CN105548854A - 光电辐射传感器响应时间测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电辐射传感器响应时间测试装置，包括箱体、斩波器和控制器；斩波器设置在箱体内，斩波器用于将恒定光源信号转换为交变入射光源信号；斩波器中的支架安装在箱体上，马达安装在支架上，斩波片固定安装在马达的输出轴上；斩波片内设有均匀分布的透光孔，透光孔位于光耦接收面内，光耦安装在支架上，光耦用于采集斩波片旋转时的交变入射光源信号频率并传输给控制器；箱体内斩波器前方的空间设为检测仓，光电辐射传感器放在检测仓内并置于斩波片下方；控制器安装在检测仓下方，控制器内设置有斩波器驱动与控制电路和高频信号检测电路。本发明填补了光电辐射传感器响应时间测试技术的空白，对传感器研发及测试起到重要的作用。

Description

光电辐射传感器响应时间测试装置

技术领域

本发明涉及光电辐射传感器响应时间测试装置，属于传感器检测技术领域。

背景技术

太阳辐射是大气运动的最根本能量，地气系统本身又每时每刻在发射着红外辐射能。因此，进行地球表面辐射收支的测量，是了解地球气候系统以及人类对气候变化影响的基础。随着全球气候变化对人类生活和生存问题的理解日益加深，以及人们对包括太阳能在内的清洁能源的开发和利用，太阳辐射测量的重要性日渐凸显。

辐射测量有多种方法，在太阳辐射测量中，应用最广泛的辐射传感器有热电型辐射传感器和光电型辐射传感器两大类。前者利用太阳辐射的热效应以及传感器的热电效应，而后者则利用的是传感器的光电效应。

光电辐射传感器是利用某些物质受辐射照射后，引起其电学性质改变的特性，即发生所谓的“光电效应”而制成的器件。这个过程比起物体受辐射照射的加热过程要快得多，响应时间短是光电辐射传感器的重要技术指标，因此响应时间是光电辐射传感器优于热电传感器的首要考虑参数。随着光伏发电技术的日渐普及，对太阳辐射实时变化状况的监测成了人们日益关心的问题，光电型光电辐射传感器由于有着与光伏电池相似的光谱特性和很高的时间响应特性而日益受到关注。

太阳辐射传感器的时间响应检测，传统上是通过采集系统读取传感器对入射辐射信号的响应，在快速切断入射辐射或突然施加入射辐射的过程中，以计时器人工读取时间的方式进行的。随着技术的进步，热电辐射传感器的响应时间也有了较大幅度的改善，其量级从一、二十秒逐渐减小到几秒甚至更短，因此目前出现了一些采用电测设备的时钟控制自动连续采集输出参数，然后通过分析输出信号对阶跃脉冲入射辐射信号的响应波形，利用电测设备的时钟信号自动进行响应时间的检测计算。

但是，光电辐射传感器的响应速度极快，其响应时间通常以微秒甚至毫微秒计，目前电测设备的采样频率远远不足以支持对这样短的时间响应特性的检测，其他应用于光电器件性能测试的相关实验方法或无法适应光电辐射传感器产品的性能指标，或设备价格昂贵、实验操作复杂难以适用于光电辐射传感器的日常检验与标定工作，因此，目前光电辐射传感器响应时间的检测尚无有效的专用设备。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种光电辐射传感器响应时间测试装置，其结构紧凑、合理，操作简单方便，填补了光电辐射传感器响应时间测试技术方面的空白，对传感器的研发及测试起到重要的作用。

按照本发明提供的技术方案：光电辐射传感器响应时间测试装置，其特征在于：包括箱体、斩波器和控制器；所述斩波器设置在箱体内，斩波器用于将恒定光源信号转换为交变入射光源信号；所述斩波器包括支架、光耦、斩波片和马达，所述支架安装在箱体上，所述马达安装在支架上，所述斩波片固定安装在马达的输出轴上，马达启动带动斩波片旋转；所述斩波片内设有均匀分布的透光孔，所述透光孔位于光耦接收面内，所述光耦安装在支架上，光耦用于采集斩波片旋转时的交变入射光源信号频率并传输给控制器；所述箱体内斩波器前方的空间设为检测仓，所述光电辐射传感器放在检测仓内并置于斩波片下方；所述控制器安装在检测仓下方，控制器内设置有斩波器驱动与控制电路和高频信号检测电路；所述斩波器驱动与控制电路与斩波器中的马达和光耦连接，斩波器驱动与控制电路一方面驱动斩波器平稳高速的运转，另一方面根据光耦采集到的交变入射光源信号频率精确调整和检测斩波片转速；所述高频信号检测电路与光电辐射传感器连接，高频信号检测电路实时精确检测被测光学辐射传感器输出的高频调制信号的振幅。

