本發(fā)明涉及傳感器測量評估，具體領域為一種基于顯微熱成像技術的熱線式mems傳感器測試裝置及其測量方法。

背景技術：

1、矢量傳感器能同時掌握聲場的標量和矢量信息，其在捕捉目標方向和軌跡信息等方面具有獨特優(yōu)勢，尤其適合在低海洋背景噪聲環(huán)境下工作，對于探測潛艇和無人平臺等低可覺察度目標領域具有重要意義。基于微機電系統(tǒng)(mems)的熱線式矢量傳感器在低頻探測方面的表現(xiàn)優(yōu)于其它類型的矢量傳感器，可實現(xiàn)最低5hz的測試頻率。然而，國內(nèi)mems熱線式傳感器的實際工程應用與理論研究之間仍然存在顯著差距，特別是在極低頻率和高水壓環(huán)境下的水聲傳感探測方面的研究幾乎為空白。要填補這一空白并提升性能，關鍵在于對傳感器各個環(huán)節(jié)的精確控制，以及對其熱動力學、流體力學和聲學特性的全面理解。目前，測試方法主要基于聲學駐波管對熱線式矢量傳感器的整體聲學特性進行評估，只能分析經(jīng)過電子倉處理后的數(shù)據(jù)，卻不能對傳感器關鍵部分——聲致熱對流進行定量的測量，評估其精確度和穩(wěn)定性。因此，開發(fā)出一種新的裝置或技術方法，用以精確測量和評估m(xù)ems熱線型矢量傳感器中熱場和流場分布，這可為開發(fā)精細測試新型mems熱線式矢量傳感器局部部件的技術提供指導，幫助在研發(fā)階段發(fā)現(xiàn)并解決關鍵問題。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于顯微熱成像技術的熱線式mems傳感器測試裝置及其測量方法，用于熱線式mems矢量傳感器的溫度感知靈敏度的測量，反映出測量范圍內(nèi)傳感器內(nèi)溫度變化強弱，并分析熱線式mems傳感器輸出熱場與mtit輸出的真實熱場、熱線式mems傳感器內(nèi)基于mems三懸空熱線模型推算流場與真實流場、mtit基于mems三懸空熱線模型推算流場與真實流場匹配度，為熱線式mems矢量傳感器的研制提供精細化數(shù)據(jù)指導。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：一種基于顯微熱成像技術的熱線式mems傳感器測試裝置，包括相互配合工作的聲發(fā)射單元、聲接收單元和mtit熱場監(jiān)測單元，所述聲發(fā)射單元由水平垂直高精度定位支架、聲發(fā)射器、功率放大器、聲譜儀及全消聲室組成，用以產(chǎn)生不同頻率的均勻聲場；所述聲接收單元由可滑動夾具、水平高精度定位長支撐桿、標準矢量傳聲器及信號采集分析儀組成，用以接收全消聲室內(nèi)某一位置的聲場信息；所述mtit熱場監(jiān)測部由可滑動夾具、水平高精度定位短支撐桿、制冷焦平面探測器及紅外顯微物鏡組成，用以監(jiān)測熱線式mems傳感器熱傳感模塊的熱場實時變化，所述的聲發(fā)射單元、聲接收單元和mtit熱場監(jiān)測單元通過計算機及外設協(xié)同工作。

3、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供如下技術方案：基于顯微熱成像技術的熱線式mems傳感器測試裝置的其測量方法，根據(jù)所述的熱線式mems傳感器測試裝置，其步驟為：

4、步驟一：確定熱線式mems傳感器的相關物理信息，包括熱線之間的間距、內(nèi)部填充液體的類型，以及該液體的導熱系數(shù)、比熱容和密度；

5、步驟二：搭建水平垂直高精度可定位支架，并移動可滑動夾具至指定位置，在水平高精度定位短支撐桿上安裝紅外顯微物鏡，在水平高精度定位長支撐桿同一高度安裝待測mems傳感器及標準矢量傳聲器，在待測mems傳感器及標準矢量傳聲器下部布置聲發(fā)射器，連接包括功率放大器、聲譜儀、信號采集分析儀、制冷焦平面探測器、計算機及外設等儀表；

6、步驟三：啟動聲發(fā)射器，使測試區(qū)形成穩(wěn)定的聲場，聲場表現(xiàn)出水平方向的均勻性，即在同一高度處各個點的聲壓應相等，并記錄環(huán)境溫度值；

