一种航天用光电耦合器的老化试验系统及使用方法与流程

1.本发明属于涉及电子元器件测试技术领域，尤其是一种航天用光电耦合器的老化试验系统及使用方法。


背景技术：

2.光电耦合器是一种以光作为媒介传输电信号的转换器件，主要包括发光源和受光器两部分，因其具有较好的电绝缘能力和抗干扰能力，被广泛用于各类电路中。在相关技术中，对于光电耦合器的测试主要为型式测试和出厂试验，少量老化试验大多以电流传输比达到截止条件作为失效信号，同时仅考虑温度对光电耦合器运行状态的影响。而航空用光电耦合器通常被封装在气密性陶瓷内部，除温度因素外，内部环境中的水汽、氧气、氢气和二氧化碳含量以及低地球轨道中子环境辐照都会影响其可靠性，多种因素共同作用下的光电耦合器老化机理有待研究。此外，现有老化试验具有一定周期，数据反馈存在时延，数据承载的潜在有效信息有待挖掘。


技术实现要素：

3.本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种航天用光电耦合器的老化试验系统及使用方法。
4.本发明的上述目的之一通过如下技术方案来实现：
5.一种航天用光电耦合器的老化试验系统，其特征在于：包括多维老化柜、数据传输模块、边缘计算端和云计算端；
6.所述多维老化柜集成有多个老化试验箱、数据采集模块和控制模块，老化试验箱用于放置被测试的光电耦合器，为被测试的光电耦合器提供所需的测试环境，多个老化试验箱包括温度老化箱、水汽老化箱、氧气老化箱、氢气老化箱、二氧化碳老化箱和辐照老化箱，每一个老化箱均设置有一个观察窗；数据采集模块用于实时采集被测试的光电耦合器运行参数，并将参数通过数据传输模块发送至边缘计算端，同时通过在老化试验箱观察窗外侧配备的监控摄像头，实现对被测试的光电耦合器的实时监控；控制模块用于调节各老化试验箱的参数；
7.所述数据传输模块，用于多维老化柜与边缘计算端、边缘计算端与云计算端的数据通信；
8.所述边缘计算端，用于接收、存储和实时处理多维老化柜传来的多维试验数据，并将边缘决策下发回多维老化柜的控制模块，对老化试验箱的参数进行调节；同时将加工后数据上传至云计算层，并载入云计算端传回的运行状态模型；
9.所述云计算端，用于接收边缘计算端上传的海量数据和单一维度光电耦合器运行状态模型，由配置的高计算性能数据库服务器和云端应用服务器，构建出多维影响因素下的航天用光电耦合器运行状态模型，利用数据对综合模型进行训练，并通过数据传输模块传输至边缘计算端，指导对光电耦合器的运行判断和寿命预测。
10.进一步的：所述边缘计算端包括存储模块、模型训练模块和人机交互模块；其中存储模块，用于存储试验过程中的试验数据；模型训练模块，用于训练单一维度的光电耦合器运行状态模型；人机交互模块，用于试验操作人员对老化试验情况的查看和参数设定。
11.进一步的：所述辐照老化箱选取中子脉冲反应堆作为辐照源，选择1mev等效中子进行辐照。
12.进一步的：所述数据采集模块采用dam模块采集老化箱模拟量，实时采集被测试的光电耦合器运行参数，包括光电耦合器的饱和压降、电流传输比、击穿电压和正向电压。
13.进一步的：所述监控摄像头采用具有自动对焦功能的工业高清摄像头。
14.进一步的：所述数据传输模块采用zigbee模块和rs485接口形式，将数据通过无线方式进行传输。
15.本发明的上述目的之二通过如下技术方案来实现：
16.一种航天用光电耦合器的老化试验系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
17.步骤1：将多个光电耦合器分别放置于多维老化柜中的各个老化试验箱，各个老化试验箱分别为箱内待测试的光电耦合器提供所需测试环境，包括温度、水汽含量、氧气含量、氢气含量、二氧化碳含量和辐照变量；
