CN110426070B - 多通道信号输出光电传感器的高精度测试设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实用性强、测试数据一致性较好且能够直观检测传感器特性和性能缺陷的多通道信号输出光电传感器的高精度测试方法，以及该方法应用到的测试设备。本发明通过设备的设计和方法的实施，能够获得更加准确的输出信号，得到能量积分参数，从而精准的分析出待测光电传感器的工作性能；本发明测试方法设计做出来的设备，体积小，易于实现此类光电传感器在量化生产时的高精度准确测试，也适用于产品研发阶段的验证测试。本发明可应用于测试领域。

Description

多通道信号输出光电传感器的高精度测试设备及方法

技术领域

本发明涉及测试领域，尤其涉及一种多通道信号输出光电传感器的高精度测试设备及方法。

背景技术

多通道信号输出光电传感器具有单反射光路、多通道信号输出的特点。此类传感器一般体积小，接收信号敏感度高，适用于移动终端产品。传感器通道越多灵敏度越高，对测试的要求也就越高。但目前对此类传感器的测试方法没有标准的设备，一般采用红外光学测试仪器测试或者是简单电压读取法：如果使用大型的光学测试设备，需要较大的物理测试空间，测试周期长，传感器应用不容易导入到生产，量产生产测试成本高，产品应用灵活性非常差，所以这种测试仅适合在产品研发阶段及科学研究室。电压读取法则是通过可以反射的物体靠近传感器，然后直接读取传感器输出的电压来判断传感器是否工作。此类测试方法由于过于简单，存在的缺点包括：a.容易受到诸多环境的影响，造成测试设备之间有较大的差异，无法获取一致性较好的测试数据；b.靠近物体由于没有标准反光效率，接收端的信号数据也没有标准；c.由于传感器接收端是多通道输出，所以各个通道的信号差异无法测量出来；d.信号的灵敏度无法通过测试表现出来。

总之，现有的多通道信号输出光电传感器的测试方法存在最终测试数据差异性非常大，不能直观的检测到这类传感器的特性，也检测不出光电传感器的性能缺陷的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种实用性强、测试数据一致性较好且能够直观检测传感器特性和性能缺陷的多通道信号输出光电传感器的高精度测试方法，以及该方法应用到的测试设备。

本发明所述多通道信号输出光电传感器的高精度测试设备采用的技术方案是：它包括主机、暗箱、测试座及色卡组件，所述测试座及所述色卡组件均设置在所述暗箱内，所述色卡组件包括灰色卡、白色卡及卡移动控制机构，待测多通道光电传感器产品装配于所述测试座上，所述主机均与所述测试座及所述卡移动控制机构电信号连接，所述卡移动控制机构带动所述灰色卡和所述白色卡在所述暗箱内移动。

上述方案可见，本发明采用灰色卡和白色卡两种标准色卡，结合卡移动控制机构实现色卡与传感器发射端之间的距离根据需要自动调整且在调整后固定好，从而提高了自动化程度及设备标准化程度，避免了人工干预，进一步提升了设备测试一致性以及设备与设备之间的测试数据一致性；在无任何光源的暗箱中完成所有信号通道的测试，可以排除所有可见光等环境因素对待测传感器的影响，提高了测试精度；此外，所述设备体积小，易于实现传感器在量化生产时的高精度准确测试，也适用于产品研发阶段的验证测试，其适用性较广。

进一步地，所述主机内设置有测试模块，所述测试模块包括色卡切换运动控制电路和其它测试电路，其它测试电路包括光电发射端恒流控制电路、光电传感器接收通道切换电路和光电接收信号处理电路，所述色卡切换运动控制电路用于在不同测试状态下切换所述灰色卡和所述白色卡；所述光电发射端恒流控制电路用于控制光电传感器的发射端的电流的通断及电流调节；所述光电传感器接收通道切换电路用于对待测传感器的信号输出通道进行切换；所述光电接收信号处理电路用于对通道内接收到的信号进行增益放大控制及进行模数转换。

