CN103884942B - 一种光电耦合器的老化试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光电耦合器的老化试验系统及方法，其中系统包括数据获取模块、恒流源、状态监测单元和老化箱；老化箱中放置被测试的光耦组，为其提供温度；数据获取模块用于定期采集光电耦合器回路的试验电流以及其输出电压，根据试验电流以及输出电压计算光电耦合器的集电极电流和电流传输比，并在根据反馈信号确定所有光电耦合器的电流传输比达到截止条件时，停止该光耦组的测试并获取光耦组的加速老化试验过程持续时间；恒流源用于提供恒定的试验电流；状态监测单元用于实时监测被测试的光耦组的光电耦合器的电流传输比，并在监测到电流传输比达到截止条件时，向数据获取模块发送指示光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号。

Description

一种光电耦合器的老化试验系统及方法

技术领域

本发明属于光电器件测试技术领域，尤其涉及一种光电耦合器的老化系试验系统及方法。

背景技术

光电耦合器（简称光耦）是一种以光为媒介传输电信号的电子元器件。光电耦合器因其良好的电绝缘能力和抗干扰能力等特点得到广泛应用。在使用过程中，由于自身运行条件以及外接环境的影响，光电耦合器不可避免地发生老化降级，其可靠性和使用寿命受到影响。

但由于光电耦合器常组装在电路板卡上，其工作在开关状态上，因此光电耦合器的老化不易发现。而一旦光电耦合器发生老化失效，整个电路的功能将会受到严重影响。因此有必要对光电耦合器的老化机理进行研究，甚至对光电耦合器的寿命进行预测。

现有技术中对光电耦合器测试的方法主要集中在型式测试和生产厂家的出厂试验，例如对外观、尺寸的检查，电磁兼容性检查，电流传输比CTR的测试，绝缘电阻测试，电容测试，开关时间测试等等。但在实际使用中，用户更关心如何判断光耦的当前状态和剩余寿命预测，而这方面的需求在现有的测试方法中无法得到满足。

发明内容

鉴于此，本发明实施例旨在提供一种光电耦合器的老化试验系统，为光电耦合器的当前状态判断和寿命预测提供基础。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种光电耦合器的老化试验系统，用于对包含至少一个光电耦合器的光耦组的老化过程进行测试，包括数据获取模块、恒流源、状态监测单元和老化箱；

其中，所述老化箱中放置被测试的光耦组；

所述数据获取模块用于定期采集光电耦合器回路的试验电流以及各个光电耦合器的输出电压，根据所述试验电流以及所述输出电压计算每个所述光电耦合器的集电极电流和电流传输比，并在根据状态监测单元发送的反馈信号确定所有光电耦合器的电流传输比达到截止条件时，停止该光耦组的测试并获取所述光耦组的加速老化试验过程持续时间；

所述恒流源用于为所述光耦组的光电耦合器提供恒定的试验电流；

所述状态监测单元用于实时监测被测试的光耦组的光电耦合器的电流传输比，并在监测到光电耦合器的电流传输比达到截止条件时，向所述数据获取模块发送指示光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号。

在一个优选的实施例中，所述加速老化试验系统还包括：模型参数确定模块，用于根据所述光耦组的加速老化试验过程持续时间计算出光耦老化模型中的各个参数，从而确定光耦老化模型。

在一个优选的实施例中，所述光耦老化模型为：lnτ＝lnA+Ea/(RT)，其中，A为比例常数；Ea为化学反应的活化能；R为波尔茨曼常数，T为结温；τ表示产品在结温为T时的工作寿命；

模型参数确定模块，用于将多组相同类型的光耦组在不同温度条件下进行加速老化试验过程，并收集相应的光耦结温以及每个光耦组的加速老化试验过程持续时间，应用基于威布尔分布以及平均秩计算法的可靠性理论进行评估，得到每个光耦组的平均持续时间；

利用最小二乘法，计算出所述类型的光电耦合器材料的Ea以及比例常数A，从而确定光耦老化模型。

在一个优选的实施例中，所述加速老化试验系统还包括光电耦合器结温获取单元，用于获取待预测光电耦合器的结温；

寿命预测单元，用于根据所述待预测光电耦合器的结温和所述光耦老化模型计算所述待预测光电耦合器的剩余寿命。

在一个优选的实施例中，所述加速老化试验系统还包括执行单元；

所述数据获取模块还用于在接收到由状态监测单元反馈的指示光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号时，控制所述执行单元将电流传输比达到截止条件的光电耦合器短路。

