一种LED热分析实验系统中光功率测量模块的制作方法

本实用新型涉及LED热分析实验技术领域，具体涉及一种LED热分析实验系统中光功率测量模块。

背景技术：

大功率LED凭借高光效、长寿命、绿色节能、快速响应、结构紧凑等优点，已被作为新一代节能光源而大力推广到照明、装饰和显示等领域。在LED实际应用中，其输出光功率的大小不仅是判断电光转换效率和节能程度的重要指标，而且由于LED对温度十分敏感，在对其进行热阻测量和散热性能分析时，也必须同时测得光功率随LED温度的变化趋势，以及LED在不同工作状态下热功率(热功率等于电功率与光功率的差值)的具体数值。因此，光功率是LED产品在研发、制造及质检等环节中用于性能评价的基本参数之一。

在LED的实际生产与性能研究中，光功率可通过积分球设备准确测得，但积分球并不能同步测量LED的热学数据。若光功率与热学数据在不同设备中分别测得，势必会造成光、电、热参数在测量条件上不能保持一致，而这种不一致也将导致在热学分析时产生较大的误差。此外，积分球设备缺少控温装置，会使LED在点亮初期出现快速的温度攀升，而积分球的测量速度较慢，并不能准确采集某一时刻的真实光功率数值。再者，积分球设备属于精密检测仪器，售价较高，需专人操作，不适合学生实验教学使用。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种成本低，结构简单以及方便使用的LED热分析实验系统中光功率测量模块。

为实现本实用新型的目的所采用的技术方案是：

一种LED热分析实验系统中光功率测量模块，包括不透光的光学腔以及安装在所述光学腔的一侧面开孔位置处的散热器，所述散热器的基座指向光学腔内，所述基座的表面安装有焊接在PCB上的LED，与所述LED相对，在所述光学腔的相对侧面上安装有光电二极管，所述光电二极管的电极连接对数放大电路的电流输入端，所述对数放大电路的电压输出端连接A/D转换模块的输入端，所述A/D转换模块连接MCU控制器，所述MCU控制器连接计算机。

所述光学腔包括顶盖，所述光学腔和顶盖的内壁均粘贴有不透光的黑色植绒布。

所述散热器的基座与转接板用螺钉连接，所述转接板安装在光学腔的外表面上，所述转接板的表面形成有与所述光学腔的一侧面开孔相应的孔，以便所述LED灯的光能直线传送到所述光电二极管。

所述的光电二极管插装在光学腔的侧壁上，所述光电二极管的电极伸出所述光学腔外。

所述光电二极管为PIN型光电二极管。

所述MCU控制器采用STM32F103芯片。

所述的光学腔为矩形状腔。

本实用新型通过光电二极管能够快速采集LED的光信号，输出电流信号到对数放大电路后，经对数放大电路进行放大输出电压模拟信号，并经A/D转换模块转换成电压数字信号输出到MCU控制器，并传送电压数字信号到计算机存储，然后通过必要的数据处理后，即可获得LED不同工作状态下的光功率数值。

附图说明

图1是LED热分析实验系统中光功率测量模块的原理图；

图2是安装有散热器、LED及光电二极管的光学腔的外形示意图；

图3是安装有散热器、LED及光电二极管的光学腔的剖面示意图；

图4是安装有散热器、LED及光电二极管的光学腔的分解爆炸示意图；

图5是对数放大电路的电路原理图；

图中：1光学腔，2光学腔顶盖，3散热器，4-1LED，4-2PCB，5光电二极管，6光电二极管电极，7转接板，8-1LED与散热器的紧固螺丝，8-2散热器与转接板的紧固螺丝，8-3转接板与光学腔的紧固螺丝，9LED驱动电线的引出孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1-5所示，一种LED热分析实验系统中光功率测量模块，包括：

不透光的光学腔1以及安装在所述光学腔1的一侧面(如图1-3所示为左侧面)开孔位置处的散热器3，所述散热器的基座指向光学腔内，所述基座的表面安装有焊接在PCB4-2上的LED4-1，与所述LED相对，在所述光学腔的相对侧面上安装有光电二极管5，所述光电二极管的电极6连接对数放大电路的电流输入端，所述对数放大电路的电压输出端连接A/D转换模块的输入端，所述A/D转换模块连接MCU控制器，所述MCU控制器连接计算机。

该模块的光学腔能为LED提供散热组件，并可排除光信号被光电二极管采集时的光线干扰问题，输出可靠的电流信号，进而被后续的对数放大电路转化为电压信号。该电压信号在MCU控制器的定时控制下，被A/D转换模块处理成数字信号，并实时上传至计算机进行处理。

