基于PSD的位移测试装置设计.docx

1、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：20

2、12 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 ar 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 md-b a a亠 Kad&taa m 亠 m v d-b a a 4 亠 Kaa&haa

3、 亠 m n 亠 m v d& a a 4 亠 Kaa&taa 亠 m n 亠 m v d& aadjiKaa&faaa 亠 m m 亠 n m d& aadjiKaa&faaa sadtaa d& aauxKaa&faaa aadhaa d& aauxKaa&faaa aadtaa d& aaux sa a 鼻 4 b a tad 44 a a d& 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

4、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 （Position Sensitive Detectors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

5、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1 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

6、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2 PSD结构图图3 PSD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Io 11 12。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

7、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5 PSD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 1I1 / I 2 = R2 / R 1 = （ L-X）/（ L+X）0 = I 1 + I 2所以可得 1I1= I o（ L-X）/2L2= I o（ L+X /2Lx =（图b - 4sD等效电路图（2）当PSD 一端（R1端）设定为坐标原点:因为 1I1 / I 2 =

8、R2 / R 1 = （ 2L-X）/ X0 = I 1 + I 2所以可得 1I1= I o（ 2L-X）/2L2= I o（ 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

9、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 XX2Y+Y2 L(X2+Yr)-(Xl+Yl)_2y K+兀+K L四、PSD位移测试装置设计PSD供电电路如下图:5121/E4 * r11R1T4R23.3uf/50VZ=C3104E3 10UF/25VVCC12图9 PSD供电电路图放大器LF412芯片:一维PSD位置检测简化电

10、路原理图如下:图11 PSD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U4A U4B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14U3A为放大电路，W1用来调节放大增益；U3B为调

11、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

12、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1 PSD传感器位移值与输出电压值位移量（mm00.511.522.533.5输出电压（V-3-2.43-1.76-1.39-0.53-0.26-0.1-0.02位移量（mm44.5

13、55.566.577.5输出电压（V0.020.090.340.441.3481.572.372.9六、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 （Position Sen sitive Device）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

14、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. 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.