作为本发明的进一步改进，所述测试装置还包括用来强化光源信号的入射光学系统；所述入射光学系统包括镜筒、凸透镜和锁紧环，所述镜筒下端连接在箱体顶部的防护罩上，凸透镜置于镜筒上端并通过锁紧环锁紧固定。

作为本发明的进一步改进，所述检测仓内设置有滑轨系统，在滑轨系统上安装有传感器夹具，置于检测仓内的光电辐射传感器装夹在传感器夹具上。

作为本发明的进一步改进，所述滑轨系统上设有检测仓门。

作为本发明的进一步改进，所述滑轨系统包括底板、滑道和滑块，所述底板固定在箱体内壁上，在底板两侧固定安装两件相互平行的滑道，两件滑道下表面的内侧边设有沿滑道长度走向的凹槽，所述凹槽与底板之间构成滑槽；所述滑块设置在两件滑道之间，滑块两侧边滑动装配在对应侧的滑槽内，所述传感器夹具固定在滑块上；所述检测仓门固定连接在滑块外端部，检测仓门内侧设有密封圈。

作为本发明的进一步改进，所述滑块与滑道的接触配合面之间设有润滑条，以使滑块滑动顺畅。

作为本发明的进一步改进，所述

作为本发明的进一步改进，所述滑道上设有锁紧销，所述滑块上设有卡口，当关闭检测仓门后，锁紧销嵌入卡口内，以利于检测仓门关闭紧密。

作为本发明的进一步改进，所述传感器夹具包括夹具座和夹持体，所述夹具座固定在滑轨系统中的滑块上，所述夹持体安装在夹具座上，夹持体内设有与所述光电辐射传感器下部形状匹配的夹持定位孔，所述光电辐射传感器下部装在夹持定位孔内。

作为本发明的进一步改进，所述夹持体为U形，所述夹持定位孔设置在U形夹持体内；所述夹持体的一个侧边固定在夹具座上，夹持体的另一个侧边悬空并可弹性弯曲，夹持体两个侧边的末端通过锁紧螺钉连接，锁紧螺钉旋紧时将装在夹持定位孔内的光电辐射传感器锁紧固定。

作为本发明的进一步改进，所述夹持体的一个侧边的末端设有螺孔，另一个侧边的末端设有开口槽，所述锁紧螺钉穿过开口槽后连接在螺孔内。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明结构紧凑、合理，操作简单方便，填补了光电辐射传感器响应时间测试技术方面的空白，对传感器的研发及测试起到重要的作用。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图。

图2为本发明实施例沿图1中入射光学系统轴线纵向剖切的结构剖视图。

图3为图2中斩波器的立体结构示意图。

图4为图2中滑轨系统的立体结构示意图。

图5为图2中传感器夹具的立体结构示意图。

图6为图1中保护罩的立体结构示意图。

图7为本发明实施例的测量原理图之一。

图8为本发明实施例的测量原理图之二。

图9为不设入射光学系统的斩波示意图。

图10为本发明实施例加设入射光学系统的斩波示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图所示，实施例中的光电辐射传感器响应时间测试装置主要由箱体1、防护罩2、入射光学系统3、检测仓门4、控制器5、斩波器6、传感器夹具9和滑轨系统10等组成。

