CN110426581A - 一种光电耦合器辐射效应测试系统及测试方法 - Google Patents

一种光电耦合器辐射效应测试系统及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光电耦合器辐射效应测试系统及测试方法，解决现有光电耦合器辐射效应测试方法过程繁琐、数据点较少、耗时耗力、测试效率较低的问题。该测试系统包括光耦固定模块、源表测量模块和PC控制模块；光耦固定模块包括电路板，电路板上设置有源表输入端接口和插座，插座上设置有光电耦合器引脚接口，用于固定连接光电耦合器，源表测量模块与源表输入端接口连接，用于给光电耦合器提供电流或电压，同时对光电耦合器的测试数据进行实时测量；PC控制模块通过GPIB‑USB转换卡与源表测量模块连接，对源表测量模块进行调试与控制，并实时采集与记录测量数据。同时，本发明还提供一种光电耦合器辐射效应测试方法。

Description

一种光电耦合器辐射效应测试系统及测试方法
技术领域
本发明涉及空间辐射效应领域，具体涉及一种光电耦合器辐射效应测试系统及测试方法。
背景技术
光电耦合器是一种用来传输信号的常用器件，其借助光信号将输出端与输入端联系在一起，达到信号在光-电-光之间的转化和传输，其通常将发光源与受光器封装在同一封闭壳体内。常见的发光源为发光二极管，在输入端加电发光，不同强度的光强照射到受光器上，受光器因光电效应产生电流，通过引脚将电流引出，最后达到隔离输入端与输出端的目的，由于光电耦合器的隔离性好，被广泛应用于空间光通信领域。
由于空间环境中存在相当强的自然辐射，当光电耦合器应用于空间环境时，会受到空间辐射损伤，严重时甚至导致功能失效，对航天器的在轨正常运行和效能发挥构成严重威胁。对航天器来说，长寿命在轨运行是未来的趋势，因此对航天器的各零部件提出了更高的抗辐射要求。
为了解和分析光电耦合器在辐射环境下的损伤机理和性能退化，为抗辐射加固设计提供理论和实验依据，通常在地面对光电耦合器进行辐射效应实验模拟。现有测试方法由于测试仪器的限制，只能在手动设置一个输入值的情况下得到对应输出值，想要得到多个数据点就需要不停地更改输入值的设置，测试过程比较繁琐，数据点较少。同时，由于所需测试的光电耦合器辐射敏感参数较多，更增加了测试的繁琐程度，耗时耗力，严重地影响了测试效率。
发明内容
本发明的目的在于解决现有光电耦合器辐射效应测试方法过程繁琐、数据点较少、耗时耗力、测试效率较低的问题，提供一种光电耦合器辐射效应测试系统及测试方法。该方法和系统可更加全面有效地进行光电耦合器辐射效应地面模拟测试，简化对光电耦合器的辐射敏感参数测试流程，节约人物力成本。
本发明通过以下技术方案实现：
一种光电耦合器辐射效应测试系统，包括光耦固定模块、源表测量模块和PC控制模块；所述光耦固定模块包括电路板，所述电路板上设置有输入端接口插座和光耦插座，所述输入端接口插座上设置有源表输入端接口，所述光耦插座上设置有光电耦合器引脚接口，所述光电耦合器引脚接口用于固定连接光电耦合器；所述源表测量模块与源表输入端接口连接，用于给光电耦合器提供电流或电压，同时对光电耦合器的测试数据进行实时测量；所述PC控制模块通过GPIB-USB转换卡与源表测量模块连接，对源表测量模块进行调试与控制，并实时采集、记录测量数据。
同时，本发明还提供一种光电耦合器辐射效应测试方法，包括以下步骤：
步骤一、搭建光电耦合器辐射效应测试系统；
步骤二、根据不同辐射环境、辐射粒子和射线种类，选取辐射粒子能量，设置若干个目标总剂量；
步骤三、在不同辐射环境下，对光电耦合器进行辐照；
