PSD课程设计分解.docx

PSD课程设计分解.docx

《PSD课程设计分解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PSD课程设计分解.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

PSD课程设计分解

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

指导教师：

程耀瑜、李永红职称:

教授

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：

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）：

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：

年月日

一、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：

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：

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：

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

，光生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

和

，显然

。

而

和

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

、

为入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻，显然

、

正比于光点到两个输出电极间的距离。

由此可得出如下公式：

I1和I2是电极的光电流，2L和I0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I1/I2=R2/R1=（L-X）/（L+X）

I0=I1+I2

所以可得I1=I0（L-X）/2L

I2=I0（L+X）/2L

X=（（I2-I1）/I0）L

（2）当PSD一端（R1端）设定为坐标原点：

因为I1/I2=R2/R1=（2L-X）/X

I0=I1+I2

所以可得I1=I0（2L-X）/2L

I2=I0（X）/2L

当入射光恒定时，

恒定，则入射光点与PSD中间零位点距离X与

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：

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枕形畸变。

这种结构的优点是光斑在边缘的测量误差被大大地减少。

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。

四、PSD位移测试装置设计

PSD供电电路如下图：

放大器LF412芯片：

一维PSD位置检测简化电路原理图如下：

说明：

光电流I1经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4，而光电流I2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I1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I1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I/V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：

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阻值大小进行电路调零：

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“I1”“I2”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.

[5]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.