本发明另一方面还提供一种光电耦合器的老化试验方法，包括加速老化试验的过程，所述加速老化试验的过程包括：

设定老化箱的温度；所述老化箱中放置有被测试的光耦组，所述光耦组包含至少一个光电耦合器；

定期采集光电耦合器回路的试验电流以及各个光电耦合器的输出电压，根据所述试验电流以及所述输出电压计算每个所述光电耦合器的集电极电流和电流传输比；

实时监测被测试的光电耦合器的电流输出比，并在光电耦合器的电流传输比达到截止条件时，生成反馈信号；

当根据所述反馈信号判断到所有光电耦合器的电流传输比达到截止条件时，停止该光耦组的测试并获取所述光耦组的加速老化试验过程持续时间。

在一个优选的实施例中，所述加速老化试验过程还包括：根据所述光耦组的加速老化试验过程持续时间计算出光耦老化模型中的各个参数，从而确定光耦老化模型。

在一个优选的实施例中，所述光耦老化模型为：lnτ＝lnA+Ea/(RT)，其中，A为比例常数；Ea为化学反应的活化能；R为波尔茨曼常数，T为结温；τ表示产品在结温为T时的工作寿命；

所述根据所述光耦组的加速老化试验过程持续时间计算出光耦老化模型中的各个参数，从而确定光耦老化模型包括：

将多组相同类型的光耦组在不同温度条件下进行加速老化试验过程，并收集相应的光耦结温以及每个光耦组的加速老化试验过程持续时间，应用基于威布尔分布以及平均秩计算法的可靠性理论进行评估，得到每个光耦组的平均持续时间；

利用最小二乘法，计算出所述类型的光电耦合器材料的Ea以及比例常数A，从而确定光耦老化模型。

在一个优选的实施例中，所述方法还包括：

获取待预测光电耦合器的结温；

根据所述待预测光电耦合器的结温和所述光耦老化模型计算所述待预测光电耦合器的剩余寿命。

在一个优选的实施例中，所述加速老化试验过程还包括；

在接收到由状态监测单元反馈的指示光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号时，将电流传输比达到截止条件的光电耦合器短路。

本发明实施例能够对光电耦合器进行全面老化试验，为光电耦合器的当前状态判断和寿命预测提供基础。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种光电耦合器的老化试验系统的示意图；

图2为单个光电耦合器的一种测试电路的示意图；

图3为本发明实施例二中加速老化试验过程的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1示出了本发明实施例一提供的一种光电耦合器的老化试验系统的示意图，如图1所示，该光电耦合器的老化试验系统用于对至少一个光电耦合器的老化过程进行测试，该加速老化试验系统包括数据获取模块11、恒流源12、状态监测单元13、存储单元15和老化箱14。

其中，老化箱14中放置被测试的一光耦组2，老化箱14为被测试的光电耦合器2提供所需的测试环境，例如温度。

数据获取模块11用于并定期采集被测试的光耦组中的每个光电耦合器的回路的试验电流、以及各个光电耦合器的输出电压，根据所述试验电流以及所述输出电压计算每个所述光电耦合器的集电极电流和电流传输比，状态监测单元13实时监测被测试的光电耦合器的电流传输比（CTR），并将测试结果存储到存储单元15中。

图2中示出单个光电耦合器2的一种测试电路的示意图，在图2中I_F为流经光电耦合器（在图2中具体为光电二极管）的试验电流，Vout为光电耦合器2的输出电压，I_C为流经光电耦合器的集电极电流。在图2中的方案中，定义CTR=I_C/I_F。

此外，数据获取模块11还接收由状态监测单元13反馈的指示光耦组中的光电耦合器2的电流传输比达到截止条件的反馈信号，直至接收完光耦组2个所有光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号时，停止测试。电流传输比达到截止条件表示该光电耦合器已经老化失效。

在实际中，在老化箱14中被测试的光耦组2虽然型号尽量选为相同，但可能因为各自性能的微小差别导致达到截止条件的时间不同，但凡遇到一个光电耦合器的电流传输比达到截止条件，状态监测单元13都会将该光电耦合2的电流传输比达到截止条件的反馈信号发送给数据获取模块11，当数据获取模块11接收完该组所有光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号时，停止该光耦组2的测试。

