开关型光电传感器性能批量测试系统

师 霖，郭红戈，许 齐

(1.太原科技大学,山西 太原030024;2.太原昂迈威电子科技有限公司,山西 太原030024)

0 引言

随着科学技术的飞速发展,传感技术与检测技术也得到了迅猛发展,它的应用已进入科学研究、国防建设、工农业生产和人们日常生活的各个领域。因此,在当今信息时代掌握传感器与检测技术显得相当重要。光电传感器是基于光电效应工作的半导体器件,由于其高精度、高可靠性、非接触性等特点,在生产生活中得到广泛的应用。未来随着物联网技术的发展和普及,光电传感器应用将渗透到人类生活的方方面面。国外光电传感器技术发展的较快,商业化的产品已较为成熟,其中邦纳公司的光电传感器产品流水线是当今世界上最完善的,日本15家电气公司也在20世纪90年代研制出多款民用光电传感器,国内民用领域的光电传感器起步相对较早,已形成“研究—生产—应用”的产业体系,研制出的产品和成果被广泛应用于各个领域。但需要我们正视的问题是,与发达国家的高端产品相比,国内光电传感器产业的技术水平、生产工艺、工程化能力等有较大的差距,不足表现在不够成熟的货架产品和产业化生产上。国外产品在微型化、集成化、智能化方面已领先国内水平,在一定程度上限制了我国国产企业的发展,大多企业走的是低价优势的生存路线,也因此引发研发投入的不足。

目前,光电传感器行业存在着本土企业规模偏小、技术重复、自主技术创新少、小型民营居多等问题。导致光电传感器行业标准缺失,光电传感器行业服务质量堪忧,导致质量问题时有发生影响用户体验。 因此,需要对光电传感器的质量进行测试。

在光电传感器众多重要参数中,电学参数是其中一个最基础,也极为重要的指标,通过电学参数可以甄别比较光电传感器及新型材料的性能,为光电传感器产业更好地发展提供有力的支撑[1]。目前,市面上的光电接近开关多采用发光管和接收管对射的原理,光电传感器通常被架设于设备上,并对设备上传输产品的一侧实施监控。开关型光电传感器的检测距离、响应频率、信号丢失率将直接影响它的正常使用,因此出厂前需要进行多项测试,依靠人工测试存在以下弊端:

1) 人工操作测试费时费力且只能对检测距离进行简单测试,响应频率及信号丢失率无法进行大量可靠测试;

2) 人工操作不稳定,数据记录繁琐,数据储存、分析不方便。

因此,为了完成对批量生产的光电传感器的质量测试,目前需要设计出一种具有距离测试、频率测试、稳定性测试并可以进行数据处理的开关型光电传感器性能批量测试系统,实现自动化测试,提高测试的准确度和工作效率。

1 系统架构

本文设计并搭建的开关型光电传感器性能批量测试系统对反射型光电传感器及对射型光电传感器均为适用。对开关型光电传感器检测距离、响应频率、信号丢失率指标进行测试。本测试系统主要包括电源模块、驱动模块、数据采集模块[2]。硬件结构框图如图1所示。

图1 硬件结构框图

1) 电源模块由空气开关、熔断器、AC220V转DC24V及电源适配器组成,为工业平板计算机、各模块及光电传感器供电。

2) 驱动模块由RS232开关量输入输出、继电器、行程开关及遮光板平移电机组成,以达到使遮光板平移至指定位置完成遮光、漏光动作。

3) 数据采集模块由数字量信号32路输入及光电传感器数据产生部分组成,将光电传感器的数据采集传输给工业平板计算机进行数据分析处理。

1.1 测试系统主体结构

整个测试系统主体由铝合金结构拼接而成,包括光电传感器固定、反光板光源固定、遮光板平移结构组成。测试系统主体3D结构如图2所示。

图2 系统主体结构3D图

1.2 工业平板计算机

工业平板计算机作为系统的测试核心及人机交互平台。本系统选用工业级触摸一体机SG120-BGCM,N2840处理器,64G SSD,10寸电容屏,带有USB接口、串行接口(RS232、RS485)、VAG接口及LAN网口。安装方式多样,操作方便。

1.3 RS232开关量

开关量输入输出模块广泛应用于各种工业测控系统中,主计算机、主控器等上位机通过RS232接口可控制模块对输入开关量进行采集,输出相应的开关量信号从而可控制继电器、开关、电机、伺服机构等。采用标准MODBUS通讯协议,便于计算机编程。本系统中应用于控制继电器以达到控制推杆电机动作遮光板完成遮光漏光。