18.步骤2：数据采集模块按照一定周期采集各个老化试验箱中光电耦合器的饱和压降、电流传输比、击穿电压和正向电压等主要性能参数，同时利用监控摄像头透过观察窗拍摄老化试验箱中画面，并通过数据传输模块，将各个老化试验箱中的试验数据、监控画面传输给边缘模块。
19.步骤3：边缘计算端接收到试验数据后，将其存入存储模块；测试环境、试验数据和监控画面均通过人机交互界面进行展示，试验操作人员可在界面中查看老化试验情况，手动调整试验参数，并通过数据传输模块发送回老化试验箱中的控制模块；同时，边缘计算端根据接收到的数据，在模型训练模块中训练单一维度光电耦合器运行状态模型，并将训练好的模型和海量数据通过数据传输模块上传至云计算端；
20.步骤4：云计算端接收到单一维度光电耦合器运行状态模型和海量数据后，使用深度学习方法，根据数据量将单一模型加权聚合，实现温度、水汽含量、氧气含量、氢气含量、二氧化碳含量和辐照强度参数的整合处理，得到多个参数下光电耦合器运行状态的综合模型，并通过数据持续训练提升综合运行状态模型的可靠性和泛化程度，将优化后的综合运行状态模型发送回边缘计算端；
21.步骤5：边缘计算端接收到综合运行状态模型后，对自身模型进行更新，为试验操作人员提供决策参考。
22.进一步的：步骤1中，温度介于-55℃～125℃，水汽含量≤3000
×
10-6
，氧气含量≤4000
×
10-6
，氢气含量≤2500
×
10-6
，二氧化碳含量≤5000
×
10-6
，辐照总注量为5
×
10
11
n/cm2，中子注量率不确定度小于10％。
23.进一步的：步骤3中，进行人机交互具体为：在grafana配置中添加数据源，选择influxdb类型，并配置相应的url、账号密码，通过测试查看与数据库建立连接后，配置相应看板，试验操作人员可远程通过浏览器登录访问，掌握多维老化柜的实时参数，查看试验进度，远程观测现场状态和调节设置参数。
24.本发明具有的优点和积极效果：
25.本发明考虑航天用光电耦合器运行状态的特殊性，将温度、水汽、氧气、氢气、二氧化碳和辐照等同时作为光电耦合器运行状态的影响因素，通过配置多维老化柜采集老化试验数据，得到多个维度、更贴合运行实际的试验数据；同时引入云边协同技术，在边缘计算端快速处理试验数据，生成单一维度运行模型，在云计算端将单一运行模型整合为综合运行模型并优化，挖掘海量试验数据有效信息，为航天用光电耦合器的运行状态分析和寿命预测提供指导方案。
附图说明
26.图1是本发明航天用光电耦合器的老化试验系统结构示意图。
具体实施方式
27.以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
28.一种航天用光电耦合器的老化试验系统，请参见图1，其发明点为：主要包括多维老化柜、数据传输模块、边缘计算端和云计算端。
29.多维老化柜集成有多个老化试验箱、数据采集模块和控制模块。老化试验箱用于放置被测试的光电耦合器，为被测试的光电耦合器提供所需的测试环境。环境变量选取温度、水汽含量、氧气含量、氢气含量、二氧化碳含量和辐照强度。其中温度变化会影响光电耦合器的性能参数；水汽会加速对光电耦合器的金属化层或键合丝的腐蚀作用，导致绝缘性能变差，引起大的漏电流，导致低温下触点表面结霜，接触不良，造成电路功能失效；氧气作为反应气体，参与光电耦合器材料的氧化反应，造成材料性能变化，氧气成份与其他气氛或材料反应，生成新的气体或物质；氢气使材料产生氢损伤，氢能够促进位错发射、增殖和运动，氢气团能够降低位错间的相互作用，促进材料的局部发生塑性变形；高含量的的二氧化碳会和水汽反应，形成高酸环境，进而腐蚀光电耦合器裸露的金属；辐照会导致光电耦合器产生位移损伤。根据测试环境类别，多个老化试验箱分别为温度老化箱、水汽老化箱、氧气老化箱、氢气老化箱、二氧化碳老化箱和辐照老化箱，每一个老化箱均设置有一个观察窗。其中，所述温度老化箱内固定有加热器和温度传感器；所述水汽老化箱内固定有加湿器和湿度传感器；所述氧气老化箱、氢气老化箱和二氧化碳老化箱内均固定有配气设备和气体传感器；所述辐照老化箱选取中子脉冲反应堆作为辐照源，选择1mev等效中子进行辐照，同时装有中子传感器。
