楊長(zhǎng)望 柳建春 衣玲學(xué)

摻鉺光纖光源測(cè)試自動(dòng)化技術(shù)研究

楊長(zhǎng)望 柳建春 衣玲學(xué)

（北京航天時(shí)代光電科技有限公司，北京 100094）

通過(guò)分析摻鉺光纖光源生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)試流程，找到了制約摻鉺光纖光源產(chǎn)能提升的瓶頸。提出了設(shè)備控制自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化和數(shù)據(jù)處理及報(bào)告生成自動(dòng)化總體技術(shù)方案。在硬件方面引入了分光同步測(cè)試技術(shù)和分時(shí)復(fù)用測(cè)試技術(shù)，簡(jiǎn)化了測(cè)試操作的過(guò)程，在軟件方面引入了Visual Basic和Office相結(jié)合的技術(shù)，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理和報(bào)告編寫(xiě)的過(guò)程。通過(guò)采用設(shè)備自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從測(cè)試數(shù)據(jù)采集到測(cè)試數(shù)據(jù)處理直至測(cè)試報(bào)告生成全流程自動(dòng)化，提升了測(cè)試效率。

摻鉺光纖光源；測(cè)試；自動(dòng)化；數(shù)據(jù)處理

1 引言

摻鉺光纖光源（簡(jiǎn)稱鉺源）具有輸出光功率大、光譜寬、波長(zhǎng)穩(wěn)定性好、偏振相關(guān)性低等特點(diǎn)[1]，可用于高精度光纖陀螺儀。隨著高精度光纖陀螺儀在飛船、衛(wèi)星、火箭上的應(yīng)用，多個(gè)型號(hào)進(jìn)入定型批產(chǎn)階段，隨之配套的鉺源也走向批量化生產(chǎn)。

光源影響光纖陀螺性能的主要參數(shù)有輸出光功率、光譜寬度、平均波長(zhǎng)等[2]。而輸出光功率穩(wěn)定性和平均波長(zhǎng)穩(wěn)定性是鉺源設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，在生產(chǎn)過(guò)程中，需要篩選測(cè)試每只鉺源的溫度性能，測(cè)試其在高低溫范圍內(nèi)輸出光功率變化和平均波長(zhǎng)變化。

在變溫條件下，測(cè)試光功率變化和平均波長(zhǎng)變化難度大、過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，成為嚴(yán)重制約整個(gè)鉺源生產(chǎn)能力提升的瓶頸，產(chǎn)能壓力非常大。經(jīng)過(guò)分析，測(cè)試流程主要有以下兩點(diǎn)問(wèn)題：操作儀器復(fù)雜，多為手動(dòng)操作，且每個(gè)溫度點(diǎn)重復(fù)操作；數(shù)據(jù)處理為手動(dòng)方式，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。

針對(duì)上述問(wèn)題，該研究通過(guò)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)自動(dòng)處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從測(cè)試數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理直至測(cè)試報(bào)告生成全流程自動(dòng)化，提升了測(cè)試效率。

2 測(cè)試流程分析

2.1 鉺源指標(biāo)測(cè)試

鉺源裝配完成后，需要通過(guò)溫度性能測(cè)試（包括光功率變化和平均波長(zhǎng)變化），然后再通過(guò)常溫性能測(cè)試（包括輸出光功率、平均波長(zhǎng)、光譜寬度、消光比等）。

溫度性能測(cè)試包括輸出光功率采集、平均波長(zhǎng)采集和原始數(shù)據(jù)處理三部分。在變溫過(guò)程中以一定時(shí)間間隔記錄數(shù)據(jù)，為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在變溫過(guò)程中需保持光路固定，光功率和平均波長(zhǎng)需要單獨(dú)兩次溫度循環(huán)測(cè)試，溫箱完成一個(gè)循環(huán)大約需2h，加上處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，溫度性能測(cè)試占總測(cè)試時(shí)間的90%。

2.2 溫度性能測(cè)試過(guò)程

鉺源溫度性能測(cè)試包括光功率變化測(cè)試和波長(zhǎng)變化測(cè)試。

將被測(cè)鉺源放置在溫箱內(nèi)，鉺源輸出端光纖引出溫箱外連接光功率計(jì)，設(shè)置光功率計(jì)自動(dòng)采集模式，開(kāi)啟溫箱，保持鉺源輸出端光纖固定，在整個(gè)變溫過(guò)程中自動(dòng)連續(xù)采集輸出光功率。

保持鉺源在溫箱內(nèi)不動(dòng)，再將鉺源輸出端光纖連接到光譜分析儀，再次開(kāi)啟溫箱，依次將每只鉺源輸出端光纖插入光譜分析儀，測(cè)試并記錄其平均波長(zhǎng)，周而復(fù)始，直至整個(gè)溫循結(jié)束。