1.4 数据采集模块

本系统对光电传感器的信号采集选用分布式MODBUS控制模块Modbus-132。具有32路光电隔离数字量输入,抗干扰能力强;采用标准RS485通信接口,方便与上位机连接;带32路输入状态及系统工作状态指示灯。本系统中用于对测试中光电传感器的状态进行采集。

2 软件系统

本文设计并搭建的开关型光电传感器性能批量测试系统以Visual Studio 2019为开发环境,系统软件架构如图3,数据层传递指令给驱动层,信号层将信号传递给数据层,数据层与人机交互层相互反馈实现数据实时显示,数据报表、数据挖掘对数据进行分析处理。

图3 程序架构

程序流程图如图4,经初始化后进入人机设置界面进行测试参数设置,开始测试,遮光板动作,当判断遮光板到达指定遮光位置时,对光电传感器的状态进行数据读取及数据保存;遮光板继续动作,当判断遮光板到达指定漏光位置时,对光电传感器的状态进行读取及数据保存;当测试时间未完成时重复以上动作,当测试时间完成后进行数据显示以及保存,结束此次测试。

图4 程序流程图

2.1 人机界面

本系统的目的是批量的对光电传感器进行性能测试,为了方便工作人员的操作使用,本系统的人机界面应便捷实用。人机界面由工业平板计算机承载,界面含有自动测试、手动调试以及数据显示部分。自动测试部分包含测试参数设置:测试频率(1 min 5次10次15次)、测试时间(30min 1 h2 h)测试个数(1～15)、测试类型;手动调试主要是对使遮光板平移的推杆电机进行电机伸出、电机收缩、电机停止、电机复位操作;显示数据包括剩余时间、已测次数以及各个编号传感器的类型、信号丢失率,还应对状态读取模块与状态控制模块的工作状态给与提示。本系统当前人机交互界面如图5。

图5 人机界面

2.2 数据库

本系统数据库使用由Visual Studio中提供的SQL Server数据库项目,使用VS2019和SQL Server 2017建立。该数据库实现了光电传感器的测试批次、测试合格率、操作规程和全过程生产记录的数字化集中管理,以及生产合格率、订单进度、产量、生产稳定性的可视化快速统计分析。在应用过程中有效提高了管理到一线的反应能力,缩短了交货周期,提高了质量稳定性[3]。

2.3 MODBUS通讯协议

本系统驱动部分和信号输入检测部分均采用MODBUS通讯协议与上位机进行数据传输。驱动部分为对使遮光板产生动作平移的推杆电机进行驱动。上位机与RS232开关量采用MODBUS通信协议。行程开关信号为反馈信号,限制遮光板到达指定位置,实现系统要求。

RS232 串行接口设计用于连接两个设备。该协议支持单个发射器和接收器之间的通信。

2.4 信号输入检测

本系统需要检测的信号为在测试中的多个开关型光电传感器的工作状态,使用RS485通信。RS485是一种通用的通信标准,广泛用于数据采集和控制应用中。使用 RS485 接口,最多可以将32个串行设备连接到一个变送器,满足系统要求。当遮光板平移至传感器的光发射端与光接收端之间时,传感器将会产生高电平,反之则产生低电平,这样就形成了一系列的周期性脉冲信号。

3 数据挖掘与分析

数据挖掘是通过仔细分析大量数据来揭示有意 义的新的关系、趋势和模式的过程。数据分析是为了提取有用信息和形成结论而对数据加以详细研究和概括总结的过程。本系统使用SQL数据分析,通过对我们的测试数据进行分析,对一段时间内的测试数据进行汇总分析,可以更好地了解我们的生产情况以及产品合格率,对考核绩效与寻找问题都有直观性的帮助。

当前数据挖掘是一个跨学科的计算机科学分支。它是用人工智能、机器学习、统计学和数据库的交叉方法在相对较大型的数据集中发现模式的计算过程。数据挖掘过程的总体目标是从一个数据集中提取信息,将其转换成可理解的结构,并进一步使用。我们可以通过数据挖掘发现一些我们平时很难注意到的问题,实现数据的最大化价值。

4 结语

本文设计了一个开关型光电传感器性能批量测试系统,用于对光电传感器的检测距离、响应频率、信号丢失率进行测试。检测距离有实用性强、操作简单等特点。本系统以工业平板计算机为核心控制器及人机交互界面,以Visual Studio2019为开发环境,通过SQL server数据库完成对数据的存储及分析,经过运行使用,目前一天处理能力达150个,实现了对开关型光电传感器的批量测试任务,有效的提高了生产效率,大大降低了人工测试成本并保证了产品的合格率及稳定性。系统运行稳定,满足既定规划。