CN109781273B - 红外热电堆温度传感器及其自测试、自诊断和容错的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种的具有自测试、自诊断和容错功能的红外热电堆温度传感器及其自测试、自诊断和容错的方法，实现了红外热电堆温度传感器在片上激励下的自测试、自诊断和容错。其特点是将热电堆结构分割为对称的四部分区域，在片上热阻的激励下，四部分区域的响应后的四组电信号经过算法处理，判断红外热电堆温度传感器是否存在故障；如果存在故障，通过另外的算法诊断当前故障类型，是否可以容错；当故障类型支持容错时，用冗余的方法将故障所在区域剔除，以剩余区域的响应电压重新定义响应率。从而实现了对红外热电堆温度传感器的自测试、自诊断和容错。减少了使用片外高精度设备产生的测试和诊断费用，提高了良率，节约了成本。

Description

红外热电堆温度传感器及其自测试、自诊断和容错的方法

技术领域

本发明涉及一种温度传感器，特别是涉及一种具有自测试、自诊断和容错功能的红外热电堆温度传感器及其自测试、自诊断和容错的方法。

背景技术

红外热电堆温度传感器或红外热电堆探测器是一种非接触式和非制冷型的红外探测器，相对于其他红外探测器来说具有能够主要检测恒定辐射量，可对静态物体进行探测输出信号，无需偏置电压，测试放大电路简单和制备成本低等优点，因此在军用领域和民用领域得到了较为广泛的应用。

随着半导体制造工艺的发展，在微电子制造工艺基础上吸收融合其它加工工艺技MEMS技术逐渐发展起来。同时在器件工艺得到迅速发展的今天，MEMS技术几乎应用到了各个领域，尤其是要求小尺寸、高精度、高可靠性及低功耗的高科技领域，给人类的生活产生了巨大的变化。同时自MEMS技术引进入红外探测器制作之后，红外探测器显示出了更大的优势。

MEMS器件的精密程度高，制造工艺复杂，这意味着对MEMS的故障测试更加困难，现有对MEMS设备的测试依赖于昂贵的外部测试设备(ATE,Automatic Test Equipment),而MEMS内建自测试技术的提出打开了新的篇章。内建自测试是可测试性设计的一种，其模块建立在电路内部，减少了测试成本，并可以根据设计进行重复测试，减少测试时间。针对MEMS的内建自测试，由于MEMS传感器的复杂的原理、多种被测物理量和更小的尺寸，自测试的设计难度在增加，而对自测试数据进行分析和诊断的研究很少。

专利CN 105444893发明了一种针对红外热电堆温度传感器的自测试和自校准系统，包括两次通过热阻进行热辐射，得到两次响应率R1，R2，并进行差值处理来判断器件是否存在故障；无故障情况下，通过红外响应率和电学响应率的换算对当前响应率进行校准，实现传感器系统的片上自测试和自校准，然而其没有容错机制。

发明内容

为了减少了使用片外高精度设备产生的测试和诊断费用，提高了良率，节约成本，本发明提出一种具有自测试、自诊断和容错功能的红外热电堆温度传感器及其自测试、自诊断和容错的方法，其将热电堆分割为对称几部分结构，以热阻作为热辐射激励，对得到的几部分输出电压进行分析进而完成了自测试、自诊断和容错的功能。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种红外热电堆温度传感器，包括划分为对称几部分并分别带有输出端的热电堆结构、用于发热作为自测试激励源的发热电阻、环境温度测量电路、放大器、第一模数转换器、第二模数转换器、数模转换器和数字信号处理模块，所述发热电阻的一端经所述数模转换器后接入所述数字信号处理模块的输出端，所述发热电阻的另一端接地；所述发热电阻两端的电压差通过所述第一模数转换器连接到所述数字信号处理模块的输入端；所述热电堆结构的几部分的输出端经所述放大器和所述第一模数转换器后接入所述数字信号处理模块的输入端；所述环境温度测量电路的输出端经所述第二模数转换器后接入所述数字信号处理模块的输入端。

