基于PSD的位移测试装置设计.docx

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基于PSD的位移测试装置设计

中北大学

课程设计说明书

学生姓名：

XXX学号：

XXXXXXXX

学院：

信息与通信工程

专业：

电子信息科学与技术

题目基于PSD的位移测试装置设计

2013年01月18日

中北大学

课程设计任务书

12/13学年第一学期

学院：

信息与通信工程学院

专业：

电子信息科学与技术

学生姓名：

陆金贵学号：

0905014114

课程设计题目：

基于PSD的位移测试装置设计

起迄日期：

2012年12月31日~2013年1月18日

课程设计地点：

主楼1318室，513教研室

指导教师：

程耀瑜、李永红

系主任：

程耀瑜

下达任务书日期：

2012年12月31日

课程设计任务书

1.设计目的：

V*■■■■■vi!

■■■w■■n■■an■■»■■■re■■■■s-e■■a^r・■■va■■«-r■■■w■■s-r■■vth■■*■■■ai!

■■■w■■n■■»»=■■■va■■■■■w■■a-«s■■aw■■va■■n■■■▼・■■«-«s■■w・■■va■■«-e■■■w■■a-e■■w・■■va■■ai!

■■■▼・■■in■■w・■■ta-a■■«-r■■■▼・■■in■■w・

在学习专业基础课和专业课的基础上，主要在电子仪器、微机综合设计与实践、单

片机与A/D和D/A和光、计、电综合应用等几个方面开展实践活动，巩固所学知识、培

养动手能力。

2.设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：

m■■亠・m』d-baa』亠Kad&taam■■亠・mvd-baa4亠Kaa&haa•亠m・n亠・mvd■&aa4亠Kaa&taa•亠m・n亠・mvd■&aadjiKaa&faaa•亠mm£亠・nmd■&aadjiKaa&faaasad^taad■&aauxKaa&faaaaad^haad■&aauxKaa&faaaaad^taad■&aauxsaa鼻4batad44aad■&a设计要求：

1、掌握PSD位置传感器工作原理及其特性

2、掌握PSD位置传感器测量位移的方法

3、完成PSD位移测试装置设计

3.设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、

实物样品等〕：

设计说明书符合要求；

相应器件的工作原理；

系统工作原理图；

参考文献原文不少于3篇。

课程设计任务书

4.主要参考文献:

学生根据所查的资料，在此写3-5篇参考资料

要求交回的任务书中写出具体的参考资料。

5.设计成果形式及要求:

设计说明书及相关电路图

6.工作计划及进度：

2012年12月31日~2013年1月4日：

查资料

2013年1月5日~1月12日：

在指导教师指导下设计方案

2013年1月13日~1月17日：

学生完成实验，指导教师辅导

完成课程设计说明书

2013年1月18日：

答辩

系主任审查意见:

签字：

、PSD简介

PSD（PositionSensitiveDetectors是一种能测量光点在探测器表面上连续位

置的光学探测器。

PSD由P衬底、PIN光电二极管及表面电阻组成。

与CCD探测器相比，PSD有诸多优点，如位置分辨率高，响应速度快和处理电路简单等。

另外，位置信号与落在探测器上的光斑形状无关。

各种精度和规格尺寸的PSD探测器:

图1PSD探测器

PSD特点：

位置分辨率高、光谱响应宽、响应速度快、位置和光强同时测量、不受光

斑的约束、可靠性高等。

PSD应用范围：

光学位置和角度的探测、光学遥测系统、位移和振动测量、激光对中和准直、距离测试、人类运动姿态分析等。

PSD分两种类型：

一维PSD（1D-PSD）和两维PSD（称2D-PSD）探测器。

本次设计中我们用到的是一维PSD，下面仅针对一维PSD作详细介绍，另对二位PSD工作原理作简要介绍。

二、一维PSD位置传感器工作原理

1D-PSD的结构图:

1D-PSD的等效电路图:

图2PSD结构图

图3PSD等效电路图

PSD截面图：

如图所示，PSD由在平面硅衬底上的三层组成：

P型层在表面，N型层在另一面，I层在它们中间。

落在PSD上的入射光转换成光电子后由P型层上两端电极探测并形成光电流。

PSD工作原理:

光生

当光点入射到PSD表面时，由于横向电势的存在，产生光生电流

电流就流向两个输出电极，从而在两个输出电极上分别得到光电流11和12，显然

Io1112。

而11和12的分流关系则取决于入射光点到两个输出电极间的等效电

阻。

假设PSD表面分流层的阻挡是均匀的，则PSD可简化为如下图所示的电位器模型，其中Rl、R2为入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻，显然Rl、R2正比于光点到两个输出电极间的距离。

图5PSD位置测量等效电路图

由此可得出如下公式：

11和12是电极的光电流，2L和10分别代表电极间距和总光电流。

（1）当PSD几何中心设定为坐标原点：

因为1

I

1/I2=R2/R1=（L-X）/（L+X）

0=I1+I2

所以可得1

I

1=Io（L-X）/2L

2=Io（L+X/2L

x=（图b-4sD等效电路图

（2）当PSD一端（R1端）设定为坐标原点:

因为1

I

1/I2=R2/R1=（2L-X）/X

0=I1+I2

所以可得1

I

1=Io（2L-X）/2L

2=Io（X）/2L

当入射光恒定时，I。

恒定，则入射光点与PSD中间零位点距离X与I?

