CN112067119A - 一种基于太赫兹功率测量的热补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于太赫兹功率测量技术领域，提供了一种基于太赫兹功率测量的热补偿方法，热补偿传感器接收太赫兹功率，测量补偿端的直流偏置功率变化；根据测量的所述补偿端的直流偏置功率变化得到工作端的直流偏置功率变化；根据所述工作端的直流偏置功率变化对所述工作端的初始直流偏置功率进行补偿。其中工作端和补偿端具有相同的波导结构和传感芯片，从而对于环境温度变化具有相同的响应，根据补偿端的直流偏置功率变化与工作端的初始直流偏置功率的对应关系，对工作端的初始直流偏置功率进行补偿，降低因温度变化等因素而导致对太赫兹功率测量的误差，从而可提高太赫兹功率测量的精确度。

Description

一种基于太赫兹功率测量的热补偿方法

技术领域

本发明涉及太赫兹功率测量技术领域，尤其涉及一种基于太赫兹功率测量的热补偿方法。

背景技术

太赫兹(TeraHertz，THz)是波动频率单位之一，又称为太赫，或太拉赫兹，用于表示电磁波频率，是一种新的、有很多独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常大的机遇，可能引发科学技术的革命性发展。太赫兹波是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，太赫兹波的波长处于微波及红外光之间，因此在应用方面，相对于其他波段的电磁波具有非常强的互补特征。

与微波、毫米波相比，太赫兹探测系统可以获得更高的分辨率，具有突出的抗干扰能力和独特的反隐身能力；太赫兹系统具有视场范围宽、搜索能力好、适用于恶劣气象条件等优点。太赫兹波所具有的优越特性使其具有非常重要的学术和应用价值，也使得世界各国都对太赫兹科学技术研究和应用给予了极大的关注。

太赫兹测量是太赫兹技术的产学研用各个环节的技术基础，太赫兹功率是太赫兹器件、部件、仪器、系统的基本参数，太赫兹功率测量是上述部分的关键测量。目前直流替代性传感器广泛应用于太赫兹功率测量中，采用的是直流替代法，直流替代法是量热型太赫兹功率传感器中常用的技术，需要将热敏电阻接入四线自平衡电桥中以保证热敏电阻的阻值恒定，通过无微波功率时的初始直流偏置功率和加入微波功率后的直流偏置功率计算得到热敏电阻吸收的微波功率。但是在测量过程中由于温度的变化等因素导致初始直流偏置功率会发生波动，从而影响到微波功率测量的准确性。因此，直流替代法在应用于太赫兹功率测量中，存在易受温度影响的问题，包括室温的波动甚至传感器表面温度的变化都会引起太赫兹功率测量值的变化，从而导致太赫兹功率测量结果不准确。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于太赫兹功率测量的热补偿方法，可以对温度变化导致的初始直流偏置功率变化进行补偿修正，减小由于温度变化带来的测量误差，从而提高太赫兹功率传感器在复杂温度环境下的太赫兹测量的精确度。

一种基于太赫兹功率测量的热补偿方法，包括：

接收太赫兹功率，测量补偿端的直流偏置功率变化；

根据测量的所述补偿端的直流偏置功率变化得到工作端的直流偏置功率变化；

根据所述补偿端的直流偏置功率变化和所述工作端的直流偏置功率变化对所述工作端的初始直流偏置功率进行补偿。

本发明申请中，在热补偿传感器内部新增设置了补偿端，其中工作端和补偿端具有相同的波导结构和传感芯片，并且在补偿端和工作端之间增加了包围着第一波导和第二波导的第一铜片和第二铜片作为热短路结构；当热补偿传感器接收太赫兹功率，测量补偿端的直流偏置功率变化；根据测量的所述补偿端的直流偏置功率变化得到工作端的直流偏置功率变化；根据所述工作端的直流偏置功率变化对所述工作端的初始直流偏置功率进行补偿。其中工作端和补偿端具有相同的波导结构和传感芯片，从而对于环境温度变化具有相同的响应，根据补偿端的直流偏置功率变化与工作端的初始直流偏置功率的对应关系，对工作端的初始直流偏置功率进行补偿，降低因温度变化等因素而导致对太赫兹功率测量的误差，从而可提高太赫兹功率测量的精确度因此，使工作端和补偿端的传感芯片具有相同的热结构，从而对于环境温度变化具有相同的响应，则可以通过补偿端的直流偏置功率变化得到任意时刻工作端的初始直流偏置功率，从而根据补偿端的直流偏置功率变化与工作端的初始直流偏置功率的对应关系，对工作端的初始直流偏置功率进行补偿，降低因温度变化等因素而导致对太赫兹功率测量的误差，从而可提高太赫兹功率测量的精确度。