如图1~图6所示，所述箱体1顶部安装防护罩2，所述入射光学系统3安装在防护罩2上，入射光学系统3用于强化光源信号；所述斩波器6设置在箱体1内，斩波器6用于将恒定光源信号转换为交变入射光源信号，斩波器6主要由支架6.1、光耦6.2、斩波片6.3和马达6.4组成，所述支架6.1安装在箱体1上，所述马达6.4安装在支架6.1上，所述斩波片6.3固定安装在马达6.4的输出轴上，马达6.4启动带动斩波片6.3旋转；所述斩波片6.3内设有均匀分布的透光孔，所述透光孔位于光耦6.2接收面内，所述光耦6.2安装在支架6.1上，光耦6.2用于采集斩波片6.3旋转时的交变入射光源信号频率并传输给控制器5；所述箱体1内斩波器6前方的空间设为检测仓7，所述光电辐射传感器8放在检测仓7内并置于斩波片6.3下方；所述控制器5安装在检测仓7下方，控制器5内设置有斩波器6驱动与控制电路和高频信号检测电路；所述斩波器6驱动与控制电路与斩波器6中的马达6.4和光耦6.2连接，斩波器6驱动与控制电路一方面驱动斩波器6平稳高速的运转，另一方面根据光耦6.2采集到的交变入射光源信号频率精确调整和检测斩波片6.3转速；所述高频信号检测电路与光电辐射传感器8连接，高频信号检测电路实时精确检测被测光学辐射传感器输出的高频调制信号的振幅。

本发明实施例中，所述入射光学系统3的结构如图1、图2所示，其主要由镜筒3.1、凸透镜3.2和锁紧环3.3组成，所述镜筒3.1下端连接在防护罩2上，凸透镜3.2置于镜筒3.1上端并通过锁紧环3.3锁紧固定。

如图2所示，所述检测仓7内设置有滑轨系统10，在滑轨系统10上安装有传感器夹具9，置于检测仓7内的光电辐射传感器8装夹在传感器夹具9上。另外，所述滑轨系统10上设有检测仓门4，这样可以方便光电辐射传感器8接受光源信号并阻隔外界杂散光源信号。

本发明实施例中，所述滑轨系统10的结构如图2、图4所示，其主要由底板10.1、滑道10.2、滑块10.3、润滑条10.4、密封圈和锁紧销10.5组成，所述底板10.1固定在箱体1内壁上，在底板10.1两侧固定安装两件相互平行的滑道10.2，两件滑道10.2下表面的内侧边设有沿滑道10.2长度走向的凹槽，所述凹槽与底板10.1之间构成滑槽；所述滑块10.3设置在两件滑道10.2之间，滑块10.3两侧边滑动装配在对应侧的滑槽内，所述传感器夹具9固定在滑块10.3上；所述检测仓门4固定连接在滑块10.3外端部。开启检测仓门4可带动滑块10.3和传感器夹具9向外滑出，便于进行光电辐射传感器8的安装操作。所述润滑条10.4设置在滑块10.3与滑道10.2的接触配合面之间，以使滑块10.3滑动顺畅。所述检测仓门4内侧设设置密封圈。所述滑道10.2上设有锁紧销10.5，所述滑块10.3上设有卡口，当关闭检测仓门4后，锁紧销10.5嵌入卡口内，以利于检测仓门4关闭紧密。通过检测仓门4上设有的密封圈及滑轨系统10上设有的锁紧销10.5的共同作用，使检测仓7内成为不透杂散光线的密闭空间。

本发明实施例中，所述传感器夹具9的结构如图2、图5所示，其主要由夹具座9.1、夹持体9.2和锁紧螺钉9.3组成，所述夹具座9.1固定在滑轨系统10中的滑块10.3上，所述夹持体9.2安装在夹具座9.1上；所述夹持体9.2为U形，U形夹持体9.2内设置夹持定位孔9.2a，所述光电辐射传感器8下部装在夹持定位孔9.2a内；所述夹持体9.2的一个侧边固定在夹具座9.1上，夹持体9.2的另一个侧边悬空并可弹性弯曲；所述夹持体9.2的一个侧边的末端设有螺孔，另一个侧边的末端设有开口槽，所述锁紧螺钉9.3穿过开口槽后连接在螺孔内，锁紧螺钉9.3旋紧时将装在夹持定位孔9.2a内的光电辐射传感器8锁紧固定。在具体应用中，所述传感器夹具9可根据传感器型号进行调整。

本发明的测量原理及测量过程如下：

光电辐射传感器8的响应时间定义为：当以阶跃辐射信号照射光电辐射传感器8时，从阶跃信号开始起至输出信号升高到最终稳定输出的最大值时所需的时间为100%响应时间，而升高到该值的95%时所需的时间即为需要测量的技术指标：95%响应时间。