步骤四、PC控制模块对光电耦合器设置加电状态和写入数据，并控制源表测量模块进行参数测试，同时监测并记录被辐照光电耦合器的辐射敏感参数变化，若未达到预设目标总剂量，重复步骤三；
步骤五、完成所有目标总剂量值的辐照后，绘制各辐射敏感参数以及总剂量值之间的关系曲线，获得光电耦合器辐射敏感参数随总剂量的变化规律。
进一步地，步骤四中，辐射敏感参数包括发光二极管电流传输比CTR、正向压降VF、正向电流IF、集电极-发射极间压降VCE、输出端电流IC和基极电流IB。
进一步地，步骤四中，PC控制模块对光电耦合器设置加电状态和写入数据，并控制源表测量模块进行参数测试，同时监测并记录被辐照光电耦合器的辐射敏感参数变化具体包括以步骤：
1)I-V曲线测试
1.1)将源表测量模块的第一输入端连接在光电耦合器对应发光二极管正负极插口，设置源表测量模块的第一输入端为扫描电压模式，然后设置扫描电压、扫描数量和扫描限制电流；
1.2)开始测试，第一输入端得到反馈信息读出电流ILED和正向电压VLED；
2)基极电流测试
2.1)将源表测量模块的第一输入端连接在光电耦合器对应发光二极管正负极插口，设置源表测量模块的第一输入端为扫描电流模式，然后设置扫描电流、扫描数目、扫描限制电压；
2.2)将源表测量模块的第二输入端正极与光电耦合器集电极相连，负极与基极相连，设置源表测量模块的第二输入端为使用电表模式；
2.3)开始测试，第一输入端得到反馈信息读出电流ILED和电压VLED，第二输入端得到反馈信息读出基极电流IB和集电极-基极间电压VCB；
3)三极管输特性曲线测试
3.1)将源表测量模块的第一输入端连接在光电耦合器对应发光二极管正负极插口，设置源表测量模块的第一输入端为恒定电流模式，然后设置输入电流，设置限制电压；
3.2)将源表测量模块的第二输入端正极与光电耦合器集电极相连，负极与发射极相连，设置源表测量模块的第二输入端为扫描电压模式，然后设置扫描电压、扫描数量；
3.3)开始测试，第一输入端得到反馈信息读出电流ILED和电压VLED，第二输入端得到反馈信息读出集电极-发射极间电流IC、集电极-发射极间电压VCE；
4)CTR测试
4.1)将源表测量模块的第一输入端连接在光电耦合器对应发光二极管正负极插口，设置源表测量模块的第一输入端为扫描电流模式，然后设置扫描电流、扫描数目、扫描限制电压；
4.2)将源表测量模块的第二输入端正极与光电耦合器集电极相连，负极与发射极相连，设置源表测量模块的第二输入端为恒定电压模式，然后设置输入电压；
4.3)开始测试，第一输入端得到反馈信息读出电流ILED和电压VLED，第二输入端得到反馈信息读出集电极-发射极间电流IC、集电极-发射极间电压VCE。
进一步地，步骤1.1)中，扫描电压为0-1.5V，扫描数量为100个，扫描限制电流为0.2A。
进一步地，步骤2.1)中，扫描电流为0-50mA，扫描数目为100个，扫描限制电压为1.5V。
进一步地，步骤3.1)中，限制电压为1.5V。
进一步地，步骤3.2)中，扫描电压为0-5V，扫描数目为100个。
进一步地，步骤4.1)中，扫描电流为0-50mA，扫描数目为100个，扫描限制电压为1.5V，步骤4.2)中，电压为5V。
进一步地，步骤二中，选取辐射粒子能量具体为：所选粒子能量能使粒子入射到光电耦合器内部，与光电耦合器的半导体辐射敏感区域发生作用，且累积效果能使光电耦合器辐射敏感参数有明显变化。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明提供一种光电耦合器辐射效应测试系统及测试方法，通过该系统和方法能够实现在同一装置上对光电耦合器的不同辐射敏感参数进行测量，测试系统原理简单，操作方便，大大地提高了测试效率和安全性。同时，该系统包含的测试流程硬件设备少，测量装置结构简单，测试方法简单，经济高效。
