RU2603338C1 - Method of calibrating sensor containing heat-sensitive element - Google Patents
Method of calibrating sensor containing heat-sensitive element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2603338C1 RU2603338C1 RU2015137683/28A RU2015137683A RU2603338C1 RU 2603338 C1 RU2603338 C1 RU 2603338C1 RU 2015137683/28 A RU2015137683/28 A RU 2015137683/28A RU 2015137683 A RU2015137683 A RU 2015137683A RU 2603338 C1 RU2603338 C1 RU 2603338C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hse
- resistance
- tec
- electric pulse
- energy
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 2
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для калибровки датчиков, содержащих термочувствительные элементы (ТЧЭ), например болометра.The invention relates to the field of measurement technology and can be used to calibrate sensors containing heat-sensitive elements (TFE), for example a bolometer.
Для определения интегральной энергии источника излучения по изменению сопротивления термочувствительного элемента болометра обычно используют известные соотношения [Ю.Л. Бакшаев, С.А. Данько, Е.Е. Соколов и др. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез, 2011, вып. 1, с. 54-62 - аналог]. Однако расчет по этим формулам не всегда является корректным по нескольким причинам. Во-первых, во многих конструкциях болометров присутствует отток тепла от термочувствительного элемента в диэлектрическую подложку, что занижает реальный нагрев ТЧЭ. Во-вторых, не учитываются контактные сопротивления при подключении ТЧЭ к источнику питания, что увеличивает включаемое в измерения сопротивление болометра. В-третьих, физические свойства применяемых ТЧЭ не всегда соответствуют своим табличным величинам (особенно ТЧЭ, полученные методом гальванического осаждения металла, напыления и т.д.). Эти обстоятельства делают необходимым проведение калибровки датчика, содержащего ТЧЭ.To determine the integrated energy of the radiation source by changing the resistance of the thermosensitive element of the bolometer, the known relations are usually used [Yu.L. Bakshaev, S.A. Danko, E.E. Sokolov et al. // Questions of atomic science and technology. Ser. Thermonuclear Fusion, 2011, no. 1, p. 54-62 - analogue]. However, the calculation using these formulas is not always correct for several reasons. Firstly, in many designs of bolometers there is an outflow of heat from the heat-sensitive element to the dielectric substrate, which underestimates the actual heating of the HSE. Secondly, contact resistances are not taken into account when connecting a power factor to a power source, which increases the resistance of the bolometer included in the measurements. Thirdly, the physical properties of the applied HSE do not always correspond to their tabular values (especially HEE obtained by the method of galvanic metal deposition, sputtering, etc.). These circumstances make it necessary to calibrate the sensor containing the SCE.
Известен способ калибровки ТЧЭ болометра [R.В. Spielman, С. Deeney, D.L. Fehl et al. // Rev. Sci. Instrum., 1999, v. 70, p. 651-655 - прототип], в котором калибровка термочувствительного элемента выполняется посредством измерения сопротивления ТЧЭ при его контролируемом нагреве в вакуумной печи посредством термометра. По результатам измерений строится зависимость сопротивления ТЧЭ от температуры нагрева. К недостаткам данного вида калибровки можно отнести то, что вложенная в ТЧЭ энергия рассчитывается с использованием табличных величин, которые могут отличаться от реальных значений для конкретных ТЧЭ. Кроме того, существуют погрешности при измерении температуры ТЧЭ из-за тепловых процессов, сопровождающих нагрев ТЧЭ. Суммарная погрешность измерений оценивается авторами на уровне 10%.A known method of calibrating the TFE of a bolometer [R.V. Spielman, C. Deeney, D.L. Fehl et al. // Rev. Sci. Instrum., 1999, v. 70, p. 651-655 - prototype], in which the calibration of the thermosensitive element is performed by measuring the resistance of the HSE during its controlled heating in a vacuum furnace using a thermometer. Based on the measurement results, the dependence of the resistance of the HSE on the heating temperature is constructed. The disadvantages of this type of calibration include the fact that the energy invested in the HSE is calculated using tabular values that may differ from the actual values for specific HSE. In addition, there are errors in the measurement of the temperature of the HSE due to the thermal processes accompanying the heating of the HSE. The total measurement error is estimated by the authors at the level of 10%.
