CN113503969A - 一种制冷型红外探测器多工位测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种制冷型红外探测器多工位试系统及方法，应用于红外探测器测试领域，针对现有的多工位测试技术存在的测试成本高、效率低下的问题，本发明通过对多个被测件制冷机同时供电的方式节约了大量制冷机到温所需时间，通过上位机软件控制矩阵开关选通的方式大大节约了对多颗被测件进行测试的硬件成本，通过上位机软件自动控制整个测试过程的进行明显提升了测试效率，减少人员操作的干扰，提高测试结果的可靠性，并大大减少了测试人员的工作量，节约人力成本。

Description

一种制冷型红外探测器多工位测试系统及方法

技术领域

本发明属于红外探测器测试领域，特别涉及一种制冷型红外探测器多工位测试技术。

背景技术

红外探测器是一种将入射的红外辐射信号转换为电信号输出的器件，在军事、工业、医疗卫生、科学研究及环境监测等各领域有着广泛的应用。红外探测器可分为制冷型红外探测器和非制冷型红外探测器。非制冷红外探测器体积小、成本低，在民用和一般军事需求领域应用广泛。制冷型红外探测器灵敏度高、探测距离远、响应速度快并且性能稳定，在航空航天和高精尖的国防军事领域有着广泛的应用。

随着制冷型红外探测器的研发与生产技术日趋成熟完善，国内与国际市场对制冷型红外探测器的需求日益增加，制冷型红外探测器的成本逐步降低的同时也伴随着出货量的日益增大。由于制冷型红外探测器体积较大、驱动要求较高，现有的红外测试系统在对制冷型红外探测器测试时均是针对单颗进行测试，测试效率低、自动化程度低。配置多套测试系统又会导致采购成本、人员成本与设备占用空间的急剧增加，厂商还将面临测试实验室的扩建需求问题。

各个厂商生产的制冷型红外探测器的类型多种多样且在持续发展，对应的驱动要求也是多种多样的。因此，测试系统应该具有通用性和易升级的特点。随着工艺的成熟和技术的提升，目前探测器的噪声越来越小，这要求测试系统的噪声也需要做到很低的水平，测试系统噪声需要在150uV以下。然而当前市场上能够达到此噪声水平的测试系统还是空白，很多厂商不得不自己针对某款特定探测器设计测试电路板来进行测试，这样的话，测试系统的通用性和可扩展性就得不到保证，且由于不同探测器使用不同的测试板，不同类型探测器的性能进行对比的可靠性不够高。

一般探测器的某一路偏压的大小对于探测器的性能会有重要影响，如二极管偏压Gpol。由于工艺水平的限制，不同探测器的最佳性能对应的偏压值与典型值会有不同的差异。如果用户只按照典型值来使用器件，无法发挥器件的最佳性能，由于制冷型红外探测器的应用场景对其探测器的性能要求较为苛刻，所以为了更好地服务客户，探测器厂商们也产生了测试时寻找探测器最佳偏压的需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种准确可靠、通用性强、集约高效、易升级的制冷型红外探测器多工位测试系统及方法。

本发明采用的技术方案之一为：一种制冷型红外探测器多工位测试系统，包括：载有黑体的位移台、与位移台平行设置的包括多个测试工位的载物台，每个测试工位安装一颗被测的制冷型红外探测器，每个测试工位还配置有接口板，接口板与对应被测的制冷型红外探测器的引脚相连；

还包括：直流电源、矩阵开关、偏压模块、时序模块、采集模块以及控制处理服务器；直流电源用于给被测的制冷型红外探测器的制冷机供电；矩阵开关在控制处理服务器的控制下选择测试工位；偏压模块与时序模块在控制处理服务器的控制下通过矩阵开关向当前被测的制冷型红外探测器提供偏压信号以及时序信号，驱动当前被测的制冷型红外探测器工作；被测的制冷型红外探测器的输出信号通过矩阵开关传输至采集模块，采集模块将采集到的数据传输至控制处理服务器；控制处理服务器控制载有黑体的位移台移动，黑体的辐射面中心正对被测的制冷型红外探测器的窗口中心。