2.本发明提供一种光电耦合器辐射效应测试系统及测试方法，通过该方法获得的测试数据，能够对光电耦合器辐射效应进行有效和全面的了解，获得光电耦合器辐射实验规律，对其原理分析提供实验支持，为光电耦合器的抗辐射加固提供理论与实验支撑。
3.由于辐射环境的特殊性，现有的测试方法仅适用于单一实验环境，本发明方法可应用于多种不同辐射环境下的辐射实验，同时在结合测试系统的情况下，可实现对光电耦合器多种辐射敏感参数短时间内的快速测量，并将结果准确保存，避免出现实验数据记录错误。
附图说明
图1是本发明实施例光电耦合器辐射效应测试方法流程图；
图2是本发明实施例光电耦合器辐射效应测试系统原理图；
图3是本发明实施例光电耦合器辐射效应测试系统中光耦固定模块的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的伏安特性随辐照注量变化关系示意图；
图5是本发明实施例提供的基极电流随辐照注量变化关系示意图；
图6是本发明提供的光敏三极管输出特性曲线随辐照注量变化关系示意图；
图7是本发明实施例提供的光电耦合器电流传输比随辐照注量变化关系示意图。
附图标记：1-电路板，2-固定孔，3-源表输入端接口，4-光电耦合器引脚接口，5-光耦插座，6-输入端接口插座。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图2所示，本发明提供一种光电耦合器辐射效应测试系统，包括光耦固定模块、源表测量模块和PC控制模块。光耦固定模块用于固定光电耦合器，其具有多个管脚插口，同时设置不同区域，可与多种不同型号光电耦合器形成对应；源表测量模块的输出端与光耦固定模块相连接，用于给光电耦合器提供电流或电压，同时可对数据进行实时测量，通过PC控制模块的设置，可对光电耦合器进行限流与限压保护；PC控制模块通过GPIB-USB转换卡与源表测量模块直接相连，对源表测量模块进行调试与控制，并实时采集与记录测量数据，获得光电耦合器各辐射敏感参数随总剂量(注量)值的变化规律。
如图3所示，光耦固定模块包括电路板1，电路板1上设置有输入端接口插座6和光耦插座5，可根据需要设置一个或多个光耦插座5来适用于不同型号的光电耦合器，输入端接口插座6上设置有源表输入端接口3，源表输入端接口3与源表测量模块连接，光耦插座5上设置有光电耦合器引脚接口4，该引脚接口用于固定连接光电耦合器，电路板1内设置有供电电路，电路板1通过设置在四周的固定孔2固定在其他设备上。
本发明根据不同型号光电耦合器的管脚数目以及位置设置电路板1，并在电路板1上方焊接一个或多个光耦插座5，确保每种光电耦合器管脚在插入对应型号的插座后，与电路板1上的接口位置保持一致。在实验过程中，将所选光电耦合器插入对应型号光耦插座即可，源表测量模块输入端与输入端接口插座6的对应接口相连，需要时可更换输入端与接口的相连位置而不必更换光电耦合器位置。
如图1所示，基于上述于光电耦合器辐射效应测试系统，本发明提供了一种光电耦合器辐射效应测试方法，包括以下步骤：
步骤一、根据待辐照光电耦合器的型号，建立光电耦合器辐射效应测试系统，测试辐照前器件的辐射敏感参数，该参数与辐照后结果形成对比，总结光电耦合器辐射敏感参数变化规律，为理论分析提供数据支持；