Задача состоит в следующем. В экспериментах по генерации импульсов мягкого рентгеновского излучения (МРИ) на мощных Z-пинч установках применяются различные наборы детекторов (вакуумные и полупроводниковые диоды и т.д.). Важным дополнением к этим датчикам служат датчики, содержащие ТЧЭ, например болометры, позволяющие не только измерить полную по спектру мощность импульса МРИ, но и провести калибровку других детекторов (например, вакуумных диодов). Для уменьшения ошибки измерения болометром требуется его предварительная калибровка. В связи с этим возникла необходимость в разработке способа калибровки, применение которого дает возможность построить калибровочную характеристику болометра.The task is as follows. In experiments on the generation of pulses of soft x-ray radiation (MRI) on high-power Z-pinch installations, various sets of detectors are used (vacuum and semiconductor diodes, etc.). An important addition to these sensors are sensors containing HFCs, for example, bolometers that allow not only measuring the total MRI pulse power from the spectrum, but also calibrating other detectors (for example, vacuum diodes). To reduce the measurement error by a bolometer, its preliminary calibration is required. In this regard, there was a need to develop a calibration method, the use of which makes it possible to build a calibration characteristic of the bolometer.
Технический результат состоит в увеличении точности восстановления интегральной энергии источника излучения при измерении изменения сопротивления термочувствительного элемента датчика, содержащего ТЧЭ (болометра).The technical result consists in increasing the accuracy of restoration of the integrated energy of the radiation source when measuring the change in the resistance of the thermosensitive element of the sensor containing TEC (bolometer).
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа калибровки датчика, содержащего термочувствительный элемент (ТЧЭ), основанного на измерении изменения сопротивления ТЧЭ при его контролируемом нагреве, в заявляемом устройстве обеспечение контролируемого нагрева осуществляют посредством пропускания импульса электрического тока через ТЧЭ, при этом определяют начальную величину (амплитуду и длительность) электрического импульса по теоретически рассчитанной величине максимальной энергии, которую можно вложить в ТЧЭ с учетом рабочего диапазона температур для конкретного ТЧЭ, подают этот начальный электрический импульс на ТЧЭ, в течение длительности данного начального электрического импульса измеряют изменение сопротивления ТЧЭ путем регистрации тока и напряжения на ТЧЭ, устанавливают зависимость изменения сопротивления ТЧЭ от величины вложенной в него энергии электрического импульса, полученной при интегрировании произведения зарегистрированных напряжения и тока электрического импульса в ТЧЭ, результатом калибровки является построение калибровочной кривой, характеризующей зависимость изменения сопротивления ТЧЭ от вложенной в него энергии.This technical result is achieved by the fact that, in contrast to the known method of calibrating a sensor containing a heat-sensitive element (TEC), based on measuring the change in resistance of the TEC during its controlled heating, the inventive device provides controlled heating by passing an electric current pulse through the TEC, while determine the initial value (amplitude and duration) of the electric pulse from the theoretically calculated value of the maximum energy that can be invest in a TEC taking into account the operating temperature range for a particular TEC, this initial electrical pulse is applied to a TEC, during the duration of this initial electrical pulse, the change in the resistance of the TEC is measured by recording the current and voltage on the TEC, the dependence of the change in resistance of the TEC on the amount of energy invested in it is established of the electric pulse obtained by integrating the product of the recorded voltage and current of the electric pulse in the TEC, the calibration result is based on the structure of the calibration curve characterizing the dependence of the change in the resistance of the HSE from the energy invested in it.