30.数据采集模块使用dam模块采集老化箱模拟量，并通过sonytektronix-370a可编程测试仪中的测试程序，采用原位测试的方式实时采集被测试的光电耦合器运行参数，包括光电耦合器的饱和压降、电流传输比、击穿电压和正向电压等，并将参数通过数据传输模块发送至边缘计算端；同时通过在老化试验箱观察窗外侧配备监控摄像头，所述摄像头选用工业高清摄像头，具有自动对焦功能，实现对被测试的光电耦合器的实时监控。控制模块用于调节各老化试验箱的参数，所述参数包括环境参数(如温度、水汽含量、氧气含量、氢气含量、二氧化碳含量和辐照强度等)以及光电耦合器老化测试的采样周期和截止条件。具体的，控制模块通过控制温度老化箱中的加热器来调节温度，并由温度传感器对温度进行实时反馈；通过控制水汽老化箱中的加湿器来调节水汽含量，并由湿度传感器对水汽含量进
行实时反馈；通过控制氧气老化箱、氢气老化箱和二氧化碳老化箱内的配气设备来调节氧气含量、氢气含量和二氧化碳含量，并由气体传感器进行实时反馈；通过控制辐照老化箱中辐照源的中子注量来调节辐照强度，并由中子传感器进行实时反馈。
31.数据传输模块用于多维老化柜与边缘计算端、边缘计算端与云计算端的数据通信，使用zigbee模块和rs485接口将数据通过无线方式进行传输。
32.边缘计算端用于接收、存储和实时处理多维老化柜传来的多维试验数据，并将边缘决策下发回多维老化柜的控制模块，对老化试验箱的参数进行调节；同时将加工后数据上传至云计算层，并载入云计算端传回的运行状态模型。包括存储模块、模型训练模块和人机交互模块，其中存储模块用于存储试验过程中的试验数据，将数据存储在缓存数据库redis中，然后将消息队列通过http协议传输到消息中间件kafka，按照订阅对象分发数据到时序数据库influxdb。模型训练模块用于训练单一维度的光电耦合器运行状态模型，其中，将从数据传输模块接收到的温度、水汽含量、氧气含量、氢气含量、二氧化碳含量和辐照强度数据，分别作为各个单一维度光电耦合器运行状态模型的输入，电流传输比作为输出，当电流传输比下降到初始的50％时，判定为已经老化失效；本实施例中采用支持向量机方法对单一维度光电耦合器运行状态进行预测，其中支持向量机参数采用遗传算法进行寻优。人机交互模块用于试验操作人员对老化试验情况的查看和参数设定，可通过grafana实现。
33.云计算端用于接收边缘计算端上传的海量数据和单一维度光电耦合器运行状态模型，由配置的高计算性能数据库服务器和云端应用服务器，采用jetsonxaviernx作为服务器端，构建出多维影响因素下的航天用光电耦合器运行状态模型，利用数据对综合模型进行训练，并通过数据传输模块传输至边缘计算端，指导对光电耦合器的运行判断和寿命预测。
34.该系统的连接方式为：多维老化柜中的多个老化试验箱并列，与数据采集模块和控制模块分别连接；数据采集模块与控制模块连接，并分别通过数据传输模块与边缘计算端连接；边缘计算端通过数据传输模块与云计算端双向连接。
35.采用所述系统对航天用光电耦合器的老化试验和分析步骤如下：
36.步骤1：将多个光电耦合器分别放置于多维老化柜中的各个老化试验箱，各个老化试验箱分别为箱内待测试的光电耦合器提供所需测试环境，包括温度、水汽含量、氧气含量、氢气含量、二氧化碳含量和辐照等变量。环境参数范围设定如下：温度介于-55℃～125℃，水汽含量≤3000
×
10-6
，氧气含量≤4000
×
10-6
，氢气含量≤2500
×
10-6
，二氧化碳含量≤5
37.000
×
10-6
，辐照总注量为5
×
10
11
n/cm2，中子注量率不确定度小于10％。