具体的，本实施例选择型号GH3201Z-B的光电耦合器为被测对象，根据中国散裂中子源的辐射环境以及图2测试系统原理图，搭建辐照前参数测试系统，将光电耦合器插入光耦固定模块的对应光耦插座中，并将光耦固定模块与源表测量模块相连，此实施例中所使用源表测量模块为吉时利2636A型，通过GPIB-USB转换卡将源表测量模块与PC控制模块相连，打开PC上对应的源表控制软件；
步骤二、根据不同辐射环境、辐射粒子和射线种类，选取合适的辐射粒子能量，选择若干个目标总剂量(注量)；
选择合适粒子能量具体为：所选粒子能量能使粒子入射到光电耦合器内部，与光电耦合器的半导体辐射敏感区域发生作用，且累积效果能使光电耦合器辐射敏感参数有较明显变化；
在该实施例中，选取目标总注量具体可为3×1010、1×1011n/cm2；
步骤三、根据不同辐射环境和粒子种类，对光电耦合器进行辐照，在达到每一个总剂量(注量)值的辐照过程中，可根据需要使光电耦合器处于不同偏置状态；
具体的，利用散裂中子源对光电耦合器进行不同注量值的辐照实验，通过中国散裂中子源提供的辐照监测来确定是否到达了目标辐照总注量(3×1010n/cm2)，辐照完成后，进行步骤四参数测试；
步骤四、利用PC控制模块对光电耦合器设置加电状态和写入数据，并控制源表测量模块进行参数测试，同时同步监测并记录被辐照光电耦合器的敏感参数变化，若未达到预设目标总剂量(注量)，均需重复进行步骤三，直到依次完成目标总注量辐照实验并进行相应测试；
辐射敏感参数的测量具体包括发光二极管电流传输比CTR，正向压降VF，正向电流IF，集电极-发射极间压降VCE，输出端电流IC，基极电流IB等；
步骤五、当完成所有目标总剂量(注量)值的辐照后，辐照实验结束，整理实验数据，绘制出各辐射敏感参数和总剂量(注量)值之间的关系曲线，获得光电耦合器辐射敏感参数随总剂量(注量)的变化规律。
如图4至图7所示，当完成所有中子总注量辐照实验时，得到各辐射敏感参数和总注量之间的关系曲线，获得光电耦合器随散裂中子总注量的变化规律。
上述方法中，步骤四具体包括以下测试：
1)I-V曲线测试
1.1)将源表测量模块第一输入端连接在光电耦合器对应发光二极管正负极插口，设置源表测量模块的第一输入端为扫描电压模式，然后设置输入电压0-1.5V，扫描数目为100个，电流限制为0.2A；
1.2)点击开始测试，第一输入端得到反馈信息读出电流ILED，正向电压VLED，待软件测试完毕后，在对应窗口打开数据列表，可对数据进行初步观察，并可分别选择VLED和ILED为X-Y轴画出I-V曲线图像，确认数据或图像无误后可进行数据或图像保存；
2)基极电流测试
2.1)将源表测量模块第一输入端连接在光电耦合器对应发光二极管正负极插口，设置源表测量模块的第一输入端为扫描电流模式，然后设置输入电流0-50mA，扫描数目为100个，电压限制为1.5V；
2.2)将源表测量模块第二输入端正极与光电耦合器集电极相连，负极与基极相连，设置源表测量模块的第二输入端为使用电表模式；
2.3)点击开始测试，第一输入端得到反馈信息读出电流ILED、电压VLED，第二输入端得到反馈信息基极电流IB和集电极-基极间电压VCB，待软件测试完毕后，在对应窗口打开数据列表，可对数据进行初步观察，并可分别选择I-LED和IB或其他参数为X-Y轴画出图像，确认数据或图像无误后可进行数据或图像保存；
3)三极管输特性曲线测试
3.1)将源表测量模块的第一输入端连接在光电耦合器对应发光二极管正负极插口，设置源表测量模块的第一输入端为恒定电流模式，然后设置输入电流，设置限制电压为1.5V；
