一维PSD位移测量设计光电检测课设.docx

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一维PSD位移测量设计光电检测课设

摘要

半导体光电位置传感器〔即PSD〕是一种基于横向光电效应的新型半导体光电位置敏感传感器。

它除了具有光电二极管阵列和CCD的定位性能外，还具有灵敏度高、分辨率高、响应速度快、电路配置简单等特点，因而被人们所重视。

PSD的开展趋势是高分辨率、高线性度、快响应、与信号采集处理等多功能集成。

本文基于一维PSD位置传感器非接触性测量物体位移，实现对PSD的简单应用。

关键词：

半导体横向光电效应PSD位置传感器转换电路

一维PSD非接触性位移测量

一、引言

半导体光电位置传感器（即PSD：

PositionSensitiveDevice）是一种光电测距器件。

它除了具有光电二极管阵列和CCD的定位性歪，还具有灵敏度高，分辨率高，响应速度快与信号采集处理等多功能集成。

PSD基于非均匀半导体"横向光电效应"，达到器件对入射光或粒子位置敏感。

PSD由四局部组成：

PSD传感器、电子处理元件、半导体激光源、支架〔固定PSD光传感器与激光光源相对位置〕。

PSD的主要特点是位置分辨率高、响应速度快、光谱响应X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、角度与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。

由于其具有精度高的优点，在测量物体时，即使测量物体位置有微小的变化，电压值都会有很明显的变化。

二、根本原理

PSD是一种基于非均匀半导体横向光电效应的、对入射光或粒子位置敏感的光电器件。

PSD的光敏面能将光点位置转化为电信号，当一束光射到PSD的光敏面上时，在同一面上的不同电极之间将会有电流流过，这种电压或电流随着光点的位置变化的现象时半导体的横向光电效应。

因此利用PSD的PN结上的横向光电效应可以检测入射光点的照射位置。

它不想传统的硅光电探测器那样，只能作为光电转换，光电耦合，光接收和光强测量等方面的应用，而能直接用来测量位置、距离、高度、角度、和运动轨迹。

它的P－N结结构、工作状态、光电转换原理等与普通光敏二极管类似，但它的工作原理与普通光敏二极管完全不同。

普通光敏二极管是基于P-N结或肖特基结的纵向光电效应，而PSD是基于P-N结或肖特基结的横向光电效应，事实上是纵向光电效应和横向光电效应的综合。

普通光敏二极管通过光电流的大小反响入射光的强弱，是光电转换器件和控制器件。

而位置敏感探测器〔PSD〕不仅是光电转换器，更重要的是光电流分配器件，通过合理设置分流层和收集电流的电极，根据各电极上收集到的电流信号的比例确定入射光的位置。

从这个意义上说，PSD是普通光敏二极管进一步细化的产品。

基于PIN二极管型的PSD相当于在P-N结构的P层与N层之间插入高阻本征层〔I层〕，当加不太大的反偏电压时I层就己全部耗尽，于是势垒宽度大大增加。

而在势垒区内有接近I的量子效率和饱和载流子运动，且势垒区宽度可减小势垒电容。

因此，I层的引入可以显著地缩短器件的响应时间。

PSD可分为一维PSD和二维PSD。

一维PSD可以测定光点的一维位置坐标，二维PSD可测光点的平面位置坐标。

三、结构与测量原理

如图l所示。

PSD由P、I、N三层构成，最上一层是P层，P层为感光面，下层为N层，中间插入较厚的高阻I层，形成P-I-N结构。

此结构的特点是I层的耗尽层较宽、结电容较小，光生电流子几乎全部都在I层耗尽层区中产生，没有扩散分量的光电流，因此两边各有一个信号输出电极；I区较厚但具有更高的光电转换效率，更高的灵敏度和响应速度；底层N引出一个公共电极，用来加反偏电压。

由于反向偏置下的PSD性能优于零偏状态下PSD的性能，在应用中将PSD处于反向偏置状态。

〔a〕结构示意图〔b〕等效电路图

图1PSD的结构与等效电路

当入射光点照射到PSD光敏面上某一点时，假设产生的总的光生电流为I0。

由于在入射光点到信号电极间存在横向电势，假如在两个信号电极上接上负载电阻，光电流将分别流向两个信号电极，从而从信号电极上分别得到光电流I1和I2。

显然，I1和I2之和等于光生电流I0，而I1和I2的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的等效电阻R1和R2。

如果PSD外表层的电阻是均匀的，如此PSD的等效电路为图1〔b〕所示，其中R1和R2的值取决于入射光点的位置。

假设负载电阻RL阻值相对于R1和R2可以忽略，如此有：

〔1-1〕

式中，L为PSD中点到信号电极的距离，x为入射光点距PSD中点的距离。

式〔1-1〕明确，两个信号电极的输出光电流之比为入射光点到该电极间距离之比的倒数。

将I0=I1+I2与式〔1.1.1〕联立得：

〔1-2〕

〔1-3〕

从以上两式可以看出，当入射光点位置固定时，PSD的单个电极输出电流与入射光强度成正比。

而当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光点距PSD中心的距离x呈线性关系。

假如将两个信号电极的输出电流作如下处理：

〔1-4〕

如此得到的结果只与光点的位置坐标x有关，而与入射光强度无关，此时PSD就成为仅对入射光点位置敏感的器件。

Px称为一维PSD的位置输出信号。

四、位移测量设计

1、一维PSD位移测量原理

设被测面在沿会聚透镜激光轴轴方向的移动前光点的位置为x2，,对应物面位置为y2，移动后光点的位置为x1，对应物面位置为y1，x1，x2，可由式

分别计算求出，进而计算出y1和y2，如此物面位移△y可表示为△y=y-y2.

