CN104634447B - 光电探测器寿命评估试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种光电探测器寿命评估试验系统，旨在提供一种实时自动监测、采集数据，能同时对探测器施加三种任意组合应力进行寿命试验的评估试验系统。本发明通过下述技术方案予以实现：光控制试验系统通过光纤分路器将来自半导体激光器脉冲光信号分流到每个光电探测器受试样品上；温度控制试验系统通过温度试验箱对安装在测试工装各个区域的受试样品进行温度控制；电源控制系统通过电源控制模块根据测试工装各个区域的电压分别进行控制，试验监测控制系统通过控制面板对不同区域受试样品进行控制，实时监测受试样品参数，实现对样品参数测试数据的实时采集，监测受试样品的正常状态，FPGA模块将采集到的信息传递给计算机，进行寿命大小和置信度参数的评估。
Description
技术领域
本发明涉及一种进行光电探测器寿命的试验系统，尤其是关于硅雪崩光电探测器寿命评估的试验系统。
背景技术
光电探测器是激光探测和激光测距的关键部件,其性能直接影响到遥感系统信息探测的能力。随着航天遥感应用对探测目标的波段特性、空间分辨率、辐射分辨率、时间分辨率以及可靠性等要求的不断提高,作为航天遥感仪器核心部件的光电探测器,需要向扩展波长范围、提高光电性能、改善光谱形状、减小光敏元尺寸、增加器件规模、提高寿命和可靠性等方向发展。光电探测器的可靠性和寿命是保障整个系统工作寿命的重要环节。光电探测器能够正常工作是整个系统能否正常工作的关键，所以光电探测器的工作寿命评估是整个系统质量和可靠性保障不可缺少的环节。如何能够准确、有效地评估光电探测器工作寿命，其寿命试验系统的设计和制作是至关重要的。
光电探测器要求是长寿命器件，一般情况下要求10年以上贮存寿命和数万小时工作寿命。传统光电探测器的工作寿命是采用长期跟踪工作和贮存过程中性能参数的变化情况的方法来确定其寿命的规律的。然而，长期贮存和工作跟踪在实际工作中很难实现，特别是在新材料、新技术升级换代后，同类产品工作和贮存数据的可参考性在很大程度上已经失去了可参考的意义。在现有技术中，由于缺少对硅雪崩光电探测器寿命规律的认识，使得光电探测器新产品的定寿、延寿工作失去了可信的定量依据，从而严重影响了武器装备可靠贮存和可靠使用的保障，极大的增加了装备的使用方风险。
在现有寿命评估试验中，光电探测器单应力寿命试验比较容易实现，但在光电探测器的贮存和工作中，尤其是工作中往往会受到多种应力的影响，单应力的寿命试验不能真实地反映探测器的实际工作状态，因此单应力寿命试验对实际工作的指导意义非常有限，多应力寿命试验是光电探测器寿命评估发展的必然趋势。但多应力寿命评估的前提是设计多应力试验系统(包括设备和工装)和试验方案，有了多应力寿命试验系统和试验方案，才能进行试验。做了寿命试验，就有寿命试验数据，然后才能对硅雪崩光电探测器产品的寿命数据进行评估，给出寿命的大小和置信度等参数，为装备的定寿和延寿提供参考依据，降低武器系统的使用风险。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种能够实时自动监测、采集数据、，具有可扩展性，并能同时对探测器施加电应力、光应力和温度应力或施加以上三种应力的任意组合进行寿命试验的光电探测器寿命评估试验系统。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种光电探测器寿命评估试验系统，包括：光控制试验系统、电源控制试验系统、温度控制试验系统、试验监测控制系统和测试工装。