发光管和光电管的性能测试和分析

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1、发光管和光电管的性能测试和分析赵尚武李杰林思婧北京青云航空仪表有限公司北京100086【文章】本文介绍了光电传感器中常用的OPTEK公司生产的OP233发光管和OPR2101光电管的电流、电压、参数一致性以及它们的光电耦合效率的测试原理和测试结果，并分析了这些测试结果和现象的原因。在发光管与光电管的相对位置不变时，发光管激励电流与光电管输出电流近似成正比。发光管与光电管的耦合效率的试验研究表明，光电耦合效率随着它们之间的垂直距离增加并非单向减小，而是在4mm～5mm处出现第二个极大值；随着它们之间切向偏移量的增加急剧减小，但是在偏移量大于2mm时

2、出现了另一个较小的极大值。分析认为耦合效率出现多个极大值是由于发光管的光照强度随光斑半径非连续衰减导致的，该推测得到了试验验证。其它型号的发光管和光电管也存在同样的规律。【关键词】发光管；光电管；光电耦合效率；光电传感器0引言光源和光电接收器是光电传感器的关键器件，它们的性能、参数选择直接影响传感器的测量精度、可靠性和寿命。美国OPTEK公司生产的OP233红外发光管和OPR2101六相红外光电管阵列配对使用，分别作为光源和光电接收器，经常用于宽温光电传感器。发光管OP233的管径为4.6mm，工作温度为-65℃～+125℃，中心波长为890nm

3、，辐射功率小于10mARGIN:11pt0cm0pt"class=Pa3>1发光管和光电管的测试原理及方法试验中发光管与光电管电路连接的原理图如图1所示，另外在试验中还用光学支架固定、调节发光管的相对位置，用精密微位移装置调节光电管的偏移量。发光管的供电电压VCC=5V，其分压电阻R4的阻值可调，用于调节其激励电流和发光强度，以便测试发光管电流对光电管输出电流的影响。光电管的供电电压VPC可调节，用于测试光电管电压值对光电转换效率的影响。发光管和光电管的相对位置可以调节，以便于测量两者的距离以及切向偏移量对光电管输出电流的影响。运算放大器CA31

4、40的供电电压为5V，它正输入端P3由分压电阻设定为2.5V。由于光电管产生的最大电流只有几百uA，可以由运算放大器内部构成光电流的通路，直接用电压表测量负反馈电阻R1两端电压即可计算光电管产生的电流值。2发光管和光电管的测试结果及分析2.1发光管激励电流的测试首先测试发光管激励电流对光电管输出电流信号的影响。光电管的阴极调整为5V，两者距离设为5mm，且发光面与感光面对正照射，测试结果如图2所示。从图中曲线可以看出光电管电流与发光管电流近似为正比，这种正比关系从理论上解释为：发光管的发光强度与激励电流呈正比关系，而光电管产生的电流与其接收的辐照

5、度呈正比，故在两者相对位置不变时，它们的电流呈正比关系。考虑到产品的寿命和降额设计要求，以及输出光电流信号强度的要求，确定在产品设计中选择分压电阻为75Ω，此时发光管两端电压为1.47V，激励电流为47mA。图2发光管电流对光电管电流信号的影响图1发光管和光电管测试电路原理图026实验研究ExperimentalResearch电子制作2.2光电管反向电压和离散性测试发光管激励电流设为47mA，发光管与光电管距离为5mm，且两者正对，调节光电管阴极电位VPC，测试VPC对输出电流的影响。测试结果如图3所示，可知当VPC≥5V时，其对输出电流的影响

6、可以忽略，而VPC=5V在电路设计中是最容易实现的。由于运算放大器的反相输入端P2为2.5V，当VPC略小于2.5V时虽然光电管处于正向偏压，在光照条件下也会产生反向电流，当VPC远小于2.5V时可能会损坏运算放大器。图3光电管电压对其电流信号的影响另外，在试验中还测试了六相光电管阵列中各相光电管的光电转换效率的离散性，测试结果表明各相之间离散性小于±1.5%。在产品设计中，可以通过选配合适的采样电阻或者用电位计补偿这种离散性。2.3发光管与光电管光电耦合效率测试发光管与光电管的距离以及它们的切向偏移量会影响光电管的光电流信号。将发光管与光电管正

7、对（切向偏移量为零），调节两者的距离，测试光电管电流信号。在试验中选择了两只发光管分别与同一个光电管配合进行测试，以两者距离D=1mm时的输出电流为单位，归一化曲线如图4所示。由图中曲线可知，光电流随两者距离的变化规律近似相同，而该规律与技术手册上所给出的变化规律明显不同，即光电流并非随着两者距离增加单向减小，而是在D=4mm～5mm之间出现电流信号的极大值。该现象的发现对产品设计很有指导意义，增加发光管与光电管的距离为5mm，明显降低了机械加工和装配的难度，而光电耦合效率仍满足要求。发光管1和2两条曲线的差异主要有两方面因素：一是两者参数、工艺

8、不一致；二是在调节发光管与光电管距离时它们的正对性以及步进值存在偏差。图4发光管与光电管的耦合效率与距离关系设定发光管与光电管的距离，调