式中d。

为会聚透镜激光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜物方主面的距离；d1接收透镜像方主面到成像中心点的距离；θ为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角；γ为PSD敏感面与接收透镜光轴的夹角，使PSD工作面与像面重合，保证了对于工作X围内不同的位移△y，像点沿着PSD工作面移动。

其中，do，d1，θ，γ在光学设计和加工后已经确定，是量，可见只要准确测量，即准确测量被测面移动△y前后的PSD两极输出电流，就可以由式

计算出被测面的位移量△y，实现被测面的微位移、粗糙度等的非接触检测。

而准确测量PSD两极电流的关键就是前置放大电路的设计。

μm）的光斑成像于PSD敏感外表上x处,PSD上将产生相应的光电流信号,经过检测电路处理进而经过计算可以得出被测物体的距离d.

μm）,记录每次输出。

表5给出在实验物距离约为3cm,像相距约为115cm,量程为±0.5mm的实验条件下,每移10μμm,非线性误差为0.112%,满足一般较精细的位移、圆度误差、振动等的测量,具有较优良的性能.

2、一维PSD转换电路与分析

一维PSD转换电路原理图

根据PSD原理与光点位置〔x，y〕的表达式，转换电路首先应对PSD输出的光点流进展电流-电压转换放大，再按转换公式的要求，通过加、减运算放大器进展预置相加和相减运算，最后通过模拟除法器相除，得到与光能大小无关的位置信号。

图中Rf之取决于输入电平的大小；V6、V13、V14为模拟除法器；Ai为低漂移运算放大器。

对准物体的中心装有一高的发光二级管，PSD传感器安装于微动。

工作平台上；二极管发出的光束经过光学系统聚焦后，将光点成像于放置在透镜焦平面上的PSD的接收光敏面上，这个光点信号经过前置转换为电信号。

然后，通过A／D采样，送入到计算机进展处理。

从而确定PSD对准物体平面上某一点的位置。

当对准位置在测量X围内移动时，光斑与PSD两电极间的距离发生变化，使两电极输出电流随其光斑位置的变化而变化，因此通过测定传感器两电极输出电流的大小，便可知道PSD与对准物体平面上的某一点位置相对应。

五、结论分析

从得出的试验结果来看,系统存在一定的非线性因素,也是造成系统测量误差的主要原因,而造成系统非线性的主要原因有以下几点:

（1）PSD器件的非线性。

由于PSD器件的固有特性决定其存在非线性,也是PSD的主要不足之处。

它的线性度主要取决于在制造过程中外表扩散层和底层材料电阻率的均匀性,以与有效的感光面积等多种因素,而且非线性并没有准确的公式作为依据。

一般而言,在距离器件中心2?

3的X围内的线性度较好。

越靠近边缘线性度越差。

因此在实际应用中应尽量选用线性度较好的区域,使其非线性限制在最小。

（2）造成测量误差的还有其它因素,如测试环境中产生的各种震动和温度的变化、以与处理电路的参数选择等都需要我们采取必要的措施来克制;从而提高试验精度。

参考文献

[1]王国梅，万发荣.材料物理.[M]某某理工大学,2004.

[3]江文杰，施建华.光电技术.[M]科学，2009

[4]雷玉堂，叶声华.光电检测技术.中国计量，2009

[5]浦昭邦.光电测试技术.：

机械工业，2009

课程设计〔论文〕任务书

学院

理学院

专业

光信息科学与技术

学生某某

许昊

班级学号

1109020222

课程名称

光电检测原理与技术课程设计

课程设计

〔论文〕题目

利用PSD传感器测量物体的位移

设计目的：

了解光电检测的根本原理与方法，利用PSD传感器测量物体的位移。

设计任务：

选择适当的PSD传感器测量物体的位移

设计要求〔技术参数〕：

〔1〕选择适当的光电器件；

〔2〕画出测量装置图、电路图；

〔3〕分析测量位移的原理，阐述如何提高仪器的准确度；

〔4〕完成课程设计论文。

计划与进度安排：

时间：

九～十周，具体安排如下：

〔1〕理解题目要求，查阅资料，确定设计方案：

3天；

〔2〕设计与绘制装置图、电路图：

5天；

〔3〕调整方案：

2天；

〔4〕撰写说明书：

4天；

〔5〕辩论：

1天。

成绩：

指导教师〔签字〕：

年月日

专业负责人〔签字〕：

年月日

主管院长〔签字〕：

年月日