CN105651489A - 激光器寿命测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器寿命测试系统，所述系统包括电源驱动模块、样品池、温度控制模块、参数测试模块、故障诊断与健康管理模块和计算机控制模块，所述样品池用于承载激光器；电源驱动模块分别与样品池和故障诊断与健康管理模块连接，样品池设置在温度控制模块上，样品池和温度控制模块分别与故障诊断与健康管理模块连接，参数测试模块用于对装载在所述样品池中的激光器进行监测，电源驱动模块、温度控制模块、参数测试模块和故障诊断与健康管理模块分别与计算机控制模块连接。本发明为半导体激光器寿命评价、老化筛选提供了设备保障；具备故障诊断与健康管理功能，避免因寿命试验装置关键部件故障导致寿命试验中断或试验装置损伤。

Description

激光器寿命测试系统

技术领域

本发明涉及激光器寿命测试技术领域，特别是涉及一种激光器寿命测试系统。

背景技术

经历了40多年的发展，半导体激光器已经成为光电子器件大家族中极为重要的一员，由它引伸发展起来的半导体光子学、集成光电子学已成为信息科技的重要支柱，并正在推动着诸如光通信、光信息处理、光互连、光计算等重要前沿应用领域的快速发展。

半导体激光器及其相关产业的快速发展，推动了半导体激光器可靠性研究的进步，为了保障半导体激光器的工程应用，近年来国内外许多研究机构开展了针对大功率半导体激光器的寿命评价技术研究。一方面旨在获得大功率半导体激光器的退化模型和寿命分布模型，建立起大功率半导体激光器的寿命试验与评价方法；另一方面则围绕开展大功率半导体激光器寿命试验的载体-寿命试验仪器开展研制工作，涌现出了ILXlightwave公司、美国国家宇航局(NASA)LaRc研究中心、Nanofoot公司、中国地质大学、山东理工大学等一批国内外研究机构，并已有商品化的半导体激光器寿命试验仪器问世。

对于高功率半导体激光器，在长期寿命试验过程中，对试验器件的关键部件(电源驱动模块、温度控制模块)有较高的可靠性要求，但是现有技术在激光器寿命试验过程中并不能保证试验器件中关键部件的可靠性，若试验过程中关键部件出现故障，将会对试验器件造成致命性的损伤，进而影响最后寿命试验的统计分析结果的准确性。

发明内容

基于上述情况，本发明提出了一种激光器寿命测试系统，在进行激光器件寿命试验过程中，对测试系统中关键模块的健康状况进行监测和评估，避免因寿命测试系统关键部件故障导致寿命测试中断或测试系统损伤。

为了实现上述目的，本发明技术方案的实施例为：

一种激光器寿命测试系统，包括电源驱动模块、样品池、温度控制模块、参数测试模块、故障诊断与健康管理模块和计算机控制模块，所述样品池用于承载激光器；

所述电源驱动模块分别与所述样品池和所述故障诊断与健康管理模块连接，所述样品池设置在所述温度控制模块上，所述样品池和所述温度控制模块分别与所述故障诊断与健康管理模块连接，所述参数测试模块用于对装载在所述样品池中的激光器进行监测，所述电源驱动模块、所述温度控制模块、所述参数测试模块和所述故障诊断与健康管理模块分别与所述计算机控制模块连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明激光器寿命测试系统，为半导体激光器寿命评价、老化筛选提供了设备保障，保障了激光器的工程应用；在试验装置中添加故障诊断与健康管理模块，可以在进行批量激光器寿命试验过程中，实时对试验装置中关键模块的健康状况进行监测和评估，为寿命试验装置基于状态的维修和自主维护提供重要保障，避免因寿命试验装置关键部件故障导致寿命试验中断或试验装置损伤，提高激光器寿命试验结果的准确性。

附图说明

图1为一个实施例中激光器寿命测试系统结构示意图；

图2为一个实施例中激光器寿命测试系统中单层器件的故障诊断与健康管理功能结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

一个实施例中激光器寿命测试系统，如图1所示，包括电源驱动模块1、样品池2、温度控制模块3、参数测试模块4、故障诊断与健康管理模块5和计算机控制模块6，所述样品池2用于承载激光器；

所述电源驱动模块1分别与所述样品池2和所述故障诊断与健康管理模块5连接，所述样品池2设置在所述温度控制模块3上，所述样品池2和所述温度控制模块3分别与所述故障诊断与健康管理模块5连接，所述参数测试模块4用于对装载在所述样品池2中的激光器进行监测，所述电源驱动模块1、所述温度控制模块3、所述参数测试模块4和所述故障诊断与健康管理模块5分别与所述计算机控制模块6连接。