В прототипе при калибровке регистрируется зависимость сопротивления ТЧЭ от температуры при его нагреве, что позволяет в экспериментах лишь оценить сопротивление ТЧЭ при изменении его температуры. Данный результат является промежуточным для расчета энергии, поглощенной ТЧЭ, и недостаточным для восстановления энергии источника излучения (измерение является косвенным). Основным преимуществом заявляемого способа калибровки является возможность получения прямой зависимости изменения сопротивления ТЧЭ от поглощенной им энергии, что и является калибровочной характеристикой датчика, содержащего ТЧЭ (болометра). Энергия, поглощенная ТЧЭ при калибровке, определяется достаточно точно как интеграл произведения величин импульсов тока и напряжения на ТЧЭ. Такой способ калибровки учитывает реальные величины физических свойств ТЧЭ, контактные сопротивления в цепи питания ТЧЭ и повышает точность процедуры восстановления энергии МРИ из полученных осциллограмм во взрывных и лабораторных экспериментах.In the prototype during calibration, the dependence of the resistance of the HSE on the temperature when it is heated is recorded, which allows in the experiments only to evaluate the resistance of the HSE with a change in its temperature. This result is intermediate for calculating the energy absorbed by the HSE and insufficient to restore the energy of the radiation source (the measurement is indirect). The main advantage of the proposed calibration method is the possibility of obtaining a direct dependence of the change in the resistance of the HSE from the energy absorbed by it, which is the calibration characteristic of the sensor containing the HSE (bolometer). The energy absorbed by the HSE during calibration is determined quite accurately as the integral of the product of the magnitude of the current pulses and voltage at the HSE. This calibration method takes into account the real values of the physical properties of TEC, contact resistances in the power circuit of TEC and increases the accuracy of the procedure for recovering MRI energy from the obtained oscillograms in explosive and laboratory experiments.
На фиг. 1 изображена схема устройства, с помощью которого реализован способ калибровки термочувствительных элементов болометра.In FIG. 1 shows a diagram of a device with which a method for calibrating thermosensitive elements of a bolometer is implemented.
На фиг. 2 представлен внешний вид устройства калибровки.In FIG. 2 shows the appearance of a calibration device.
На фиг. 3 показана калибровочная характеристика ТЧЭ (зависимость изменения сопротивления ТЧЭ от поглощенной им энергии).In FIG. Figure 3 shows the calibration characteristic of the HSE (the dependence of the change in the resistance of the HSE on the energy absorbed by it).
Практически реализован (на этапе, предшествующем эксперименту с плазменным пинчем) способ с помощью устройства для калибровки болометра, схема и внешний вид которого представлены на фигурах 1 и 2 соответственно. На элементах VT1, R1, VD1 (фиг. 1) собран источник тока 1, D1 - стабилизатор питания, DA1 - оптоэлектронная схема управления, на вход которой подается оптический импульс от блока управления и синхронизации, VT2, R2, R3 - электронный ключ 2, С1 - накопительный конденсатор, R4 - калибровочный резистор, предназначенный для контроля параметров тока калибровки, R5 - калибруемый ТЧЭ болометра. К контрольным точкам A, B, C, D подключается измерительная аппаратура контроля параметров калибровки (тока и напряжения на ТЧЭ). Энергия калибровочного импульса регулируется изменением напряжения питания и длительности импульса тока. Амплитуда тока в ТЧЭ при этом может достигать до 60 А, а вкладываемая в ТЧЭ энергия - до 85 мДж. Конструктивно устройство собрано в металлическом корпусе (фиг. 2), на передней панели которого расположены оптический разъем 3 для коммутации с блоком управления и синхронизации запуском устройства и разъем 4 контроля тока, протекающего через ТЧЭ калибруемого болометра.Practically implemented (at the stage preceding the experiment with a plasma pinch) method using a device for calibrating a bolometer, the diagram and appearance of which are presented in figures 1 and 2, respectively. A current source 1 is assembled on the elements VT1, R1, VD1 (Fig. 1), D1 is a power supply stabilizer, DA1 is an optoelectronic control circuit, the input of which is supplied with an optical pulse from a control and synchronization unit, VT2, R2, R3 is an electronic key 2, C1 is a storage capacitor, R4 is a calibration resistor designed to control calibration current parameters, R5 is a calibrated TEC of a bolometer. To control points A, B, C, D, measuring equipment is connected to control the calibration parameters (current and voltage at the HSE). The energy of the calibration pulse is regulated by changing the supply voltage and the duration of the current pulse. In this case, the amplitude of the current in the HSE can reach up to 60 A, and the energy deposited in the HSE can be up to 85 mJ. Structurally, the device is assembled in a metal case (Fig. 2), on the front panel of which there is an