作为优选方式，所述黑体为面源黑体。

所述采集模块为模拟采集卡或是数字采集卡。

所述接口板将探测器的输出整体加减某一个电平值Vcom，来实现通过小电压范围(一般是±1V)的档位进行采集，在此基础上进行分析计算，得到探测器的参数指标。

所述接口板与矩阵开关的接线采用等长的高品质线缆。系统在正式使用前，应对系统提供偏压的链路进行标定，并对系统的采集链路进行标定。

所述载物台与被测制冷型红外探测器之间的安装固定方式采用隔震设计，确保在所有被测探测器制冷机到温的情况下震动不会影响测试结果。

本发明采用的技术方案之二为：一种制冷型红外探测器多工位的测试方法，基于上述系统进行测试，具体的：直流电源给所有被测的制冷型红外探测器的制冷机供电，等待制冷机到温后，通过矩阵开关选通被测的制冷型红外探测器，并提供偏压与时序信号给当前被测的制冷型红外探测器，移动黑体对准当前被测的制冷型红外探测器的窗口的中心，分别采集高温辐射和低温辐射下的被测的制冷型红外探测器输出，分析计算出当前被测的制冷型红外探测器的参数指标；所述矩阵开关在控制处理服务器的控制下一次选通一个被测的制冷型红外探测器。

还包括：开启黑体，并将黑体温度设置到低温T1，并移动到当前被测的制冷型红外探测器所对应的位置，确保被测件窗口对准黑体中心；完成低温测试后再将黑体温度设置到高温T2，接着完成高温测试。

采用两台黑体，分别设置为低温T1和高温T2，即先低温对准被测探测器，使用采集模块采集一次，然后让高温对准被测探测器，使用采集模块采集一次。

还包括：自动寻找最佳偏压值的过程，具体为：采用噪声或NETD指标作为最佳偏压值的判断依据，选择某一路偏压作为调节对象Vadjust，如Gpol；本领域的技术人员应知Gpol是实际部分探测器的一路偏压的名称。Gpol一般就可以选定为Vadjust。

选择噪声作为最佳偏压值的判断依据时，探测器对准低温黑体并正常工作后，首先设置Vadjust为典型值，采集计算出当前条件下噪声值，然后确认寻找范围和步长，上位机软件自动控制系统并计算出不同Vadjust值下对应的噪声情况，判定噪声最小值对应的Vadjust值为最佳偏压值；

选择NETD作为最佳偏压值的判断依据时，首先设置Vadjust为典型值，移动高低温黑体或是控制单台黑体的升降温，采集计算出当前Vadjust对应的NETD的大小，然后确认寻找范围和步长，上位机软件自动控制系统并计算出不同Vadjust值下对应的NETD情况，判定NETD最小值对应的Vadjust值为最佳偏压值。

还包括：对未标定的测试系统，或是已定标的测试系统更换了新的接口板，均应对系统的偏压提供链路以及采集链路进行标定。

在对偏压链路进行标定时，使用测量精度达到6位半及以上的高精度数字万用表对偏压链路上相关的电阻及电容等元器件进行测量，将偏离其标称精度的元器件进行更换，直到所有相关的元器件的实测值均满足设计要求。令偏压模块的所有通道发送偏压值Vs1，测量引线环端对应的偏压值Vt1，以一定的步长设定偏压Vs2…Vsn，n≥10，用高精度万用表测得引线环端对应的偏压值Vt2…Vtn。通过最小二乘法拟合得到设定值和实测值之间的线性关系的系数k1和b1。上位机软件对设定的偏压值进行修正从而提高引线环端的偏压值的准确性。

在对采集链路进行标定时，使用测量精度达到6位半及以上的高精度数字万用表对采集链路上相关的电阻及电容等元器件进行测量，将偏离其标称精度的元器件进行更换，直到所有相关的元器件的实测值均满足设计要求。将偏压模块的输出端口通过高品质线缆与引线环端的探测器模拟输出通道接口相连，令偏压模块发送偏压，并使用高精度数字万用表进行测量，记录测量值Vo1，通过采集模块采集经过采集链路传输过来的偏压信号，采集值记录为Vacq1，以一定的步长设定偏压并使用高精度万用表实测偏压值Vo2…VoN，N≥10，使用采集模块采集得到对应值Vacq2…VacqN。通过最小二乘法拟合得到原始值[Vo1,VoN]和采集值[Vacq1,VacqN]之间的线性关系的系数k2和b2。上位机软件对采集值进行修正，得到准确度更高的采集值。

采集链路标定针对的是使用的是模拟采集卡的采集模块，使用数字采集卡的采集模块无需进行标定。

本发明的有益效果：本发明的方法通过对多个被测件制冷机同时供电的方式节约了大量制冷机到温所需时间，通过上位机软件控制矩阵开关选通的方式大大节约了对多颗被测件进行测试的硬件成本，通过上位机软件自动控制整个测试过程的进行明显提升了测试效率，减少人员操作的干扰，提高测试结果的可靠性，并大大减少了测试人员的工作量，节约人力成本。通过硬件设计结合软件控制，实现模拟类型的输出信号的低噪声采集。系统整个架构进行模块化设计处理，易扩展升级。提供了寻找最佳偏压的方法，自动寻找最佳偏压，有助于满足特殊应用场景下对探测器的要求。

