻型红外探测器在进行测试时与外界环境进行电磁隔离、振动隔离；所述的热敏电阻型红外探测器包括热敏电阻薄片、探测器管壳、连接电极、探测器对外接口，热敏电阻薄片为探测器核心敏感元件，接收外部偏置电压信号后将输入的辐射信号转化为可测的电阻变化信号，并送至对外接口，探测器管壳将热敏电阻薄片与外界环境真空隔离，连接电极连接热敏电阻薄片、对外接口，对外接口接收外部偏置电压信号，并输出电阻变化信号作为探测器信号。
所述的低噪声前置放大器模块的放大倍数为500倍，低噪声为5～100Hz内等效输入噪声电压小于0.3μV。
所述的主放大器选用SIM910JFET型低噪声放大器。
所述的噪声采集分析系统中的噪声采集模块为16通道16bit数据采集。
所述的放大电路，包括低噪声前置放大器模块、主放大器，低噪声前置放大器模块接收热敏电阻型红外探测器产生的低频噪声后进行固定倍数的低噪声放大，主放大器根据外部指令要求对低噪声前置放大器模块放大后的低频噪声，进行放大倍数可调的二次放大后并将低频噪声送至噪声采集分析系统。
所述的噪声采集分析系统，包括噪声采集模块、噪声频域分析模块、时域分析模块，其中：
噪声采集模块接收并采集主放大器放大后的低频噪声；
噪声频域分析模块测试计算低频噪声的频域信号，提取当前偏置电压对应的外部指令需要分析范围内的带频噪声、点频噪声、爆裂噪声的幅度、特征频率；
时域分析模块测试计算低频噪声的时域信号，提取当前偏置电压对应的外部指令需要分析范围内的带频噪声、点频噪声、爆裂噪声的幅度、特征频率。
一种热敏电阻型红外探测器噪声测试方法，包括如下步骤：
(1)对热敏电阻型红外探测器噪声测试系统进行本底噪声测试热敏电阻型红外探测器噪声测试系统本底噪声正常，确认，其中，热敏电阻型红外探测器噪声测试系统本底噪声正常的约束为：本底噪声功率谱曲线5-100Hz频段内的带频噪声有效值不大于0.1uV；
(2)对热敏电阻型红外探测器进行热噪声测试；
(3)对热敏电阻型红外探测器进行总噪声测试；
(4)计算不同偏置电压下热敏电阻型红外探测器的噪声系数；
(5)绘制热敏电阻型红外探测器噪声系数与不同偏压的关系曲线，进而计算得到曲线关系斜率与拟合度。
所述的对热敏电阻型红外探测器进行热噪声测试的方法为：
将热敏电阻型红外探测器与适配器的接口相连，盖好屏蔽盖，在不施加偏置电压，进行热噪声测量，并形成热噪声的功率谱曲线。
所述的对热敏电阻型红外探测器进行总噪声测试的方法为：
对热敏电阻型红外探测器施加不同的偏置电压进行不同偏置电压下总噪声的测量，并形成总噪声的功率谱曲线。
所述的计算不同偏置电压下热敏电阻型红外探测器的噪声系数的方法包括如下步骤：
(1)测试选取本底噪声功率谱曲线5-100Hz频段内的带频噪声有效值N0；
(2)测试选取热噪声功率谱曲线5-100Hz频段内的带频噪声有效值NR；
(3)测试选取不同偏置电压下总噪声功率谱曲线5-100Hz频段内的带频噪声有效值NZ(偏压值)；
(4)计算不同偏置电压下热敏电阻型红外探测器的噪声系数NF(偏压值)为
NF(偏压值)＝(NZ(偏压值)-N0)/(NR-N0)。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)与传统探测器单一偏压下噪声的测试相比，本发明首次对探测器在不同偏置电压下的噪声性能进行集中、全面的测试分析，观察分析探测器噪声随偏置电压的变化情况，不仅能够全面地衡量红外探测器的性能，还能在一定程度上预估探测器的噪声变化情况，剔除内部界面存在缺陷的器件，提高探测器的筛选率和可靠性。