其特征在于：测试工装多分区将光电探测器受试样品分为几个区域，光控制试验系统通过光纤分路器将来自半导体激光器脉冲光信号分流到每个光电探测器受试样品上，由光功率计监测光能量的大小；温度控制试验系统通过温度试验箱对安装在测试工装各个区域的受试样品进行温度控制，电源控制系统通过电源控制模块按测试工装各个区域的电压分别进行控制，试验监测控制系统通过控制面板分别对不同区域的受试样品进行控制，选通电探测器受试样品位置，实时监测和数据的实施采集，监测光电探测器受试样品是否正常的状态，同时对探测器施加电应力、光应力和温度应力一种和/或两种应力/或三种应力，并通过多路模拟开关和应现场可编程门阵列FPGA模块，通过UBS接口将采集到的信息传递给计算机，给出寿命大小和置信度参数的评估结果。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
本发明采用可将光电探测器受试样品分为几个区域测试工装，试验监测控制系统通过控制面板分别对不同区域的受试样品进行控制，实时监测和数据的实施采集。实现同时对探测器施加电应力、光应力和温度应力三种应力进行寿命试验，也可以根据需要选择其中的某一种或几种应力进行硅雪崩光电探测寿命试验，解决了现有设备只能进行单应力的寿命试验，不能真实反映光电探测器实际贮存和工作状态，试验数据可信度不高的问题。
本发明包括多分区测试工装，每个区域按5只光电探测器安装，一次能够同时对30只或以上探测器进行试验控制、实时监测探测器参数，对参数测试数据的实施采集，进行寿命大小和置信度等参数的评估。这套可供30只或以上探测器同时进行高温应力、电应力和光应力试验的可靠性试验和寿命试验的平台，避免了现有技术定寿、延寿评估定量依据不充分弊端。能够对光电探测器同时施加电应力、温度应力和光应力进行试验，解决了硅雪崩光电探测器在综合应力(电应力、光应力和温度应力)同时作用下，对探测器寿命进行考核的试验系统，能够更加真实地反映探测器的寿命数据。
本发明根据试验数据，运用合适的加速模型，对光电探测器的可靠性与寿命进行评估，相比以往的单应力试验系统，操作复杂程度并没有增加，人机界面友好，而且还增加了自动采集功能，可以实现对受试样品状态的实时监测。
具有可扩展性。本发明可通过更换合适的测试工装，可适用于多种类型光电探测器的贮存寿命试验、工作寿命的试验、电老炼和光电老炼试验。根据光电探测器的贮存、工作环境特点和环境剖面，利用本发明可以在较短时间内完成光电探测器贮存寿命和工作寿命试验。本发明能够对光电探测器同时施加电应力、温度应力和光应力进行试验，解决了光电探测器在综合应力(电应力、光应力和温度应力)同时作用下，对探测器寿命进行考核和试验的难题，能够更加真实地反映探测器的寿命数据。
附图说明
图1光电探测器寿命评估试验系统组成框图。
图2测试工装夹具外形示意图。
图3测试工装板布夹具的分布示意图。
图4电源供电系统的电路原理示意图。
图5本发明试验监测控制系统信号处理系统框图。
图6是测试控制台控制面板的布局示意图。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的实施例中，光电探测器寿命评估的试验系统主要包括光控制试验系统，电源控制试验系统、温度试验箱、试验监测控制系统和测试工装。光控制试验系统包括顺次串联的光源、驱动器、半导体激光器、衰减器、光纤分路器和电连接在光纤分路器上的功率计和出纤功率标定装置。驱动器给半导体激光器激励信号形成脉冲光信号，通过衰减器控制光信号的大小，然后经过光纤分路器和光纤把光信号分流到每个受试样品上，并通过光功率计监测光能量的大小。多分区测试工装将光电探测器受试样品分为几个区域，每个区域按5只光电探测器安装，一次能够同时对30只或以上探测器进行试验控制。测试工装设置在温度试验箱内，测试工装每个区域上安装的光电探测器通过光纤连接光纤分路器。光纤与光电探测器的接口工装既能保证光信号的全部入射，又能保证连接的稳定和可靠，。测试工装的另一端通过电源控制模块连接电源控制系统，测试工装的输出端电连接示波器和计算机。光控制试验系统通过光纤分路器将来自半导体激光器脉冲光信号分流到每个光电探测器受试样品上，由光功率计监测光能量的大小；温度控制试验系统通过温度试验箱对安装在测试工装各个区域的受试样品进行温度控制，电源控制系统通过电源控制模块按测试工装各个区域的电压分别进行控制，试验监测控制系统通过控制面板分别对不同区域的受试样品进行控制，选通电探测器受试样品位置，实时监测受试样品的参数，实现测试数据的实时采集，监测光电探测器受试样品是否正常的状态，同时对探测器施加电应力、光应力和温度应力一种和/或两种应力/或三种应力，并通过多路模拟开关和现场可编程门阵列FPGA模块，通过UBS接口将采集到的信息传递给计算机，进行寿命大小和置信度参数的评估。