从以上描述可知，本发明为半导体激光器寿命评价、老化筛选提供了设备保障，同时具备故障诊断与健康管理模块，能够实时对试验装置中的关键模块的健康状况进行监测和评估，提高寿命试验结果的准确性。

此外，在一个具体示例中，所述样品池2包括若干个激光器夹具，各个所述激光器夹具串联形成回路，所述激光器夹具用于夹持所述激光器。所述样品池2为承载批量激光器的载体，由可拆卸更换的激光器夹具组成，可实现多只激光器的夹持和串联电连接。

此外，在一个具体示例中，所述温度控制模块3包括循环水冷机和水冷通道，各个所述激光器夹具设置在所述水冷通道上，所述循环水冷机连接所述水冷通道，所述计算机控制模块6连接所述循环水冷机。所述温度控制模块3主要用于激光器热沉温度的控制，可为多个串联的激光器提供加速应力试验环境。

此外，在一个具体示例中，所述故障诊断与健康管理模块5包括温度传感器阵列和电源传感器阵列，所述温度传感器阵列包括压力传感器、流量传感器和温度传感器，所述电源传感器阵列包括霍尔传感器和电压传感器；

所述压力传感器和所述流量传感器设置在所述循环水冷机的输出端，所述温度传感器设置在所述循环水冷机的输出端和所述水冷通道与各个所述激光器夹具之间，所述霍尔传感器设置在各个所述激光器夹具串联形成的回路上，所述电压传感器分别与所述电源驱动模块1的输出回路和各个所述激光器夹具并接，所述压力传感器、所述流量传感器、所述温度传感器、所述霍尔传感器和所述电压传感器分别与所述计算机控制模块6连接。

所述压力传感器用于监测所述循环水冷机的水压，所述流量传感器用于监测所述循环水冷机的水流量，所述温度传感器用于分别监测所述循环水冷机的出水温度和各个激光器的热沉温度；所述霍尔传感器用于监测所述电源驱动模块1的输出电流和各个激光器两端电流，所述电压传感器用于测试所述电源驱动模块1的输出电压和各个激光器两端电压；

故障诊断与健康管理模块5实时采集水冷机水压、水流量、水温、激光器温度、电源输出电流、电源输出电压、激光器输入电流、激光器两端电压等敏感参数，并将采集到的参数传递给计算机控制模块6，计算机控制模块6根据采集到的敏感参数对试验装置的电源驱动模块、温度控制模块的健康状况进行监测和评估，避免因寿命试验装置关键部件故障导致寿命试验中断或试验装置损伤。

此外，在一个具体示例中，所述参数测试模块4包括步进电机和参数测试仪器，所述参数测试仪器设置在所述步进电机上，所述参数测试仪器用于对所述激光器进行监测，所述步进电机和所述参数测试仪器分别与所述计算机控制模块6连接。计算机控制模块6控制步进电机和参数测试仪器实现对多只激光器敏感参数(输出功率、中心波长等)的循环检测、记录与输出，对激光器寿命进行测试。

此外，在一个具体示例中，所述计算机控制模块6包括寿命试验仪器控制软件和故障诊断与健康管理软件，所述电源驱动模块1、所述温度控制模块3、所述参数测试模块4和所述故障诊断与健康管理模块5分别与所述寿命试验仪器控制软件连接，所述寿命试验仪器控制软件的输出端连接所述故障诊断与健康管理软件。

寿命试验仪器控制软件主要用于对电源驱动模块1、温度控制模块3、参数测试模块4、故障诊断与健康管理模块5实施总体控制。故障诊断与健康管理软件主要通过对寿命试验仪器控制软件采集的敏感参数进行挖掘分析，判断试验装置中关键模块主要故障的发生部位、发生时间和概率，对寿命试验装置的健康状况进行评估，为寿命试验装置基于状态的维修和自主维护提供重要保障。

此外，在一个具体示例中，所述故障诊断与健康管理软件包括数据导入模块、特征提取模块、健康评估模块、状态预测模块和故障诊断模块。

故障诊断与健康管理软件中将寿命试验仪器控制软件采集的敏感参数导入，提取能够表征仪器退化失效或突发失效的敏感参数，并根据失效阈值评估仪器是否还处于健康状态，若是仪器还处于正常状态，则需进一步预测仪器状态的趋势，并制定一些维护措施以应对仪器未来的变化趋势，若是仪器处于故障状态，则需进一步确定仪器发生故障的部位和失效机理，在此基础上采取适当的维修措施，使得仪器恢复到正常状态，其中特征提取技术流程主要采用主成分分析分析和互信息算法两种途径实现，健康评估技术流程主要采用马氏距离、秩和检验、神经网络等算法实现，状态预测技术流程主要采用卡尔曼滤波、灰色模型、自回归模型、自回归滑动平均模型、神经网络等算法实现，故障诊断技术流程主要采用朴素贝叶斯、自组织映射等算法实现。

