CN111780875A - 非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法及测试电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非制冷红外探测器的测试技术领域，具体公开了一种非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，其中，包括：将工作电流为I₀的非制冷红外探测器置于环境温度为T₀的真空环境中；在自热功率P_n计算非制冷红外探测器的表面温度T_n；将温度为T_bn的标准黑体源辐照非制冷红外探测器，并记录非制冷红外探测器在恒流源偏置电流I_n下对标准黑体源的响应信号ΔV_{Tn_In_Tbn}；计算非制冷红外探测器在恒流源偏置电流为I₀时的响应温漂信号ΔV_{Tn_I0_Tbn}。本发明还公开了一种应用于非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法中的测试电路。本发明提供的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法所需测试设备简单、易操作，具备时效性高的优势。

Description

非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法及测试电路

技术领域

本发明涉及非制冷红外探测器的测试技术领域，尤其涉及一种非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法及应用于所述非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法中的测试电路。

背景技术

随着电子技术的发展，MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)应用领域越来越广泛，MEMS探测器作为信息获取的关键器件显得尤为重要。其中，非制冷红外探测器利用热敏电阻、二极管、热电堆等作为热敏器件，可以吸收周围目标物体的辐射，引起器件温度变化，在自身热敏特性下输出与目标物体温度相对应的电信号。因而非制冷红外探测器被广泛应用在测温领域，尤其是在重大传染性疾病的防控领域，以额温枪、耳温枪等实施的测温发挥着防控排查的重要作用。

非制冷红外探测器可将温度信息转化为电信号，此温度信息不仅包括目标物体的温度信息，还受探测器所处的环境温度及探测器自热效应引起的温度变化影响，容易给非制冷红外探测器测温带来误差。而在一些需要高精度测温领域，获得高精度的温度信息是十分重要的，因此对非制冷红外探测器需要进行不同环境温度下对标准黑体源响应信号测试，即对标准黑体源的响应温漂标定测试，以此获取非制冷红外探测器的温漂数据，便于测温系统对探测器的测温数据进行校准、补偿。

目前，针对非制冷红外探测器响应温漂信号的传统测试方法是利用温度可控可变的恒温箱来实施环境温度的变化，在不同的环境温度下测试探测器对标准黑体源的响应输出，以此实现探测器响应温漂信号的标定测试。但所用的恒温箱存在设备较贵，调温复杂，测试时效性低等问题。因此研究一种时效性高、简单易行的非制冷红外探测器响应温漂信号测试方法及测试电路意义重大。

发明内容

本发明提供了一种非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法及应用于所述非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法中的测试电路，解决相关技术中存在的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试时效低且测试设备成本高的问题。

作为本发明的第一个方面，提供一种非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，其中，包括：

将工作电流为I₀的非制冷红外探测器置于环境温度为T₀的真空环境中；

以恒流源偏置电流I_n为所述非制冷红外探测器施加时长为t的自热功率P_n，待所述非制冷红外探测器达到热平衡后，计算所述非制冷红外探测器的表面温度T_n；

将温度为T_bn的标准黑体源辐照所述非制冷红外探测器，并记录所述非制冷红外探测器在所述恒流源偏置电流I_n下对所述标准黑体源的响应信号ΔV_{Tn_In_Tbn}；

根据所述非制冷红外探测器的电压温度灵敏度-探测器温度-偏置电流的函数关系，建立所述非制冷红外探测器对所述标准黑体源的响应信号-探测器表面温度-恒流源偏置电流的函数模型，并根据所述函数模型计算所述非制冷红外探测器在恒流源偏置电流为I₀时的响应温漂信号ΔV_{Tn_I0_Tbn}。

