专利名称：：真空荧光显示器灯丝温度特性计算方法
技术领域：
：本发明涉及一种温度计算方法，特别涉及一种真空荧光显示器灯丝温度特性计算方法。
背景技术：
：真空荧光显示器(VacuumFluorescentDisplay,简称VFD)是信息显示学会SID(SocietyforInformationDisplay)、汽车工禾呈师协、会SAE(SocietyofAutomotiveEngineers)专门规定的术语，是一种从真空管发展而来的真空显示器件。它利用阳极上荧光粉受电子轰击而发光，是一种自身发光的显示器件，具有体积小、视角广、亮度高、寿命长、温度适应范围宽、易做成多色彩显示；驱动电压低、易与半导体集成电路匹配、可靠性高等特点，因此，在家电、电子衡器、仪器仪表、通信器材、OA等领域得到了广泛的应用。VFD灯丝电压C/,是为让阴极温度r上升到设定值，以获得良好的热电子发射。如灯丝电压设定过高.电流或亮度并不随之增加，反而因阴极温度上升而加速钨丝上的氧化物蒸发，同时也会污染荧光粉表面，使发光效率及亮度提早恶化而縮短产品寿命。相反如果使灯丝电压过低，因阴极温度下降而无法获得充分又稳定的热电子发射，致使显示品质劣化或灯丝电压变动而使亮度不稳定。另外，灯丝长时间在低的电压条件下使用，会引起可靠性下降。灯丝温度关系到VFD产品的合格率、可靠性以及寿命。因此，VFD设计之初，必须慎重考虑一定规格的灯丝在排气、激活和老化等工艺过程的温度控制，从而选择相应的工作电压。一般情况下，很难精确地测量灯丝在这些工艺过程中的实际温度。目前根据产品工艺参数，凭着经验，按长度来定电压的方法来设计。
发明内容本发明是针对现有国内缺乏精确测试灯丝的方法问题，提出了一种真空荧光显示器灯丝温度特性计算方法，针对真空荧光显示器(VFD)灯丝温度特性，给出了灯丝温度特性的基本算法模型，建立VFD灯丝温度特性计算对灯丝的选型(规格)、对灯丝排气、激活和老化时的参数控制以及最优选择有指导意义，并为规范设计提供理论依据。本发明的技术方案为一种真空荧光显示器灯丝温度特性计算方法，包括如下步骤-1)通过对真空荧光显示器的五种灯丝规格进行大量试验，采集每步灯丝电压M7丌r2C/,下灯丝电流/,的实测数据，结合公式/^=10—、"^得到钨丝电阻率P，利用公式r-(^nA,^^~、+r。7"计算得到灯丝温度r，形成数据(r，^)，采用最小二乘法给出真空荧光显示器五种型号下电阻率随灯丝温度变化的线性拟合公式；五种灯丝规格<table>complextableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>2)根据公式F(r)-"rs+w^+cr+"o求出每步灯丝电压下的灯丝温度r，式中<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage6</formula>为灯丝涂覆层外径，^单根灯丝剥落的长度，一般有4臓w,",，r。为灯丝周围的温度(一般指室温r。=293.15/:);3)将2)得到的灯丝温度r代入1)中电阻率随灯丝温度变化的线性拟合公式""r十/,得至IJ电阻率P;4)将3)得到电阻率线性公式中的参数"、代入公式<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage6</formula>计算得到灯丝电流/,。所述真空荧光显示器灯丝温度特性计算方法中步骤2)中的灯丝温度r在真空荧光显示器各个工艺过程中灯丝温度的范围为[600尺,2000/:]，计算灯丝温度r就相当于求解步骤2)中的灯丝温度r公式在区间[600《，2000《]的一个根，首先考虑函数F(r)在所在区间的单调递增性质，在扩大的区间[600《,2000《]范围也单调递增，则在区间[600《,2000《]上必有一根，即试验数据所绘制的F(r)-r图中曲线必与;c轴有一交点；其次在具体求解的过程中，采用牛顿迭代法或二分法来实现对步骤2)中的灯丝温度r公式在指定区间内根的搜索。本发明的有益效果在于本发明的真空荧光显示器灯丝温度特性计算方法，为真空荧光显示器(VFD)规范设计提供理论依据，对灯丝排气、激活和老化时的参数控制以及最优选择有指导意义，从而提高VFD产品的合格率、可靠性以及寿命。图1本发明真空荧光显示器灯丝温度特性计算方法中灯丝内部结构示意图。