38.步骤2：数据采集模块按照一定周期采集各个老化试验箱中光电耦合器的饱和压降、电流传输比、击穿电压和正向电压等主要性能参数，同时利用监控摄像头透过观察窗拍摄老化试验箱中画面，并通过数据传输模块，将各个老化试验箱中的试验数据、监控画面传输给边缘模块。
39.步骤3：边缘计算端接收到试验数据后，将其存入存储模块。测试环境、试验数据和监控画面均通过人机交互界面进行展示，试验操作人员可在界面中查看老化试验情况，手动调整试验参数，并通过数据传输模块发送回老化试验箱中的控制模块；具体的，使用时在
grafana配置中添加数据源，选择influxdb类型，并配置相应的url、账号密码，通过测试查看与数据库建立连接后，配置相应看板，试验操作人员可远程通过浏览器登录访问，掌握多维老化柜的实时参数，查看试验进度，远程观测现场状态和调节设置参数。同时，边缘计算端根据接收到的数据，在模型训练模块中训练单一维度光电耦合器运行状态模型，并将训练好的模型和海量数据通过数据传输模块上传至云计算端。
40.步骤4：云计算端接收到单一维度光电耦合器运行状态模型和海量数据后，使用深度学习方法，根据数据量将单一模型加权聚合，实现温度、水汽含量、氧气含量、氢气含量、二氧化碳含量和辐照强度参数的整合处理，得到多个参数下光电耦合器运行状态的综合模型，并通过数据持续训练提升综合运行状态模型的可靠性和泛化程度，将优化后的综合运行状态模型发送回边缘计算端。
41.步骤5：边缘计算端接收到综合运行状态模型后，对自身模型进行更新，为试验操作人员提供决策参考。
42.尽管为说明的目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变换和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

技术特征：
1.一种航天用光电耦合器的老化试验系统，其特征在于：包括多维老化柜、数据传输模块、边缘计算端和云计算端；所述多维老化柜集成有多个老化试验箱、数据采集模块和控制模块，老化试验箱用于放置被测试的光电耦合器，为被测试的光电耦合器提供所需的测试环境，多个老化试验箱包括温度老化箱、水汽老化箱、氧气老化箱、氢气老化箱、二氧化碳老化箱和辐照老化箱，每一个老化箱均设置有一个观察窗；数据采集模块用于实时采集被测试的光电耦合器运行参数，并将参数通过数据传输模块发送至边缘计算端，同时通过在老化试验箱观察窗外侧配备的监控摄像头，实现对被测试的光电耦合器的实时监控；控制模块用于调节各老化试验箱的参数；所述数据传输模块，用于多维老化柜与边缘计算端、边缘计算端与云计算端的数据通信；所述边缘计算端，用于接收、存储和实时处理多维老化柜传来的多维试验数据，并将边缘决策下发回多维老化柜的控制模块，对老化试验箱的参数进行调节；同时将加工后数据上传至云计算层，并载入云计算端传回的运行状态模型；所述云计算端，用于接收边缘计算端上传的海量数据和单一维度光电耦合器运行状态模型，由配置的高计算性能数据库服务器和云端应用服务器，构建出多维影响因素下的航天用光电耦合器运行状态模型，利用数据对综合模型进行训练，并通过数据传输模块传输至边缘计算端，指导对光电耦合器的运行判断和寿命预测。2.根据权利要求所述的航天用光电耦合器的老化试验系统，其特征在于：所述边缘计算端包括存储模块、模型训练模块和人机交互模块；其中存储模块，用于存储试验过程中的试验数据；模型训练模块，用于训练单一维度的光电耦合器运行状态模型；人机交互模块，用于试验操作人员对老化试验情况的查看和参数设定。3.根据权利要求所述的航天用光电耦合器的老化试验系统，其特征在于：所述辐照老化箱选取中子脉冲反应堆作为辐照源，选择1mev等效中子进行辐照。4.根据权利要求所述的航天用光电耦合器的老化试验系统，其特征在于：所述数据采集模块采用dam模块采集老化箱模拟量，实时采集被测试的光电耦合器运行参数，包括光电耦合器的饱和压降、电流传输比、击穿电压和正向电压。