如图7所示，当阶跃脉冲辐射信号输入时，光电辐射传感器8输出信号由于响应时间特性的影响会发生输出信号的波形改变，输出信号最大值为H时，根据定义0.95H点对应的时间t即为该传感器的响应时间。

当响应时间很短时，t接近或小于电测仪器的采样周期，则采样数据无法描述出该波形的改变，从而无法采用电测设备的时钟控制自动连续采集输出参数，然后通过分析输出信号对阶跃脉冲入射辐射信号的响应波形，利用电测设备的时钟信号自动进行响应时间检测计算的方法进行检测。

为此，本发明采用振幅稳定的可变频连续阶跃脉冲辐射作为输入信号，并通过高频信号检测电路精确测量被测传感器输出信号的最大值与最小值之差，也就是输出信号的振幅。当入射连续脉冲信号频率足够低时，每一个脉冲输出信号均能达到稳定的输出值，因此入射信号频率变化并不影响输出信号的振幅大小。此时，测量并记录最大振幅H。逐渐增大入射连续脉冲信号的频率，当信号周期T小于两倍100%响应时间时，输出信号振幅将开始减小。如图8所示，继续增大入射信号频率，同时监测输出信号振幅，当输出信号振幅减小到最大振幅H的0.9倍时，记录输出信号的频率f并计算周期T。在图8中，95%响应时间t=T/2。

为实现准确的入射辐射调制和频率控制，本发明采用斩波器6对稳定入射的光源进行调整，从而将难以解决的响应时间检测问题通过入射辐射可变频调制方案转化为调制频率检测问题，再通过斩波器6技术将调制频率检测问题转换为技术成熟可靠的斩波器6转动速度检测问题。

由于斩波器6置于入射光路中，通过遮挡法可以控制光路通断。当遮光板进入和退出光路的过程中，有一个渐进切入的过程，从而导致调制波形为一梯形波。当被测件响应时间较长，选用低频斩波器6快速运转的情况下影响不大，但是光电辐射传感器8响应时间极短，这样的入射波形改变足以对测量精度造成极其不利影响【如图9所示】。为此本发明采用了共轭耦合的入射光学系统3设计，通过将入射光束在斩波器6处会聚而极大地改善了入射波形【如图10所示】。

具体测量时，打开检测仓门4，将被测光电辐射传感器8装夹在传感器夹具9上，然后推上检测仓门4。通过调节检测仓7内的滑轨系统10，使被测光电辐射传感器8定位在最佳测量位置接受交变入射光源信号，并阻隔外界杂散光源信号对测量的影响。斩波器6中的马达6.4启动，带动斩波片6.3旋转，使经过入射光学系统3射入的光源信号成为交变入射光源信号。在此过程中，斩波器6中的光耦6.2采集斩波片6.3旋转时的交变入射光源信号频率并传输给控制器5，以控制和检测斩波器6转速。所述控制器5中的斩波器6驱动与控制电路驱动斩波器6平稳高速的运转，并根据需要精确调整和检测斩波片6.3转速。控制器5中的高频信号检测电路则实时精确检测被测光学辐射传感器输出的高频调制信号的振幅。

Claims (10)

1.光电辐射传感器响应时间测试装置，其特征在于：包括箱体（1）、斩波器（6）和控制器（5）；所述斩波器（6）设置在箱体（1）内，斩波器（6）用于将恒定光源信号转换为交变入射光源信号；所述斩波器（6）包括支架（6.1）、光耦（6.2）、斩波片（6.3）和马达（6.4），所述支架（6.1）安装在箱体（1）上，所述马达（6.4）安装在支架（6.1）上，所述斩波片（6.3）固定安装在马达（6.4）的输出轴上，马达（6.4）启动带动斩波片（6.3）旋转；所述斩波片（6.3）内设有均匀分布的透光孔，所述透光孔位于光耦（6.2）接收面内，所述光耦（6.2）安装在支架（6.1）上，光耦（6.2）用于采集斩波片（6.3）旋转时的交变入射光源信号频率并传输给控制器（5）；所述箱体（1）内斩波器（6）前方的空间设为检测仓（7），所述光电辐射传感器（8）放在检测仓（7）内并置于斩波片（6.3）下方；所述控制器（5）安装在检测仓（7）下方，控制器（5）内设置有斩波器（6）驱动与控制电路和高频信号检测电路；所述斩波器（6）驱动与控制电路与斩波器（6）中的马达（6.4）和光耦（6.2）连接，斩波器（6）驱动与控制电路一方面驱动斩波器（6）平稳高速的运转，另一方面根据光耦（6.2）采集到的交变入射光源信号频率精确调整和检测斩波片（6.3）转速；所述高频信号检测电路与光电辐射传感器（8）连接，高频信号检测电路实时精确检测被测光学辐射传感器输出的高频调制信号的振幅。

