一种红外热电堆传感器的测试装置及其测试方法与流程

【技术领域】

本发明属于mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)器件测试领域，尤其涉及一种热电堆输出电压-环境温度-物体温度矩阵表的测试装置及其测试方法。

背景技术：

在热电堆输出电压-环境温度-物体温度矩阵表测试中，要求物体(标准黑体)温度从零下几十度变化至100度以上，环境温度从-20～100度附近变化。而绝大多数黑体的工作温度介于0～40度之间，无法满足测试要求，一些能在-20～100度环境下工作的黑体，价格都非常的昂贵，价值几十万元。并且为测试设备提供环境温度的高低温实验箱，温度稳定需要时间较长，一般单点温度稳定时间少则需要30分钟，非常不利于密集环境温度点的测试。现有测试中实测矩阵表量不足，大多数据采用插值得到，也不利于客户端高精度的应用。

因此，有必要提出一种技术方案来克服上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种红外热电堆传感器的测试装置及其测试方法，其在热电堆输出电压-环境温度-物体温度矩阵表测试中，可以实现低成本，高精度，高效率。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种红外热电堆传感器的测试装置，其包括：黑体，其作为标准辐射源为测试提供标准物体温度tobj；由隔热材料制成的隔热体，其具有贯穿所述隔热体的空腔，所述空腔包括靠近所述黑体的第一端口和远离所述黑体的第二端口；热载体，其内放置有红外热电堆传感器，所述热载体可进入和退出所述隔热体的空腔，当所述热载体位于标准测试位置时，放置有红外热电堆传感器的所述热载体进入所述隔热体的空腔。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种红外热电堆传感器的测试装置的测试方法，其包括：设置黑体的温度以提供标准物体温度tobj,加热热载体至最高温度点或/和冷却热载体至最低温度点；将热载体移动至标准测试位置开始测试，在测试过程中，每隔预定时间采样红外热电堆传感器的温度检测单元的输出得到环境温度以及红外热电堆传感器的热电堆芯片的输出获取到热电堆输出电压，并将得到的环境温度以及热电堆输出电压存储形成输出电压-环境温度-物体温度矩阵表。

与现有技术相比，本发明通过控制测试装置中热流流向、温度场的分布，以对热电堆输出电压-环境温度-物体温度矩阵表进行高效率的测量，并得到高精度的测量结果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明在一个实施例中的红外热电堆传感器的测试装置处于初始状态时的结构示意图；

图2为本发明在一个实施例中的红外热电堆传感器的测试装置处于工作状态时的结构示意图；

图3为图1和图2中的热载体在一个实施例中的爆炸图；

图4为图3所示的红外热电堆传感器在一个实施例中的剖片示意图；

图5为本发明的图1和图2所示的红外热电堆传感器的测试装置的测试方法在一个实施例中的流程图；

图6为本发明在一个实施例中的红外热电堆传感器的测试装置的热敏电阻和热电堆芯片的温差与散热器的散热功率的关系图；

图7为发明的红外热电堆传感器的测试装置在两种不同散热控制方式下，热载体温度随时间变化的曲线对比图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的红外热电堆传感器的测试装置(或测试系统)处于初始状态时的结构示意图；请参考图2所示，其为本发明在一个实施例中的红外热电堆传感器的测试装置(或测试系统)处于工作状态时的结构示意图。图1和图2所示的红外热电堆传感器的测试装置包括黑体110、隔热体120和载热体130。

所述黑体110，其作为标准辐射源，为热电堆测试提供标准物体温度源。

所述隔热体120，其由隔热材料制成，其位于所述黑体110附近，且所述隔热体120具有贯穿所述隔热体120的空腔122，所述空腔122包括靠近所述黑体110的第一端口和远离所述黑体110的第二端口。

所述热载体130，其具有热传导功能，且红外热电堆传感器140位于所述热载体130中，所述热载体130可进入或退出所述隔热体120的空腔122。当所述热载体130位于初始位置时，如图1所示，放置有红外热电堆传感器140的所述热载体130位于所述隔热体120外，且远离所述黑体110；当所述热载体130位于工作位置(或标准测试位置)时，如图2所示，放置有红外热电堆传感器140的所述热载体130位于所述隔热体120的空腔122内，且靠近所述黑体110。

在图1和图2所示的实施例中，所述隔热体120包括隔热框架124，所述隔热框架124为中空结构，所述空腔122位于所述隔热框架124内，且所述隔热框架124和所述空腔122之间存在围绕所述空腔122的空区域126。

所述隔热框架124采用低热导率的材料加工而成，比如特氟龙，pps(聚苯硫醚)，电木等，其主要用于隔离位于所述空腔122内的热载体130与所述黑体110之间的热交换；所述黑体110为高精度的温度源，环境温度变化会影响所述黑体110辐射面温度的波动，在所述热载体130和所述黑体110之间放置隔热框架124能增加黑体110温度的稳定性。

