CN113091918A - 一种热型红外探测器性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热型红外探测器的测试技术领域，具体公开了一种热型红外探测器性能测试方法，其中，包括：将热型红外探测器置于环境温度为的真空环境中；以恒流源偏置电流为探测器施加时长为的自热功率，记录热型红外探测器达到热平衡时的输出电压变化量；根据输出电压变化量‑表面温度函数关系计算热型红外探测器的表面温度，根据自热功率‑热导函数关系计算热型红外探测器的热导值；建立热导‑表面温度函数关系；获得热型红外探测器的发射率，根据发射率获得红外吸收率；获取热型红外探测器的噪声；根据等效温差‑噪声‑红外吸收率的函数关系，测得噪声等效温差。本发明提供的热型红外探测器性能测试方法测试简单且利用纯电学激励进行性能自测试。
Description
技术领域
本发明涉及热型红外探测器的测试技术领域，尤其涉及一种热型红外探测器性能测试方法。
背景技术
红外辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，任何物体都不停地辐射出红外能量，因此红外辐射可以提供客观世界的丰富信息。但由于人眼察觉不到红外辐射，因而红外探测器作为红外信息获取的关键器件显得尤为重要。热型红外探测器，作为红外探测器的一种，因制造成本低，性能稳定可靠，体积小，重量轻，功耗低而广泛应用于国防、热像测温、商用视觉等多个领域。
热型红外探测器利用热敏电阻、二极管、热电堆等作为热敏器件，当红外探测器吸收红外辐射时，探测器器件温度发生变化，探测器在器件温敏特性输出相应电信号。热型红外探测器的探测性能直接决定了探测器的探测精度，而探测性能是由探测器的器件结构、材料和工艺参数等热学参数相关。因而对于热型红外探测器的性能参数测试具备必要性。
表征探测器探测性能的参数包含噪声等效温差、响应率等，表征探测器热学性能的参数包含热容、热导、热响应时间、红外吸收率、发射率等。目前，针对热型红外探测器性能的测试是依据国标GBT13584-2011中的测试方法，需要用到黑体辐射源、脉冲激光器等昂贵的测试设备，且测试系统复杂，测试成本高。
因此，如何提供一种简单易行的利用纯电学激励的性能自测试方法成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种热型红外探测器性能测试方法，解决相关技术中存在的缺乏简单易行的利用纯电学激励的性能自测试方法的问题。
作为本发明的一个方面，提供一种热型红外探测器性能测试方法，其中，包括：
S110、将热型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I0为热型红外探测器施加时长为t的自热功率P0，并记录所述热型红外探测器达到热平衡时的输出电压变化量ΔV0；
S130、根据所述热型红外探测器达到热平衡时的输出电压变化量-表面温度函数关系计算所述热型红外探测器的表面温度Tc，以及根据所述热型红外探测器达到热平衡时的自热功率-热导函数关系计算所述热型红外探测器的热导值G；
S140、改变所述恒流源偏置电流I0的大小，重复步骤S120和步骤S130，获得多组不同的热型红外探测器的表面温度和热导值，并拟合建立热型红外探测器的热导-表面温度函数关系；
S150、根据所述热型红外探测器的热导-表面温度函数关系，提取所述热型红外探测器的发射率ε；
S160、根据所述热型红外探测器的发射率-红外吸收率函数关系，提取热型红外探测器的红外吸收率η；
S170、获取热型红外探测器的噪声Vn；
S180、根据热型红外探测器的等效温差-噪声-红外吸收率的函数关系，获得所述热型红外探测器的噪声等效温差NETD。
进一步地，所述获得多组不同的热型红外探测器的表面温度和热导值，包括：
获得不少于10组不同的热型红外探测器的表面温度和热导值。。
进一步地，所述记录多组不同的热型红外探测器的表面温度和热导值，包括：
所述热型红外探测器的表面温度Tc高于环境温度T0的温差不小于100℃。