进一步的，所述热电堆结构被划分为对称的三部分或四部分或五部分。

一种红外热电堆温度传感器的自测试、自诊断和容错的方法，基于所述红外热电堆温度传感器，热电堆结构被划分为对称的四部分，其中，首先，数字信号处理模块通过数模转换器给出的信号提供供电电压致发热电阻，发热电阻发热产生红外辐射，然后，热电堆结构的四部分对发热电阻产生的红外辐射进行吸收，并产生四组输出电压，四组输出电压经放大器放大和第一模数转换器转换后进入到数字信号处理模块，进行信号处理和分析；环境温度测量电路的输出通过第二模数转换器也输入到数字信号处理模块中；

自测试阶段：数字信号处理模块产生大于0的供电电压信号Vr，通过模数转换器使得发热电阻发热为热电堆结构提供红外辐射，热电堆结构的四部分吸收发热电阻产生的红外辐射后，得到四组输出电压△V₁，△V₂,△V₃，△V₄，四组输出电压通过放大器和第一模数转换器进入数字信号处理模块，在数字信号处理模块中，通过计算四组输出电压的标准差来判断红外热电堆温度传感器是否存在故障；如果不存在故障则通过环境温度测量电路计算响应率进行温度测量；如果存在故障，则进入自诊断阶段；

自诊断阶段：在数字信号处理模块中，四组输出电压△V₁，△V₂,△V₃，△V₄两两做差，得到六组差值的绝对值，通过判断差值小于一个极小值ζ的个数来判断红外热电堆温度传感器的故障类型，当个数小于2时，则为不可容错故障，故障不可修复；当个数大于等于2时，则为可容错故障，进入容错阶段；

容错阶段：采用冗余的方法，将返回的故障所在的一部分热电堆结构剔除，以剩下的三部分重新组合为新的热电堆结构；该三部分热电堆结构的输出电压的和为总输出电压△V，计算新的响应率R测量温度。

进一步的，自测试阶段实现的方法为：在红外热电堆温度传感器中，对探测率的定义为：在给定辐照功率P下，热电堆输出电压△V和辐照功率P的比值，

其中辐照功率为：

其中，ε为发热电阻的辐射系数，r为发热电阻的阻值，V_r为加在发热电阻两端的电压值；因热电堆结构为对称的四部分结构，所以无故障响应率为：

判断是否存在故障是通过对四组输出电压的标准差来判断的，具体为：

其中，S表示为标准差，

为均值；当判断S<阈值δ时，表示四组输出电压偏离程度较小，热电堆结构的四部分响应正常，没有出现故障；当判断S≥阈值δ时，表示四组输出电压偏离程度较大，可能出现一部分或多部分热电堆结构故障，测试不通过。

进一步的，自诊断阶段实现的方法为：在判断热电堆故障的基础上，进一步判断热电堆故障是否可容错，任意两组输出电压的绝对值ρ，表达如下：

ρ＝|ΔV_i-ΔV_j|,i,j∈[1,2,3,4],i≠j (1-5)

其含义为当两组输出电压的差值的绝对值ρ小于一个极小值ζ，可以认定两组输出电压基本相等，当六组差值的绝对值有ρ<ζ的个数大于2，则认定四组输出电压中有三组输出电压基本相等，表示热电堆结构的四部分中有一部分热电堆结构存在故障；如果ρ<ζ的个数小于2，则认定四组输出电压中存在多于一部分热电堆结构存在故障，前者可以进行容错，后者无法进行容错。

进一步的，容错阶段实现的方法为：

均值

定义为：

每组输出电压△V_i和均值电压△V_j的差值定义为：

求出最大的△_k，并返回k值，确定故障所在热电堆结构的位置，并剔除该部分的热电堆结构的输出电压，计算新的响应率,使用新的响应率作为测温依据；

本发明的有益效果是：本发明提出了一种的具有自测试、自诊断和容错功能的红外热电堆温度传感器及其自测试、自诊断和容错的方法，实现了红外热电堆温度传感器在片上激励下的自测试、自诊断和容错。其特点是将热电堆结构分割为对称的几部分区域，优选为四部分，在片上热阻的激励下，四部分区域的响应后的四组电信号经过算法处理，判断红外热电堆温度传感器是否存在故障；如果存在故障，通过另外的算法诊断当前故障类型，是否可以容错；当故障类型支持容错时，用冗余的方法将故障所在区域剔除，以剩余区域的响应电压重新定义响应率。从而实现了对红外热电堆温度传感器的自测试、自诊断和容错。减少了使用片外高精度设备产生的测试和诊断费用，提高了良率，节约了成本。