11成线

性关系，与入射光点强度无关。

通过适当的处理电路，就可以获得光点位置的输出信号。

三、二维PSD位置传感器工作原理

如图6（a）所示，在正方形的PIN硅片的光敏面上设置2对电极，分别标注为Y1,Y2和X3，X4,其公共N极常接电源Ubb。

二维PSD器件的等效电路如图

6（b）所示:

图6二维PSD的结构图与等效电路

为了减少测量误差常将二维PSD器件的光敏面进行改进，改进后的PSD光敏面如图7所示图形，四个引出线分别从四个对角线端引出，光敏面的形状好似正

方形产生了变。

这种结构光斑在边缘差被大大地

图7改进后的PSD的结构图与等效电路

枕形畸的优点是的测量误减少。

PSD光敏面上光点位置可由如下公式得出：

这里X1和X2代表每一电极

输出信号（光电流），x是光点位置坐标。

（兀二2工X^X2^Y[+Y2~L

（X2+Yr）-（Xl+Yl）_2yK+兀+K"L

四、PSD位移测试装置设计

PSD供电电路如下图:

512

1/

E4■*r

1

1R1

T4

R2

3.3uf/50V

Z=C3

104

E3•10UF/25V

VCC12

图9PSD供电电路图

放大器LF412芯片:

一维PSD位置检测简化电路原理图如下:

图11PSD位置检测电路简图

说明：

光电流11经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4,而光电流12经反向放大器A2放大后也分别送给放大器A3与A4,放大器A3为加法电路，完成光电流11与I2相加的运算（放大器A5用来调整运算后信号的相位）；放大器A4用作减法电路，完成光电流I2与11相减的运算。

PSD位置测试输出处理电路：

运算放大器U4AU4B完成PSD两路电流输出\N变换:

U5A为加法电路，对两路输出进行加法运算，用来验证PSD两路输出之和不随光电位置变化而改变；U5B为减法电路，实现PSD位移测量：

图14

U3A为放大电路，W1用来调节放大增益；U3B为调零电路，通过调节W2阻值大

五、PSD位置传感器测量位移方法

1、将激光器引线红色接模块上+5V金色插孔，黑色接GND5金色插孔。

PSD后金色插孔“11”“12”为PSD电流输出，对应接到金色插孔“T6”“T8”，PSD后金色插孔“C”为PSD供电端，对应接到金色插孔“T4”。

2、将PSD传感器实验单元电路连接起来：

“T7”接“T10”“T9”接“T12”

“T13”接“T14”“T15”接“T16”，“T17”接“T11”，“T17”和“T18”

对应接到万用表电压档正负极，用来测量输出电压。

3、打开主机箱电源开关，打开模块上电源开关，实验模块开始工作。

调整

测微头，使激光光点能够在PSD受光面上的位置从一端移向另一端，最后将光点定位在PSD受光面上的正中间位置（目测），调节零点调整旋钮，使电压表显示值为0。

转动测微头使光点移动到PSD受光面一端，调节输出幅度调整旋钮，使电压表显示值为3V或-3V左右。

4、从PSD一端开始旋转测微头，使光点移动，取△X=0.5mm即转动测微头一转。

读取电压表显示值，填入表1，画出位移-电压特性曲线。

表1PSD传感器位移值与输出电压值

位移量（mm

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

输出电压（V

-3

-2.43

-1.76

-1.39

-0.53

-0.26

-0.1

-0.02

位移量（mm

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

输出电压（V

0.02

0.09

0.34

0.44

1.348

1.57

2.37

2.9

六、心得体会

通过本次课程设计，我们了解了位置灵敏探测器PSD（PositionSensitiveDevice）属于半导体器件。

PSD的主要特点是位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高，处理电路简单、光敏面内无盲区，可同时检测位置的光强,测量结果与光斑尺寸和形状无关。

由于其具有特有的性能，因而能获得目标位置连续变化的信号，在位置、位移、距离、角度及其相关量的检测中获得越来越广泛的应用。

在PSD光电实验中，根据读出电压值的变化，可以知道物体的运动变化，从而达到了解光电传感器的构造原理和电子线路的设计与实践、运算

放大器的应用。

本次课程设计虽然不是特别顺利，但是让我们深入了解了PSD位移设备装

置，使我们在以后的学习、工作、生活中知道该如何运用PSD测量位移。

七、参考文献

[1]曾光宇，张志伟，张存林•光电检测技术，第二版•北京：

北京清华大学出版社,北京交通大学出版社，2005.

[2]刘笃仁，韩保君。

传感器原理及应用技术.西安：

西安电子科技大学出版社,

2003.

[3]童诗白.模拟电子技术基础.北京：

人民教育出版社，1980.

[4]秦积荣.光电检测原理及应用.北京：

国防工业出版社，1985.

⑸王新贤.通用集成电路检查手册.济南：

山东科学技术出版社，2006.

[6]江月松.光电技术与实验.北京：

北京理工大学出版社，2000.