上述方案可见，通过测试模块的设置，其中的色卡切换运动控制电路对色卡的选择进行控制，且根据要求移动色卡的位置，使色卡与光电传感器之间的距离满足要求，从而实现色卡的自动化适应和固定；而光电发射端恒流控制电路实现了对光电传感器发射端电流的控制，配合光电传感器接收通道切换电路实现对传感器的不同的接收通道进行切换测试，并通过光电接收信号处理电路对信号进行处理，实现对光电传感器自动测试。

再进一步地，所述测试座包括传感器测试基板、传感器信号接收通道切换模块、测试转接板及与待测多通道光电传感器产品相连接的测试针座，所述测试针座、所述测试转接板及所述传感器信号接收通道切换模块依次连接，所述传感器信号接收通道切换模块最后连接到所述传感器测试基板上，所述传感器测试基板通过通讯接口与所述主机相连接。

上述方案可见，测试座的结构简单，且通过测试针对待测光电传感器进行测试，提升了测试的可靠性，且有利于整体结构的紧凑布置，实现模块化设置。

又进一步地，所述卡移动控制机构包括气动控制阀及与所述气动控制阀配合的两个气缸，所述灰色卡和所述白色卡分别设置在两个所述气缸的输出轴上。

上述方案可见，通过气缸与启动控制阀的配合，构成所述卡移动控制机构，实现色卡的自动移动控制，提升自动化程度。

本发明基于上述多通道信号输出光电传感器的高精度测试设备对多通道信号输出光电传感器进行测试的方法所采用的技术方案是，该方法包括以下步骤：

A.根据待测光电传感器的接收通道数及有效光能接收区域，确定色卡与设置于所述测试座上的待测光电传感器之间的距离h；

B.在暗箱环境下待测光电传感器发射的能量照射在低反射率的灰色卡上，通过开、关待测光电传感器发射端的电流，待测光电传感器的接收端接收到反射后的能量，获得低反射率的灰色卡测试的电平数值，并获得待测光电传感器的每个接收通道的电平值；

C.在暗箱环境下待测光电传感器发射的能量照射在高反射率的白色卡上，通过开、关待测光电传感器发射端的电流，待测光电传感器的接收端接收到反射后的能量，获得高反射率的白色卡测试的电平数值，并获得待测光电传感器的每个接收通道的电平值；

D.将所述灰色卡和白色卡检测获得的待测光电传感器的各个通道的电平值建立正态分布曲线，判断各个通道的检测结果是否符合各个通道所在位置的物理分布的曲线规律；

E.对步骤D中的待测光电传感器的每个通道测得的物理量进行能量积分计算，获得能量参数，对该能量参数进行校准，得到标准的能量参数并以此标准来进行后续的光电传感器的制作。

上述方案可见，在两种不同反射率的反射色卡和开、关待测光电传感器的电流两种不同的状态下去读取接收通道的电平值，然后再进行计算差值，就可以得到一个标准的反射效率；设定好反射色卡的高度，即可通过三角函数关系，准确测试出产品通道分布的电压值，再将各通道信号值进行积分就可以得到待测光电传感器反馈信号的正态分布，通过建立的正态分布图可直观地分析被测传感器的性能，当待测光电传感器的质量出现异常，测试数据无法获得这个规则的正态分布曲线，即可精准地判定该待测光电传感器为不良产品。

进一步地，上述步骤A中，确定色卡与设置于所述测试座上的待测光电传感器之间的距离h的步骤如下：设待测光电传感器的发射端为C点，色卡发射点为D点，设待测光电传感器接收端的有效光能区域的两个端点为A’和B’，对应的在色卡上的反射点分别为A点和B点，设定C点到D点之间的距离为h，C点到A’点的距离为a，C点到B’点的距离为b，A’点到D点的距离为c，B’点到D点的距离为c’， 据此建立待测光电传感器能量传递的等效三角函数关系，当满足a²+h²=c²，b²+h²=c’²时，固定色卡的位置，从而确定色卡与设置于所述测试座上的待测光电传感器之间的距离h。