进一步地，所述计算所述非制冷红外探测器的表面温度T_n，包括：

记录所述非制冷红外探测器两端电压U_n，根据探测器表面温度-自热功率关系，计算探测器表面温度T_n。

进一步地，所述探测器表面温度-自热功率关系表示为：

T_n＝f(P_n,T₀)，

其中，T_n表示所述非制冷红外探测器的表面温度，P_n表示自热功率，T₀表示真空环境的环境温度。

进一步地，所述非制冷红外探测器的电压温度灵敏度-探测器表面温度-偏置电流的函数关系表示为：

TCV_{Tn_In}＝H(T_n,I_n)，

其中，TCV_{Tn_In}表示所述非制冷红外探测器的电压温度灵敏度，T_n表示所述非制冷红外探测器的表面温度，I_n表示恒流源偏置电流。

进一步地，所述非制冷红外探测器对所述标准黑体源的响应信号-探测器表面温度-恒流源偏置电流的函数模型表示为：

ΔV_{Tn_In_Tbn}＝F(T_n,TCV_{Tn_In},I_n)，

其中，ΔV_{Tn_In_Tbn}表示通过所述函数模型计算所述非制冷红外探测器对所述标准黑体源的响应温漂信号，T_n表示所述非制冷红外探测器的表面温度，TCV_{Tn_In}表示所述非制冷红外探测器的电压温度灵敏度，I_n表示恒流源偏置电流。

进一步地，所述工作电流I₀表示所述非制冷红外探测器进行探测工作时的偏置电流，所述工作电流I₀的取值范围为0.5-20μA。

进一步地，所述真空环境的环境温度T₀表示室温为300K的温度，且所述真空环境表示真空度压强不大于10Pa的真空环境。

进一步地，为所述非制冷红外探测器施加自然功率P_n的施加时长t大于所述非制冷红外探测器的时间常数的10倍。

进一步地，所述待所述非制冷红外探测器达到热平衡表示所述非制冷红外探测器的自热功率达到恒定，且所述非制冷红外探测器产生的焦耳热与所述非制冷红外探测器的散热达到动态平衡的状态。

作为本发明的另一个方面，提供一种应用于前文所述的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法中的测试电路，其中，包括：电压源、可调恒流源单元、缓冲单元、放大单元和数据处理单元，所述电压源、可调恒流源单元和缓冲单元均与所述非制冷红外探测器连接，所述放大单元与所述缓冲单元连接，所述数据处理单元与所述放大单元连接；

所述电压源用于为所述非制冷红外探测器提供工作电压；

所述可调恒流源单元用于通过调节可调恒流源的偏置电流的大小，结合所述电压源为所述非制冷红外探测器提供不同大小的自热功率；

所述缓冲单元用于缓冲所述非制冷红外探测器输出的电压信号；

所述放大单元用于放大所述非制冷红外探测器输出的电压信号；

所述数据处理单元用于将放大后的所述非制冷红外探测器输出的电压信号进行数据处理，计算得到所述非制冷红外探测器响应温漂信号。

本发明提供的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，利用可调恒流源为探测器提供不同大小的自热功率，使得热平衡时非制冷红外探测器的表面温度不同，实现对标准黑体源的温漂响应信号测试，整个过程所需测试设备简单、易操作，具备时效性高的优势。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法的流程图。

图2为本发明提供的测试电路的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将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一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实施例中提供了一种非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，图1是根据本发明实施例提供的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法的流程图，如图1所示，包括：

S110、将工作电流为I₀的非制冷红外探测器置于环境温度为T₀的真空环境中；

S120、以恒流源偏置电流I_n为所述非制冷红外探测器施加时长为t的自热功率P_n，待所述非制冷红外探测器达到热平衡后，计算所述非制冷红外探测器的表面温度T_n；

S130、将温度为T_bn的标准黑体源辐照所述非制冷红外探测器，并记录所述非制冷红外探测器在所述恒流源偏置电流I_n下对所述标准黑体源的响应信号ΔV_{Tn_In_Tbn}；

S140、根据所述非制冷红外探测器的电压温度灵敏度-探测器温度-偏置电流的函数关系，建立所述非制冷红外探测器对所述标准黑体源的响应信号-探测器表面温度-恒流源偏置电流的函数模型，并根据所述函数模型计算所述非制冷红外探测器在恒流源偏置电流为I₀时的响应温漂信号ΔV_{Tn_I0_Tbn}。

本发明实施例提供的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，利用可调恒流源为探测器提供不同大小的自热功率，使得热平衡时非制冷红外探测器的表面温度不同，实现对标准黑体源的温漂响应信号测试，整个过程所需测试设备简单、易操作，具备时效性高的优势。