进一步地，所述热平衡表示热型红外探测器的自热功率达到恒定，产生的焦耳热与热型红外探测器的散热达到动态平衡的状态。
进一步地，所述热型红外探测器的热导表示包含固体热导和辐射热导的总热导。
进一步地，所述获取热型红外探测器的噪声Vn，包括：
给所述热型红外探测器施加正常工作的偏置源，测得所述热型红外探测器的噪声Vn；
其中所述偏置源包括电压源和电流源，施加的所述偏置源的类型与所述热型红外探测器的类型相关。
进一步地，所述热型红外探测器的类型包括热阻型红外探测器、二极管型红外探测器和热电堆型红外探测器中的任意一种，其中所述热阻型红外探测器、二极管型红外探测器和热电堆型红外探测器均包括薄膜式和谐振腔式两种类型。
进一步地，所述真空环境的真空度不大于0.1Pa。
进一步地，所述自热功率P0的施加时长t大于或者等于热型红外探测器的时间常数的10倍。
进一步地，所述热型红外探测器达到热平衡时的输出电压变化量-表面温度函数关系的表达式为：
Tc＝Z(ΔV0,T0)；
所述热型红外探测器达到热平衡时的自热功率-热导函数关系的表达式为：
G＝S(P0,T0,Tc)；
所述热型红外探测器的热导-表面温度函数关系的表达式为：
G＝F(Tc,T0)；
所述热型红外探测器的热导-发射率函数关系的表达式为：
ε＝H(G)；
所述的热型红外探测器发射率-红外吸收率函数关系，为：
η＝Q(ε)；
所述热型红外探测器的噪声等效温差-噪声-红外吸收率的函数关系的表达式为：
NETD＝U(Vn,η)。
本发明提供的热型红外探测器性能测试方法，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，热平衡时探测器热导、探测器表面温度与发射率的函数关系遵循辐射定律，通过多组测试所得的热平衡时探测器热导、表面温度数据拟合出探测器热导-表面温度函数，实现对探测器发射率、红外吸收率的测试，再由探测器正常偏置工作时测得的噪声，实现对探测器噪声等效温差的测试。整个测试过程所需测试激励均为电学激励，具备测试设备简单、易操作、测试成本低的优势。
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。
图1为本发明提供的热型红外探测器性能测试方法的流程图。
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热型红外探测器性能测试方法，图1是根据本发明实施例提供的热型红外探测器性能测试方法的流程图，如图1所示，包括：
S110、将热型红外探测器置于环境温度为T0的真空环境中；
具体地，在本发明实施例中，将热型红外探测器置于的真空环境的真空度不大于0.1Pa。
S120、以恒流源偏置电流I0为热型红外探测器施加时长为t的自热功率P0，并记录所述热型红外探测器达到热平衡时的输出电压变化量ΔV0；
在一些实施方式中，所述自热功率P0的施加时长t大于或者等于热型红外探测器的时间常数的10倍。
需要说明的是，本发明实施例所述的热型红外探测器达到热平衡是指，热型红外探测器的自热功率达到恒定，产生的焦耳热与热型红外探测器的散热达到动态平衡的状态。此时热型红外探测器表面温度稳定不变，输出电压稳定。
S130、根据所述热型红外探测器达到热平衡时的输出电压变化量-表面温度函数关系计算所述热型红外探测器的表面温度Tc，以及根据所述热型红外探测器达到热平衡时的自热功率-热导函数关系计算所述热型红外探测器的热导值G；
需要说明的是，所述热型红外探测器的表面温度Tc高于环境温度T0的温差不小于100℃。
优选地，所述热型红外探测器达到热平衡时的输出电压变化量-表面温度函数关系的表达式为：
Tc＝Z(ΔV0,T0)。
需要说明的是，函数Z为热型红外探测器的输出电压变化量与热型红外探测器温差变化之间的函数关系，利用热型红外探测器已知的温敏特性参数，如电压温度灵敏度或塞贝克系数或电阻温度灵敏度等求解热型红外探测器表面温度。
优选地，所述热型红外探测器达到热平衡时的自热功率-热导函数关系的表达式为：
G＝S(P0,T0,Tc)。
