微波功率器件瞬態(tài)溫度測(cè)量系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及微波功率器件溫度測(cè)量裝置或方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種微波功率 器件瞬態(tài)溫度測(cè)量系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在微波功率器件溫度測(cè)量領(lǐng)域中，紅外測(cè)溫法W其非接觸測(cè)量，不影響器件正常 工作條件的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各類器件的溫度測(cè)量。
[0003] 由于無(wú)需與被測(cè)件有直接的接觸，紅外測(cè)溫裝置適用于任何種類的微波功率器 件。對(duì)于微波功率器件而言，不同條件下的溫度或其變化可W反映器件的不同特性，如；顯 微紅外熱成像裝置可W獲取器件不同部位溫度的分布情況如圖1，該為器件的熱設(shè)計(jì)和失 效分析提供了有力的支持；瞬態(tài)紅外設(shè)備能夠測(cè)量器件某一部位溫度隨時(shí)間周期性變化的 情況，如圖2,該有效的支撐了對(duì)脈沖大功率器件的熱特性研究工作。
[0004] 上述兩種紅外測(cè)溫裝置在目前微波功率器件溫度檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最為普遍。但是， 在某些研究領(lǐng)域，需要對(duì)非周期性、呈高速變化的瞬態(tài)溫度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，如；根據(jù)國(guó)際標(biāo) 準(zhǔn)巧DE巧1-14分析微波功率器件的熱阻抗和熱接觸變化時(shí)需要測(cè)量器件的升溫曲線或降 溫曲線，圖3是一幅典型的降溫曲線。采用結(jié)構(gòu)函數(shù)法分析升溫曲線或降溫曲線能夠有效 得到器件熱傳導(dǎo)途徑的材料熱特性(熱阻、熱容)，能夠有效發(fā)現(xiàn)器件熱傳導(dǎo)途徑材料熱特 性的變化情況。該信號(hào)是非周期性的，且溫度的主要變化集中在100ms甚至更短的時(shí)間內(nèi)， 現(xiàn)有的紅外測(cè)溫裝置無(wú)法滿足該需要。迄今為止，只有基于電學(xué)原理和拉曼原理的微波功 率器件溫度測(cè)量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)升溫曲線和降溫曲線的測(cè)量。但是，電學(xué)法會(huì)干擾器件的 工作狀態(tài)，目前還無(wú)法滿足給類器件尤其是新興的GaNHEMT器件的測(cè)試需求；拉曼法測(cè)試 系統(tǒng)復(fù)雜，測(cè)試速度慢，成本高，且國(guó)內(nèi)尚無(wú)任何機(jī)構(gòu)掌握該技術(shù)。
[0005] 現(xiàn)有微波功率器件測(cè)溫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有： 1)瞬態(tài)紅外設(shè)備可W檢測(cè)周期性高速變化的溫度信號(hào)，有效滿足對(duì)于脈沖工作條件下 大功率器件的溫度測(cè)量需求。
[0006] 2)顯微紅外熱像儀可W實(shí)現(xiàn)成像式檢測(cè)，得到不同部位的溫度分布情況，能夠分 辨微小結(jié)構(gòu)的溫度分布，具備較高的空間分辨力。
[0007] 3)電學(xué)法會(huì)影響器件的工作狀態(tài)，在GaNHEMT等新興大功率器件溫度測(cè)量方面成 熟度較差，且不能測(cè)量瞬態(tài)溫度。
[000引 4)拉曼法空間分辨率高，技術(shù)先進(jìn)，適用于對(duì)器件結(jié)溫的精確檢測(cè)和分析，是近十 幾年來(lái)新興的微波功率器件溫度檢測(cè)技術(shù)。
[0009] 上述四種裝置或技術(shù)的其缺點(diǎn)如下： 1)顯微紅外熱成像裝置測(cè)量速度較慢，只能實(shí)現(xiàn)帖頻為50化W下的檢測(cè)，某些精度較 低的熱像儀帖頻可W達(dá)到上百，但是，該些無(wú)法滿足對(duì)高速變化溫度信號(hào)的檢測(cè)需求。
[0010] 2)瞬態(tài)紅外設(shè)備只是針對(duì)周期性溫度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的。不具備測(cè)量非周期性溫度 信號(hào)的能力。
[0011] 3)電學(xué)法會(huì)影響器件的工作狀態(tài)，且無(wú)法測(cè)量GaNHEMT等新興大功率器件。
[0012] 4)拉曼法系統(tǒng)復(fù)雜，測(cè)量速度慢，國(guó)內(nèi)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)溫度的測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種波功率器件瞬態(tài)測(cè)量系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理 方法，通過(guò)所述測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微波功率器件周期性和非周期性的任意瞬態(tài)溫度的測(cè) 量，且測(cè)量速度快，精度高。