上述方案可见，通过三角函数关系，准确地确定色卡与设置于所述测试座上的待测光电传感器之间的距离，为后续准确测试出待测光电传感器的通道分布的电压值。

再进一步地，所述步骤B中，在灰色卡环境下，待测光电传感器的每个接收通道的电平值的获得过程如下：

（a）待测光电传感器电源开启，传感器的发射端对准灰色卡，此时关闭待测光电传感器发射端的电流，同时测试传感器的各个接收通道的电平，得到待测光电传感器各个接收通道的基准参考电平V_{s_out}；

（b）待测光电传感器电源开启，传感器的发射端对准灰色卡，此时开启待测光电传感器发射端的电流，测试传感器的各个接收通道的电平，得到灰色卡状态下待测光电传感器各个接收通道的输出电平值V_{black_out}；

（c）将上述步骤b获得的待测光电传感器各个接收通道的输出电平值V_{black_out}和步骤a获得的待测光电传感器各个接收通道的基准参考电平V_{s_out}求差，得到在灰色卡环境下待测光电传感器的每个接收通道的低反射率电平值V_B=V_{black_out}-V_{s_out}。所述步骤C中，在白色卡环境下，待测光电传感器的每个接收通道的电平值的获得过程如下：

（d）待测光电传感器电源开启，传感器的发射端对准白色卡，此时开启待测光电传感器发射端的电流，测试传感器的各个接收通道的电平，得到白色卡状态下待测光电传感器各个接收通道的输出电平值V_{white_out}；

（e）将上述步骤d获得的待测光电传感器各个接收通道的输出电平值V_{white_out}和步骤a获得的待测光电传感器各个接收通道的基准参考电平V_{s_out}求差，得到在白色卡环境下待测光电传感器的每个接收通道的高反射率电平值V_W=V_{white_out}-V_{s_out}。

上述方案可见，在两种不同反射率的反射色卡和开、关待测光电传感器的电流两种不同的状态下去读取接收通道的电平值，然后再进行计算差值，就可以得到一个标准的反射效率，其过程简单精确，便于控制。

又进一步地，所述步骤E中的能量参数设为λ，对步骤D中的待测光电传感器的每个通道测得的物理量进行能量积分计算的公式如下：

，

其中的CHx～CHy是待测光电传感器的通道数，V（x）是每个通道的电平值。

由此可见，通过能量积分计算，当光电传感器的质量出现异常，测试数据无法获得合格的能量数值，从而可以精准的检测出不良产品。

此外，待测光电传感器的接收通道数目为八条。当然，针对不同的光电传感器只要根据传感器的接收通道数量来调整色卡到待测传感器发射端之间的距离，即可实现不同的传感器的测试，提升了其兼容性。

附图说明

图1是实施例所述的8个通道输出传感器平面结构示意图，其中的IR为传感器的发射端，CH0～CH7表示传感器的8个接收通道；

图2是本发明的整体框架图；

图3是所述测试座与所述主机的连接框图；

图4是建立待测光电传感器能量传递的等效三角函数关系图；

图5是在灰色卡环境下的传感器测试状态模拟图；

图6是在白色卡环境下的传感器测试状态模拟图；

图7是灰色卡反射特性正态分布曲线图；

图8是白色卡反射特性正态分布曲线图；

图9是本发明测试电路的原理框图；

图10是所述光电发射端恒流控制电路的单路原理图；

图11是光电传感器接收通道电路原理图；

图12是所述光电接收信号处理电路的原理图。

具体实施方式

如图1和图9所示，本发明针对具有八通道（CH0～CH7）输出的光电传感器为实施例来说明。从图1中的8个通道输出传感器平面结构图可以看出，红外发射和接收在较近的同一个本体平面上，红外馈射接收由CH0～CH7一共8个单元组成，每一个单元都有独立的信号电平输出，从结构上可以知道，CH0～CH7的输出电平值应该是两端（CH0/CH7）值小，中间（CH3/CH4）值大的特性。如何从8个通道读取符合传感器特性的精准电平数据是本发明的关键。