3.2)将源表测量模块的第二输入端正极与光电耦合器集电极相连，负极与发射极相连，设置源表测量模块的第二输入端为扫描电压模式，然后设置扫描电压0-5V，扫描数目为100个；
3.3)点击开始测试，第一输入端得到反馈信息读出电流ILED和电压VLED，第二输入端得到反馈信息读出集电极-发射极间电流IC、集电极-发射极间电压VCE，待软件测试完毕后，在对应窗口打开数据列表，可对数据进行初步观察，并可分别选择VCE和IC或其他参数为X-Y轴画出图像，确认数据或图像无误后可进行数据或图像保存；
4)CTR测试
4.1)将源表测量模块第一输入端连接在光电耦合器对应发光二极管正负极插口，设置源表测量模块的第一输入端为扫描电流模式，然后设置扫描电流0-50mA，扫描数目为100个，扫描限制电压为1.5V；
4.2)将源表测量模块第二输入端正极与光电耦合器集电极相连、负极与发射极相连，设置源表测量模块的第二输入端为恒定电压模式，然后设置输入电压5V；
4.3)点击开始测试，第一输入端得到反馈信息读出电流ILED和电压VLED，第二输入端得到反馈信息读出集电极-发射极间电流IC、集电极-发射极间电压VCE；待软件测试完毕后，在对应窗口打开数据列表，根据公式：CTR＝IC/ILED，进行新数据设置，保证之后每次测量自动计算CTR并记录；可对数据进行初步观察，并可分别选择ILED和CTR或其他参数为X-Y轴画出图像，确认数据或图像无误后可进行数据或图像保存。
由于辐射环境的特殊性，现有的不同方法仅适用于单一实验环境，本发明方法可应用于多种不同辐射环境下的辐射实验，同时在结合测试系统的情况下，可实现对光电耦合器多种辐射敏感参数短时间内的快速测量，并将结果准确保存，避免出现实验数据记录错误。
本发明通过该方法和装置系统能实现光电耦合器辐射实验过程中的多种技术参数测试，获得光电耦合器辐射敏感参数退化规律，为抗辐射加固设计提供理论和实验依据，同时能大大简化测试流程，节约测试所需时间成本和人物力成本。

Claims (10)

1.一种光电耦合器辐射效应测试系统，其特征在于：包括光耦固定模块、源表测量模块和PC控制模块；
所述光耦固定模块包括电路板(1)，所述电路板(1)上设置有输入端接口插座(6)和光耦插座(5)，所述输入端接口插座(6)上设置有源表输入端接口(3)，所述光耦插座(5)上设置有光电耦合器引脚接口(4)，所述光电耦合器引脚接口(4)用于固定连接光电耦合器；
所述源表测量模块与源表输入端接口(3)连接，用于给光电耦合器提供电流或电压，同时对光电耦合器的测试数据进行实时测量；
所述PC控制模块通过GPIB-USB转换卡与源表测量模块连接，对源表测量模块进行调试与控制，并实时采集、记录测量数据。
2.一种光电耦合器辐射效应测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、搭建光电耦合器辐射效应测试系统；
步骤二、根据不同辐射环境、辐射粒子和射线种类，选取辐射粒子能量，设置若干个目标总剂量；
步骤三、在不同辐射环境下，对光电耦合器进行辐照；
步骤四、PC控制模块对光电耦合器设置加电状态和写入数据，并控制源表测量模块进行参数测试，同时监测并记录被辐照光电耦合器的辐射敏感参数变化，若未达到预设目标总剂量，重复步骤三；
步骤五、完成所有目标总剂量值的辐照后，绘制各辐射敏感参数以及总剂量值之间的关系曲线，获得光电耦合器辐射敏感参数随总剂量的变化规律。
3.根据权利要求2所述的光电耦合器辐射效应测试方法，其特征在于：步骤四中，辐射敏感参数包括发光二极管电流传输比CTR、正向压降VF、正向电流IF、集电极-发射极间压降VCE、输出端电流IC和基极电流IB。