附图说明

图1为现有红外热电堆温度传感器结构示意图；

图2为现有热电堆结构示意图；

图3为本发明热电堆结构示意图；

图4为本发明具有自测试、自诊断和容错功能的红外热电堆温度传感器结构示意图；

图5为本发明具有自测试、自诊断和容错功能的红外热电堆温度传感器的工作流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。

参见图3和图4，本发明提出了一种红外热电堆温度传感器，包括划分为对称四部分并分别带有输出端的热电堆结构1、用于发热作为自测试激励源的发热电阻2、环境温度测量电路3、放大器4、第一模数转换器501、第二模数转换器502、数模转换器6和数字信号处理模块7，发热电阻的一端经数模转换器后接入数字信号处理模块的输出端，发热电阻的另一端接地；发热电阻两端的电压差通过第一模数转换器连接到数字信号处理模块的输入端；热电堆结构的四部分的输出端经放大器和第一模数转换器后接入数字信号处理模块7的输入端；环境温度测量电路3的输出端经第二模数转换器后接入数字信号处理模块的输入端。

上述结构中，通过其将热电堆分割为对称的四部分结构，以发热电阻作为热辐射激励，对得到的四部分响应电压进行分析，可完成了自测试、自诊断和容错的功能，从而使红外热电堆温度传感器具有自测试、自诊断和容错的功能，相对于现有红外热电堆温度传感器，减少了使用片外高精度设备产生的测试和诊断费用，提高了良率，节约了成本。但不限于次，也可根据需要将热电堆划分为其他数量的对称结构，比如三部分或五部分。

参见图5，本发明提出了一种红外热电堆温度传感器的自测试、自诊断和容错的方法，基于上述所述红外热电堆温度传感器，其中，首先，数字信号处理模块7通过数模转换器6给出的信号提供供电电压致发热电阻2，发热电阻发热产生红外辐射，然后，热电堆结构1的四部分对发热电阻产生的红外辐射进行吸收，并产生四组输出电压，四组输出电压经放大器4放大和第一模数转换器501转换后进入到数字信号处理模块，进行信号处理和分析；环境温度测量电路3的输出通过第二模数转换器502也输入到数字信号处理模块中；

自测试阶段：数字信号处理模块产生大于0的供电电压信号Vr，通过模数转换器使得发热电阻发热为热电堆结构提供红外辐射，热电堆结构的四部分吸收发热电阻产生的红外辐射后，得到四组输出电压△V₁，△V₂,△V₃，△V₄，四组输出电压通过放大器和第一模数转换器进入数字信号处理模块，在数字信号处理模块中，通过计算四组输出电压的标准差来判断红外热电堆温度传感器是否存在故障；如果不存在故障则通过环境温度测量电路计算响应率进行温度测量；如果存在故障，则进入自诊断阶段；

自诊断阶段：在数字信号处理模块中，四组输出电压△V₁，△V₂,△V₃，△V₄两两做差，得到六组差值的绝对值，通过判断差值小于一个极小值ζ的个数来判断红外热电堆温度传感器的故障类型，当个数小于2时，则为不可容错故障，故障不可修复；当个数大于等于2时，则为可容错故障，进入容错阶段；

容错阶段：采用冗余的方法，将返回的故障所在的一部分热电堆结构剔除，以剩下的三部分重新组合为新的热电堆结构；该三部分热电堆结构的输出电压的和为总输出电压△V，计算新的响应率R测量温度。