参阅图2、图3。测试专用工装是试验探测器安装的夹具，其电信号的输入输出通过通用接口实现，可以通过测试工装的置换，供多种类型的探测器使用这套试验系统进行寿命试验。测试工装上设有分为六个区域的安装夹具，每个区域可安装5只，每个区域的安装夹具上都设有图3所示安装受试探测器的编号。安装在温度试验箱中的测试专用工装，通过调节控制面板上的电位器，分别对受试探测器的偏置工作电压进行控制。
为避免光源和电源的输出性能受到温度应力的影响，将电源和光源放在温度试验箱外。通过耐高温电缆与测试控制电路板相连，将电信号施加在探测器上；激光器通过光纤分路器和光纤接入温度试验箱内，利用转接头(FC接头)将激光信号直接施加在探测器的光敏芯片上。探测器同时施加的应力种类有：电应力、温度应力和光应力。
参阅图4。测试专用工装是试验探测器安装的夹具，其电信号的输入输出通过通用接口实现，可以通过测试工装的置换，供多种类型的光电探测器使用这套试验系统进行寿命试验。测试工装上设有分为六个区域的安装夹具，每个区域可安装5只，每个区域的安装夹具上都设有图3所示安装受试探测器的编号。为避免光源和电源的输出性能受到温度应力的影响，将电源和光源放在温度试验箱外。通过耐高温电缆与测试控制电路板相连，将电信号施加在探测器上；激光器通过光纤分路器和光纤接入温度试验箱内，利用转接头(FC接头)将激光信号直接施加在探测器的光敏芯片上。探测器同时施加的应力种类有：电应力、温度应力和光应力。
在光电探测器安装时，工作电压相同或相近的器件安装在同一区域(组)，这样有利于电应力的施加，能够更加真实地模拟光电探测器的工作状态，同时即防止区域间电压的相互干扰，又能解决电源功率不能满足负载的要求。
参阅图4。电源控制系统主要由高压电源、前放电源和电源控制模块组成，电源控制模块可以采用市购的直接实现高压电源、前放电源模块。电源控制模块按照上述试验工装分区组数提供0～1000V连续可调电压的电源和电源的通断。本实施例可以实现6组0～1000V连续可调电压的电源和电源的通断。
参阅图5。试验监测控制系统信号处理系统。通过计算机人机界面上的按钮向中央处理器CPU发出指示，选择被测探测器的编号，同时也就确定的被测探测器的位置信息。通过CPU将信息传递给现场可编程门阵列FPGA，FPGA将探测器的位置信息转换成对多路模拟开关的控制，实现对被测器件的选通，同时对被测器件输出的电流和电压信号进行选通。多路模拟开关的作用是实现对不同测试通道的选通和转换，即实现对不同位置探测器的测试，并实现对不同通道电源的切换。通过控制面板上的电位器按钮来调节电源的电压值。前放电源的电压值对受试器件来说每5只一组，通过分组进行调节，高压电源的电压只可实现对每只器件进行调节。被选通位置的探测器，施加前放电压和高压，进入工作状态，就会有信号输出。此时通过多路模拟开关，实现电压跟随和线性传送，实现自动量程的放大和采集，并通过AD转换，将模拟信号转换成数字信号，通过FPGA传输给CPU，经过CPU进行运算处理后，传输到计算机中，实现自动采集和数据的保存。然后将这些数据通过寿命评估数据处理软件，对探测器的寿命进行评估。