(2)本发明采用噪声系数来表征探测器噪声性能，用通电后的总噪声比掉未通电的热噪声，可有效剔除器件本身阻值对噪声性能评判。表征的探测器噪声性能更客观、更真实、更准确。
(3)本发明采用频域分析来进行探测器的噪声测试，与传统时域积分测试相比，数字采样结果更准确，还可以有效滤除周围环境的公频干扰。使得噪声测试结果更准确，精度更高。
(4)本发明提出了针对热敏电阻型红外探测器新的测试方法，对该类探测器剔除率低的问题，提供了一种通用的解决方案。
总之，本发明已在热敏电阻型红外探测器中通过测试验证，方法可行，工程技术易实现，因此具有实用性。
附图说明
图1为本发明热敏电阻型红外探测器噪声测试系统示意图；
图2为本发明测试系统适配器结构框图；
图3为红外探测器不施加偏压时热噪声电压功率谱密度；
图4为红外探测器施加偏压时总噪声电压功率谱密度；
图5为典型器件噪声系数随偏置电压变化趋势；
图6为非典型器件噪声系数随偏置电压变化趋势；
具体实施方式
本发明提供一种热敏电阻型红外探测器噪声测试系统，包括适配器、放大电路、噪声采集分析系统；
所述系统主要目的是实现不同偏置电压下噪声信号时域与频域的采集与分析。
其中所述的适配器，为待测热敏电阻红外探测器提供测试接口，并提供偏置激励，激发出探测器的低频噪声，实现多个热敏电阻红外探测器噪声同时测量。
所述的放大电路，采用低噪声前置放大器模块和主放大器相结合的方式。低噪声前置放大器放大倍数500倍，5～100Hz内等效输入噪声电压小于0.3μV；主放大器选用Standford公司的SIM910 JFET型低噪声放大器。可实现放大倍数的程序控制，并将输出信号供后端采集。
所述的噪声采集分析系统，为16通道16bit数据采集，软件部分包含包括噪声采集模块、噪声频域分析模块、时域分析模块三大功能模块，可以准确测试红外探测器噪声时域信号和频域信号，提取范围内带频噪声、点频噪声、爆裂噪声的幅度、特征频率等信息，也可以切换不同偏置电压，进行不同偏压下噪声的测试分析。
同时提供一种热敏电阻型红外探测器噪声测试方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)本底噪声测试：未放入探测器前，进行测试系统本底噪声测试，确认系统噪声水平正常；
(2)热噪声测试：插入探测器后，盖好屏蔽盖，在不施加偏置工作电压(U＝0V)，即无电流流过热敏电阻薄片时，进行噪声的测量，形成功率谱曲线；
(3)总噪声测试：对探测器施加不同偏置电压，即有电流流过热敏电阻薄片时，进行不同偏置电压下总噪声的测量，形成其功率谱曲线；
(4)噪声系数计算：计算不同偏置电压下探测器的噪声系数；
(5)绘制探测器噪声系数与不同偏压的关系曲线，求解出曲线斜率与拟合度。
其中，所述的本底噪声测试为，在输入端无探测器且短路的情况下，进行噪声频谱测量，处理出5-100Hz频段内的噪声有效值，即为系统本底噪声N0；
其中，所述的热噪声测试为，在输入端为探测器且无偏压的情况下，进行噪声频谱测量，处理出5-100Hz频段内的噪声有效值，即为探测器热噪声NR；
其中，所述的总噪声测试为，在输入端为探测器的情况下，由低到高依次施加不同的偏置电压，分别进行噪声频谱测量，处理出5-100Hz频段内的噪声有效值，即为探测器不同偏压下的总噪声NZ；
其中，所述的不同偏压下的噪声系数NF(偏压值)可按下式求解：
NF(偏压值)＝(NZ(偏压值)-N0)/(NR-N0)
其中，所述的不同偏压下噪系的曲线斜率与拟合度为，依据步骤(5)计算出的探测器在不同偏压下的噪声系数，绘制探测器噪声系数随不同偏压变化的关系曲线，对曲线进行线性拟合，可求出拟合直线的斜率和拟合度，可表证探测器噪声水平。