需要说明的是，在高真空环境中，探测器总热导G主要包含辐射热导、固体热导，忽略气体热导，由测试的热型红外探测器表面温差变化和自热功率，根据热平衡方程求解热型红外探测器总热导。
S140、改变所述恒流源偏置电流I0的大小，重复步骤S120和步骤S130，获得多组不同的热型红外探测器的表面温度和热导值，并拟合建立热型红外探测器的热导-表面温度函数关系；
优选地，所述热型红外探测器的热导-表面温度函数关系的表达式为：
G＝F(Tc,T0)。
需要说明的是，根据斯特藩-玻尔兹曼定律，热型红外探测器的辐射热导与表面温度的三次方成正比，而固体热导与表面温度的一次方成正比，故热型红外探测器的总热导与表面温度存在函数关系。
在本发明实施例中，提取热型红外探测器总热导与表面温度函数关系理论推导过程如下：
在真空环境中，当敏感区温度Tc远高于环境温度T0时，气体热导可忽略，热型红外探测器总热导为固体热导Gs与辐射热导Gr之和：
G＝Gs+Gr
根据斯特藩-波尔斯曼热辐射定律：
Gr·(Tc-T0)＝σ·ε·(Tc-T0)4
经过化简可得：
Gr＝σεA(Tc 2+T0 2)(Tc+T0)
固体热导Gs由器件自身结构参数确定，与温度无关，因而：
G＝σεA(Tc 2+T0 2)(Tc+T0)+Gs
由上式可得，热型红外探测器的总热导与探测器表面温度Tc的呈三次项函数关系，且三次项系数包含探测器的热学参数发射率ε。
在发明实施例中，获得不同的热型红外探测器的表面温度和热导值的组数不少于10组。
S150、根据所述热型红外探测器的热导-表面温度函数关系，提取所述热型红外探测器的发射率ε；
具体地，根据所述热型红外探测器的热导-表面温度函数关系中的所述热型红外探测器的热导-发射率函数关系提取所述热型红外探测器的发射率ε；
优选地，所述热型红外探测器的热导-发射率函数关系的表达式为：
ε＝H(G)。
需要说明的是，热型红外探测器总热导与表面温度的三次方的比例系数与探测器在此温度下的发射率相关。
S160、根据所述热型红外探测器的发射率-红外吸收率函数关系，提取所述热型红外探测器的红外吸收率η。
优选地，所述热型红外探测器的发射率-红外吸收率函数关系的表达式为：
η＝Q(ε)。
需要说明的是，根据基尔霍夫热辐射热学定律，在热平衡条件下，物体对热辐射的吸收率恒等于同等温度下的发射率。即当探测器处于热平衡状态时：
η＝ε。
S170、获取热型红外探测器的噪声Vn；
具体地，给所述热型红外探测器施加正常工作的偏置源，测得所述热型红外探测器的噪声Vn；
其中所述偏置源包括电压源和电流源，施加的所述偏置源的类型与所述热型红外探测器的类型相关。
在本发明实施例中，所述热型红外探测器的类型包括热阻型红外探测器、二极管型红外探测器和热电堆型红外探测器中的任意一种，其中所述热阻型红外探测器、二极管型红外探测器和热电堆型红外探测器均包括薄膜式和谐振腔式两种类型。
优选地，针对二极管型红外探测器施加的所述偏置源的类型为电流型，针对热阻型红外探测器和热电堆型红外探测器所施加的所述偏置源的类型为电压型。
S180、根据热型红外探测器的等效温差-噪声-红外吸收率的函数关系，获得所述热型红外探测器的噪声等效温差NETD。
具体地，所述热型红外探测器的噪声等效温差-噪声-红外吸收率的函数关系的表达式为：
NETD＝U(Vn,η)。
优选地，热型红外探测器的噪声等效温差为：
其中，F表示透镜F数，A表示探测器敏感区面积，δ表示透镜红外透过率，dT/dP为黑体单位温度辐射亮度，均为已知数。热型红外探测器的噪声可由探测器工作在正常偏置源下采集获得，当利用电学激励方法测得探测器的红外吸收率时，根据上述公式，即可实现热型红外探测器噪声等效温差的电学激励自测试。
本发明实施例提供的热型红外探测器性能测试方法，在真空环境中，通过调节恒流源偏置大小分别为热型红外探测器施加不同大小的自热功率，热平衡后，热型红外探测器在自热效应下表面温度发生变化，通过测试多组不同自热功率下热平衡时探测器总热导与表面温度，根据斯特藩-玻尔兹曼定律，由拟合出的探测器总热导与表面温度函数提取探测器的发射率，根据基尔霍夫热辐射定律求得探测器的红外吸收率。最后，根据热型红外探测器正常偏置工作下的测试噪声，可计算得到探测器的噪声等效温差。整个测试过程通过使用电学激励替代物理激励，实现了热型红外探测器性能的自测试。