需要说明的是，所述工作电流I₀表示所述非制冷红外探测器进行探测工作时的偏置电流，所述工作电流I₀的取值范围为0.5-20μA。

在本发明实施例中，所述真空环境的环境温度T₀表示室温为300K的温度，且所述真空环境表示真空度压强不大于10Pa的真空环境。

具体地，所述计算所述非制冷红外探测器的表面温度T_n，包括：

记录所述非制冷红外探测器两端电压U_n，根据探测器表面温度-自热功率关系，计算探测器表面温度T_n。

进一步具体地，所述探测器表面温度-自热功率关系表示为：

T_n＝f(P_n,T₀)，

其中，T_n表示所述非制冷红外探测器的表面温度，P_n表示自热功率，T₀表示真空环境的环境温度。

需要说明的是，所述待所述非制冷红外探测器达到热平衡表示所述非制冷红外探测器的自热功率达到恒定，且所述非制冷红外探测器产生的焦耳热与所述非制冷红外探测器的散热达到动态平衡的状态。

在本发明实施例中为所述非制冷红外探测器施加自然功率P_n的施加时长t大于所述非制冷红外探测器的时间常数的10倍，即施加的自热功率P_n的时长t应大于探测器热时间常数的10倍。

具体地，所述建立所述非制冷红外探测器对所述标准黑体源的响应信号-探测器表面温度-恒流源偏置电流的函数模型，并根据所述函数模型计算所述非制冷红外探测器响应温漂信号ΔV_{Tn_I0_Tbn}，包括：

根据所述非制冷红外探测器的电压温度灵敏度-探测器温度-偏置电流的函数关系，建立所述非制冷红外探测器对所述标准黑体源的响应信号-探测器表面温度-恒流源偏置电流的函数模型；

根据所述函数模型计算所述非制冷红外探测器在所述非制冷红外探测器的表面温度为T_n、恒流源偏置电流为I₀时对温度为T_bn的标准黑体源的响应温漂信号ΔV_{Tn_I0_Tbn}。

进一步具体地，所述非制冷红外探测器的电压温度灵敏度-探测器温度-偏置电流的函数关系表示为：

TCV_{Tn_In}＝H(T_n,I_n)，

其中，TCV_{Tn_In}表示所述非制冷红外探测器的电压温度灵敏度，T_n表示所述非制冷红外探测器的表面温度，I_n表示恒流源偏置电流。

具体地，所述非制冷红外探测器对所述标准黑体源的响应信号-探测器表面温度-恒流源偏置电流的函数模型表示为：

ΔV_{Tn_In_Tbn}＝F(T_n,TCV_{Tn_In},I_n)，

其中，ΔV_{Tn_In_Tbn}表示所述函数模型计算所述标准黑体源的响应温漂信号，T_n表示所述非制冷红外探测器的表面温度，TCV_{Tn_In}表示所述非制冷红外探测器的电压温度灵敏度，I_n表示恒流源偏置电流。

综上，本发明实施例提供的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，在真空环境中，通过调节恒流源偏置大小分别为非制冷红外探测器施加不同大小的自热功率，非制冷红外探测器在自热效应下发生温度变化，待达到热平衡态后，非制冷红外探测器表面温度不同，以此来等效非制冷红外探测器响应温漂测试时利用恒温箱所实施的环境温度变化过程。

作为本发明的另一实施例，提供一种应用于前文所述的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法中的测试电路，其中，如图2所示，包括：电压源100、可调恒流源单元200、缓冲单元300、放大单元400和数据处理单元500，所述电压源100、可调恒流源单元200和缓冲单元300均与所述非制冷红外探测器600连接，所述放大单元400与所述缓冲单元300连接，所述数据处理单元500与所述放大单元400连接；

所述电压源100用于为所述非制冷红外探测器600提供工作电压；

所述可调恒流源单元200用于通过调节可调恒流源的偏置电流的大小，结合所述电压源为所述非制冷红外探测器600提供不同大小的自热功率；

所述缓冲单元300用于缓冲所述非制冷红外探测器600输出的电压信号；

所述放大单元400用于放大所述非制冷红外探测器600输出的电压信号；

所述数据处理单元500用于将放大后的所述非制冷红外探测器600输出的电压信号进行数据处理，计算得到所述非制冷红外探测器响应温漂信号。

本发明实施例提供的测试电路，能够与非制冷红外探测器正常测温工作时的电路相兼容，并且也可以针对探测器的热学参数进行测试。

如图2所示，本发明实施例中的所述电压源具体可以为VDD，可调恒流源单元200具体可以为I_n，缓冲单元300具体可以为AMP1，放大单元400具体可以包括电阻R0、放大器AMP2、电阻R和复位开关Rst，具体连接关系可以如图2所示，数据处理单元500具体可以为FPGA芯片或DSP芯片，具体可以根据需要进行选择，此处不做限定。非制冷红外探测器600在图2中表示为Det。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，其特征在于，包括：

