光電傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

光電傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該算法具有精度高、檢測(cè)范圍廣、響應(yīng)時(shí)間短、接觸少等優(yōu)點(diǎn)，此外，還具有許多測(cè)量參數(shù)。傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀靈活多樣。因此,光電檢測(cè)方法在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件,它是把光信號(hào)(紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量,如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等;也可用來(lái)檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量,如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度,以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電傳感器中,作為光源的發(fā)光器件和作為光電接收的接收器件組成了光電對(duì),它們之間的相對(duì)位置對(duì)整個(gè)光電傳感器的特性關(guān)系極大。隨著現(xiàn)代光電檢測(cè)的精度越來(lái)越高,對(duì)光電傳感器的特性參數(shù)要求也越來(lái)越嚴(yán)格,越來(lái)越具體。例如:對(duì)于光電對(duì)的發(fā)射與接收特性的測(cè)試,需要將光電二極管與光敏三極管固定至指定的相對(duì)位置進(jìn)行電壓、電流等參數(shù)的同時(shí)測(cè)量;而為了對(duì)光電對(duì)的最佳距離進(jìn)行設(shè)置,又需要對(duì)光電對(duì)的電氣參數(shù)對(duì)隨著相對(duì)位置的變化的趨勢(shì)進(jìn)行測(cè)試。在實(shí)際應(yīng)用中,往往對(duì)具體的光電對(duì)的特性進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試。傳統(tǒng)的方法采用發(fā)光器件和接收器件獨(dú)立分別測(cè)試,由于器件和相對(duì)位置的差異,不但工作量較大,也與實(shí)際系統(tǒng)差別較大;若采用對(duì)光電對(duì)進(jìn)行同時(shí)測(cè)量的方法,既可以減小了測(cè)試的工作量,同時(shí)此種方法與實(shí)際光電對(duì)的耦合情況更接近,數(shù)據(jù)結(jié)果更具備可信度;但對(duì)光電對(duì)的不同參數(shù)間相互關(guān)系的測(cè)量需要不同的運(yùn)行模式,對(duì)測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)提出了一定挑戰(zhàn)。針對(duì)以上測(cè)試要求及需要解決的的問(wèn)題,本文專門對(duì)基于多模式結(jié)合的光電傳感器特性參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究。1光電傳感器特性測(cè)試方法光電傳感器測(cè)試的特性參數(shù)主要有:光電傳感器的電壓、電流;光電對(duì)之間相對(duì)于零位的三維位置偏差及偏角。當(dāng)對(duì)光電對(duì)進(jìn)行測(cè)試時(shí),首先需要將光電二極管及光敏三極管的相對(duì)位置確定,即零位的確定。以O(shè)P224紅外發(fā)光二極管及OP604光敏三極管為例,如圖1所示,當(dāng)兩器件發(fā)射單元與接收單元的軸線處于同軸情況(Y、Z軸偏距為零,兩軸線偏角為零),且正對(duì)距離x也為零時(shí),記為光電對(duì)處于零位位置。以零位位置為起點(diǎn),對(duì)光電對(duì)的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)及測(cè)試,可以保證數(shù)據(jù)結(jié)果的一致性。在實(shí)際的測(cè)試中,由于不同光電傳感器的形狀、耦合特性等的差異,裝置的機(jī)械零位與電零位存在著個(gè)體差別。為了實(shí)現(xiàn)以上零位位置的確定,需要設(shè)計(jì)一個(gè)零位確定方法及相應(yīng)的程序,通過(guò)尋找光電傳感器的電壓或電流的峰值位置,作為傳感器的零點(diǎn)位置。光電傳感器的特性測(cè)試通常包括以下3種模式:(1)定位置測(cè)試模式在定位置測(cè)試模式下,不需要對(duì)光電傳感器與被測(cè)物間的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整。在此模式下,通過(guò)控制光電傳感器的電壓或電流可以得到傳感器工作狀態(tài)的最佳電氣參數(shù),如被測(cè)物為可控光源(如發(fā)光二級(jí)管等),還可以通過(guò)調(diào)節(jié)被測(cè)光源的強(qiáng)度來(lái)得到光電傳感器的相應(yīng)曲線。定位置模式下由于被測(cè)元件之間位置穩(wěn)定,可以采用高精度、低采樣率的測(cè)試設(shè)備如數(shù)字萬(wàn)用表等實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)測(cè)試。