此外，在一个具体示例中，各个所述激光器夹具和所述水冷通道之间还设置有导热绝缘板，避免各个激光器夹具通电后短路，适合实际应用。

此外，在一个具体示例中，所述电源驱动模块1包括多套恒流电流源，所述恒流电流源向所述样品池2和所述故障诊断与健康管理模块5供电，所述恒流电流源包括外控接口，所述计算机控制模块6分别与各套所述恒流电流源的外控接口连接，可由计算机控制模块6控制其输入输出。

此外，在一个具体示例中，所述流量传感器包括转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计或超声波流量计，所述温度传感器包括热电偶或热敏电阻，满足多种应用需要。

为了更好地理解上述系统，以下详细阐述一个本发明激光器寿命测试系统的应用实例。

如图1、2所示，所述系统包括电源驱动模块1、样品池2、温度控制模块3、参数测试模块4、故障诊断与健康管理模块5和计算机控制模块6，所述样品池2用于承载激光器；

所述电源驱动模块1包括多套恒流电流源，所述恒流电流源向所述样品池2和所述故障诊断与健康管理模块5供电，所述恒流电流源包括外控接口，所述计算机控制模块6分别与各套所述恒流电流源的外控接口连接，由计算机控制模块6控制其输入输出；

所述样品池2包括多个铜质C-Mount或F-Mount封装单管激光器夹具，各个所述激光器夹具串联形成回路，所述激光器夹具用于夹持所述激光器，可实现多只激光器的夹持和串联电连接；

温度控制模块3包括循环水冷机和水冷通道，各个所述激光器夹具设置在所述水冷通道上，所述循环水冷机连接所述水冷通道，所述计算机控制模块6连接所述循环水冷机，所述温度控制模块3主要用于激光器热沉温度的控制，可为多个串联的激光器提供加速应力试验环境；

在上述各个激光器夹具和水冷通道之间还设置导热绝缘板，避免各个激光器夹具通电后短路；

所述故障诊断与健康管理模块5包括温度传感器阵列和电源传感器阵列，所述温度传感器阵列包括压力传感器、流量传感器和温度传感器，所述电源传感器阵列包括霍尔传感器和电压传感器；

所述压力传感器和所述流量传感器设置在所述循环水冷机的输出端，所述温度传感器设置在所述循环水冷机的输出端和所述水冷通道与各个所述激光器夹具之间，所述霍尔传感器设置在各个所述激光器夹具串联形成的回路上，所述电压传感器分别与所述电源驱动模块1的输出回路和各个所述激光器夹具并接，所述压力传感器、所述流量传感器、所述温度传感器、所述霍尔传感器和所述电压传感器分别与所述计算机控制模块6连接；所述压力传感器用于监测所述循环水冷机的水压，所述流量传感器用于监测所述循环水冷机的水流量，所述温度传感器用于分别监测所述循环水冷机的出水温度和各个激光器的热沉温度；所述霍尔传感器用于监测所述电源驱动模块1的输出电流和各个激光器两端电流，所述电压传感器用于测试所述电源驱动模块1的输出电压和各个激光器两端电压；故障诊断与健康管理模块5实时采集水冷机水压、水流量、水温、激光器温度、电源输出电流、电源输出电压、激光器输入电流、激光器两端电压等敏感参数，并将采集到的参数传递给计算机控制模块6，计算机控制模块6根据采集到的敏感参数对试验装置的电源驱动模块、温度控制模块的健康状况进行监测和评估，避免因寿命试验装置关键部件故障导致寿命试验中断或试验装置损伤；所述流量传感器包括转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计或超声波流量计，所述温度传感器包括热电偶或热敏电阻；

所述参数测试模块4包括步进电机和参数测试仪器，所述参数测试仪器设置在所述步进电机上，所述参数测试仪器用于对所述激光器进行监测，所述步进电机和所述参数测试仪器分别与所述计算机控制模块6连接，计算机控制模块6控制步进电机和参数测试仪器实现对多只激光器敏感参数(输出功率、中心波长等)的循环检测、记录与输出，对激光器寿命进行测试；

计算机控制模块6包括寿命试验仪器控制软件和故障诊断与健康管理软件，寿命试验仪器控制软件主要用于对电源驱动模块1、温度控制模块3、参数测试模块4、故障诊断与健康管理模块5实施总体控制。所述故障诊断与健康管理软件包括数据导入模块、特征提取模块、健康评估模块、状态预测模块和故障诊断模块。故障诊断与健康管理软件将寿命试验仪器控制软件采集的上述敏感参数随时间的变化信息导入，提取能够表征仪器退化失效或突发失效的敏感参数，并根据失效阈值评估仪器是否还处于健康状态，若是仪器还处于正常状态，则需进一步预测仪器状态的趋势，并制定一些维护措施以应对仪器未来的变化趋势，若是仪器处于故障状态，则需进一步确定仪器发生故障的部位和失效机理，在此基础上采取适当的维修措施，使得仪器恢复到正常状态，其中特征提取技术流程主要采用主成分分析分析和互信息算法两种途径实现，健康评估技术流程主要采用马氏距离、秩和检验、神经网络等算法实现，状态预测技术流程主要采用卡尔曼滤波、灰色模型、自回归模型、自回归滑动平均模型、神经网络等算法实现，故障诊断技术流程主要采用朴素贝叶斯、自组织映射等算法实现。