附图说明

图1为本发明的系统组成框图；

图2为本发明的测试方法流程图；

图3为寻找最佳偏压的方法流程图；

图4为偏压链路标定的方法流程图；

图5为采集链路标定的方法流程图；

其中，1为黑体、2为位移台、3为载物台、4为被测件(制冷型红外探测器)、5为引线环、6为接口板、7为直流电源、8为矩阵开关、9为偏压模块、10为时序模块、11为采集模块、12为控制处理服务器。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

如图1所示，一种制冷型红外探测器多工位测试系统，包括黑体1、位移台2、载物台3、被测件4、引线环5、接口板6、直流电源7、矩阵开关8、偏压模块9、时序模块10、采集模块11、控制处理服务器12。多颗被测件安装于载物台上，引线环5将探测器上集成的引脚引出，每个测试工位配置有对应的接口板6，接口板6将探测器引线环5引出的引脚转换成便于与系统其他模块相连的引脚形式，直流电源7负责给探测器的制冷机供电，矩阵开关8用于选择被测工位并将偏压模块9与时序模块10提供的偏压信号以及时序信号提供给当前被测探测器，驱动当前被测探测器工作并将探测器的输出信号传输至采集模块，采集模块将采集到的数据传输至控制处理服务器，控制处理服务器可控制载有黑体的位移台的移动，黑体的辐射面正对被测探测器的窗口中心。

本发明的控制服务器上安装有上位机软件。

所述接口板6采用了低噪声的设计。通过将被测的制冷型红外探测器的输出整体拉至某一范围来匹配采集卡的低噪声采集档位。具体的：接口板将探测器的输出整体加减某一个电平值Vcom，来实现通过小电压范围(一般是±1V)的档位进行采集，在此基础上进行分析计算，得到探测器的参数指标。

作为优选方式，所述偏压模块9由源测量单元组成，源测量单元安装于PXI机箱中，PXI机箱可以安装多个源测量单元或是时序发生卡，因此，所述构成偏压模块的源测量单元可根据需要增删，且支持通过上位机指令控制。

作为优选方式，所述时序模块10由时序发生卡组成，支持通过上位机软件指令控制。

作为优选方式，上位机软件能够控制完成黑体的升降温，位移台移动控制，矩阵开关的选通，偏压模块、时序模块和采集模块的工作，并具有参数计算、报表生成等功能。

作为优选方式，上位机软件能够对整个测试流程进行自动控制，自动完成所有被测件的测试工作。

所述采集模块采用模拟采集卡或是数字采集卡。对于模拟采集卡来说，具有多档位可选，如±1V，±2V，±5V，档位对应的电压范围越小，噪声越小。本领域技术人员应知数字采集卡采用数字信号，数字信号本身就具有较强的抗干扰能力。

相比于目前单颗探测器的测试往往通过一块集成有供电、偏压、时序、采集等功能的定制化测试接口对探测器进行测试；本发明将制冷机供电、接口板、偏压模块、时序模块以及采集模块进行了清晰的划分，便于系统的扩展和改动，通用性较强。另外，本发明对每个测试工位，单独配置测试接口板，这对于系统后期的维护、测试对象的变更提供了便利。

本实施例还提供一种制冷型红外探测器多工位测试方法，利用上述系统进行测试，该方法为：用直流电源对所有被测件的制冷机进行同时供电，制冷机到温后，上位机软件控制矩阵开关的选通，将偏压和时序提供给当前被测件以驱动被测件正常工作，上位机软件控制黑体的移动或是升降温，分别采集被测件在低温和高温辐照下的输出，计算出被测件的参数指标，然后控制矩阵开关选通下一个待测被测件进行上述测试，直至所有被测件测试完成。

如图2所示为本发明测试多颗制冷型红外探测器流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤1：给制冷机同时供电