5.根据权利要求所述的航天用光电耦合器的老化试验系统，其特征在于：所述监控摄像头采用具有自动对焦功能的工业高清摄像头。6.根据权利要求所述的航天用光电耦合器的老化试验系统，其特征在于：所述数据传输模块采用zigbee模块和rs485接口形式，将数据通过无线方式进行传输。7.一种如权利要求1-6任一所述的航天用光电耦合器的老化试验系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将多个光电耦合器分别放置于多维老化柜中的各个老化试验箱，各个老化试验箱分别为箱内待测试的光电耦合器提供所需测试环境，包括温度、水汽含量、氧气含量、氢气含量、二氧化碳含量和辐照变量；步骤2：数据采集模块按照一定周期采集各个老化试验箱中光电耦合器的饱和压降、电流传输比、击穿电压和正向电压等主要性能参数，同时利用监控摄像头透过观察窗拍摄老化试验箱中画面，并通过数据传输模块，将各个老化试验箱中的试验数据、监控画面传输给
边缘模块。步骤3：边缘计算端接收到试验数据后，将其存入存储模块；测试环境、试验数据和监控画面均通过人机交互界面进行展示，试验操作人员可在界面中查看老化试验情况，手动调整试验参数，并通过数据传输模块发送回老化试验箱中的控制模块；同时，边缘计算端根据接收到的数据，在模型训练模块中训练单一维度光电耦合器运行状态模型，并将训练好的模型和海量数据通过数据传输模块上传至云计算端；步骤4：云计算端接收到单一维度光电耦合器运行状态模型和海量数据后，使用深度学习方法，根据数据量将单一模型加权聚合，实现温度、水汽含量、氧气含量、氢气含量、二氧化碳含量和辐照强度参数的整合处理，得到多个参数下光电耦合器运行状态的综合模型，并通过数据持续训练提升综合运行状态模型的可靠性和泛化程度，将优化后的综合运行状态模型发送回边缘计算端；步骤5：边缘计算端接收到综合运行状态模型后，对自身模型进行更新，为试验操作人员提供决策参考。8.根据权利要求7所述的航天用光电耦合器的老化试验系统的使用方法，其特征在于：步骤1中，温度介于-55℃～125℃，水汽含量≤3000
×
10-6
，氧气含量≤4000
×
10-6
，氢气含量≤2500
×
10-6
，二氧化碳含量≤5000
×
10-6
，辐照总注量为5
×
10
11
n/cm2，中子注量率不确定度小于10％。9.根据权利要求7所述的航天用光电耦合器的老化试验系统的使用方法，其特征在于：步骤3中，进行人机交互具体为：在grafana配置中添加数据源，选择influxdb类型，并配置相应的url、账号密码，通过测试查看与数据库建立连接后，配置相应看板，试验操作人员可远程通过浏览器登录访问，掌握多维老化柜的实时参数，查看试验进度，远程观测现场状态和调节设置参数。

技术总结
本发明涉及一种航天用光电耦合器的老化试验系统及使用方法，包括多维老化柜、数据传输模块、边缘计算端和云计算端；多维老化柜集成有多个老化试验箱、数据采集模块和控制模块，老化试验箱用于放置被测试的光电耦合器，包括温度老化箱、水汽老化箱、氧气老化箱、氢气老化箱、二氧化碳老化箱和辐照老化箱；数据采集模块用于实时采集被测试的光电耦合器运行参数；控制模块用于调节各老化试验箱的参数；数据传输模块用于多维老化柜与边缘计算端、边缘计算端与云计算端的数据通信；边缘计算端，用于生成单一维度光电耦合器运行状态模型；云计算端用于将单一运行模型整合为综合运行模型测。本发明为航天用光电耦合器的运行状态分析和寿命预测提供指导方案。析和寿命预测提供指导方案。析和寿命预测提供指导方案。


技术研发人员：梁涛 刘雨豪 邓晨 王旭 杜若飞
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所
技术研发日：2023.03.12
技术公布日：2023/7/19