2.如权利要求1所述的光电辐射传感器响应时间测试装置，其特征在于：所述测试装置还包括用来强化光源信号的入射光学系统（3）；所述入射光学系统（3）包括镜筒（3.1）、凸透镜（3.2）和锁紧环（3.3），所述镜筒（3.1）下端连接在箱体（1）顶部的防护罩（2）上，凸透镜（3.2）置于镜筒（3.1）上端并通过锁紧环（3.3）锁紧固定。

3.如权利要求1所述的光电辐射传感器响应时间测试装置，其特征在于：所述检测仓（7）内设置有滑轨系统（10），在滑轨系统（10）上安装有传感器夹具（9），置于检测仓（7）内的光电辐射传感器（8）装夹在传感器夹具（9）上。

4.如权利要求3所述的光电辐射传感器响应时间测试装置，其特征在于：所述滑轨系统（10）上设有检测仓门（4）。

5.如权利要求4所述的光电辐射传感器响应时间测试装置，其特征在于：所述滑轨系统（10）包括底板（10.1）、滑道（10.2）和滑块（10.3），所述底板（10.1）固定在箱体（1）内壁上，在底板（10.1）两侧固定安装两件相互平行的滑道（10.2），两件滑道（10.2）下表面的内侧边设有沿滑道（10.2）长度走向的凹槽，所述凹槽与底板（10.1）之间构成滑槽；所述滑块（10.3）设置在两件滑道（10.2）之间，滑块（10.3）两侧边滑动装配在对应侧的滑槽内，所述传感器夹具（9）固定在滑块（10.3）上；所述检测仓门（4）固定连接在滑块（10.3）外端部，检测仓门（4）内侧设有密封圈。

6.如权利要求5所述的光电辐射传感器响应时间测试装置，其特征在于：所述滑块（10.3）与滑道（10.2）的接触配合面之间设有润滑条（10.4），以使滑块（10.3）滑动顺畅。

7.如权利要求5所述的光电辐射传感器响应时间测试装置，其特征在于：所述滑道（10.2）上设有锁紧销（10.5），所述滑块（10.3）上设有卡口，当关闭检测仓门（4）后，锁紧销（10.5）嵌入卡口内，以利于检测仓门（4）关闭紧密。

8.如权利要求3所述的光电辐射传感器响应时间测试装置，其特征在于：所述传感器夹具（9）包括夹具座（9.1）和夹持体（9.2），所述夹具座（9.1）固定在滑轨系统（10）中的滑块（10.3）上，所述夹持体（9.2）安装在夹具座（9.1）上，夹持体（9.2）内设有与所述光电辐射传感器（8）下部形状匹配的夹持定位孔（9.2a），所述光电辐射传感器（8）下部装在夹持定位孔（9.2a）内。

9.如权利要求8所述的光电辐射传感器响应时间测试装置，其特征在于：所述夹持体（9.2）为U形，所述夹持定位孔（9.2a）设置在U形夹持体（9.2）内；所述夹持体（9.2）的一个侧边固定在夹具座（9.1）上，夹持体（9.2）的另一个侧边悬空并可弹性弯曲，夹持体（9.2）两个侧边的末端通过锁紧螺钉（9.3）连接，锁紧螺钉（9.3）旋紧时将装在夹持定位孔（9.2a）内的光电辐射传感器（8）锁紧固定。

10.如权利要求9所述的光电辐射传感器响应时间测试装置，其特征在于：所述夹持体（9.2）的一个侧边的末端设有螺孔，另一个侧边的末端设有开口槽，所述锁紧螺钉（9.3）穿过开口槽后连接在螺孔内。