另外，当被测试的一组光电耦合器中的某个或某些光电耦合器达到截止条件时，意味着这个光电耦合器近乎或已经老化失效，所以需要将这个已经老化失效的光电耦合器从串联回路中短路，以保证对其他仍未老化失效的被测试光电耦合器的稳定供电。基于此，在数据获取模块11接收到由状态监测单元13反馈的指示光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号时，控制一执行单元将电流传输比达到截止条件的光电耦合器的短路。

在实际中，上述数据获取模块11可以为可编程逻辑控制器（PLC）。

恒流源12为被测试的光电耦合器提供恒定的试验电流，状态监测单元13用于实时监测被测试的光电耦合器的电流传输比，还用于在检测到光电耦合器的电流传输比达到截止条件时，向数据获取模块11反馈指示光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号。这里的截止条件可以定义为光电耦合器的电流传输比下降到初始值的50%。

此外，如图1所示，在加速老化试验系统中还可以设置人机交互模块17，以便达到自由设定参数的目的，例如可以通过人机交互模块17与数据获取模块11进行交互，设定数据采集周期和上述的截止条件。

在加速老化试验系统中还可以包括显示模块16，用于显示存储单元15中所存储的试验数据以及实验过程的中间数据和结果数据。

上述实施例提供了一种老化试验系统，该实施例能够为光电耦合器的当前状态判断和剩余寿命的预测提供基础：

在本发明另一实施例中，加速老化试验系统还包括：模型参数确定模块，用于根据光耦组的加速老化试验过程持续时间计算出光耦老化模型中的各个参数，从而确定光耦老化模型。

本发明中一种具体的光耦老化模型为：lnτ＝lnA+Ea/(RT)，其中，A为比例常数；Ea为化学反应的活化能；R为波尔茨曼常数，T为结温；τ表示产品在结温为T时的工作寿命；

其模型参数确定模块，具体用于将多组相同类型的光耦组在不同温度条件下进行加速老化试验过程，并收集相应的光耦结温以及每个光耦组的加速老化试验过程持续时间，应用基于威布尔分布以及平均秩计算法的可靠性理论进行评估，得到每个光耦组的平均持续时间；利用最小二乘法，计算出所述类型的光电耦合器材料的Ea以及比例常数A，从而确定光耦老化模型。

基于此，在对待预测光电耦合器的剩余寿命进行预测时，可以利用光电耦合器结温获取单元，获取待预测光电耦合器的结温；然后通过寿命预测单元，根据所述待预测光电耦合器的结温和所述光耦老化模型计算所述待预测光电耦合器的剩余寿命。

实施例二

本发明实施例二提供一种光电耦合器的老化试验方法，该方法包括加速老化试验的过程，图3示出了该加速老化试验过程的流程，该加速老化试验的过程包括如下步骤：

S301：将至少一个光电耦合器作为一组被测试的光电耦合器放入老化箱中；

S302：控制老化箱的温度，定期采集被测试的光电耦合器回路的试验电流以及各个光电耦合器的输出电压；

S303：实时监测被测试的光电耦合器的电流输出比，并将测试结果存储；

S304：接收指示光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号，直至接收完所有光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号时，停止该组光电耦合器的加速老化试验过程。

电流传输比达到截止条件表示该光电耦合器已经老化失效。

在实际中，在老化箱中被测试的一组光电耦合器虽然型号尽量选为相同，但可能因为各自性能的微小差别导致达到截止条件的时间不同，但凡遇到一个光电耦合器的电流传输比达到截止条件，都会接收到该光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号，当接收完该组所有光电耦合器2的电流传输比达到截止条件的反馈信号时，表示该组被测试的光电耦合器都已经老化失效，则停止该组光电耦合器2的测试。

另外，当被测试的一组光电耦合器2中的某个或某些光电耦合器2达到截止条件时，意味着这个光电耦合器2近乎或已经老化失效，所以需要将这个已经老化失效的光电耦合器2从串联回路中短路，以保证对其他仍未老化失效的被测试光电耦合器的稳定供电。基于此，在接收到指示光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号时，将电流传输比达到截止条件的光电耦合器设为短路。