變溫過(guò)程中波長(zhǎng)變化測(cè)試極其繁瑣，操作工人需要輪流插拔光纖進(jìn)光譜分析儀，整個(gè)過(guò)程需要注意力高度集中不能停頓。操作光譜分析儀對(duì)操作工人要求極其嚴(yán)格，且容易出現(xiàn)操作或數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤，且輪流插拔光纖，將增加測(cè)試誤差。

2.3 原始數(shù)據(jù)處理

光功率計(jì)自動(dòng)采集到每個(gè)通道的輸出光功率值，只需將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel模板，即可快速計(jì)算出變化率并繪制曲線。

對(duì)于波長(zhǎng)變化率計(jì)算，需要手動(dòng)將測(cè)試數(shù)據(jù)錄入到Excel模板，然后計(jì)算其變化率并繪制曲線。此部分工作比較耗費(fèi)時(shí)間，同時(shí)，錄入數(shù)據(jù)容易出錯(cuò)。

最后將處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果，編制成測(cè)試報(bào)告。

3 自動(dòng)化技術(shù)方案

考慮到人力成本和引入的測(cè)試誤差，提出采用自動(dòng)化技術(shù)原理，將計(jì)算機(jī)軟件代替人工手動(dòng)操作。由上述分析可知，實(shí)現(xiàn)鉺源自動(dòng)化測(cè)試主要從三個(gè)方面入手，即設(shè)備控制自動(dòng)化技術(shù)、數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化技術(shù)和數(shù)據(jù)處理及報(bào)告生成自動(dòng)化技術(shù)。

3.1 設(shè)備控制自動(dòng)化技術(shù)

圖1 測(cè)試設(shè)備連接示意圖

為實(shí)現(xiàn)鉺源測(cè)試自動(dòng)化技術(shù)，首先需要測(cè)試設(shè)備的硬件支持。為了壓縮測(cè)試時(shí)間，減少溫循次數(shù)，提出光功率和波長(zhǎng)同步測(cè)試技術(shù)，即在同一個(gè)溫循下，可測(cè)試光功率變化和波長(zhǎng)變化，測(cè)試原理見(jiàn)圖1所示，待測(cè)鉺源經(jīng)過(guò)1×2分路器后，分成等比例的兩束光，其中一束輸入到光功率計(jì)，另一束經(jīng)過(guò)光開(kāi)關(guān)后，分時(shí)切換后輸入到光譜分析儀。

3.1.1 分光同步測(cè)試技術(shù)

1×2分路器將鉺源輸出的光分成等比例兩束，由于1×2分路器置于溫箱外恒溫環(huán)境，其分光穩(wěn)定性高，引入的測(cè)試誤差小。1×2分路器將待測(cè)鉺源光信號(hào)分成兩束，分別用于測(cè)試光功率變化和波長(zhǎng)變化，實(shí)現(xiàn)了鉺源光功率和波長(zhǎng)分光同步測(cè)試技術(shù)，使得在同一個(gè)溫循下，可同時(shí)測(cè)試光功率變化和波長(zhǎng)變化，減少了一個(gè)溫度循環(huán)，提高鉺源溫度性能測(cè)試效率。

3.1.2 分時(shí)復(fù)用測(cè)試技術(shù)

1×光開(kāi)關(guān)可分時(shí)切換光信號(hào)，通過(guò)外部軟件控制，某一時(shí)刻可選通其中指定的某一通道，將光信號(hào)輸入到光譜分析儀測(cè)試波長(zhǎng)。1×光開(kāi)關(guān)同樣置于溫箱外恒溫環(huán)境，其光切換穩(wěn)定性高，引入的測(cè)試誤差小。1×光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)分時(shí)復(fù)用測(cè)試技術(shù)，使得在一個(gè)溫循過(guò)程中一臺(tái)光譜分析儀可測(cè)試個(gè)通道光波長(zhǎng)信號(hào)，減少了測(cè)試硬件成本。

3.2 數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化技術(shù)

整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)還有其他設(shè)備，包括溫箱、多通道光功率計(jì)、光譜分析儀和激光器驅(qū)動(dòng)儀，均具有通訊控制接口，可連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集，是組成整個(gè)自動(dòng)化控制技術(shù)方案的必要條件[3]。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)工作流程圖