其中，自测试阶段实现的方法为：在红外热电堆温度传感器中，对探测率的定义为：在给定辐照功率P下，热电堆输出电压△V和辐照功率P的比值，

其中辐照功率为：

其中，ε为发热电阻的辐射系数，r为发热电阻的阻值，V_r为加在发热电阻两端的电压值；因热电堆结构为对称的四部分结构，所以无故障响应率为：

判断是否存在故障是通过对四组输出电压的标准差来判断的，具体为：

其中，S表示为标准差，

为均值；当判断S<阈值δ时，表示四组输出电压偏离程度较小，热电堆结构的四部分响应正常，没有出现故障；当判断S≥阈值δ时，表示四组输出电压偏离程度较大，可能出现一部分或多部分热电堆结构故障，测试不通过。

其中，自诊断阶段实现的方法为：在判断热电堆故障的基础上，进一步判断热电堆故障是否可容错，任意两组输出电压的绝对值ρ，表达如下：

ρ＝|ΔV_i-ΔV_j|,i,j∈[1,2,3,4],i≠j (1-5)

其含义为当两组输出电压的差值的绝对值ρ小于一个极小值ζ，可以认定两组输出电压基本相等，当六组差值的绝对值有ρ<ζ的个数大于2，则认定四组输出电压中有三组输出电压基本相等，表示热电堆结构的四部分中有一部分热电堆结构存在故障；如果ρ<ζ的个数小于2，则认定四组输出电压中存在多于一部分热电堆结构存在故障，前者可以进行容错，后者无法进行容错。

其中，容错阶段实现的方法为：

均值

定义为：

每组输出电压△V_i和均值电压△V_j的差值定义为：

求出最大的△_k，并返回k值，确定故障所在热电堆结构的位置，并剔除该部分的热电堆结构的输出电压，计算新的响应率,使用新的响应率作为测温依据；

下面结合附图对本发明的工作原理进行详细的说明和描述。

图1为红外热电堆温度传感器的一般结构图。图2为常规的热电堆结构图，热电堆是由多组热电偶组成的。在塞贝克效应中，热电偶被定义为两种不同塞贝克系数的导体，一端连接在一起，一端为开路；当热电偶两端处在不同的温度下，开路的两端会呈现电压差，如公式(1-9)所示。

△V＝(S_B-S_A)(T₂-T₁) (1-9)

由于一组热电偶所呈现的电压差很小，所以多组热电偶串联成热电堆来增大测量精度。一般的红外温度传感器都会有吸收层来将红外辐射转化为热能，体现为温度的升高。故图1所示的结构中热电堆11通过感知温度的变化产生了电压差，经过放大器12的放大，进入到信号处理模块14；同时本地温度(环境温度)13也被测量进入到信号处理模块14中。

另一工作原理是根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，即黑体表面的辐射功率与黑体本身的热力学温度的四次方成正比。结合塞贝尔效应得到公式(1-10)。

其中A为黑体的表面面积，R为响应率，σ为玻尔兹曼常数，α为热电堆辐射系数的相关常数。响应率的定义为热电堆的输出电压和辐射功率的比值，如公式(1-1)所示。

本发明的自测试部分原理是将热电堆沿对角线划分为四部分对称的结构，由于每部分的热电堆结构相同，理论上经过热辐射后各部分输出电压相同是相同的，如果某一部分结构存在故障，则可直接表现在该部分的输出电压上，通过对各部分输出电压的检测和分析，可以判断当前红外热电堆温度传感器是否存在故障。具体划分可见图3。

热电堆所需要的内部激励可以由发热电阻产生。具体可见图4结构，其由数字信号处理模块7产生大于0的数字电压，经过数模转换器6进行供电控制。发热电阻阻值为r，供电电压为Vr，产生辐照功率为P，如公式(1-2)所示。

辐照产生的热能被等分成四部分的热电堆结构吸收，产生输出电压分别为△V₁，△V₂,△V₃，△V₄。在无故障情况下，△V₁＝△V₂＝△V₃＝△V₄，即△V＝4△V₁＝4△V₂＝4△V₃＝4△V₄。而标准差S，如公式(1-4)是描述一组数据的相互之间的偏离程度的，其中

为均值，如公式(1-6)所示。无故障情况下，所得到的四组输出电压在数值上是相等的，也就是标准差为0；而当其中有一组或者多组偏差较大时，可以通过标准差表现出来。所以该自测试的设计是通过设定一个标准差的阈值δ来判定是否存在故障。