附图说明

1、图1为现有技术中直流功率传感器的内部结构示意图；

2、图2为本发明实施例提供的一种基于热补偿的传感器的结构示意图；

3、图3为本发明实施例提供的基于热补偿传感器中直流偏置功率波动图；

4、图4为本发明实施例提供的一种基于太赫兹功率测量的热补偿方法的流程示意图；

5、图5为本发明实施例提供的基于热补偿传感器中加入太赫兹功率前后直流偏置功率变化图；

6、图6为本发明实施例提供的基于热补偿传感器的直流偏置功率曲线以及预测的工作端热敏电阻偏置功率曲线对比图。

最佳实施方式

为了使本领域技术人员更清楚的理解本发明所提供的高精度流量标定设备，下面将结合附图对其进行详细的说明。

如图1所示，现有技术中的直流功率传感器的内部结构包括传感芯片和波导，传感芯片包括吸波层、电路层、屏蔽层和绝缘层，其中，吸波层用于吸收太赫兹波，并将太赫兹功率转换成热效应；电路层包括热敏电阻，热敏电阻被置于四线电流自平衡电桥的电路中以保持其阻值恒定，当加入太赫兹功率时吸波层产生热效应传递至电路层，为了保持热敏电阻阻值恒定就需要保持其温度恒定，因此其直流偏置功率会对应减小；如果未加入太赫兹功率之前，预先以直流偏置功率P_dc1将热敏电阻偏置在特定阻值R上，并以闭环控制的方式保持特定阻值R不变，则当加入太赫兹功率后，闭环电路将自动减少直流偏置功率P_dc1以维持电路平衡，设传感芯片吸收的功率为P_mw，新的直流平衡功率为P_dc2，通常将直流偏置功率P_dc1的变化量称作直流替代功率，记作P_sub，即有

P_sub＝P_dc1-P_dc2 (1)

由于传感芯片面积很小，热敏电阻对毫米波功率与直流功率具有相同的响应，因而有

P_sub＝P_mw (2)

但是当环境温度变化时，为了保持热敏电阻阻值恒定所需的初始直流偏置功率P_dc1也在始终发生变化。由于在测量过程中加入了微波功率无法获得实时的P_dc1，而且由于加入功率或关掉功率系统达到热平衡状态需要一定的时间，通过不断地关掉功率检测当前时刻的P_dc1不具有可行性。将测量开始前的P_dc1作为后续测量中的初始直流偏置功率，或者在测量开始前或开始后分别测量一次P_dc1并使用内插的方法获得测量过程中每时每刻的初始直流功率，但是显然这两种方法均会引入较大的不确定性。

因此本发明实施例在上述直流功率传感器的内部加入了补偿端，从而提供了一种基于热补偿的传感器，用以解决由于温度变化等因素导致对太赫兹功率测量存在误差的技术问题，如图2所示，所述传感器具体包括：

外壳；

所述外壳内部设置工作端和补偿端，所述工作端包括第一波导和第一传感芯片，所述补偿端包括第二波导和第二传感芯片；

第一铜片和第二铜片，所述第一铜片和所述第二铜片均包围着所述第一波导和所述第二波导；

所述第一波导与所述第二波导相同，所述第一传感芯片与所述第二传感芯片相同，其中，所述第一传感芯片包括第一热敏电阻，所述第二传感芯片包括第二热敏电阻。

当然根据本领域公知常识，该传感器还应包括波导法兰，用于安装第一波导和第二波导。

本发明实施例中提供的传感器在内部新增设置了补偿端，其中工作端和补偿端具有相同的波导结构和传感芯片，并且在补偿端和工作端之间增加了包围着第一波导和第二波导的第一铜片和第二铜片作为热短路结构；因此，使工作端和补偿端的传感芯片具有相同的热结构，从而对于环境温度变化具有相同的响应。

如图3所示，为本发明实施例提供的基于热补偿传感器中直流偏置功率波动情况，在中央空调控制下的环境中，半个小时内，工作端的初始直流偏置功率仍然存在着最大180μW的波动，但是补偿端的直流偏置功率对于环境温度波动具有和工作端相同的响应。

由于补偿端的直流偏置功率对于环境温度波动具有和工作端相同的响应，则可以通过补偿端的直流偏置功率变化得到任意时刻工作端的初始直流偏置功率，从而根据补偿端的直流偏置功率变化与工作端的初始直流偏置功率的对应关系，对工作端的初始直流偏置功率进行补偿，降低因温度变化等因素而导致对太赫兹功率测量的误差，从而可提高太赫兹功率测量的精确度。