具体实施例方式真空荧光显示器(VFD)灯丝温度特性(主要包括钨丝电阻率、灯丝电流、灯丝温度)计算方法结合每步灯丝电压下实测灯丝电流的数据，通过计算形成数据(T^)，采用最小二乘法给出VFD五种型号下电阻率^随灯丝温度r变化的线性拟合公式p-"r+z，基于以上方法，根据相应的灯丝规格、灯丝电压、灯丝根数、涂覆层外径、灯丝长度等参数，便可求出每步灯丝电压下灯丝电流、钨丝电阻率、灯丝温度。一、钨丝电阻率的确定通常情况下，钨丝电阻率的计算公式为式中W为灯丝的根数，t/,为VFD灯丝两段所加电压，r为钨丝的半径，/,为灯丝电流，z为单根灯丝的长度。当测出每个灯丝电压t/,下的灯丝电流/,时，可利用式(1)完成电阻率的计算。实际上，在VFD设计之初，不可能通过式(1)来计算电阻率，因为无法通过实验测出灯丝电流。而电阻率是钨丝的物理特性，主要随着钨丝的温度r(/Q呈线性变化，对于VFD灯丝，实验数据也证实了电阻率和温度之间基本上成线性关系=(2)式中《、^为参数，对于同一种规格的灯丝，它们是常数。VFD灯丝的发射电流密度取决于它的温度，因而精确地确定灯丝的温度，对于保证灯丝的发射本领是必须的。以前往往通过实验测量的方法求出灯丝的温度分布。但由于温度变化很剧烈，一般不易测准，采用计算的方法虽然要引入一些近似的假定，却可为设计灯丝尺寸和加热电源功率提供初始的数据。而且如果计算中所作的假定条件尽可能接近于实际，则所得结果的准确度可以相当好，因此仍不失为一种可取的途径。VFD灯丝内部结构如图l所示，包括内层为钩丝l，外层为涂有氧化物的涂覆层2，灯丝的半径很小，远远小于其长度，可作为一维简化模型处理。此外，由于剥落层与灯丝的长度相比一般比较小，也就是冷端的长度相对比较小，因此，可认为整个灯丝温度沿长度方向是均匀的。灯丝温度取决于其热平衡条件，即由热辐射、对流等方式所散失的功率与加热电流供给的功率，由于灯丝处于高真空环境中，由对流产生的热耗散可以略去不计，因此，在稳定状态下达到平衡(由发射电子带走的能量损耗很小，通常可以忽略不计)，而只考虑热辐射功率^与加热功率S之间的平衡关系。在灯丝加热条件下的工作温度为r=(-^~+r04)1/4(3)式中《(在国家标准GB9586-88中)的取值建议为《=1.919x10-"m『/mm^4，d为灯丝涂覆层外径，^单根灯丝剥落的长度，一般有4附m《A^6ww，r。为灯丝周围的温度(一般指室温7;=293.15/0。通常情况下，灯丝的规格并不是直接用灯丝的线径来区分，而且以长度为200mm的鸨芯丝的重量(单位MG)来区分灯丝的规格。这样，通过对VFD常见的五种灯丝规格迸行大量试验，测得每步灯丝电压下力的灯丝电流/,，由式(1)和式(3)得到钨丝电阻率和灯丝温度，形成数据(r，A，最后利用最小二乘法来确定式(2)中的两个参数，从而确定了电阻率随温度变化的线性公式，具体参数值见表1。因此，可以利用实验所确定的^="7>-，来完成VFD灯丝设计之初对灯丝电流和灯丝温度的计算，下面给出它们的具体计算公式。表lVFD五种规格下灯丝电阻率p与灯丝温度r的关系式<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>二、灯丝电流的计算在由实验确定了电阻率和温度线性公式(2)中的参数"、p之后，将式(2)代入式(1)中整理后得到<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(4)从式(4)不难得知，灯丝电流依赖于灯丝温度的确定。三、灯丝温度的计算由于VFD灯丝设计之初无法测量灯丝电流，这就必须给出不依赖于灯丝电流的温度表达式，把式(4)代入式(3)可得到<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(5)显然，温度的计算公式(5)并非显式表达式。将式(5)变换为<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(6)式中<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage10</formula>由于VFD在各个工艺过程中灯丝温度的范围为[600《，2000iq，所以，计算温度r就相当于求解非线方程(6)在区间[600《，2000iq的一个根。需要说明的是1)考虑函数F(r)在所在区间的单调递增性质，在扩大的区间[600《，2000幻范围也单调递增，则在区间[600《，2000/H上必有一根，试验数据所绘制的^(r)-:r图也证实了曲线必与;c轴有一交点；2)在具体求解的过程中，采用牛顿迭代法或二分法来实现对非线性方程(6)在指定区间内根的搜索。