本发明提供一种热敏电阻型红外探测器噪声测试系统，包括适配器、放大电路、噪声采集分析系统，示意图如图1所示。适配器，为待测热敏电阻红外探测器提供测试接口，并提供偏置激励，激发出探测器的低频噪声，实现多个热敏电阻红外探测器噪声同时测量，具体结构框图如图2所示。放大电路，采用低噪声前置放大器模块和主放大器相结合的方式。低噪声前置放大器放大倍数500倍，5～100Hz内等效输入噪声电压小于0.3μV；主放大器选用Standford公司的SIM910 JFET型低噪声放大器。可实现放大倍数的程序控制，并将输出信号供后端采集。噪声采集分析系统，为16通道16bit数据采集，软件部分包含噪声频域分析和时域分析两大功能模块，可以准确测试红外探测器噪声时域信号和频域信号，提取范围内带频噪声、点频噪声、爆裂噪声的幅度、特征频率等信息，也可以切换不同偏置电压，进行不同偏压下噪声的测试分析。
整套测试系统主要目的是实现不同偏置电压下噪声信号时域与频域的采集与分析。
本发明实施热敏电阻型红外探测器噪声测试方法包括以下步骤：
步骤1：适配器中未放入探测器时，将输入端短路，进行噪声频谱测量，处理出5-100Hz频段内的噪声有效值N0，进行测试系统本底噪声测试，确认系统噪声水平正常；
步骤2：插入探测器后，盖好屏蔽盖，在不施加偏置工作电压(U＝0V)，即无电流流过热敏电阻薄片时，进行噪声频谱测量，处理出5-100Hz频段内的噪声有效值，即为探测器热噪声NR。图谱如附图3所示；
步骤3：在输入端为探测器的情况下，由低到高依次施加不同的偏置电压，分别进行噪声频谱测量，处理出5-100Hz频段内的噪声有效值，即为探测器不同偏压下的总噪声NZ(偏压值)。图谱如附图4所示；
步骤4：按下式进行不同偏压下的噪声系数NF(偏压值)计算：
NF(偏压值)＝(NZ(偏压值)-N0)/(NR-N0)
步骤5：依据步骤4计算出的探测器在不同偏压下的噪声系数，绘制探测器噪声系数随不同偏压变化的关系曲线，对曲线进行线性拟合，可求出拟合直线的斜率和拟合度，曲线的线性度，即拟合度大小可表证探测器噪声水平。
综上，基于本发明所提供的技术方案，首先设计并搭建热敏电阻型红外探测器噪声测试系统。然后用该系统，依据本发明测试方法，对热敏电阻型红外探测器进行噪声测试，实现不仅可以剔除内部界面存在缺陷的探测器，还可以对探测器的噪声性能有一个更加全面的分析，并在一定程度上对探测器的噪声的发展趋势做一个预估。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种热敏电阻型红外探测器噪声测试系统，其特征在于：包括适配器、放大电路、噪声采集分析系统、屏蔽盖，其中：
适配器，为待测热敏电阻红外探测器提供测试接口，并根据外部指令控制产生偏置激励，激发出热敏电阻型红外探测器的低频噪声，实现多个热敏电阻红外探测器噪声同时测量；
放大电路，接收热敏电阻型红外探测器产生的低频噪声后进行放大，产生低频噪声送至噪声采集分析系统；
噪声采集分析系统，接收放大后的低频噪声，进行频域分析、时域分析；
屏蔽盖，将热敏电阻型红外探测器在进行测试时与外界环境进行电磁隔离、振动隔离；所述的热敏电阻型红外探测器包括热敏电阻薄片、探测器管壳、连接电极、探测器对外接口，热敏电阻薄片为探测器核心敏感元件，接收外部偏置电压信号后将输入的辐射信号转化为可测的电阻变化信号，并送至对外接口，探测器管壳将热敏电阻薄片与外界环境真空隔离，连接电极连接热敏电阻薄片、对外接口，对外接口接收外部偏置电压信号，并输出电阻变化信号作为探测器信号。