[0014] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是；一種微波功率器件瞬態(tài)溫度 測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述測(cè)量系統(tǒng)包括；紅外福射探測(cè)器、放大電路、數(shù)據(jù)采集卡W及工 控計(jì)算機(jī)，所述紅外福射探測(cè)器與放大大路的信號(hào)輸入端連接，用于采集微波功率器件發(fā) 出的紅外福射信號(hào)；所述放大電路與數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)輸入端連接，用于將采集的紅外福 射信號(hào)進(jìn)行放大處理；數(shù)據(jù)采集卡與工控計(jì)算機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互，用于根據(jù)工控計(jì)算機(jī) 的控制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；所述工控計(jì)算機(jī)用于處理數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)，并將采集卡采集 的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示。
[0015] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于；所述紅外福射探測(cè)器為紅外敏感元件。
[0016] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于；所述紅外敏感元件為獨(dú)立的高速光電二極管。
[0017] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于；所述放大電路的帶寬大于20曲Z，放大倍率大于100倍。 [001引進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：所述數(shù)據(jù)采集卡的采樣率大于20MS/s，采樣深度在10 bitW上。
[0019] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于；所述工控計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)有控制軟件模塊和數(shù)據(jù)處理軟件模 塊；測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)控制軟件模塊選擇數(shù)據(jù)采集卡的工作模式，數(shù)據(jù)采集卡工作模式 分為觸發(fā)模式和連續(xù)模式；觸發(fā)模式對(duì)應(yīng)周期性脈沖溫度測(cè)量，連續(xù)模式對(duì)應(yīng)非周期溫度 信號(hào)的測(cè)量。
[0020] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于；所述觸發(fā)模式下數(shù)據(jù)采集的方法為；（1)系統(tǒng)整體初始 化；（2)初始化一次采樣；（3)初始化完成后等待觸發(fā)；（4)外部觸發(fā)后進(jìn)行采樣處理；（5) 采樣完成后讀取數(shù)據(jù)；（6)讀取完成后初始化下一次采樣請(qǐng)求，直到完成設(shè)定的采樣數(shù)量。
[0021] 本發(fā)明還公開(kāi)了一種微波功率器件瞬態(tài)溫度測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，其特征在 于；所述方法包括如下步驟： 1) 背景福射測(cè)量及修正：每次測(cè)溫過(guò)程中，在測(cè)量目標(biāo)福射量之前，首先測(cè)量背景福 射，并將得到的反映背景福射量的電平數(shù)據(jù)保存；在測(cè)量目標(biāo)溫度時(shí)，將獲得的反映目標(biāo)的 福射量的電平數(shù)據(jù)減去反映背景福射量的電平數(shù)據(jù)，得到目標(biāo)修正后的紅外福射數(shù)據(jù)； 2) 電平-溫度轉(zhuǎn)換；測(cè)溫時(shí)根據(jù)目標(biāo)發(fā)射率計(jì)算等效黑體福射對(duì)應(yīng)的電平 Fd二戶/^^，其中，^為等效黑體福射對(duì)應(yīng)的電平，巧目標(biāo)電平與背景福射電平之差，f 為目標(biāo)發(fā)射率，同時(shí)讀取黑體的電平-溫度數(shù)據(jù)，擬合成曲線，然后根據(jù)曲線將目標(biāo)的電平 換算成溫度值，即得到修正后的目標(biāo)溫度數(shù)據(jù)； 3) 數(shù)據(jù)降噪處理：觸發(fā)工作模式下，通過(guò)周期平均的方法抑制噪聲；連續(xù)工作模式下， 通過(guò)犧牲采樣率，增大積分時(shí)間來(lái)抑制噪聲； 4) 數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)：將原始電平數(shù)據(jù)或處理后的溫度數(shù)據(jù)W曲線的形式輸出，將原始 電平數(shù)據(jù)或處理后的溫度數(shù)據(jù)W及對(duì)應(yīng)的時(shí)間儲(chǔ)存至.txt文件。
[0022] 進(jìn)一步的技術(shù)方案在于：所述發(fā)射率通過(guò)W下方法得到；預(yù)先測(cè)量70度下黑體， 并將此時(shí)黑體的電平數(shù)據(jù)預(yù)存；測(cè)量發(fā)射率時(shí)，在70度下測(cè)量目標(biāo)得到電平數(shù)據(jù)，根據(jù)公 式￡二F/Fd，得到目標(biāo)發(fā)射率，其中，為等效黑體福射對(duì)應(yīng)的電平，K為目標(biāo)電平與背 景福射電平之差，f為目標(biāo)發(fā)射率。