4.根据权利要求3所述的光电耦合器辐射效应测试方法，其特征在于，步骤四中，PC控制模块对光电耦合器设置加电状态和写入数据，并控制源表测量模块进行参数测试，同时监测并记录被辐照光电耦合器的辐射敏感参数变化具体包括以步骤：
1)I-V曲线测试
1.1)将源表测量模块的第一输入端连接在光电耦合器对应发光二极管正负极插口，设置源表测量模块的第一输入端为扫描电压模式，然后设置扫描电压、扫描数量和扫描限制电流；
1.2)开始测试，第一输入端得到反馈信息读出电流ILED和正向电压VLED；
2)基极电流测试
2.1)将源表测量模块的第一输入端连接在光电耦合器对应发光二极管正负极插口，设置源表测量模块的第一输入端为扫描电流模式，然后设置扫描电流、扫描数目、扫描限制电压；
2.2)将源表测量模块的第二输入端正极与光电耦合器集电极相连，负极与基极相连，设置源表测量模块的第二输入端为使用电表模式；
2.3)开始测试，第一输入端得到反馈信息读出电流ILED和电压VLED，第二输入端得到反馈信息读出基极电流IB和集电极-基极间电压VCB；
3)三极管输特性曲线测试
3.1)将源表测量模块的第一输入端连接在光电耦合器对应发光二极管正负极插口，设置源表测量模块的第一输入端为恒定电流模式，然后设置输入电流，设置限制电压；
3.2)将源表测量模块的第二输入端正极与光电耦合器集电极相连，负极与发射极相连，设置源表测量模块的第二输入端为扫描电压模式，然后设置扫描电压、扫描数量；
3.3)开始测试，第一输入端得到反馈信息读出电流ILED和电压VLED，第二输入端得到反馈信息读出集电极-发射极间电流IC、集电极-发射极间电压VCE；
4)CTR测试
4.1)将源表测量模块的第一输入端连接在光电耦合器对应发光二极管正负极插口，设置源表测量模块的第一输入端为扫描电流模式，然后设置扫描电流、扫描数目、扫描限制电压；
4.2)将源表测量模块的第二输入端正极与光电耦合器集电极相连，负极与发射极相连，设置源表测量模块的第二输入端为恒定电压模式，然后设置输入电压；
4.3)开始测试，第一输入端得到反馈信息读出电流ILED和电压VLED，第二输入端得到反馈信息读出集电极-发射极间电流IC、集电极-发射极间电压VCE。
5.根据权利要求4所述的光电耦合器辐射效应测试方法，其特征在于：步骤1.1)中，扫描电压为0-1.5V，扫描数量为100个，扫描限制电流为0.2A。
6.根据权利要求5所述的光电耦合器辐射效应测试方法，其特征在于：步骤2.1)中，扫描电流为0-50mA，扫描数目为100个，扫描限制电压为1.5V。
7.根据权利要求6所述的光电耦合器辐射效应测试方法，其特征在于：步骤3.1)中，限制电压为1.5V。
8.根据权利要求7所述的光电耦合器辐射效应测试方法，其特征在于：步骤3.2)中，扫描电压为0-5V，扫描数目为100个。
9.根据权利要求8所述的光电耦合器辐射效应测试方法，其特征在于：步骤4.1)中，扫描电流为0-50mA，扫描数目为100个，扫描限制电压为1.5V；步骤4.2)中，电压为5V。
10.根据权利要求2至9任一所述的光电耦合器辐射效应测试方法，其特征在于：步骤二中，选取辐射粒子能量具体为：所选粒子能量能使粒子入射到光电耦合器内部，与光电耦合器的半导体辐射敏感区域发生作用，且累积效果能使光电耦合器辐射敏感参数有明显变化。
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