2.根据权利要求1所述的一种热敏电阻型红外探测器噪声测试系统，其特征在于：所述的低噪声前置放大器模块的放大倍数为500倍，低噪声为5～100Hz内等效输入噪声电压小于0.3μV。
3.根据权利要求1或2所述的一种热敏电阻型红外探测器噪声测试系统，其特征在于：所述的主放大器选用SIM910 JFET型低噪声放大器。
4.根据权利要求1或2所述的一种热敏电阻型红外探测器噪声测试系统，其特征在于：所述的噪声采集分析系统中的噪声采集模块为16通道16bit数据采集。
5.根据权利要求1或2所述的一种热敏电阻型红外探测器噪声测试系统，其特征在于：所述的放大电路，包括低噪声前置放大器模块、主放大器，低噪声前置放大器模块接收热敏电阻型红外探测器产生的低频噪声后进行固定倍数的低噪声放大，主放大器根据外部指令要求对低噪声前置放大器模块放大后的低频噪声，进行放大倍数可调的二次放大后并将低频噪声送至噪声采集分析系统。
6.根据权利要求1或2所述的一种热敏电阻型红外探测器噪声测试系统，其特征在于：所述的噪声采集分析系统，包括噪声采集模块、噪声频域分析模块、时域分析模块，其中：
噪声采集模块接收并采集主放大器放大后的低频噪声；
噪声频域分析模块测试计算低频噪声的频域信号，提取当前偏置电压对应的外部指令需要分析范围内的带频噪声、点频噪声、爆裂噪声的幅度、特征频率；
时域分析模块测试计算低频噪声的时域信号，提取当前偏置电压对应的外部指令需要分析范围内的带频噪声、点频噪声、爆裂噪声的幅度、特征频率。
7.一种热敏电阻型红外探测器噪声测试方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)对热敏电阻型红外探测器噪声测试系统进行本底噪声测试热敏电阻型红外探测器噪声测试系统本底噪声正常，确认，其中，热敏电阻型红外探测器噪声测试系统本底噪声正常的约束为：本底噪声功率谱曲线5-100Hz频段内的带频噪声有效值不大于0.1uV；
(2)对热敏电阻型红外探测器进行热噪声测试；
(3)对热敏电阻型红外探测器进行总噪声测试；
(4)计算不同偏置电压下热敏电阻型红外探测器的噪声系数；
(5)绘制热敏电阻型红外探测器噪声系数与不同偏压的关系曲线，进而计算得到曲线关系斜率与拟合度。
8.根据权利要求7所述的一种热敏电阻型红外探测器噪声测试方法，其特征在于：所述的对热敏电阻型红外探测器进行热噪声测试的方法为：
将热敏电阻型红外探测器与适配器的接口相连，盖好屏蔽盖，在不施加偏置电压，进行热噪声测量，并形成热噪声的功率谱曲线。
9.根据权利要求8所述的一种热敏电阻型红外探测器噪声测试方法，其特征在于：所述的对热敏电阻型红外探测器进行总噪声测试的方法为：
对热敏电阻型红外探测器施加不同的偏置电压进行不同偏置电压下总噪声的测量，并形成总噪声的功率谱曲线。
10.根据权利要求9所述的一种热敏电阻型红外探测器噪声测试方法，其特征在于：所述的计算不同偏置电压下热敏电阻型红外探测器的噪声系数的方法包括如下步骤：
(1)测试选取本底噪声功率谱曲线5-100Hz频段内的带频噪声有效值N0；
(2)测试选取热噪声功率谱曲线5-100Hz频段内的带频噪声有效值NR；
(3)测试选取不同偏置电压下总噪声功率谱曲线5-100Hz频段内的带频噪声有效值NZ(偏压值)；
(4)计算不同偏置电压下热敏电阻型红外探测器的噪声系数NF(偏压值)为
NF(偏压值)＝(NZ(偏压值)-N0)/(NR-N0)。
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