7、步驟四：使用標準矢量傳聲器獲取測試區(qū)內(nèi)的聲場信息，并確保聲場處于穩(wěn)定狀態(tài),同時，啟動熱線式mems傳感器，確認熱線激勵的初始功率值，并記錄熱線實時電阻溫度變化值以及產(chǎn)生的聲場信息,此外，啟動紅外顯微物鏡，采集熱線式mems傳感器內(nèi)部溫度場分布信息；

8、步驟五：數(shù)據(jù)導入后處理程序，后處理程序模塊通過公式計算溫度場感知靈敏度，并分析熱線式mems傳感器輸出熱場與mtit輸出的真實熱場、熱線式mems傳感器內(nèi)基于mems三懸空熱線模型推算流場與真實流場、mtit基于mems三懸空熱線模型推算流場與真實流場匹配度。

9、在其中一些實施例中，步驟五中的計算公式為：

10、mt-mtit＝tmtit-center/p

11、tmtit-matched-degree＝t/tmtit-center

12、

13、式中，mt-mtit為溫度場感知靈敏度，tmtit-center為利用顯微熱成像技術獲取的熱線式mems傳感器熱傳感模塊中心熱線位置處的溫度，p為標準矢量傳聲器采集的聲壓值，tmtit-matched-degree為熱線式mems傳感器輸出熱場與mtit輸出的真實熱場的匹配度，t為中心熱線的溫度值，cf為熱線式mems傳感器內(nèi)填充液體比熱容，ρf為熱線式mems傳感器內(nèi)填充液體密度，usim-centre為熱線式mems傳感器熱傳感模塊中心熱線附近的理論流速，δh為相鄰兩熱線間的距離，q為熱線式mems傳感器熱源功率，k為熱線式mems傳感器內(nèi)填充液體導熱系數(shù)，t1,t2,t3分別為上部、中部及下部熱絲的溫度，usim-mtit-centre為利用顯微熱成像技術獲取的熱線式mems傳感器熱傳感模塊熱絲溫度值推算的流速，t1-mtit,t2-mtit,t3-mtit分別為利用顯微熱成像技術獲取的上部、中部及下部熱絲的溫度，umtit-matched-degree為mtit基于mems三懸空熱線模型推算流場與真實流場匹配度，usim-matched-degree為熱熱線式mems傳感器內(nèi)基于mems三懸空熱線模型推算流場與真實流場匹配度，ureal為標準矢量傳聲器采集獲得的質點振速。

14、在其中一些實施例中，步驟二中，測量裝置應布置在全消聲室環(huán)境中，以減少環(huán)境噪聲對測試的影響。

15、在其中一些實施例中，步驟四中，熱線式mems傳感器、標準矢量傳聲器及紅外顯微物鏡實現(xiàn)同步實時采集。

16、在其中一些實施例中，步驟五中，基于穩(wěn)態(tài)熱傳遞的mems三懸空熱線模型，采用有限差分方法獲得中心熱線附近流場數(shù)據(jù)。

17、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明用于評估傳感器數(shù)據(jù)測量的有效性。該裝置包括配合工作的聲發(fā)射單元、聲接收單元和mtit熱場監(jiān)測單元，基于有限差分方法，通過溫度及聲壓間的關系，得到溫度場感知靈敏度，分析熱線式mems傳感器輸出熱場與mtit輸出的真實熱場、熱線式mems傳感器內(nèi)基于mems三懸空熱線模型推算流場與真實流場、mtit基于mems三懸空熱線模型推算流場與真實流場匹配度，用以精確測量和評估m(xù)ems熱線型矢量傳感器中熱場和流場分布，這可為開發(fā)精細測試新型mems熱線式矢量傳感器局部部件的技術提供指導，幫助在研發(fā)階段發(fā)現(xiàn)并解決關鍵問題。

18、本發(fā)明提供的測試裝置及其測量方法，創(chuàng)新性地整合聲學和熱力學技術，可提供全面評估熱線式mems傳感器性能的方法。該裝置及方法的亮點在于穩(wěn)定的聲場、熱場信息采集、溫度場感知靈敏度計算以及實時監(jiān)測與后處理，為熱線式mems傳感器性能評估提供了一種效果較好的新方法，有望推動該領域的研究和發(fā)展。

19、本技術的一個或多個實施例的細節(jié)在以下附圖和描述中提出，以使本技術的其他特征、目的和優(yōu)點更加簡明易懂，通過本技術的實施例對本技術進行詳盡說明和了解。