(2)變位置測(cè)試模式變位置測(cè)試模式下,可以通過(guò)調(diào)節(jié)三維位移方向及轉(zhuǎn)角方向,得到光電傳感器的電氣參數(shù)(電壓、電流等)隨著與被測(cè)物相對(duì)位置改變而變化的特性曲線。變位置模式為光電傳感器測(cè)試的最常用的模式,通過(guò)相對(duì)位置參數(shù)設(shè)置,實(shí)現(xiàn)光電傳感器參數(shù)測(cè)試快速、方便地進(jìn)行。(3)特殊測(cè)試模式在一些特殊的測(cè)試要求下,在保持光電傳感器電氣參數(shù)不變的情況下,對(duì)光電傳感器與被測(cè)物的各個(gè)方向的相對(duì)位置,被測(cè)光源的電壓、電流等參數(shù)中,任意兩個(gè)參數(shù)之間的變化關(guān)系進(jìn)行測(cè)試。例如,在保持光電傳感器的電氣參數(shù)不變的情況下,測(cè)試光電傳感器與被測(cè)物之間兩個(gè)不同位移方向間的變化關(guān)系,或者是被測(cè)光源的電流與兩者相對(duì)距離的變化關(guān)系。在這種模式下,需要系統(tǒng)有根據(jù)光電傳感器的參數(shù)變化對(duì)被測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的能力。為保證滿足多種測(cè)試模式的需求,測(cè)試系統(tǒng)在硬件上安排相應(yīng)的位移、角度、電流、電壓測(cè)試和控制模塊,通過(guò)軟件功能及切換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)多種測(cè)試模式的準(zhǔn)確運(yùn)行。2測(cè)試系統(tǒng)的組成2.1通用特性以隨需求切換根據(jù)對(duì)光電傳感器的測(cè)試要求,需要體積較小、傳輸速度快的系統(tǒng)總線,且為滿足多種模式的測(cè)試要求,硬件應(yīng)具有通用的特性,以隨需求切換不同總線設(shè)備、兼容不同種類傳感器,同時(shí)還應(yīng)具有一定的同時(shí)測(cè)試的能力。綜上考慮,選擇PXI作為本測(cè)試系統(tǒng)的總線標(biāo)準(zhǔn)。2.2電氣硬件的選擇如圖2為檢測(cè)裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖,該裝置電氣硬件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)光電傳感器提供激勵(lì)信號(hào)及電源支持,提供測(cè)試通道建立或撤銷時(shí)所需的各種控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械位移臺(tái)的位移及旋轉(zhuǎn)的控制及測(cè)試,針對(duì)不同測(cè)試模式和測(cè)試參數(shù)而設(shè)置的電路切換卡及設(shè)備保護(hù)電路等。硬件主要由主控計(jì)算機(jī)、PXI機(jī)箱、多功能電源卡、矩陣開(kāi)關(guān)卡、萬(wàn)用表卡、電壓采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡、PCI-PXI轉(zhuǎn)換卡、光電傳感器設(shè)備接入端及相關(guān)電纜等。由于不同器件對(duì)于電源及測(cè)試參數(shù)的要求不同,電氣硬件的選擇上應(yīng)采用多個(gè)獨(dú)立電源(包括獨(dú)立的電壓源、電流源)并具有對(duì)多組器件的電壓、電流同時(shí)測(cè)試的能力。同時(shí),根據(jù)測(cè)試模式的不同,對(duì)硬件的要求也各有區(qū)別。例如在定位置測(cè)試模式下,將運(yùn)動(dòng)控制裝置鎖死,并可調(diào)用高精度萬(wàn)用表實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)試;在變位置測(cè)試模式下,對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制器的每一次步進(jìn),都需要對(duì)其進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測(cè)試并在測(cè)試后進(jìn)行下一步動(dòng)作,此時(shí)需要調(diào)用PXI采集卡及位移控制卡之間的觸發(fā)測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)高效快速的測(cè)試;又如在特殊測(cè)試模式下,則需要保證對(duì)光電傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量的情況下實(shí)現(xiàn)兩個(gè)被測(cè)參數(shù)的同時(shí)調(diào)整。基于以上幾點(diǎn),在PXI的系統(tǒng)搭建中不僅加入了萬(wàn)用表卡,電壓采集卡,可編程電阻等設(shè)備,還加入了多塊矩陣控制卡以實(shí)現(xiàn)不同模式下電路之間的切換。電壓采集卡、萬(wàn)用表卡以及驅(qū)動(dòng)電源等均通過(guò)矩陣開(kāi)關(guān)與光電傳感器接入端電路相連,并根據(jù)不同的模式和測(cè)試要求進(jìn)行切換。2.3光學(xué)平板的安裝機(jī)械裝置主要實(shí)現(xiàn)對(duì)光電傳感器的夾持與固定,為滿足對(duì)不同光電傳感器的測(cè)試要求,測(cè)試裝置應(yīng)具有行程大、易于拆卸的特點(diǎn),并應(yīng)具有通用夾持結(jié)構(gòu)以方便不同形狀器件的固定和調(diào)整。