如果S<δ判定无故障，如果S>δ判定存在故障。如果要对故障进行容错，则必须对故障类型进行分析，即自诊断。故障类型的分析其实是个分类的过程，把可容错的故障类型和不可容错的故障类型区分开。可以进行容错的故障是划分的四部分热电堆结构中，有一组热电堆结构存在故障的情况可进行容错，其余不可容错。其具体方法是在判断热电堆故障的基础上，进一步判断热电堆的故障是否可容错。任意两组输出电压的差值的绝对值ρ，表达如公式(1-5)所示。

理论上当无故障时，ρ是恒定为0。但实际上在无故障时，ρ可能是一个极小值ζ，这是由于工艺参数等情况造成的，其值不影响功能的实现。所以当两组输出电压的差值的绝对值ρ<ζ(一个极小值)时，可以认定两组输出电压基本相等，当ρ>ζ时，认定两组输出电压不相等。所以六组差值的绝对值中有ρ<ζ的个数大于2，则认定四组输出电压中有三组输出电压基本相等，即四部分热电堆结构中有一组热电堆结构存在故障；如果ρ<ζ的个数小于2，则认定四组输出电压中存在多于一组热电堆结构存在故障。前者可以进行容错，后者无法进行容错。

在诊断出故障类型后的工作是，找到故障所在热电堆的位置，剔除掉故障的1/4热电堆结构，更新响应率。判定故障位置的具体方法是找到与平均值相差最大的输出电压值，并返回其所在位置。

其具体方法是求出与平均值差值最大的Δ_k并返回k值。

这一方法是在已经存在故障的基础上，故障电压与平均值的偏差程度最大，以此返回k值来获得故障的位置。并重新计算响应率值，如公式(1-7)所示，在下一次测量温度时以新的响应率为计算标准。

图5为本发明具有自测试、自诊断和容错功能的红外热电堆温度传感器的工作流程图。按照自测试-自诊断-容错的顺序进行。进入自测试模式后，首先要产生内部激励，由发热电阻产生；热电堆结构对内部激励进行响应后得到四组对称结构的响应电压并存储；随后四组响应电压作为输出电压被输入到数字信号处理模块进行故障判断，判断红外热电堆温度传感器是否存在故障；如果判断不存在故障则直接跳转到测温模式，如果存在故障则要进一步通过公式(1-5)进行故障分类；当满足ρ<ζ的个数小于2则为不可以修复的故障类型，不可用，当ρ<ζ的个数大于2，则可以进行故障容错处理；容错需要返回故障所在位置，根据公式(1-7)得到K值，对故障热电堆结构进行抛弃处理，由剩下的热电堆结构构成测温单元，根据公式(1-3)重新计算响应率，并进入测温模式。

本发明的主要创新点在于自测试方法的创新和对自测试结果进行了进一步的分析和处理。自测试方法的创新在于热电堆结构的重新划分，利用对称的结构在激励下产生的电压差理论是相等的这一点来判断故障存在与否。被划分的四组热电堆响应可并行或串行输入进数字信号处理模块中进行处理。而这四组输出电压是判断存在故障与否以及故障是否可容错的重要依据。

本发明利用标准差来判断是否存在故障的阈值δ是通过大量数据和实际应用得到，δ值的变化可以影响良率和故障率；区分故障的标准ζ同样影响着良率和故障修复率。相对自测试之前，可以通过容错修复一部分器件，提高了良率。

上述实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明，本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种红外热电堆温度传感器，其特征在于：包括划分为对称四部分并分别带有输出端的热电堆结构(1)、用于发热作为自测试激励源的发热电阻(2)、环境温度测量电路(3)、放大器(4)、第一模数转换器(501)、第二模数转换器(502)、数模转换器(6)和数字信号处理模块(7)，所述发热电阻的一端经所述数模转换器后接入所述数字信号处理模块的输出端，所述发热电阻的另一端接地；所述发热电阻两端的电压差通过所述第一模数转换器连接到所述数字信号处理模块的输入端；所述热电堆结构的对称四部分的输出端经所述放大器和所述第一模数转换器后接入所述数字信号处理模块(7)的输入端；所述环境温度测量电路(3)的输出端经所述第二模数转换器后接入所述数字信号处理模块的输入端；