具体的，如图4所示，本发明实施例提供了一种基于太赫兹功率测量的热补偿方法，所述方法包括：

接收太赫兹功率，测量补偿端的直流偏置功率变化；

根据测量的所述补偿端的直流偏置功率变化得到工作端的直流偏置功率变化；

根据所述补偿端的直流偏置功率变化和所述工作端的直流偏置功率变化对所述工作端的初始直流偏置功率进行补偿。

具体的，将工作端的第一热敏电阻记为电阻A，根据传热学基本定律，可知：

其中P_A为工作端的第一热敏电阻吸收的直流偏置功率和太赫兹功率之和，T_A和T_B分别为工作端的第一热敏电阻温度和补偿端的第二热敏电阻温度，C为工作端的第一传感芯片或补偿端的第二传感芯片的热容，T_G为外壳的温度，外壳可为热地，工作端的第一传感芯片和补偿端的第二传感芯片的热量传输至外壳再散热，而h为外壳表面传热系数，A为散热的等效面积，R_G,A为对外壳的等效热阻，R_AB为工作端和补偿端之间的等效热阻。

当加入太赫兹功率时，第一波导壁损耗功率发热。部分热量传递至第一热敏电阻，相当于环境温度升高也会导致直流偏置功率减小，因此工作端的第一热敏电阻吸收的直流偏置功率和微波功率之和P_A为：

其中P_W为第一波导壁损耗的功率，与加入的太赫兹功率成比例，k为其对直流偏置功率的等效系数。

将补偿端的第二热敏电阻记为电阻B，由于在补偿端和工作端之间增加了第一铜片和第二铜片，所述第一铜片和所述第二铜片均包围着所述第一波导和所述第二波导，包围着两个波导的第一铜片和第二铜片作为热短路结构，热短路结构具有良好的传热性，波导发热功率对于工作端和补偿端的第一传感芯片和第二传感芯片的直流替代均有影响，因此补偿端的第二热敏电阻吸收的直流偏置功率和太赫兹功率P_B为：

其中R_G,B为补偿端的第二热敏电阻为对外壳的等效热阻。

当加入太赫兹功率时，第二波导壁损耗功率发热。部分热量传递至第二热敏电阻，相当于环境温度升高会导致直流偏置功率减小，因此补偿端的第二热敏电阻吸收的直流偏置功率和太赫兹功率之和P_B为：

其中P_W为第二波导壁损耗的功率，由于第一波导和第二波导相同，因此波导壁损耗的功率也相同，与加入的太赫兹功率成比例，k为其对直流偏置功率的等效系数。

对于式(3)，求解方程并代入初始条件T_A＝T_G可得到：

上式表示了在充分冷却后热敏电阻温度为外界温度的初始情况下，第一热敏电阻温度随加入功率后变化的过程。当t趋近于无穷时可以获得稳态状况：

当无太赫兹功率时，将上式变形可以得到：

当加入太赫兹功率时可以得到：

同样的对于补偿端的第二热敏电阻有：

当无太赫兹功率时，则：

当加入太赫兹功率时，则：

因此由上可知，稳态时热敏电阻阻值稳定，温度稳定，波导内部损耗的功率P_W与太赫兹入射功率成比例，当入射功率稳定，P_W为常数，当不加入太赫兹功率时P_W为0。因此当外界环境温度T_G变化时，为了使等式成立，直流偏置功率会产生相应的变化。

在所述第一波导、所述第二波导、所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻外表面设置有填充物，所述填充物可为密实的高热阻填充物纳米二氧化硅，用以减小对流对热分析的影响。考虑到内部主要通过波导向热地的路径进行热传导，因此在所述第一波导、所述第二波导、所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻外表面设置填充物以后，则hA一项可以忽略不计，对地等效热阻会相应变小。

因此，根据式(3)至式(12)，在所述第一波导、所述第二波导、所述第一热敏电阻和所述第二热敏电阻外表面设置填充物以后，外界环境温度变化设为ΔT_G，则工作端第一热敏电阻吸收的直流偏置功率需要变化

补偿端第二热敏电阻吸收的直流偏置功率需要变化

加入太赫兹功率后波导损耗功率P_W对工作端和补偿端的影响一致，设波导损耗功率变化为ΔP_W，则工作端和补偿端的直流偏置功率变化为-kΔP_W。

因此，当无太赫兹功率加入时，检测到补偿端的第二热敏电阻吸收的直流偏置功率变化ΔP_B时，则工作端第一热敏电阻吸收的直流偏置功率对应变化为

当无太赫兹功率加入的条件下环境温度变化时，工作端和补偿端的直流偏置功率变化之比

因此，当有太赫兹功率加入的情况下，检测到补偿端的第二热敏电阻吸收的直流偏置功率变化为

其中包含有温度变化的影响也有波导壁发热的影响。则此时工作端第一热敏电阻吸收的直流偏置功率变化为

忽略波导损耗功率变化为ΔP_W，近似地可以认为

因此，当外界环境温度T_G变化时,根据kΔP_W对所述工作端的初始直流偏置功率进行补偿。

如图5所示，为本发明实施例提供的基于热补偿传感器中加入太赫兹功率前后直流偏置功率变化情况，根据加入太赫兹功率前后补偿端直流偏置功率的整体变化，可以得到，当第二热敏电阻端吸收2mW太赫兹功率时，补偿端直流偏置功率会整体下降kΔP_w≈36μW。