光控制试验系统通过光纤分路器将来自半导体激光器脉冲光信号分流到每个光电探测器受试样品上，由光功率计监测光能量的大小，温度控制试验系统通过温度试验箱对安装在测试工装各个区域的的光电探测器受试样品进行温度控制；电源控制系统通过电源控制模块按测试工装各个区域的电压分别进行控制；试验监测控制系统选通开关选通光电探测器受试样品位置，监测光电探测器受试样品是否正常的状态，通过多路模拟开关和FPGA(现场可编程门阵列)模块，经UBS接口将采集到的信息传递给计算机。
因光电探测器规格型号较多，部分光电探测器光敏芯片在常温下暗电流是nA量级的，非常小，而在高温强光电照射下，光电流非常大，这就需要系统处理信号有较大的动态范围，既要保证小信号不被淹没，能够不损耗的输出，又要确保大电流信号不被截至，能够正常输出。这就需要对信号进行判断、控制和处理。这里采用多路模拟开关和FPGA模块，实现自动量程放大和采样保持，输出时自动恢复信号大小。计算机采集光电探测器的多种参数数据信息，通过软件编程，判定是否合格或者性能退化率的大小，并按规定的格式输出数据信息。
Claims (10)
1.一种光电探测器寿命评估试验系统，包括：光控制试验系统、电源控制试验系统、温度控制试验系统、试验监测控制系统和测试工装，其特征在于：测试工装多分区将光电探测器受试样品分为几个区域，光控制试验系统通过光纤分路器将来自半导体激光器脉冲光信号分流到每个光电探测器受试样品上，由光功率计监测光能量的大小；温度控制试验系统通过温度试验箱对安装在测试工装各个区域的受试样品进行温度控制，电源控制试验系统通过电源控制模块根据测试工装各个区域的电压分别进行控制，试验监测控制系统通过控制面板分别对不同区域的受试样品进行控制，选通光电探测器受试样品位置，实现实时监测和数据的实时采集，监测光电探测器受试样品是否正常的状态，同时对光电探测器施加电应力、光应力和温度应力中的一种应力或两种应力或三种应力，并通过多路模拟开关和现场可编程门阵列FPGA模块，将采集到的信息传递给计算机，进行光电探测器寿命大小和置信度参数的评估。
2.如权利要求1所述的光电探测器寿命评估试验系统，其特征在于：光控制试验系统包括顺次串联的驱动器、半导体激光器、衰减器、光纤分路器和电连接在光纤分路器上的光功率计和出纤功率标定装置。
3.如权利要求2所述的光电探测器寿命评估试验系统，其特征在于：驱动器给半导体激光器激励信号形成脉冲光信号，通过衰减器控制光信号的大小，然后经过光纤分路器和光纤把光信号分流到每个受试样品上，并通过光功率计监测光能量的大小。
4. 如权利要求1所述的光电探测器寿命评估试验系统，其特征在于：测试工装设置在温度试验箱内，测试工装每个区域上安装的光电探测器通过光纤连接光纤分路器。
5.如权利要求1所述的光电探测器寿命评估试验系统，其特征在于：测试工装的一端通过电源控制模块电连接电源控制试验系统，测试工装的输出端电连接示波器和计算机。
6.如权利要求1所述的光电探测器寿命评估试验系统，其特征在于：测试工装是受试光电探测器安装夹具，其电信号的输入输出通过通用接口实现，通过测试工装的置换，供多种类型的探测器使用这套试验系统进行寿命试验。
7. 如权利要求1所述的光电探测器寿命评估试验系统，其特征在于：测试工装上设有分为六个区域的安装夹具，每个区域可安装5只光电探测器，每个区域的安装夹具上都设有安装受试光电探测器的编号。
8.如权利要求1所述的光电探测器寿命评估试验系统，其特征在于：安装在温度试验箱中的测试工装，通过调节控制面板上的电位器，分别对受试光电探测器的偏置工作电压进行控制。
9.如权利要求1所述的光电探测器寿命评估试验系统，其特征在于：半导体激光器通过光纤分路器和光纤接入温度试验箱内，利用转接头将激光信号直接施加在光电探测器的光敏芯片上。
10.如权利要求1所述的光电探测器寿命评估试验系统，其特征在于：电源控制试验系统主要由高压电源、前放电源和电源控制模块组成，电源控制模块按照上述测试工装分区组数，提供0～1000V连续可调电压的电源和电源的通断。
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