根据被测件制冷机的功耗情况和被测件的数量，选择一台或多台直流电源给制冷机同时供电。

步骤2：打开黑体，并设置黑体温度

本实施例使用两台黑体，一台设置为低温T1，一台设置为高温T2。根据常规的测试条件，T1为20℃，T2为35℃。

步骤3：待制冷机到温后，控制矩阵开关选通并驱动当前被测件

通过矩阵开关将偏压和时序信号传输至当前被测件对应的接口板上，接口板通过引线环将偏压和时序信号传输给被测件，从而驱动被测件工作。

步骤4：控制黑体移动，控制低温黑体对准被测件窗口，采集f帧低温数据VDS[T1,f]，然后令高温黑体对准被测件窗口，采集f帧高温数据VDS[T2,f]，计算出探测器的参数指标并生成测试报告。

根据国标《GBT 17444-2013》可计算出平均响应率、响应率非均匀性、平均噪声电压、噪声等效温差、固定图像噪声、有效像元率等多个探测器的参数指标。

步骤5：停止发送偏压和时序，并控制矩阵开关选通下个待测被测件，将选通的被测件作为当前被测件。

步骤6：发送偏压和时序信号驱动当前被测件，按照步骤4采集并处理数据得到当前被测件的测试结果。

步骤7：重复步骤5和6，直至测试所有被测件测试完成。

如图3所示，本发明还提供一种自动寻找最佳偏压值的方法，利用上述测试系统进行，该方法为：选择噪声或是NETD指标作为最佳偏压值的判断依据，选择某一路偏压作为调节对象Vadjust，如Gpol。

选择噪声作为最佳偏压值的判断依据时，探测器对准低温黑体并正常工作后，首先设置Vadjust为典型值，采集计算出当前条件下噪声值，然后确认寻找范围和步长，上位机软件自动控制系统并计算出不同Vadjust值下对应的噪声情况，判定噪声最小值对应的Vadjust值为最佳偏压值。这里的确认寻找范围和步长，比如：Vadjust典型值为1V，寻找范围和步长由用户自己填入，比如寻找范围为0.8V-1.2V，步长为0.1V，则系统自动会将Vadjust分别设置为0.8V、0.9V、1.0V、1.1V、1.2V情况下并计算出对应的噪声情况，选择噪声最小值对应的偏压值为最佳偏压值。

选择NETD作为最佳偏压值的判断依据时，首先设置Vadjust为典型值，移动高低温黑体或是控制单台黑体的升降温，采集计算出当前Vadjust对应的NETD的大小，然后确认寻找范围和步长，上位机软件自动控制系统并计算出不同Vadjust值下对应的NETD情况，判定NETD最小值对应的Vadjust值为最佳偏压值。这里的确认寻找范围和步长，比如：Vadjust典型值为1V，寻找范围和步长由用户自己填入，比如寻找范围为0.8V-1.2V，步长为0.1V，则系统自动会将Vadjust分别设置为0.8V、0.9V、1.0V、1.1V、1.2V情况下并计算出对应的NETD情况，选择NETD最小值对应的偏压值为最佳偏压值。

在上述测试之前，若系统未进行标定，或是系统更换了新的接口板，应对系统的偏压提供链路以及采集链路进行标定。

如图4所示为本发明对偏压链路进行标定的示意图，具体包括以下步骤：

步骤1：使用6位半及以上的高精度万用表实测偏压链路的相关元器件，对不符合精度要求的相关器件进行更换替代，确保所有相关元器件能满足设计要求。

步骤2：偏压模块按照一定步长发送偏压Vs1…Vsn,n≥10，使用高精度万用表实测引线环端对应的电压值Vt1…Vtn。

步骤3：根据最小二乘法，求出设定偏压值Vs与实测偏压值Vt之间的线性关系的系数k1、b1。

Vt＝k1*Vs+b1

其中，

步骤4：将k1、b1进行保存存储。在正常使用系统的时候，使用上位机软件加载k1、b1数据。上位机软件对于输入的设定值Vset，经过下述公式计算出发送值Vset1，将Vset1作为偏压值发送。

如图5所示为本发明对采集链路进行标定的示意图，采集链路标定针对的是使用的是模拟采集卡的采集模块，使用数字采集卡的采集模块无需进行标定。具体包括以下步骤：

步骤1：使用6位半及以上的高精度万用表实测采集链路的相关元器件，对不符合精度要求的相关器件进行更换替代，确保所有相关元器件能满足设计要求。

步骤2：偏压模块通过高品质线缆连接引线环端的模拟输出接口，按照一定步长发送偏压并用高精度万用表测量记录Vo1…VoN,N≥10，使用采集模块采集得到对应的电压值Vacq1…VacqN。