从以上描述可知，本实施例为半导体激光器寿命评价、老化筛选提供了设备保障，保障了激光器的工程应用；在进行批量器件寿命试验过程中，根据实时采集的水冷机水压、水流量、水温、激光器温度、电源输出电流、电源输出电压、激光器输入电流、激光器两端电压等敏感参数，对试验装置中的关键模块的健康状况进行监测和评估，判断试验装置中关键模块主要故障的发生部位、发生时间和概率，为寿命试验装置基于状态的维修和自主维护提供了重要保障，避免寿命试验装置关键部件故障导致寿命试验中断或试验装置损伤等弊端，提高激光器寿命试验结果的准确性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光器寿命测试系统，其特征在于，包括电源驱动模块、样品池、温度控制模块、参数测试模块、故障诊断与健康管理模块和计算机控制模块，所述样品池用于承载激光器；

所述电源驱动模块分别与所述样品池和所述故障诊断与健康管理模块连接，所述样品池设置在所述温度控制模块上，所述样品池和所述温度控制模块分别与所述故障诊断与健康管理模块连接，所述参数测试模块用于对装载在所述样品池中的激光器进行监测，所述电源驱动模块、所述温度控制模块、所述参数测试模块和所述故障诊断与健康管理模块分别与所述计算机控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的激光器寿命测试系统，其特征在于，所述样品池包括若干个激光器夹具，各个所述激光器夹具串联形成回路，所述激光器夹具用于夹持所述激光器。

3.根据权利要求2所述的激光器寿命测试系统，其特征在于，所述温度控制模块包括循环水冷机和水冷通道，各个所述激光器夹具设置在所述水冷通道上，所述循环水冷机连接所述水冷通道，所述计算机控制模块连接所述循环水冷机。

4.根据权利要求3所述的激光器寿命测试系统，其特征在于，所述故障诊断与健康管理模块包括温度传感器阵列和电源传感器阵列，所述温度传感器阵列包括压力传感器、流量传感器和温度传感器，所述电源传感器阵列包括霍尔传感器和电压传感器；

所述压力传感器和所述流量传感器设置在所述循环水冷机的输出端，所述温度传感器设置在所述循环水冷机的输出端和所述水冷通道与各个所述激光器夹具之间，所述霍尔传感器设置在各个所述激光器夹具串联形成的回路上，所述电压传感器分别与所述电源驱动模块的输出回路和各个所述激光器夹具并接，所述压力传感器、所述流量传感器、所述温度传感器、所述霍尔传感器和所述电压传感器分别与所述计算机控制模块连接。

5.根据权利要求1所述的激光器寿命测试系统，其特征在于，所述参数测试模块包括步进电机和参数测试仪器，所述参数测试仪器设置在所述步进电机上，所述参数测试仪器用于对所述激光器进行监测，所述步进电机和所述参数测试仪器分别与所述计算机控制模块连接。

6.根据权利要求1所述的激光器寿命测试系统，其特征在于，所述计算机控制模块包括寿命试验仪器控制软件和故障诊断与健康管理软件，所述电源驱动模块、所述温度控制模块、所述参数测试模块和所述故障诊断与健康管理模块分别与所述寿命试验仪器控制软件连接，所述寿命试验仪器控制软件的输出端连接所述故障诊断与健康管理软件。

7.根据权利要求6所述的激光器寿命测试系统，其特征在于，所述故障诊断与健康管理软件包括数据导入模块、特征提取模块、健康评估模块、状态预测模块和故障诊断模块。

8.根据权利要求3所述的激光器寿命测试系统，其特征在于，各个所述激光器夹具和所述水冷通道之间还设置有导热绝缘板。

9.根据权利要求1所述的激光器寿命测试系统，其特征在于，所述电源驱动模块包括多套恒流电流源，所述恒流电流源向所述样品池和所述故障诊断与健康管理模块供电，所述恒流电流源包括外控接口，所述计算机控制模块分别与各套所述恒流电流源的外控接口连接。

10.根据权利要求4所述的激光器寿命测试系统，其特征在于，所述流量传感器包括转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计或超声波流量计，所述温度传感器包括热电偶或热敏电阻。