所述空腔122周围的空区域126可以填充高热阻材料，比如泡沫等。所述空区域126主要用于隔离位于所述空腔122内的热载体130与周围环境之间的热交换。

在图1和图2所示的实施例中，所述红外热电堆传感器的测试装置还包括滑轨150和设置于滑轨150上的滑动底座(其可作为置物台)160。在测试过程中，先将放置有红外热电堆传感器140的所述热载体130放置在滑动底座160上，使热载体130位于所述隔热体120外部的初始位置，如图1所示，所述滑轨150自所述空腔122外部延伸至所述空腔122内部，所述热载体130放置在滑动底座160上且远离所述黑体110和所述隔热体120；然后推动滑动底座160沿滑轨150滑动至所述隔热体120的空腔122内且位于标准测试位置，如图2所示。

在图1和图2所示的实施例中，所述红外热电堆传感器的测试装置还包括光学平台170和小型风扇180，所述隔热框架124与滑轨150固定于所述光学平台170上，以保证每次测试时热载体130处于同一标准测试位置；在隔热框架124的上方装有小型风扇180，通过调整风量来控制所述热载体130的温度变化速率。

请参考图3所示，其为图1和图2中的热载体130在一个实施例中的爆炸图。图3所示的热载体包括依次堆叠设置的前置隔热板131、压板132、红外热电堆传感器140、底板133、器件底座134、电路板135、散热器137，以及位于底板133和散热器137之间的导热柱136。当所述热载体130位于标准测试位置时，所述前置隔热板131位于所述隔热体120的空腔122的第一端口；所述散热器137位于所述隔热体120的空腔122的第二端口。

前置隔热板131采用低热导率，耐温材料制作而成，比如pps、特氟龙等工程塑料；压板132和底板133采用高热导率的材料，比如紫铜、银、铝等加工而成，主要用于降低红外热电堆传感器140的温度梯度，提高测量精度；并且通过给压板132施加预压力，使红外热电堆传感器140能紧贴在底板133的上表面1332(或靠近所述压板132的表面)。器件底座134用于放置紧贴在底板133上的红外热电堆传感器140，并使红外热电堆传感器140和电路板135之间形成良好的电学连接；红外热电堆传感器140、底板133和器件底座134之间的定位关系可以通过安装在底板133上的定位销138来保证。导热柱136位于所述压板132和散热器137之间，所述导热柱136用于控制位于所述隔热体120内的热载体130的热流的导向，使存于热载体130内的热量绝大部分通过导热柱136传至散热器137耗散，最大程度的减小热载体130与其他物体或环境之间的热交换。同时只要通过风扇180控制散热器137的对流换热系数，就能精准控制热载体130的温度变化率。

请参考图4所示，其为图3所示的红外热电堆传感器在一个实施例中的剖片示意图。图4所示的红外热电堆传感器包括封装在一起的热电堆芯片142和热敏电阻144，所述热电堆芯片142用于检测所述黑体110的温度(即物体温度)，并输出反映所述黑体110温度的热电堆输出电压；所述热敏电阻144用于检测热电堆芯片142所处的环境温度(或周边温度)。

在另一个实施例中，也可以将小型风扇180改为其他控制模块，比如，水热交换模块。该控制模块可以用于控制所述热载体的散热器的对流换热系数。具体的，所述控制模块基于红外热电堆传感器的温度检测单元得到的环境温度与室温的温差来调整所述热载体的散热器的对流换热系数，以使得当前环境温度与室温t0的温差与所述散热器的对流换热系数的乘积为设定值。

请参考图5所示，其为本发明的图1和图2所示的红外热电堆传感器的测试装置的测试方法在一个实施例中的流程图。图5所示的红外热电堆传感器的测试装置的测试方法为动态测试方法，其包括如下步骤。

步骤510，温度检测单元校正。

在一个实施例中，所述温度检测单元为热敏电阻144。为了得到高精度的环境温度值tamb，需要对封装在红外热电堆传感器140内的热敏电阻144进行温度校正，如果不对热敏电阻144进行温度校正，由于测试系统中温度梯度的存在，将无法得到热电堆芯片142所处的精确环境温度值。本测试方法以热敏电阻144所对应温度值作为热电堆芯片142所处的环境温度。

步骤520，设置黑体110的温度以为热电堆测试提供标准物体温度tobj，加热热载体130至最高温度点或/和冷却热载体130至最低温度点。

在一个实施例中，在高低温箱(未图示)内加热热载体130至最高温度点，或冷却至最低温度点。具体的，将放置有红外热电堆传感器140的热载体130放置在高低温箱中进行加热或者制冷至某一温度。之后，将热载体130取出放置于载物台(例如，滑动底座160)上，并滑至标准测试位置，所述标准测试位置具体参见图2。

步骤530，开始热电堆测试，即每隔预定时间采样温度检测单元的输出得到环境温度以及热电堆芯片的输出获取到热电堆输出电压，并将得到的环境温度以及热电堆输出电压存储形成输出电压-环境温度-物体温度矩阵表。