如图2所示，本发明中，所述多通道信号输出光电传感器的高精度测试系统包括主机1、暗箱2、测试座3及色卡组件，所述测试座3及所述色卡组件均设置在所述暗箱2内，所述色卡组件包括灰色卡4、白色卡5及卡移动控制机构6，待测多通道光电传感器11产品装配于所述测试座3上，所述主机1均与所述测试座3及所述卡移动控制机构6电信号连接，所述卡移动控制机构带动所述灰色卡4和所述白色卡5在所述暗箱2内移动。如图9至图12所示，所述主机1内设置有测试模块，所述测试模块包括色卡切换运动控制电路和其它测试电路，其它测试电路包括光电发射端恒流控制电路、光电传感器接收通道切换电路和光电接收信号处理电路，所述色卡切换运动控制电路用于在不同测试状态下切换所述灰色卡4和所述白色卡5；所述光电发射端恒流控制电路用于控制光电传感器的发射端的电流的通断及电流调节；所述光电传感器接收通道切换电路用于对待测传感器的信号输出通道进行切换；所述光电接收信号处理电路用于对通道内接收到的信号进行增益放大控制及进行模数转换。

如图3所示，所述测试座3包括传感器测试基板7、传感器信号接收通道切换模块8、测试转接板9及与待测多通道光电传感器11相连接的测试针座10，所述测试针座、所述测试转接板8及所述传感器信号接收通道切换模块8依次连接，所述传感器信号接收通道切换模块8最后连接到所述传感器测试基板7上，所述传感器测试基板7通过通讯接口与所述主机1相连接。所述卡移动控制机构包括气动控制阀及与所述气动控制阀配合的两个气缸，所述灰色卡4和所述白色卡5分别设置在两个所述气缸的输出轴上。

如图1所示，待测传感器属于光电反射型。多通道光电传感器的测试过程如下。

A.根据待测光电传感器的接收通道数及有效光能接收区域，确定色卡与设置于所述测试座3上的待测光电传感器之间的距离h；

B.在暗箱环境下待测光电传感器发射的能量照射在低反射率的灰色卡4上，通过开、关待测光电传感器发射端的电流，待测光电传感器的接收端接收到反射后的能量，获得低反射率的灰色卡测试的电平数值，并获得待测光电传感器的每个接收通道的电平值；

C.在暗箱环境下待测光电传感器发射的能量照射在高反射率的白色卡（5）上，通过开、关待测光电传感器发射端的电流，待测光电传感器的接收端接收到反射后的能量，获得高反射率的白色卡测试的电平数值，并获得待测光电传感器的每个接收通道的电平值；

D.将所述灰色卡和白色卡检测获得的待测光电传感器的各个通道的电平值建立正态分布曲线，判断各个通道的检测结果是否符合各个通道所在位置的物理分布的曲线规律；

E.对步骤D中的待测光电传感器的每个通道测得的物理量进行能量积分计算，获得能量参数，对该能量参数进行校准，得到标准的能量参数并以此标准来进行后续的光电传感器的制作。能量参数设为λ。

具体地，如图4至图6所示，所述步骤A中，确定色卡与设置于所述测试座3上的待测光电传感器之间的距离h的步骤如下：

设待测光电传感器的发射端为C点，色卡发射点为D点，设待测光电传感器接收端的有效光能区域的两个端点为A’和B’，对应的在色卡上的反射点分别为A点和B点，设定C点到D点之间的距离为h，C点到A’点的距离为a，C点到B’点的距离为b，A’点到D点的距离为c，B’点到D点的距离为c’， 据此建立待测光电传感器能量传递的等效三角函数关系，当满足a²+h²=c²，b²+h²=c’²时，固定色卡的位置，从而确定色卡与设置于所述测试座3上的待测光电传感器之间的距离h。