[0023] 采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：根據(jù)紅外測(cè)溫原理，器件溫度變化時(shí) 其紅外福射也會(huì)變化，紅外福射探測(cè)器探測(cè)福射信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出給放大電 路；放大電路對(duì)較弱的電信號(hào)進(jìn)行放大，數(shù)據(jù)采集卡依據(jù)工控計(jì)算機(jī)的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 數(shù)據(jù)處理軟件通過(guò)計(jì)算與擬合將數(shù)據(jù)采集卡采集的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為溫度數(shù)據(jù)并顯示。通過(guò)所 述測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微波功率器件周期性和非周期性的任意瞬態(tài)溫度的測(cè)量，且測(cè)量速 度快，精度高。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1是典型顯微紅外熱像儀檢測(cè)結(jié)果圖； 圖2是典型瞬態(tài)紅外測(cè)溫設(shè)備檢測(cè)結(jié)果圖； 圖3是典型降溫曲線測(cè)試結(jié)果圖； 圖4是本發(fā)明所述測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖； 圖5是本發(fā)明中工控計(jì)算機(jī)軟件的主要模塊及數(shù)據(jù)和執(zhí)行關(guān)系圖； 圖6是觸發(fā)工作模式下數(shù)據(jù)采集裝置工作流程圖； 圖7是工控計(jì)算機(jī)中觸發(fā)工作模式用戶界面圖； 圖8是工控計(jì)算機(jī)中連續(xù)工作模式用戶界面圖； 圖9是周期性脈沖溫度測(cè)量結(jié)果圖； 圖10是降溫曲線測(cè)量結(jié)果圖； 其中；1、紅外福射探測(cè)器2、放大電路3、數(shù)據(jù)采集卡4、工控計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0026] 在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)W便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可W 采用其他不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可W在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的 情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施例的限制。
[0027]如圖4所示，本發(fā)明公開(kāi)了一種微波功率器件瞬態(tài)溫度測(cè)量系統(tǒng)，所述測(cè)量系統(tǒng) 包括；紅外福射探測(cè)器1、放大電路2、數(shù)據(jù)采集卡3W及工控計(jì)算機(jī)4,所述紅外福射探測(cè) 器1與放大大路2的信號(hào)輸入端連接，用于采集微波功率器件發(fā)出的紅外福射信號(hào)；所述放 大電路2與數(shù)據(jù)采集卡3的信號(hào)輸入端連接，用于將采集的紅外福射信號(hào)進(jìn)行放大處理；數(shù) 據(jù)采集卡3與工控計(jì)算機(jī)4進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互，用于根據(jù)工控計(jì)算機(jī)4的控制進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集；所述工控計(jì)算機(jī)4用于處理數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)，并將采集卡采集的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為 溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示。
[002引紅外福射探測(cè)器的選?。?紅外福射探測(cè)器選用一個(gè)獨(dú)立的紅外敏感元件(光電二極管)，其具備較高的峰值響應(yīng) 時(shí)間，典型為3yS。由于探測(cè)器只有一個(gè)敏感元件，因此可極高的速度對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn) 行讀取。
[0029] 放大電路的選取： 放大電路應(yīng)具備足夠的帶寬，本系統(tǒng)采用的放大器帶寬為20kHz，放大倍率為100倍。
[0030] 數(shù)據(jù)采集卡的選?。?實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外福射探測(cè)器經(jīng)前置放大電路輸出的電信號(hào)的采集，要求與瞬態(tài)紅外設(shè)備良 好匹配，支持觸發(fā)工作模式和連續(xù)工作模式?？紤]到瞬態(tài)紅外設(shè)備標(biāo)稱的響應(yīng)時(shí)間在微秒 量級(jí)，因此要求數(shù)據(jù)采集卡的采樣率應(yīng)不低于20MS/sW確保足夠的采樣帶寬。為保證良好 的測(cè)量精度，采樣深度應(yīng)在10bitW上。為便于研究被測(cè)器件溫度變化與驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的關(guān) 系，需要支持外部觸發(fā)源，能夠