步骤3：根据最小二乘法，求出模拟输出值Vo与采集值Vacq之间的线性关系的系数k2、b2。

Vacq＝k2*Vo+b2

其中，

步骤4：将k2、b2进行保存存储。在正常使用系统的时候，使用上位机软件加载k2、b2数据。上位机软件对采集得到的数据Vacq按照如下公式进行处理，得到Vacq1，使用Vacq1进行参数计算。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种制冷型红外探测器多工位测试系统，其特征在于，包括：载有黑体的位移台、与位移台平行设置的包括多个测试工位的载物台，每个测试工位安装一颗被测的制冷型红外探测器，每个测试工位还配置有接口板，接口板与对应被测的制冷型红外探测器的引脚相连；

还包括：直流电源、矩阵开关、偏压模块、时序模块、采集模块以及控制处理服务器；直流电源用于给被测的制冷型红外探测器的制冷机供电；矩阵开关在控制处理服务器的控制下选择测试工位；偏压模块与时序模块在控制处理服务器的控制下通过矩阵开关向当前被测的制冷型红外探测器提供偏压信号以及时序信号，驱动当前被测的制冷型红外探测器工作；被测的制冷型红外探测器的输出信号通过矩阵开关传输至采集模块，采集模块将采集到的数据传输至控制处理服务器；控制处理服务器控制载有黑体的位移台移动，黑体的辐射面中心正对被测的制冷型红外探测器的窗口中心。

2.根据权利要求1所述的一种制冷型红外探测器多工位测试系统，其特征在于，所述采集模块为模拟采集卡或是数字采集卡。

3.根据权利要求2所述的一种制冷型红外探测器多工位测试系统，其特征在于，当采集器为模拟采集卡时，所述接口板还包括：将被测的制冷型红外探测器的输出整体加上或减去某一个电平值Vcom，将被测的制冷型红外探测器的输出适配至模拟采集卡的小电压范围的档位进行采集。

4.一种制冷型红外探测器多工位的测试方法，基于权利要求1-3任意一项所述的系统进行测试，具体的：直流电源给所有被测的制冷型红外探测器的制冷机供电，等待制冷机到温后，通过矩阵开关选通被测的制冷型红外探测器，并提供偏压与时序信号给当前被测的制冷型红外探测器，移动黑体对准当前被测的制冷型红外探测器的窗口的中心，分别采集高温辐射和低温辐射下的被测的制冷型红外探测器输出，分析计算出当前被测的制冷型红外探测器的参数指标；所述矩阵开关在控制处理服务器的控制下一次选通一个被测的制冷型红外探测器。

5.根据权利要求4所述的一种制冷型红外探测器多工位的测试方法，其特征在于，当采用一台黑体时，还包括：开启黑体，并先将黑体温度设置到低温T1，并移动到当前被测的制冷型红外探测器所对应的位置，确保被测的制冷型红外探测器的窗口对准黑体中心，使用采集模块对被测的制冷型红外探测器的输出进行采集，然后将黑体温度设置到高温T2，再次使用采集模块对被测的制冷型红外探测器的输出进行采集。

6.根据权利要求4所述的一种制冷型红外探测器多工位的测试方法，其特征在于，采用两台黑体时，设置其中一台黑体为低温T1，设置另一台黑体为高温T2，先将低温T1的黑体移动到当前被测的制冷型红外探测器所对应的位置，确保被测的制冷型红外探测器的窗口对准黑体中心，使用采集模块对被测的制冷型红外探测器的输出进行采集，然后让高温T2的黑体移动到当前被测的制冷型红外探测器所对应的位置，确保被测的制冷型红外探测器的窗口对准黑体中心，再次使用采集模块对被测的制冷型红外探测器的输出进行采集。

7.根据权利要求5或6所述的一种制冷型红外探测器多工位的测试方法，其特征在于，还包括：自动寻找最佳偏压值的过程，具体为：采用噪声或NETD指标作为最佳偏压值的判断依据，选择某一路偏压作为调节对象Vadjust，如Gpol；

当选择噪声作为最佳偏压值的判断依据时，探测器对准低温黑体并正常工作后，首先设置Vadjust为典型值，采集计算出当前条件下噪声值，然后确认寻找范围和步长，上位机软件自动控制系统并计算出不同Vadjust值下对应的噪声情况，判定噪声最小值对应的Vadjust值为最佳偏压值；

当选择NETD作为最佳偏压值的判断依据时，首先设置Vadjust为典型值，移动高低温黑体或是控制单台黑体的升降温，采集计算出当前Vadjust对应的NETD的大小，然后确认寻找范围和步长，上位机软件自动控制系统并计算出不同Vadjust值下对应的NETD情况，判定NETD最小值对应的Vadjust值为最佳偏压值。

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