所述步骤B中，在灰色卡环境下，待测光电传感器的每个接收通道的电平值的获得过程如下：

（a）待测光电传感器电源开启，传感器的发射端对准灰色卡，此时关闭待测光电传感器发射端的电流，同时测试传感器的各个接收通道的电平，得到待测光电传感器各个接收通道的基准参考电平V_{s_out}；

（b）待测光电传感器电源开启，传感器的发射端对准灰色卡，此时开启待测光电传感器发射端的电流，测试传感器的各个接收通道的电平，得到灰色卡状态下待测光电传感器各个接收通道的输出电平值V_{black_out}；

（c）将上述步骤b获得的待测光电传感器各个接收通道的输出电平值V_{black_out}和步骤a获得的待测光电传感器各个接收通道的基准参考电平V_{s_out}求差，得到在灰色卡环境下待测光电传感器的每个接收通道的低反射率电平值V_B=V_{black_out}-V_{s_out}，进而得出八个通道的低反射率时的电平V_{B_CH0}～V_{B_CH7}。

测试完灰色卡是得到低反射率的数值，高反射率的传感器数值还必须通过白色卡的读取来完成。所述步骤C中，在白色卡环境下，待测光电传感器的每个接收通道的电平值的获得过程如下：

（d）待测光电传感器电源开启，传感器的发射端对准白色卡，此时开启待测光电传感器发射端的电流，测试传感器的各个接收通道的电平，得到白色卡状态下待测光电传感器各个接收通道的输出电平值V_{white_out}；

（e）将上述步骤d获得的待测光电传感器各个接收通道的输出电平值V_{white_out}和步骤a获得的待测光电传感器各个接收通道的基准参考电平V_{s_out}求差，得到在白色卡环境下待测光电传感器的每个接收通道的高反射率电平值V_W=V_{white_out}-V_{s_out}，进而得出八个通道的高反射率时的电平V_{W_CH0}～V_{B_CH7}。

经过上述步骤，本发明将获得三组测试参数。为了有所对比，本发明将同一个光电传感器分别在两个不同的测试设备上进行测试，表1为设备1测试的数据，表2为设备2测试的数据。我们不难发现两组数据得出的结果是，设备之间的一致性非常高，有利于测试设备的标准化以及设备的量化生产。

表1

表2

将灰、白色卡的8个通道获取数据进行分析，从图7和图8的分布曲线可以非常清晰和直观的看出，在两个色卡下呈现出符合8个通道物理分布的抛物曲线。对步骤D中的待测光电传感器的每个通道测得的物理量进行能量积分计算的公式如下：

，

其中的CHx～CHy是待测光电传感器的通道数，V（x）是每个通道的电平值。经过积分计算，将会获得能量参数，如果通过校准的方法得到一个标准的能量参数，那么光电传感器的后期量化生产就获得了一个标准。对能量参数进行校准的步骤如下：使用最小二乘法进行校准，建立模型Y=XK+B，校准仪表使用七位半数字电压表，Y表示校准结果，X表示测量值，K表示通过最小二乘法获得的校准系数，B表示偏置值。

同理，如果光电传感器的质量出现异常，测试数据无法获得这个抛物曲线S和合格的能量，从而设备可以精准的检测出不良产品。

Claims (5)

1.一种利用多通道信号输出光电传感器的高精度测试设备对多通道信号输出光电传感器进行测试的方法，所述的高精度测试设备包括主机（1）、暗箱（2）、测试座（3）及色卡组件，所述测试座（3）及所述色卡组件均设置在所述暗箱（2）内，所述色卡组件包括灰色卡（4）、白色卡（5）及卡移动控制机构（6），待测多通道光电传感器产品装配于所述测试座（3）上，所述主机（1）均与所述测试座（3）及所述卡移动控制机构（6）电信号连接，所述卡移动控制机构（6）带动所述灰色卡（4）和所述白色卡（5）在所述暗箱（2）内移动，其特征在于，该方法包括以下步骤：