举例说明1、VFD灯丝规格和对应灯丝规格下VFD型号的选择选择VFD的灯丝规格为0.64MG;对应该灯丝规格下的VFD型号为20-0815N。2、灯丝相关计算参数该VFD型号灯丝根数W为4;灯丝长度^为63.3mm;涂覆层外径d为30//m。3、灯丝温度r、电阻率p和灯丝电流/,的确定给定灯丝电压^的初始值3.0V、终止值15V和步长1.0V，由式(6)求出每步灯丝电压下的灯丝温度r，将灯丝温度r分别代入式(2)并结合表1便可得到钨丝电阻率^，然后将灯丝温度r代入式(4)可计算出灯丝电流/,，具体结果如下表所示。表2输出结果:<table>complextableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>complextableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>权利要求1、一种真空荧光显示器灯丝温度特性计算方法，其特征在于，所述灯丝温度特性计算方法包括如下步骤1)通过对真空荧光显示器的五种灯丝规格进行大量试验，采集每步灯丝电压Uf下灯丝电流If的实测数据，结合公式<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>ρ</mi><mo>=</mo><msup><mn>10</mn><mrow><mo>-</mo><mn>6</mn></mrow></msup><mo>×</mo><mfrac><mrow><msub><mi>NU</mi><mi>f</mi></msub><msup><mi>πr</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>f</mi></msub><mi>L</mi></mrow></mfrac></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2008100422390002C1.tif"wi="35"he="12"top="63"left="107"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>得到钨丝电阻率ρ，利用公式id="icf0002"file="A2008100422390002C2.tif"wi="53"he="11"top="80"left="41"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>计算得到灯丝温度T，形成数据(T，ρ)，采用最小二乘法给出真空荧光显示器五种型号下电阻率随灯丝温度变化的线性拟合公式；<tablesid="tabl0001"num="0001"><table><tgroupcols="2"><colspeccolname="c001"colwidth="29%"/><colspeccolname="c002"colwidth="71%"/><thead></column></row><row><column><entrymorerows="1">五种灯丝规格</entry><entrymorerows="1">ρ＝αT+β线性拟合公式</entry></column></row></thead><tbody></column></row><row><column><entrymorerows="1">0.42MG</entry><entrymorerows="1">ρ＝3.0602×10-10T+1.3978×10-8</entry></column></row></column></row><row><column><entrymorerows="1">0.64MG</entry><entrymorerows="1">ρ＝3.1324×10-10T+1.5078×10-9</entry></column></row></column></row><row><column><entrymorerows="1">0.72MG</entry><entrymorerows="1">ρ＝3.0347×10-10T+5.3790×10-9</entry></column></row></column></row><row><column><entrymorerows="1">0.80MG</entry><entrymorerows="1">ρ＝3.1754×10-10T+1.0055×10-8</entry></column></row></column></row><row><column><entrymorerows="1">1.00MG</entry><entrymorerows="1">ρ＝3.0567×10-10T+8.3096×10-9</entry></column></row></tbody></tgroup></column></row><table></tables>2)根据公式F(T)＝aT5+bT4+cT+d＝0求出每步灯丝电压下的灯丝温度T，式中a＝q□d□L(L-Ld)□a，b＝a□β/α，id="icf0003"file="A2008100422390002C3.tif"wi="18"he="5"top="213"left="96"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>id="icf0004"file="A2008100422390002C4.tif"wi="44"he="5"top="213"left="119"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>q＝1.919×10-11mW/mm2K4，d为灯丝涂覆层外径，Ld单根灯丝剥落的长度，一般有4mm≤Ld≤6mm，T0为灯丝周围的温度(一般指室温T0＝293.15K)；3)将2)得到的灯丝温度T代入1)中电阻率随灯丝温度变化的线性拟合公式ρ＝αT+β，得至电阻率ρ；4)将3)得到电阻率线性公式中的参数α、β代入公式<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>I</mi><mi>f</mi></msub><mo>=</mo><msup><mn>10</mn><mrow><mo>-</mo><mn>6</mn></mrow></msup><mo>×</mo><mfrac><mrow><msub><mi>NU</mi><mi>f</mi></msub><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>αT</mi><mo>+</mo><mi>β</mi><mo>)</mo></mrow><mi>L</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0005"file="A2008100422390003C1.tif"wi="41"he="11"top="30"left="142"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>计算得到灯丝电流If。2、根据权力要求1所述真空荧光显示器灯丝温度特性计算方法，其特征在于，所述真空荧光显示器灯丝温度特性计算方法中步骤2)中的灯丝温度T在真空荧光显示器各个工艺过程中灯丝温度的范围为[600K，2000K]，计算灯丝温度T就相当于求解步骤2)中的灯丝温度T公式在区间[600K，2000K]的一个根，首先考虑函数F(r)在所在区间的单调递增性质，在扩大的区间[600K，2000K]范围也单调递增，则在区间[600K，2000K]上必有一根，即试验数据所绘制的F(r)-r图中曲线必与x轴有一交点；其次在具体求解的过程中，采用牛顿迭代法或二分法来实现对步骤2)中的灯丝温度r公式在指定区间内根的搜索。全文摘要本发明涉及一种真空荧光显示器灯丝温度特性计算方法，针对真空荧光显示器(VFD)灯丝温度特性(主要包括钨丝电阻率、灯丝电流、灯丝温度)，给出了灯丝温度特性的基本算法模型。结合每步灯丝电压下实测灯丝电流的数据，通过计算形成数据(T，ρ)，采用最小二乘法给出VFD五种型号下电阻率ρ随灯丝温度T变化的线性拟合公式。通过实验确定的电阻率线性公式ρ＝αT+β，最终实现每步灯丝电压下灯丝温度T、电阻率ρ以及灯丝电流I<sub>f</sub>的计算。为真空荧光显示器(VFD)规范设计提供理论依据，对灯丝排气、激活和老化时的参数控制以及最优选择有指导意义，从而提高VFD产品的合格率、可靠性以及寿命。文档编号G01K7/00GK101344553SQ200810042239公开日2009年1月14日申请日期2008年8月29日优先权日2008年8月29日发明者张建平申请人:上海电力学院