光电传感器特性参数测试系统的设计

第２５卷第１２期２０１２年１２月传感技术学报

ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＥＮＳＯＲＳＡＮＤＡＣＴＵＡＴＯＲＳＶ０１．２５Ｎｏ．１２Ｄｅｃ．２０１２

ＤｅｓｉｇｎｏｆＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＰａｒａｍｅｔｅｒｓＴｅｓｔＳｙｓｔｅｍｏｆＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃＳｅＩ塔ｏｒ８

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光电传感器特性参数测试系统的设计术

靳展，刘铮，林玉池４

（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津３０００７２）

摘要：光电传感器的特性参数检测需要对多种参数进行测试（如相对位置的位移、转角、光电传感器的电流、电压等），针对不同参数关系之间的测试要求，需采用不同的测试方法。传统的测试方法需要根据被测参数手动连接电路实现模式的切换，且测试方法枯燥而冗长。通过设计基于ＰｘＩ系统的自动测试系统，集成多种测试模式的测试软件，设置多种调整环节，实现光电对的各种相对位置下的多参数、多模式灵活测试。实验结果表明测试系统很好地满足光电传感器不同参数问的测试需求。关键词：光电传感器；特性参数；多模式；自动测试；ＰⅪ中图分类号：Ｔｍ３；ＴＰ２３文献标识码：Ａ文章编号：１００４—１６９９（２０１２）１２—１６７８—０６

光电检测方法具有精度高、检测范围大、响应时

间短、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结

构简单，形式灵活多样…。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

器件旧Ｊ。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”。５Ｊ。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，它们之问的相对位置

项目来源：天津市自然科学基金项目（１２ＪｃＱＮＪＣ０２７００）收稿日期：２０１２—０７—２８修改日期：２０１２一１２—２０对整个光电传感器的特性关系极大ＭＪ。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＂ｏ。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［８１；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

万方数据第１２期靳展，刘铮等：光电传感器特性参数测试系统的设计１６７９

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一。。

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测试系统的设计要求

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０Ｐ２２４红外发光二极管及０Ｐ６０４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。

？

０Ｐ２２４、、ＯＰ６０４

图１光电对相对位置模型示意图

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问的相对位置进行调

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问位置稳定，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｛！贝０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系统总线的选择

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．１０Ｉ。２．２电气硬件

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。电气接入端

勺×控制机箱万用表卡

运动控制卡矩阵开关接人端子传感器接入电路

位移调整台备

图２光电传感器测试装置硬件结构图

萎一

万方数据１６８０传感技术学报ｗｗｗ．ｅｈｉｎａｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ．ｃｏｍ第２５卷

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问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人端电路相连，并根

据不同的模式和测试要求进行切换。

２．３机械装置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软件平台

采用ＰＸＩ总线设计，应用Ｌａｂｖｉｅｗ¨卜１２ｏ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