LED光功率测量模块的工作原理如图1所示，当LED被点亮工作后，其光信号在无外界光干扰和本身出光的反射干扰的光学腔内，被光电二极管接收并转变为电流信号，该电流信号再经过对数放大电路转化为电压信号。操作者可通过计算机设定光功率测量的起止时间和采样间隔等参数，使MCU遵照该设定参数控制A/D转换器采集对数放大电路输出的电压信号，并处理成数字信号，MCU控制器再将数字信号经串口传输给计算机，最终由计算机完成数据处理，并将测量结果展示给操作者。

其中，所述的MCU控制器采用STM32F103芯片，A/D转换模块可在MCU控制器的控制下，将对数放大电路输出的电压模拟信号转换成数字信号，传送到MCU控制器，采样结束后由MCU控制器通过通信串口将A/D转换得到的电压数字信号上传给计算机存储处理。由于LED在点亮初期的温升很快，为了及时捕捉快速温升下光功率变化数据，计算机上可设置成可为MCU设定采样时间间隔、总体采样时间等参数。当每次采样结束后，MCU控制器都会通过串口将A/D转换得到的电压数字信号上传给计算机存储，然后利用存储的数字电压信号数据，通过相应的计算即可以获得LED在不同工作状态下的光功率值。

其中，所述光学腔1和顶盖2的内壁均粘贴不透光的黑色植绒布，顶盖2方便取下，以方便各个零部件的安装。在安装时，首先将LED 4-1焊接在PCB 4-2上，并焊好驱动电线，再通过两个紧固螺丝8-1将其安装在散热器3的基座表面；其次，通过四个紧固螺丝8-2，将转接板7安装在散热器3的基座表面；随后，再通过四个紧固螺丝8-3，将转接板7安装在光学腔1的左侧壁的外表面，并将LED驱动电线经过引出孔9与外界电源连接；将光电二极管5插装在光学腔的右侧壁，使LED与光电二极管在光学腔内处于正相对位置，光电二极管电极6与对数放大电路的输入端相连。

所述的光电二极管是一种将光信号转变成电流信号的光电传感器件，其输出电流值与被测光源的光功率大小存在明确的正比关系，因此通过检测光电二极管的输出电流值，即可根据光电二极管的输出电流值后，通过计算获得被测光源LED的光功率大小。

目前能用于可见光探测的光电二极管主要有PN型、PIN型和雪崩型。其中PN型的响应速度过低，不满足LED光功率的快速采集要求；雪崩型虽响应速度很快，但具有显著的倍增效应，在大功率LED的光照下极易产生大电流而被烧毁；PIN型光电二极管具有适中的响应速度和输出电流，且工作参数的温度稳定性较好，符合选型要求。

在光电二极管电流信号向电压信号的转化环节，本实用新型采用了专门提供光电二极管接口的AD8304芯片。该AD8304芯片能将光电二极管的微小电流依照对数比放大并转化成电压信号，这种对数放大模式可以获得很大的动态范围，能够提高较低分辨率的信号采集精度，并且芯片内部集成了温度补偿电路，可减少温漂影响，提高信号的转换精度和稳定度。所述对数放大电路如图5所示，对数放大电路的输入电流IPD(即光电二极管的输出电流)与输出电压Vout之间遵循以下关系：

式中，IZ为光电二极管的截止电流，当光电二极管选定后，该数值为常数；K和C也均为常数，其具体数值由芯片AD8304外围的电阻网络决定。

如图5所示，所述对数放大电路包括AD8304芯片，所述AD8304芯片的1脚、2脚、14脚接地，3脚、5脚共同连接电容C2的一端，电容C2的另一端接地，4脚与6脚分别光电二极管的两端，且6脚与电容C3的一端连接，电容电容C3的另一端接电容C2的另一端，4脚与电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端经一个电阻R1后接地，AD8304芯片的13脚分两路，一路接电阻R2一端，电阻R2另一端接地，另一种接电容C5一端，所述电容电容C5另一端分别两路，一路接芯片的8脚，另一路接电阻R3的一端，所述电阻电阻R3的另一端分两路，一路接电容C4,所述电容C4另一端接地，另一端接AD8304芯片的9脚，AD8304芯片的10脚、12脚相接后接VCC电压的输出端，VCC电压输出端还接并联的电容C8、C12,电容C8、C12的另一端接地，AD8304芯片的11脚为放大电压输出脚。

可以看出，本实用新型通过光电二极管能够快速采集LED的光信号，输出电流信号到对数放大电路后，经对数放大电路进行放大输出电压模拟信号，并经A/D转换模块转换成电压数字信号输出到MCU控制器，并传送电压数字信号到计算机存储，然后通过必要的数据处理后，即可获得LED不同工作状态下的光功率数值。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。