该红外热电堆温度传感器的自测试、自诊断和容错的方法为：首先，数字信号处理模块(7)通过数模转换器(6)给出的信号提供供电电压致发热电阻(2)，发热电阻发热产生红外辐射，然后，热电堆结构(1)的四部分对发热电阻产生的红外辐射进行吸收，并产生四组输出电压，四组输出电压经放大器(4)放大和第一模数转换器(501)转换后进入到数字信号处理模块，进行信号处理和分析；环境温度测量电路(3)的输出通过第二模数转换器(502)也输入到数字信号处理模块中；

自测试阶段：数字信号处理模块产生大于0的供电电压信号Vr，通过模数转换器使得发热电阻发热为热电堆结构提供红外辐射，热电堆结构的四部分吸收发热电阻产生的红外辐射后，得到四组输出电压△V₁，△V₂,△V₃，△V₄，四组输出电压通过放大器和第一模数转换器进入数字信号处理模块，在数字信号处理模块中，通过计算四组输出电压的标准差来判断红外热电堆温度传感器是否存在故障；如果不存在故障则通过环境温度测量电路计算响应率进行温度测量；如果存在故障，则进入自诊断阶段；

自诊断阶段：在数字信号处理模块中，四组输出电压△V₁，△V₂,△V₃，△V₄两两做差，得到六组差值的绝对值，通过判断差值小于一个极小值ζ的个数来判断红外热电堆温度传感器的故障类型，当个数小于2时，则为不可容错故障，故障不可修复；当个数大于等于2时，则为可容错故障，进入容错阶段；

容错阶段：采用冗余的方法，将返回的故障所在的一部分热电堆结构剔除，以剩下的三部分重新组合为新的热电堆结构；该三部分热电堆结构的输出电压的和为总输出电压△V，计算新的响应率R测量温度。

2.根据权利要求1所述的红外热电堆温度传感器，其特征在于：自测试阶段实现的方法为：在红外热电堆温度传感器中，对响应率的定义为：在给定辐照功率P下，热电堆输出电压△V和辐照功率P的比值，

其中辐照功率为：

其中，ε为发热电阻的辐射系数，r为发热电阻的阻值，V_r为加在发热电阻两端的电压值；因热电堆结构为对称的四部分结构，所以无故障响应率为：

判断是否存在故障是通过对四组输出电压的标准差来判断的，具体为：

其中，S表示为标准差，

为均值；当判断S<阈值δ时，表示四组输出电压偏离程度较小，热电堆结构的四部分响应正常，没有出现故障；当判断S≥阈值δ时，表示四组输出电压偏离程度较大，可能出现一部分或多部分热电堆结构故障，测试不通过。

3.根据权利要求1所述的红外热电堆温度传感器，其特征在于：自诊断阶段实现的方法为：在判断热电堆故障的基础上，进一步判断热电堆故障是否可容错，任意两组输出电压的绝对值ρ，表达如下：

ρ＝|ΔV_i-ΔV_j|,i,j∈[1,2,3,4],i≠j (1-5)

其含义为当两组输出电压的差值的绝对值ρ小于一个极小值ζ，可以认定两组输出电压基本相等，当六组差值的绝对值有ρ<ζ的个数大于2，则认定四组输出电压中有三组输出电压基本相等，表示热电堆结构的四部分中有一部分热电堆结构存在故障；如果ρ<ζ的个数小于2，则认定四组输出电压中存在多于一部分热电堆结构存在故障，前者可以进行容错，后者无法进行容错。

4.根据权利要求1所述的红外热电堆温度传感器，其特征在于：容错阶段实现的方法为：

均值

定义为：

每组输出电压△V_i和均值电压

的差值定义为：

求出最大的△_k，并返回k值，确定故障所在热电堆结构的位置，并剔除该部分的热电堆结构的输出电压，计算新的响应率,使用新的响应率作为测温依据；

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