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)
1.一种热型红外探测器性能测试方法，其特征在于，包括：
S110、将热型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I0为热型红外探测器施加时长为t的自热功率P0，并记录所述热型红外探测器达到热平衡时的输出电压变化量ΔV0；
S130、根据所述热型红外探测器达到热平衡时的输出电压变化量-表面温度函数关系计算所述热型红外探测器的表面温度Tc，以及根据所述热型红外探测器达到热平衡时的自热功率-热导函数关系计算所述热型红外探测器的热导值G；
S140、改变所述恒流源偏置电流I0的大小，重复步骤S120和步骤S130，获得多组不同的热型红外探测器的表面温度和热导值，并拟合建立热型红外探测器的热导-表面温度函数关系；
S150、根据所述热型红外探测器的热导-表面温度函数关系，提取所述热型红外探测器的发射率ε；
S160、根据所述热型红外探测器的发射率-红外吸收率函数关系，提取热型红外探测器的红外吸收率η；
S170、获取热型红外探测器的噪声Vn；
S180、根据热型红外探测器的等效温差-噪声-红外吸收率的函数关系，获得所述热型红外探测器的噪声等效温差NETD。
2.根据权利要求1所述的热型红外探测器性能测试方法，其特征在于，所述获得多组不同的热型红外探测器的表面温度和热导值，包括：
获得不少于10组不同的热型红外探测器的表面温度和热导值。
3.根据权利要求1所述的热型红外探测器性能测试方法，其特征在于，所述热型红外探测器的表面温度Tc高于环境温度T0的温差不小于100℃。
4.根据权利要求1所述的热型红外探测器性能测试方法，其特征在于，所述热平衡表示热型红外探测器的自热功率达到恒定，产生的焦耳热与热型红外探测器的散热达到动态平衡的状态。
5.根据权利要求1所述的热型红外探测器性能测试方法，其特征在于，所述热型红外探测器的热导表示包含固体热导和辐射热导的总热导。
6.根据权利要求1所述的热型红外探测器性能测试方法，其特征在于，所述获取热型红外探测器的噪声Vn，包括：
给所述热型红外探测器施加正常工作的偏置源，测得所述热型红外探测器的噪声Vn；
其中所述偏置源包括电压源和电流源，施加的所述偏置源的类型与所述热型红外探测器的类型相关。
7.根据权利要求1所述的热型红外探测器性能测试方法，其特征在于，所述热型红外探测器的类型包括热阻型红外探测器、二极管型红外探测器和热电堆型红外探测器中的任意一种，其中所述热阻型红外探测器、二极管型红外探测器和热电堆型红外探测器均包括薄膜式和谐振腔式两种类型。
8.根据权利要求1所述的热型红外探测器性能测试方法，其特征在于，所述真空环境的真空度不大于0.1Pa。
9.根据权利要求1所述的热型红外探测器性能测试方法，其特征在于，所述自热功率P0的施加时长t大于或者等于热型红外探测器的时间常数的10倍。
10.根据权利要求1所述的热型红外探测器性能测试方法，其特征在于，
所述热型红外探测器达到热平衡时的输出电压变化量-表面温度函数关系的表达式为：
Tc＝Z(ΔV0,T0)；
所述热型红外探测器达到热平衡时的自热功率-热导函数关系的表达式为：
G＝S(P0,T0,Tc)；
所述热型红外探测器的热导-表面温度函数关系的表达式为：
G＝F(Tc,T0)；
所述热型红外探测器的热导-发射率函数关系的表达式为：
ε＝H(G)；
所述的热型红外探测器发射率-红外吸收率函数关系，为：
η＝Q(ε)；
所述热型红外探测器的噪声等效温差-噪声-红外吸收率的函数关系的表达式为：
NETD＝U(Vn,η)。
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