整體設(shè)備固定在光學(xué)平板上,光電傳感器采用一端固定,另一端由數(shù)字三維位移臺(tái)及旋轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩光電傳感器間的相對(duì)移動(dòng)。位移臺(tái)及旋轉(zhuǎn)臺(tái)采用電控裝置通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。固定光電傳感器的夾持器具采用可拆卸的通用設(shè)計(jì),以保證對(duì)不同形狀的光電傳感器的兼容,實(shí)現(xiàn)對(duì)多種光電傳感器的測(cè)試。2.4測(cè)試模式設(shè)計(jì)采用PXI總線設(shè)計(jì),應(yīng)用Labview軟件模塊化編程,設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。為了實(shí)現(xiàn)按照光電傳感器隨著不同參數(shù)要求(三維方向相對(duì)距離、相對(duì)偏角、電壓、電流的大小等)的情況下的特性變化曲線。軟件以模塊化的流程對(duì)不同模式下的測(cè)試要求進(jìn)行編寫,輔以相應(yīng)的電路模塊,實(shí)現(xiàn)不同測(cè)試模式的切換和測(cè)試。軟件功能示意圖如圖3所示。其中包括:(1)系統(tǒng)自檢及測(cè)試模式選擇模塊。(2)零位標(biāo)定模塊。(3)工作模式流程及設(shè)定模塊,包括以下幾種:(1)定位置測(cè)試模式,將機(jī)械位移裝置鎖死,設(shè)置電源參數(shù)并調(diào)用萬(wàn)用表對(duì)光電傳感器的電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試;(2)變位置測(cè)試模式,設(shè)置電源參數(shù)及位移的運(yùn)動(dòng)方向及速度,并調(diào)用采集卡對(duì)運(yùn)動(dòng)中的光電傳感器電氣參數(shù)進(jìn)行測(cè)試;(3)特殊測(cè)試模式,手動(dòng)調(diào)整位移臺(tái)和電源驅(qū)動(dòng)以得到預(yù)設(shè)的傳感器電壓、電流值,然后設(shè)置自變量與變量的參數(shù),使變量根據(jù)自變量的變化實(shí)時(shí)調(diào)整,以保證預(yù)設(shè)的傳感器電壓、電流值不變。(4)在以上3種模式的測(cè)試過(guò)程中,同時(shí)由數(shù)據(jù)記錄和圖表繪制模塊,將測(cè)試中所有的參數(shù)均進(jìn)行記錄并繪制被測(cè)量與自變量的關(guān)系曲線圖。軟件的前面板界面如圖4所示。3實(shí)驗(yàn)器件:pn型si光電電極op604本實(shí)驗(yàn)選取GaAlAs異質(zhì)結(jié)紅外發(fā)光二極管OP224及NPN型Si光電三極管OP604作為實(shí)驗(yàn)器件。其中,紅外發(fā)光二極管OP224的峰值波長(zhǎng)為890nm,光電三極管OP604的光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)為890nm,兩者在光譜曲線上有良好的匹配性。3.1光電電極電流與ma首先將光電對(duì)調(diào)整至零位,然后設(shè)置光電對(duì)的X軸方向的相對(duì)距離(10mm及15mm),測(cè)試光敏三極管電流(μA)與光電二極管電流(mA)之間的變化關(guān)系。測(cè)量數(shù)據(jù)及曲線如表1及圖5所示。由定位置測(cè)試模式的測(cè)試數(shù)據(jù)可以知道,三極管的光電流隨著二極管電流的增大而逐漸趨于飽和,當(dāng)光電對(duì)的相對(duì)距離發(fā)生變化時(shí),電流飽和點(diǎn)也隨之移動(dòng)。3.2光電對(duì)相對(duì)距離的測(cè)量保持二極管電流不變(I=2mA及5mA),首先將光電對(duì)調(diào)整至零位,然后調(diào)用變位置測(cè)試模式使X軸正對(duì)距離逐漸增大,測(cè)試光敏三極管電流(μA)與光電對(duì)相對(duì)距離(mm)的變化關(guān)系。測(cè)量數(shù)據(jù)及曲線如表2及圖6所示。在變位置測(cè)量模式下可以方便、直觀地得出在指定的二極管電流的條件下,光敏三極管的光電流隨著距離變化的數(shù)值,為實(shí)際應(yīng)用中光電傳感器的位置設(shè)定提供了準(zhǔn)確、全面的數(shù)據(jù)。3.3傳感器的自動(dòng)測(cè)試給定光電三極管的電流保持不變(I=490μA),調(diào)用特殊測(cè)試模式,從零位位置開(kāi)始,緩慢增加二極管與三極管的X軸的相對(duì)距離,同時(shí)控制二極管電流以保持光敏三極管電流始終490μA不變,記錄二極管電流(mA)與光電對(duì)相對(duì)距離(mm)之間的變化關(guān)系。測(cè)量數(shù)據(jù)及曲線如表3及圖7所示。特殊測(cè)量模式可以直觀地體現(xiàn)出為達(dá)到光電傳感器的某一特定的參數(shù)值(如光敏三極管的光電流),與之相關(guān)的另外的兩個(gè)參數(shù)值(本實(shí)驗(yàn)為二極管電流及相對(duì)距離)的相互影響關(guān)系。在某些需要對(duì)傳感器的參數(shù)進(jìn)行快速設(shè)定的條件下,能夠迅速、精確地提供相關(guān)的參考數(shù)據(jù)。從以上結(jié)果可以看出,該光電傳感器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)全部三種模式的測(cè)試需求。通過(guò)由測(cè)試數(shù)據(jù)繪制的圖表可以清楚的得出光電傳感器不同參