因此，环境温度变化等因素导致太赫兹功率测量会带来的误差约为：

相对于上述因环境温度变化等因素带来的直流偏置功率最大180μW的波动影响，1.08μW的误差是可以被忽略不计的。

因此，当检测到补偿端直流偏置功率变化ΔP_B时，工作端直流偏置功率变化为

而

可以而由无太赫兹功率条件下环境温度变化时工作端和补偿端的直流偏置功率变化之比ΔP_A/ΔP_B得到。若

近似为1时可以认为ΔP_A＝ΔP_B。在发明实施例中温度波动导致直流偏置功率变化最大180μW，

该近似最多带来约5.4μW的误差。

最终工作端和补偿端的热敏电阻直流偏置功率曲线以及预测的工作端的热敏电阻偏置功率曲线对比如图6所示。

由于所述传感器的内部噪声和/或空气对流的微观变化影响，导致在短时间内分析太赫兹功率曲线随机误差较大。优选的，在接收太赫兹功率，测量补偿端的直流偏置功率变化，之前还包括：通过算数均值滤波方式对测量结果进行预处理以减小随机噪声扰动导致的随机误差。

具体的，首先将将补偿端及工作端接入工作电路并充分预热；充分预热后进行清零操作，即，不加功率测得一组工作端和补偿端的初始直流偏置功率，取平均值后分别为P_A1和P_B1；则在时刻t工作端的初始直流平衡功率应该为P_A1,t＝P_A1+(P_B,t-P_B1)；P_B,t为补偿端测得当前时刻直流偏置功率；在时刻t工作端替代功率应该计算为P_sub＝P_A,t-P_A1,t。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种基于太赫兹功率测量的热补偿方法，其特征在于，包括：

接收太赫兹功率，测量补偿端的直流偏置功率变化；

根据测量的所述补偿端的直流偏置功率变化得到工作端的直流偏置功率变化；

根据所述补偿端的直流偏置功率变化和所述工作端的直流偏置功率变化对所述工作端的初始直流偏置功率进行补偿。

2.根据权利要求1所述的基于太赫兹功率测量的热补偿方法，其特征在于，所述接收太赫兹功率，测量补偿端的直流偏置功率变化，具体包括：

接收太赫兹功率，计算所述补偿端的直流偏置功率与所述太赫兹功率之和P_B：

其中T_A和T_B分别为所述工作端的第一热敏电阻温度和所述补偿端的第二热敏电阻温度，C为工作端的第一传感芯片或补偿端的第二传感芯片的热容，T_G为外壳的温度，h为外壳表面传热系数，A为散热的等效面积，R_G,B为补偿端对外壳的等效热阻，R_AB为工作端和补偿端之间的等效热阻，P_W为第一波导或第二波导壁损耗的功率，k为其对直流偏置功率的等效系数；

当外界环境温度T_G变化时，则补偿端的直流偏置功率变化ΔP_B为：

其中，ΔP_W为第一波导或第二波导壁损耗的功率变化。

3.根据权利要求2所述的一种基于太赫兹功率测量的热补偿方法，其特征在于，所述根据测量的所述补偿端的直流偏置功率变化得到工作端的直流偏置功率变化，具体包括：

接收太赫兹功率，计算所述工作端的直流偏置功率与所述太赫兹功率之和P_A：

其中，R_G,A为对外壳的等效热阻；

当外界环境温度T_G变化时，则工作端的直流偏置功率变化ΔP_A为：

4.根据权利要求3所述的一种基于太赫兹功率测量的热补偿方法，其特征在于，所述根据所述补偿端的直流偏置功率变化和所述工作端的直流偏置功率变化对所述工作端的初始直流偏置功率进行补偿，具体包括：

当无太赫兹功率加入时，则检测补偿端的直流偏置功率变化ΔP_B为：

当无太赫兹功率加入时，则检测工作端的直流偏置功率变化ΔP_A为：

则

当外界环境温度T_G变化时,根据kΔP_W对所述工作端的初始直流偏置功率进行补偿。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于太赫兹功率测量的热补偿方法，其特征在于，在接收太赫兹功率，测量补偿端的直流偏置功率变化，之前还包括：

通过算数均值滤波方式对所述补偿端的直流偏置功率变化和工作端的直流偏置功率变化进行预处理。

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