Перед проведением калибровки определяют начальную величину (амплитуду и длительность) электрического импульса по теоретически рассчитанной величине максимальной энергии, которую можно вложить в ТЧЭ с учетом рабочего диапазона температур для конкретного ТЧЭ. Формирование импульса тока с заданной длительностью и амплитудой определяется величиной напряжения питания источника тока 1 и длительностью оптического импульса запуска устройства, подаваемого от внешнего блока управления и синхронизации на вход оптоэлектронной схемы DA1. Этот импульс тока подается на ТЧЭ, поглощается им, что приводит к нагреву и изменению его сопротивления. Изменение сопротивления определяется из отношения изменения напряжения на ТЧЭ (регистрируют на осциллографе с точек С, D) к протекающему через него току (значения тока регистрируют с резистора R4 точек А, В). Из полученных осциллограмм импульсов тока и напряжения на ТЧЭ методами дальнейшей математической обработки (интегрированием произведения зарегистрированных напряжения и тока на ТЧЭ) получаются зависимости сопротивления ТЧЭ, поглощенной им энергии в калибровочном импульсе, температуры ТЧЭ от времени длительности импульса. Результатом калибровки является построение калибровочной зависимости (фиг. 3) изменения сопротивления ТЧЭ от поглощенной им энергии. Эта зависимость по результатам взрывных и лабораторных экспериментах по измерению энергии мощных импульсов МРИ позволяет с достаточной точностью определить поглощенную ТЧЭ болометра энергию, что в дальнейшем значительно повышает точность (до 10%) восстановления энергии, излучаемой плазменным пинчем в эксперименте.Before calibration, the initial value (amplitude and duration) of the electric pulse is determined from the theoretically calculated value of the maximum energy that can be invested in a TEC taking into account the operating temperature range for a particular TEC. The formation of a current pulse with a given duration and amplitude is determined by the magnitude of the supply voltage of the current source 1 and the duration of the optical trigger pulse of the device supplied from the external control unit and synchronization to the input of the optoelectronic circuit DA1. This current pulse is supplied to the HSE, absorbed by it, which leads to heating and a change in its resistance. The change in resistance is determined from the ratio of the change in voltage at the HFC (recorded on an oscilloscope from points C, D) to the current flowing through it (current values are recorded from the resistor R4 of points A, B). From the obtained waveforms of the current and voltage pulses at the HFE using the methods of further mathematical processing (by integrating the product of the recorded voltage and current at HSE), the dependences of the resistance of the HSE, the energy absorbed by it in the calibration pulse, the temperature of the HSE on the pulse duration time are obtained. The result of the calibration is the construction of the calibration dependence (Fig. 3) of the change in the resistance of the HSE from the energy absorbed by it. This dependence, based on the results of explosive and laboratory experiments on measuring the energy of high-power MRI pulses, allows one to determine with sufficient accuracy the energy absorbed by the HFE of the bolometer, which subsequently significantly increases the accuracy (up to 10%) of the energy recovery emitted by the plasma pinch in the experiment.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015137683/28A RU2603338C1 (en) | 2015-09-03 | 2015-09-03 | Method of calibrating sensor containing heat-sensitive element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015137683/28A RU2603338C1 (en) | 2015-09-03 | 2015-09-03 | Method of calibrating sensor containing heat-sensitive element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2603338C1 true RU2603338C1 (en) | 2016-11-27 |
Family
ID=57774524