除1×2分路器外，所有設(shè)備均接入計(jì)算機(jī)，在測(cè)試軟件的控制下，實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)采集功能，如圖2所示。

a. 初始化后啟動(dòng)儀器，軟件將執(zhí)行選定通道操作，根據(jù)預(yù)設(shè)的待測(cè)通道數(shù)，輪流循環(huán)選定，直至整個(gè)溫循過(guò)程結(jié)束，溫箱停止；

b. 根據(jù)所選定的通道，計(jì)算機(jī)輸出控制指令，光開(kāi)關(guān)切換到相應(yīng)的通道上，此時(shí)光譜分析儀連接到該通道的鉺源上，計(jì)算機(jī)向光譜分析儀發(fā)送指令，執(zhí)行掃描測(cè)試操作；

c. 待光譜分析儀掃描測(cè)試完成后，計(jì)算機(jī)發(fā)送指令到溫箱、光功率計(jì)和光譜分析儀，讀取溫度、相應(yīng)通道上的光功率值和波長(zhǎng)值，并存儲(chǔ)成具有通道和序號(hào)標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)包；

d. 采集完一個(gè)通道的數(shù)據(jù)后，軟件將判別溫箱是否停機(jī)，如果停機(jī)，則處理數(shù)據(jù)，生成報(bào)告，結(jié)束測(cè)試，如果未停機(jī)，則返回到選定通道操作，繼續(xù)測(cè)試。

3.3 數(shù)據(jù)處理及報(bào)告生成自動(dòng)化技術(shù)

本方案中的測(cè)試軟件使用Visual Basic開(kāi)發(fā)，可以很好地與Office辦公軟件交互[4]，先調(diào)用Excel模塊統(tǒng)計(jì)和分析數(shù)據(jù)，生成圖表曲線，再調(diào)用Word模塊可自動(dòng)生成報(bào)告[5]。

測(cè)試數(shù)據(jù)以逗號(hào)分隔值文件“.csv”存儲(chǔ)，每一條記錄由“溫度”、“波長(zhǎng)”和“光功率”組成，以行的形式記錄，當(dāng)整個(gè)測(cè)試完成后，將形成一個(gè)數(shù)據(jù)表格，見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)表（部分）

測(cè)試完成后，軟件將自動(dòng)調(diào)用外部Excel模塊打開(kāi)數(shù)據(jù)文件，分別自動(dòng)選取“溫度-波長(zhǎng)”和“溫度-功率”系列數(shù)據(jù)，自動(dòng)拷貝到預(yù)先做好的Excel計(jì)算模板中，并將自動(dòng)繪制曲線，計(jì)算最大值、最小值和變化率，再自動(dòng)從Excel模板中將曲線和計(jì)算結(jié)果拷貝到Word報(bào)告中，如圖3、圖4所示，整個(gè)過(guò)程軟件自動(dòng)操作，無(wú)需人為干預(yù)。

圖3 Word報(bào)告中溫度-波長(zhǎng)曲線及結(jié)果

圖4 Word報(bào)告中溫度-功率曲線及結(jié)果

使用Visual Basic和Office辦公軟件相結(jié)合技術(shù)，可簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理過(guò)程。測(cè)試軟件界面如圖5所示。

圖5 測(cè)試軟件界面

4 結(jié)束語(yǔ)

該技術(shù)方案已經(jīng)成功應(yīng)用于本公司鉺源批產(chǎn)測(cè)試中，有效地降低了鉺源測(cè)試復(fù)雜程度和人為因素的干擾，大幅提升了自動(dòng)化程度，測(cè)試效率提升了70%以上，同時(shí)也減小了測(cè)試誤差。

通過(guò)對(duì)設(shè)備自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集以及使用Visual Basic和Office辦公軟件相結(jié)合技術(shù)，有效地解決了鉺源測(cè)試過(guò)程中操作和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜、人員依懶性強(qiáng)和耗時(shí)長(zhǎng)等制約批量生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題。

1 王巍. 干涉型光纖傳感用光電子器件技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012

2 王巍. 干涉型光纖陀螺儀技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)宇航出版社，2010

3 李江全. Visual Basic數(shù)據(jù)采集與串口通信測(cè)控應(yīng)用實(shí)踐[M]. 北京：人民郵電出版社，2010

4 明日科技. Visual Basic從入門(mén)到精通（第4版）[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2017

5 靳瑞霞. Excel VBA基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2017

Research on ASE Test Automation Technology

Yang Changwang Liu Jianchun Yi Lingxue

(Beijing Aerospace Times Optoelectronics Technology Co., Ltd., Beijing 100094)

By analyzing the test process in ASE production process, the bottleneck restricting ASE production capacity is found. The general technical schemes of equipment control automation, data acquisition automation, data processing and report generation automation are put forward. In the hardware aspect, the testing technology of time-sharing multiplexing and optical synchronization is introduced to simplify the testing process. In the software aspect, the technology of combining Visual Basic and Office is introduced to simplify the process of data processing and report writing. Automatic instrument control and automatic data processing were introduced for testing data acquisition, processing, analyzing and report generation automatically, which completely improves testing efficiency in the end.

ASE；testing；automation；data processing

楊長(zhǎng)望（1988），工程師，電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)；研究方向：光電子器件技術(shù)、工藝數(shù)字化技術(shù)。

2020-03-23