为了给用户更多的设定自由度，上述加速老化过程可以还包括：设定数据采集周期和截止条件。

在实际中，根据老化失效定义的标准不同，上述截止条件也不同，例如可以将截止条件定义为光电耦合器的电流传输比下降到初始值的50%。

通过上述步骤S201-204可以完成一组光电耦合器的加速老化过程，为同型号的光电耦合器的当前状态判断和寿命预测提供基础。

上述实施例提供了一种老化试验方法，该实施例能够为光电耦合器的当前状态判断和剩余寿命的预测提供基础：

在本发明另一实施例中，加速老化试验方法还包括：根据光耦组的加速老化试验过程持续时间计算出光耦老化模型中的各个参数，从而确定光耦老化模型。

本发明中一种具体的光耦老化模型为：lnτ＝lnA+Ea/(RT)，其中，A为比例常数；Ea为化学反应的活化能；R为波尔茨曼常数，T为结温；τ表示产品在结温为T时的工作寿命；

根据光耦组的加速老化试验过程持续时间计算出光耦老化模型中的各个参数，从而确定光耦老化模型具体包括如下步骤：

将多组（本发明实施例为三组）相同类型的光耦组在不同温度条件下进行加速老化试验过程，并收集加速老化试验过程得到的数据，如相应的光耦结温以及每个光耦组的加速老化试验过程持续时间，应用基于威布尔分布以及平均秩计算法的可靠性理论进行评估，得到每个光耦组的平均持续时间τ_i，具体包括如下步骤1）-3）：

1）采用平均秩法计算经验故障分布函数，计算方法如下：

$\mathrm{\Δ}{A}_k=\frac{n+1-A_{k-1}}{n-i+2}---\left(1\right)$

A_k=A_k-1+ΔA_k （2）

$F\left(t_k\right)=\frac{A_k-0.3}{n+0.4}---\left(3\right)$

R(t)=1-F(t_k) （4）

其中，A_k为退出样品的平均秩次；k为退出样品的顺序号；ΔA_k为平均秩次增量；i为所有样品的按退出首次时间顺序排列号；t_k为第k个样品的退出前运行时间（h）。根据每个光耦样品的退出时间，利用式（1）～式（4）计算出经验可靠性指标。

2）采用双参数威布尔分布模型进行可靠性参数估计，该分布的失效率函数λ(t)与可靠度函数R(t)的表达式如下：

$\mathrm{\λ}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\β}{t}^{\mathrm{\β}-1}}{{\mathrm{\α}}^{\mathrm{\β}}}---\left(5\right)$

$R\left(t\right)=\exp [-{\left(\frac{t}{\mathrm{\α}}\right)}^{\mathrm{\β}}],t\≥0---\left(6\right)$

3）根据经验可靠性指标，通过作图法，进行直线拟合，可得出双参数威布尔分布的两个参数α_j与β_j，从而得到式（5）与式（6）的失效率函数λ_j(t)与可靠度函数R_j(t)，最终通过式（7）得到加速应力下的达到试验截止条件的运行时间为：

${\mathrm{\τ}}_j={\∫}_0^{\∞}{\mathrm{tf}}_i\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^{\∞}{R}_j\left(t\right)\mathrm{dt}={\mathrm{\α}}_j\mathrm{\Γ}(1+\frac{1}{{\mathrm{\β}}_j})---\left(7\right)$

其中， $\mathrm{\Γ}\left(x\right)={\∫}_0^{\∞}{t}^{x-1}\exp (-t)\mathrm{dt}$ 为伽马函数。

然后根据三组Ti和τi，利用最小二乘法，计算出该型号光耦材料的激活能Ea以及比例常数A，从而确定光耦老化模型。

基于此，在对待预测光电耦合器的剩余寿命进行预测时，可以先获取待预测光电耦合器的结温；然后根据所述待预测光电耦合器的结温和所述光耦老化模型计算所述待预测光电耦合器的剩余寿命。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光电耦合器的老化试验系统，用于对包含至少一个光电耦合器的光耦组的老化过程进行测试，其特征在于，包括数据获取模块、恒流源、状态监测单元和老化箱；

其中，所述老化箱中放置被测试的光耦组；

所述数据获取模块用于定期采集光电耦合器回路的试验电流以及各个光电耦合器的输出电压，根据所述试验电流以及所述输出电压计算每个所述光电耦合器的集电极电流和电流传输比，并在根据状态监测单元发送的反馈信号确定所有光电耦合器的电流传输比达到截止条件时，停止该光耦组的测试并获取所述光耦组的加速老化试验过程持续时间；

