光电传感器自动测试系统的设计与实现

光电传感器自动测试系统的设计与实现

该算法具有精度高、检测范围广、响应时间短、接触少等优点，此外，还具有许多测量参数。传感器结构简单，形状灵活多样。因此,光电检测方法在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。它可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度,以及物体的形状、工作状态的识别等。光电传感器中,作为光源的发光器件和作为光电接收的接收器件组成了光电对,它们之间的相对位置对整个光电传感器的特性关系极大。随着现代光电检测的精度越来越高,对光电传感器的特性参数要求也越来越严格,越来越具体。例如:对于光电对的发射与接收特性的测试,需要将光电二极管与光敏三极管固定至指定的相对位置进行电压、电流等参数的同时测量;而为了对光电对的最佳距离进行设置,又需要对光电对的电气参数对随着相对位置的变化的趋势进行测试。在实际应用中,往往对具体的光电对的特性进行严格的测试。传统的方法采用发光器件和接收器件独立分别测试,由于器件和相对位置的差异,不但工作量较大,也与实际系统差别较大;若采用对光电对进行同时测量的方法,既可以减小了测试的工作量,同时此种方法与实际光电对的耦合情况更接近,数据结果更具备可信度;但对光电对的不同参数间相互关系的测量需要不同的运行模式,对测试装置的设计提出了一定挑战。针对以上测试要求及需要解决的的问题,本文专门对基于多模式结合的光电传感器特性参数自动测试系统进行了研究。1光电传感器特性测试方法光电传感器测试的特性参数主要有:光电传感器的电压、电流;光电对之间相对于零位的三维位置偏差及偏角。当对光电对进行测试时,首先需要将光电二极管及光敏三极管的相对位置确定,即零位的确定。以OP224红外发光二极管及OP604光敏三极管为例,如图1所示,当两器件发射单元与接收单元的轴线处于同轴情况(Y、Z轴偏距为零,两轴线偏角为零),且正对距离x也为零时,记为光电对处于零位位置。以零位位置为起点,对光电对的相对位置进行调节及测试,可以保证数据结果的一致性。在实际的测试中,由于不同光电传感器的形状、耦合特性等的差异,装置的机械零位与电零位存在着个体差别。为了实现以上零位位置的确定,需要设计一个零位确定方法及相应的程序,通过寻找光电传感器的电压或电流的峰值位置,作为传感器的零点位置。光电传感器的特性测试通常包括以下3种模式:(1)定位置测试模式在定位置测试模式下,不需要对光电传感器与被测物间的相对位置进行调整。在此模式下,通过控制光电传感器的电压或电流可以得到传感器工作状态的最佳电气参数,如被测物为可控光源(如发光二级管等),还可以通过调节被测光源的强度来得到光电传感器的相应曲线。定位置模式下由于被测元件之间位置稳定,可以采用高精度、低采样率的测试设备如数字万用表等实现更加准确的数据测试。(2)变位置测试模式变位置测试模式下,可以通过调节三维位移方向及转角方向,得到光电传感器的电气参数(电压、电流等)随着与被测物相对位置改变而变化的特性曲线。变位置模式为光电传感器测试的最常用的模式,通过相对位置参数设置,实现光电传感器参数测试快速、方便地进行。(3)特殊测试模式在一些特殊的测试要求下,在保持光电传感器电气参数不变的情况下,对光电传感器与被测物的各个方向的相对位置,被测光源的电压、电流等参数中,任意两个参数之间的变化关系进行测试。例如,在保持光电传感器的电气参数不变的情况下,测试光电传感器与被测物之间两个不同位移方向间的变化关系,或者是被测光源的电流与两者相对距离的变化关系。在这种模式下,需要系统有根据光电传感器的参数变化对被测参数实时调节的能力。为保证满足多种测试模式的需求,测试系统在硬件上安排相应的位移、角度、电流、电压测试和控制模块,通过软件功能及切换电路实现对多种测试模式的准确运行。2测试系统的组成2.1通用特性以随需求切换根据对光电传感器的测试要求,需要体积较小、传输速度快的系统总线,且为满足多种模式的测试要求,硬件应具有通用的特性,以随需求切换不同总线设备、兼容不同种类传感器,同时还应具有一定的同时测试的能力。综上考虑,选择PXI作为本测试系统的总线标准。2.2电气硬件的选择如图2为检测装置的硬件结构图,该装置电气硬件主要实现对光电传感器提供激励信号及电源支持,提供测试通道建立或撤销时所需的各种控制信号,实现对机械位移台的位移及旋转的控制及测试,针对不同测试模式和测试参数而设置的电路切换卡及设备保护电路等。硬件主要由主控计算机、PXI机箱、多功能电源卡、矩阵开关卡、万用表卡、电压采集卡、运动控制卡、PCI-PXI转换卡、光电传感器设备接入端及相关电缆等。