在一个实施例中，所述预定时间可以根据需要设定。读取热敏电阻144的热敏电阻值r(tamb)，将读取的热敏电阻值r根据标定的数据换算成环境温度tamb。将读取得到的热电堆输出电压v存至热电堆输出-环境温度-物体温度矩阵表的[tamb,tobj]。

步骤540、判断获取到的环境温度tamb是否接近室温t0。这里的接近可以是环境温度tamb和室温t0的温差小于等于预定温度阈值。若是，则返回至步骤520，直到所述黑体110的温度覆盖了标准物体温度范围，比如从0-40度；若否，则进入步骤550。

步骤550，控制模块根据当前的环境温度与室温t0的差调整热载体的散热器的对流换热系数。之后，返回到步骤530继续进行测试。

在一个实施例中，可以调整风扇4的转速，使散热器137的对流换热系数h与tamb-t0(环境温度tamb和室温t0的温差)的乘积调整为设定值，并返回至步骤530。这样，由于本发明主动调整散热器的对流换热系数，使得环境温度tamb从最低温度点增至室温t0，从最高温度点降至室温t0的速度大大加快，既能保证测量精度又能大大缩短测试时间，提高测试效率。

需要说明的是，为了使得环境温度tamb能够从最高温度点覆盖到最低温度点，因此需要将热载体130加热至最高温度点，进行步骤530、540和550后，再将热载体130冷却至最高温度点，之后再重新执行步骤530、540和550。

本发明可以实现对测量精度的控制。热敏电阻144和热电堆芯片142的温差与散热器137的散热功率，以及压板132和底板133上的温度梯度相关，本发明通过提高温度均匀性大大降低了热敏电阻144与热电堆芯片142的温差，仿真结果如图6所示。图6为本发明在一个实施例中的红外热电堆传感器的测试装置的热敏电阻144和热电堆芯片142的温差与散热器137的散热功率的关系图。其中，热电堆芯片142又可称为热电偶，热敏电阻144为ntc(负温度系数)。散热器137的散热功率需要根据测量精度进行设定，比如在环境温度tamb变化1度的前提下，要求99％的测量精度，那就要求热敏电阻144与热电堆芯片142的温差小于0.01度，对应本发明的测试装置的散热功率不得大于11w。

本发明采用主动散热控制，缩短测量时间。对于本发明的测试装置，降温过程瞬态热传导方程可表示为：

其中q为生热率，热载体130内部无热源，因此q为0；ρvcp为整个热载体130的热容，h为散热器137的对流换热系数，a为散热器137的表面积，t为热载体130的瞬时温度与热电堆芯片142的环境温度tamb基本一致，t0为测试环境中空气的温度(即室温)。对方程1进行求解可得到散热器137的散热功率：

由方程2可知，散热功耗是一项随时间变化的量，在t＝0时有最大值，为了保证全温域的测量精度，则需要选用合适的散热器137以及热载体130的温度特性，在t＝0时的散热功率小于我们的设定功率。如果采用自然对流调温，虽然可以保证测量的精度，但是整个降温过程需要3到5倍的系统热时间常数，整个测试时间会很长。本发明的测试方法通过主动散热控制，保持散热功率ha(t-t0)固定，或者始终小于需要设定的散热功率，该散热功率可根据需求在不同温度段进行调整。这样就可以在保证测量精度的前提下，最短化测试时间。采用主动散热控制后的温度变化如图7所示。图7为发明的红外热电堆传感器的测试装置在两种不同散热控制方式下，热载体温度随时间变化的曲线对比图。其中，实线表示在自然对流换热调温散热方式下，热载体温度随时间变化的曲线；虚线表示在主动散热控制方式下，热载体温度随时间变化的曲线。从图7中可以得到，在保证热敏电阻144和热电堆芯片142温差小于0.01度的前提下，采用自然对流调温至t0需要的时间为140分钟，

采用主要散热控制后的时间为50分钟，该方法缩短了64％的测试时间。

综上所述，本发明中的红外热电堆传感器的测试装置及其测试方法具有如下优点：

1、本发明在测试过程中黑体与高低温箱分离，使普通的黑体辐射源就能满足测试要求，大大降低测试系成本；

2、本发明能获得到较高的测量精度，如图6所示，在物体温度变换1度的前提下，本测试系统能得到99％的测量精度。

3、本发明采用主动散热控制方法，可将测试时间缩短约64％，很大程度上提高了测试效率。

4、本发明采用动态测试方法不需要高低温试验箱达到稳定，可将常规加热时间约30分钟缩短至15分钟。并且能够采集足够多的数据点，挖掘出器件的非线性特征，对基础研究分析，分析都具有一定的意义。

5、本发明在测试过程中可以严格控制测试装置中热流、温度场分布，主动控制温度变化梯度，在保证测量精度的前提下采用最少的测量时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。