所述恒流源用于为所述光耦组的光电耦合器提供恒定的试验电流；

所述状态监测单元用于实时监测被测试的光耦组的光电耦合器的电流传输比，并在监测到光电耦合器的电流传输比达到截止条件时，向所述数据获取模块发送指示光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号。

2.根据权利要求1所述的光电耦合器的老化试验系统，其特征在于，所述加速老化试验系统还包括：模型参数确定模块，用于根据所述光耦组的加速老化试验过程持续时间计算出光耦老化模型中的各个参数，从而确定光耦老化模型；

所述光耦老化模型为：，其中，A为比例常数；Ea为化学反应的活化能；R为波尔茨曼常数，T为结温；表示产品在结温为T时的工作寿命。

3.根据权利要求2所述的光电耦合器的老化试验系统，其特征在于，

模型参数确定模块，用于将多组相同类型的光耦组在不同温度条件下进行加速老化试验过程，并收集相应的光耦结温以及每个光耦组的加速老化试验过程持续时间，应用基于威布尔分布以及平均秩计算法的可靠性理论进行评估，得到每个光耦组的平均持续时间；

利用最小二乘法，计算出所述类型的光电耦合器材料的Ea以及比例常数A，从而确定光耦老化模型。

4.根据权利要3所述的光电耦合器的老化试验系统，其特征在于，所述加速老化试验系统还包括光电耦合器结温获取单元，用于获取待预测光电耦合器的结温；

寿命预测单元，用于根据所述待预测光电耦合器的结温和所述光耦老化模型计算所述待预测光电耦合器的剩余寿命。

5.根据权利要求1所述的光电耦合器的老化试验系统，其特征在于，所述加速老化试验系统还包括执行单元；

所述数据获取模块还用于在接收到由状态监测单元反馈的指示光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号时，控制所述执行单元将电流传输比达到截止条件的光电耦合器短路。

6.一种光电耦合器的老化试验方法，其特征在于，包括加速老化试验的过程，所述加速老化试验的过程包括：

设定老化箱的温度；所述老化箱中放置有被测试的光耦组，所述光耦组包含至少一个光电耦合器；

定期采集光电耦合器回路的试验电流以及各个光电耦合器的输出电压，根据所述试验电流以及所述输出电压计算每个所述光电耦合器的集电极电流和电流传输比；

实时监测被测试的光电耦合器的电流输出比，并在光电耦合器的电流传输比达到截止条件时，生成反馈信号；

当根据所述反馈信号判断到所有光电耦合器的电流传输比达到截止条件时，停止该光耦组的测试并获取所述光耦组的加速老化试验过程持续时间。

7.根据权利要求6所述的光电耦合器的老化试验方法，其特征在于，所述加速老化试验过程还包括：根据所述光耦组的加速老化试验过程持续时间计算出光耦老化模型中的各个参数，从而确定光耦老化模型；

所述光耦老化模型为：，其中，A为比例常数；Ea为化学反应的活化能；R为波尔茨曼常数，T为结温；表示产品在结温为T时的工作寿命。

8.根据权利要求7所述的光电耦合器的老化试验方法，其特征在于，

所述根据所述光耦组的加速老化试验过程持续时间计算出光耦老化模型中的各个参数，从而确定光耦老化模型包括：

将多组相同类型的光耦组在不同温度条件下进行加速老化试验过程，并收集相应的光耦结温以及每个光耦组的加速老化试验过程持续时间，应用基于威布尔分布以及平均秩计算法的可靠性理论进行评估，得到每个光耦组的平均持续时间；

利用最小二乘法，计算出所述类型的光电耦合器材料的Ea以及比例常数A，从而确定光耦老化模型。

9.根据权利要求8所述的光电耦合器的老化试验方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取待预测光电耦合器的结温；

根据所述待预测光电耦合器的结温和所述光耦老化模型计算所述待预测光电耦合器的剩余寿命。

10.根据权利要求6所述的光电耦合器的老化试验方法，其特征在于，所述加速老化试验过程还包括；

在接收到由状态监测单元反馈的指示光电耦合器的电流传输比达到截止条件的反馈信号时，将电流传输比达到截止条件的光电耦合器短路。