A.根据待测光电传感器的接收通道数及有效光能接收区域，确定色卡与设置于所述测试座（3）上的待测光电传感器之间的距离h；

B.在暗箱环境下待测光电传感器发射的能量照射在低反射率的灰色卡（4）上，通过开、关待测光电传感器发射端的电流，待测光电传感器的接收端接收到反射后的能量，获得低反射率的灰色卡测试的电平数值，并获得待测光电传感器的每个接收通道的电平值；

C.在暗箱环境下待测光电传感器发射的能量照射在高反射率的白色卡（5）上，通过开、关待测光电传感器发射端的电流，待测光电传感器的接收端接收到反射后的能量，获得高反射率的白色卡测试的电平数值，并获得待测光电传感器的每个接收通道的电平值；

D.将所述灰色卡和白色卡检测获得的待测光电传感器的各个通道的电平值建立正态分布曲线，判断各个通道的检测结果是否符合各个通道所在位置的物理分布的曲线规律；

E.对步骤D中的待测光电传感器的每个通道测得的物理量进行能量积分计算，获得能量参数，对该能量参数进行校准，得到标准的能量参数并以此标准来进行后续的光电传感器的制作；

所述步骤A中，确定色卡与设置于所述测试座（3）上的待测光电传感器之间的距离h的步骤如下：

设待测光电传感器的发射端为C点，色卡发射点为D点，设待测光电传感器接收端的有效光能区域的两个端点为A’和B’，对应的在色卡上的反射点分别为A点和B点，设定C点到D点之间的距离为h，C点到A’点的距离为a，C点到B’点的距离为b，A’点到D点的距离为c，B’点到D点的距离为c’， 据此建立待测光电传感器能量传递的等效三角函数关系，当满足a²+h²=c²，b²+h²=c’²时，固定色卡的位置，从而确定色卡与设置于所述测试座（3）上的待测光电传感器之间的距离h。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，在灰色卡环境下，待测光电传感器的每个接收通道的电平值的获得过程如下：

（a）待测光电传感器电源开启，传感器的发射端对准灰色卡，此时关闭待测光电传感器发射端的电流，同时测试传感器的各个接收通道的电平，得到待测光电传感器各个接收通道的基准参考电平V_{s_out}；

（b）待测光电传感器电源开启，传感器的发射端对准灰色卡，此时开启待测光电传感器发射端的电流，测试传感器的各个接收通道的电平，得到灰色卡状态下待测光电传感器各个接收通道的输出电平值V_{black_out}；

（c）将上述步骤b获得的待测光电传感器各个接收通道的输出电平值V_{black_out}和步骤a获得的待测光电传感器各个接收通道的基准参考电平V_{s_out}求差，得到在灰色卡环境下待测光电传感器的每个接收通道的低反射率电平值V_B=V_{black_out}-V_{s_out}。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，在白色卡环境下，待测光电传感器的每个接收通道的电平值的获得过程如下：

（d）待测光电传感器电源开启，传感器的发射端对准白色卡，此时开启待测光电传感器发射端的电流，测试传感器的各个接收通道的电平，得到白色卡状态下待测光电传感器各个接收通道的输出电平值V_{white_out}；

（e）将上述步骤d获得的待测光电传感器各个接收通道的输出电平值V_{white_out}和步骤a获得的待测光电传感器各个接收通道的基准参考电平V_{s_out}求差，得到在白色卡环境下待测光电传感器的每个接收通道的高反射率电平值V_W=V_{white_out}-V_{s_out}。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤E中的能量参数设为λ，对步骤D中的待测光电传感器的每个通道测得的物理量进行能量积分计算的公式如下：

，

其中的CHx～CHy是待测光电传感器的通道数，V（x）是每个通道的电平值。

5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于：待测光电传感器的接收通道数目为八条。

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