将工作电流为I₀的非制冷红外探测器置于环境温度为T₀的真空环境中；

以恒流源偏置电流I_n为所述非制冷红外探测器施加时长为t的自热功率P_n，待所述非制冷红外探测器达到热平衡后，计算所述非制冷红外探测器的表面温度T_n；

将温度为T_bn的标准黑体源辐照所述非制冷红外探测器，并记录所述非制冷红外探测器在所述恒流源偏置电流I_n下对所述标准黑体源的响应信号ΔV_{Tn_In_Tbn}；

根据所述非制冷红外探测器的电压温度灵敏度-探测器温度-偏置电流的函数关系，建立所述非制冷红外探测器对所述标准黑体源的响应信号-探测器表面温度-恒流源偏置电流的函数模型，并根据所述函数模型计算所述非制冷红外探测器在恒流源偏置电流为I₀时的响应温漂信号ΔV_{Tn_I0_Tbn}。

2.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，其特征在于，所述计算所述非制冷红外探测器的表面温度T_n，包括：

记录所述非制冷红外探测器两端电压U_n，根据探测器表面温度-自热功率关系，计算探测器表面温度T_n。

3.根据权利要求2所述的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，其特征在于，所述探测器表面温度-自热功率关系表示为：

T_n＝f(P_n,T₀)，

其中，T_n表示所述非制冷红外探测器的表面温度，P_n表示自热功率，T₀表示真空环境的环境温度。

4.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，其特征在于，所述非制冷红外探测器的电压温度灵敏度-探测器表面温度-偏置电流的函数关系表示为：

TCV_{Tn_In}＝H(T_n,I_n)，

其中，TCV_{Tn_In}表示所述非制冷红外探测器的电压温度灵敏度，T_n表示所述非制冷红外探测器的表面温度，I_n表示恒流源偏置电流。

5.根据权利要求4所述的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，其特征在于，所述非制冷红外探测器对所述标准黑体源的响应信号-探测器表面温度-恒流源偏置电流的函数模型表示为：

ΔV_{Tn_In_Tbn}＝F(T_n,TCV_{Tn_In},I_n)，

其中，ΔV_{Tn_In_Tbn}表示通过所述函数模型计算所述非制冷红外探测器对所述标准黑体源的响应温漂信号，T_n表示所述非制冷红外探测器的表面温度，TCV_{Tn_In}表示所述非制冷红外探测器的电压温度灵敏度，I_n表示恒流源偏置电流。

6.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，其特征在于，所述工作电流I₀表示所述非制冷红外探测器进行探测工作时的偏置电流，所述工作电流I₀的取值范围为0.5-20μA。

7.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，其特征在于，所述真空环境的环境温度T₀表示室温为300K的温度，且所述真空环境表示真空度压强不大于10Pa的真空环境。

8.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，其特征在于，为所述非制冷红外探测器施加自然功率P_n的施加时长t大于所述非制冷红外探测器的时间常数的10倍。

9.根据权利要求1所述的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法，其特征在于，所述待所述非制冷红外探测器达到热平衡表示所述非制冷红外探测器的自热功率达到恒定，且所述非制冷红外探测器产生的焦耳热与所述非制冷红外探测器的散热达到动态平衡的状态。

10.一种应用于权利要求1至9中任意一项所述的非制冷红外探测器响应温漂信号的测试方法中的测试电路，其特征在于，包括：电压源、可调恒流源单元、缓冲单元、放大单元和数据处理单元，所述电压源、可调恒流源单元和缓冲单元均与所述非制冷红外探测器连接，所述放大单元与所述缓冲单元连接，所述数据处理单元与所述放大单元连接；

所述电压源用于为所述非制冷红外探测器提供工作电压；

所述可调恒流源单元用于通过调节可调恒流源的偏置电流的大小，结合所述电压源为所述非制冷红外探测器提供不同大小的自热功率；

所述缓冲单元用于缓冲所述非制冷红外探测器输出的电压信号；

所述放大单元用于放大所述非制冷红外探测器输出的电压信号；

所述数据处理单元用于将放大后的所述非制冷红外探测器输出的电压信号进行数据处理，计算得到所述非制冷红外探测器响应温漂信号。

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