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015137683/28A RU2603338C1 (en) | 2015-09-03 | 2015-09-03 | Method of calibrating sensor containing heat-sensitive element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2603338C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2148802C1 (en) * | 1999-01-27 | 2000-05-10 | Институт физики полупроводников СО РАН | Device for detection of heat radiation |
| US20060231760A1 (en) * | 2005-04-15 | 2006-10-19 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Compensation circuit for compensating non-uniformity according to change of operating temperature of bolometer |
| US8431901B2 (en) * | 2008-10-03 | 2013-04-30 | Ulis | Method and device for controlling the resistance of the sensitive member of a bolometric sensor |
| US20130218500A1 (en) * | 2012-02-22 | 2013-08-22 | Ulis | Method for correcting the drift of an infrared radiation detector comprising an array of resistive imaging bolometers and device implementing such a method |
| RU147988U1 (en) * | 2014-06-03 | 2014-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | BOLOMETRIC RADIATION RECEIVER FOR MEASURING THE ENERGY OF SOFT X-RAY RADIATION |
-
2015
- 2015-09-03 RU RU2015137683/28A patent/RU2603338C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2148802C1 (en) * | 1999-01-27 | 2000-05-10 | Институт физики полупроводников СО РАН | Device for detection of heat radiation |
| US20060231760A1 (en) * | 2005-04-15 | 2006-10-19 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Compensation circuit for compensating non-uniformity according to change of operating temperature of bolometer |
| US8431901B2 (en) * | 2008-10-03 | 2013-04-30 | Ulis | Method and device for controlling the resistance of the sensitive member of a bolometric sensor |
| US20130218500A1 (en) * | 2012-02-22 | 2013-08-22 | Ulis | Method for correcting the drift of an infrared radiation detector comprising an array of resistive imaging bolometers and device implementing such a method |
| RU147988U1 (en) * | 2014-06-03 | 2014-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | BOLOMETRIC RADIATION RECEIVER FOR MEASURING THE ENERGY OF SOFT X-RAY RADIATION |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104731131B (en) | Spacecraft thermal vacuum test temperature-controlled process | |
| JP2008505342A5 (en) | ||
| CN106706165B (en) | A kind of method and device of temperature measurement | |
| CN103558260A (en) | Method and system for improving dynamic detection sensitivity of semiconductor resistance type gas-sensitive element | |
| US12066335B2 (en) | Single calibration temperature based temperature sensing with differential signal generation | |
| RU2603338C1 (en) | Method of calibrating sensor containing heat-sensitive element | |
| CN104122469B (en) | Method for increasing measured seebeck coefficient accuracy of thermoelectric material | |
| Neuzil et al. | Evaluation of thermal parameters of bolometer devices | |
| RU2613481C1 (en) | Method of digital integrated circuits transient thermal characteristics measuring | |
| CN114185376B (en) | Low power operation method for flow sensor | |
| JP6396321B2 (en) | Conductivity measurement with wide dynamic range of water | |
| CN104048754B (en) | The photo-thermal effect modification method of photoconductive detectors in laser parameter measurement | |
| CN114964562A (en) | Online calibration method for thin film thermal resistor and coaxial thermocouple | |
| DE10341142A1 (en) | Radiation thermometer housing temperature gradient compensation procedure uses time averages of measured internal temperature differences | |
| Tanzella et al. | Nanosecond pulse stimulation in the ni–h2 system | |
| Iskrenovic et al. | Temperature measurement by means of semiconductor diode in pulse mode | |
| CN215422831U (en) | Temperature control circuit and device for heating non-combustible cigarette heating wire | |
| JP6299876B2 (en) | Surface temperature sensor calibration device | |
| RU2561998C2 (en) | Digital temperature gage | |
| Tong et al. | A hybrid method for overcoming thermal shock of non-contact infrared thermometers | |
| SU1781563A1 (en) | Method of determination of local connective heat transfer ratio | |
| RU100274U1 (en) | SEMICONDUCTOR GAS ANALYZER | |
| Shen et al. | Analysis of infrared radiator of NDIR based on electro-thermal modelling | |
| CN118566680A (en) | LED junction temperature testing method under PWM driving | |
| RU2525151C1 (en) | Method for thermal stabilisation of photodiode for measurement of electrical characteristics thereof |