由于不同器件对于电源及测试参数的要求不同,电气硬件的选择上应采用多个独立电源(包括独立的电压源、电流源)并具有对多组器件的电压、电流同时测试的能力。同时,根据测试模式的不同,对硬件的要求也各有区别。例如在定位置测试模式下,将运动控制装置锁死,并可调用高精度万用表实现更高精度的测试;在变位置测试模式下,对于运动控制器的每一次步进,都需要对其进行快速准确的测试并在测试后进行下一步动作,此时需要调用PXI采集卡及位移控制卡之间的触发测量功能实现高效快速的测试;又如在特殊测试模式下,则需要保证对光电传感器实时测量的情况下实现两个被测参数的同时调整。基于以上几点,在PXI的系统搭建中不仅加入了万用表卡,电压采集卡,可编程电阻等设备,还加入了多块矩阵控制卡以实现不同模式下电路之间的切换。电压采集卡、万用表卡以及驱动电源等均通过矩阵开关与光电传感器接入端电路相连,并根据不同的模式和测试要求进行切换。2.3光学平板的安装机械装置主要实现对光电传感器的夹持与固定,为满足对不同光电传感器的测试要求,测试装置应具有行程大、易于拆卸的特点,并应具有通用夹持结构以方便不同形状器件的固定和调整。整体设备固定在光学平板上,光电传感器采用一端固定,另一端由数字三维位移台及旋转台实现两光电传感器间的相对移动。位移台及旋转台采用电控装置通过运动控制卡由计算机实现自动控制。固定光电传感器的夹持器具采用可拆卸的通用设计,以保证对不同形状的光电传感器的兼容,实现对多种光电传感器的测试。2.4测试模式设计采用PXI总线设计,应用Labview软件模块化编程,设计系统软件。为了实现按照光电传感器随着不同参数要求(三维方向相对距离、相对偏角、电压、电流的大小等)的情况下的特性变化曲线。软件以模块化的流程对不同模式下的测试要求进行编写,辅以相应的电路模块,实现不同测试模式的切换和测试。软件功能示意图如图3所示。其中包括:(1)系统自检及测试模式选择模块。(2)零位标定模块。(3)工作模式流程及设定模块,包括以下几种:(1)定位置测试模式,将机械位移装置锁死,设置电源参数并调用万用表对光电传感器的电参数进行测试;(2)变位置测试模式,设置电源参数及位移的运动方向及速度,并调用采集卡对运动中的光电传感器电气参数进行测试;(3)特殊测试模式,手动调整位移台和电源驱动以得到预设的传感器电压、电流值,然后设置自变量与变量的参数,使变量根据自变量的变化实时调整,以保证预设的传感器电压、电流值不变。(4)在以上3种模式的测试过程中,同时由数据记录和图表绘制模块,将测试中所有的参数均进行记录并绘制被测量与自变量的关系曲线图。软件的前面板界面如图4所示。3实验器件:pn型si光电电极op604本实验选取GaAlAs异质结红外发光二极管OP224及NPN型Si光电三极管OP604作为实验器件。其中,红外发光二极管OP224的峰值波长为890nm,光电三极管OP604的光谱响应峰值波长为890nm,两者在光谱曲线上有良好的匹配性。3.1光电电极电流与ma首先将光电对调整至零位,然后设置光电对的X轴方向的相对距离(10mm及15mm),测试光敏三极管电流(μA)与光电二极管电流(mA)之间的变化关系。测量数据及曲线如表1及图5所示。由定位置测试模式的测试数据可以知道,三极管的光电流随着二极管电流的增大而逐渐趋于饱和,当光电对的相对距离发生变化时,电流饱和点也随之移动。3.2光电对相对距离的测量保持二极管电流不变(I=2mA及5mA),首先将光电对调整至零位,然后调用变位置测试模式使X轴正对距离逐渐增大,测试光敏三极管电流(μA)与光电对相对距离(mm)的变化关系。测量数据及曲线如表2及图6所示。在变位置测量模式下可以方便、直观地得出在指定的二极管电流的条件下,光敏三极管的光电流随着距离变化的数值,为实际应用中光电传感器的位置设定提供了准确、全面的数据。3.3传感器的自动测试给定光电三极管的电流保持不变(I=490μA),调用特殊测试模式,从零位位置开始,缓慢增加二极管与三极管的X轴的相对距离,同时控制二极管电流以保持光敏三极管电流始终490μA不变,记录二极管电流(mA)与光电对相对距离(mm)之间的变化关系。测量数据及曲线如表3及图7所示。特殊测量模式可以直观地体现出为达到光电传感器的某一特定的参数值(如光敏三极管的光电流),与之相关的另外的两个参数值(本实验为二极管电流及相对距离)的相互影响关系。在某些需要对传感器的参数进行快速设定的条件下,能够迅速、精确地提供相关的参考数据。从以上结果可以看出,该光电传感器自动测试系统的设计可以实现全部三种模式的测试需求。通过由测试数据绘制的图表可以清楚的得出光电传感器不同参