一維PSD位移測量設計光電檢測課設

1、摘要1一、引言2二、基本原理3三、結構及測量原理3四、位移測量設計41、一維PSD位移測量原理52、一維PSD轉(zhuǎn)換電路及分析6五、結論分析6參考文獻8摘要 半導體光電位置傳感器（即PSD）是一種基于橫向光電效應的新型半導體光電位置敏感傳感器。它除了具有光電二極管陣列和CCD的定位性能外，還具有靈敏度高、分辨率高、響應速度快、電路配置簡單等特點，因而被人們所重視。PSD的發(fā)展趨勢是高分辨率、高線性度、快響應、及信號采集處理等多功能集成。本文基于一維PSD位置傳感器非接觸性測量物體位移，實現(xiàn)對PSD的簡單應用。關鍵詞： 半導體 橫向光電效應 PSD位置傳感器 轉(zhuǎn)換電路 一維PSD 非接觸性位移測量

2、一、引言半導體光電位置傳感器(即PSD：Position Sensitive Device)是一種光電測距器件。它除了具有光電二極管陣列和CCD的定位性歪，還具有靈敏度高，分辨率高，響應速度快及信號采集處理等多功能集成。PSD基于非均勻半導體"橫向光電效應"，達到器件對入射光或粒子位置敏感。PSD由四部分組成：PSD傳感器、電子處理 元件、半導體激光源、支架（固定PSD光傳感器與激光光源相對位置）。PSD的主要特點是位置分辨率高、響應速度快、光譜響應范圍寬、可靠性高，處理電路簡單、光敏面內(nèi)無盲區(qū)，可同時檢測位置的光強,測量結果與光斑尺寸和形狀無關 。由于其具有特有的性能，因

3、而能獲得目標位置連續(xù)變化的信號，在位置 、位移、距離、角度及其相關量的檢測中獲得越來越廣泛的應用。在PSD光電實驗中，根據(jù)讀出電壓值的變化，可以知道物體的運動變化，從而達到了解光電傳感器的構造原理和電子線路的設計與實踐 、運算放大器的應用 。由 于其具有精度高的優(yōu)點，在測量物體時，即使測量物體位置有微小的變化，電壓值都會有很明顯的變化。二、基本原理PSD是一種基于非均勻半導體橫向光電效應的、對入射光或粒子位置敏感的光電器件。PSD的光敏面能將光點位置轉(zhuǎn)化為電信號，當一束光射到PSD的光敏面上時，在同一面上的不同電極之間將會有電流流過，這種電壓或電流隨著光點的位置變化的現(xiàn)象時半導體的橫向光電效應

4、。因此利用PSD的PN結上的橫向光電效應可以檢測入射光點的照射位置。它不想傳統(tǒng)的硅光電探測器那樣，只能作為光電轉(zhuǎn)換，光電耦合，光接收和光強測量等方面的應用，而能直接用來測量位置、距離、高度、角度、和運動軌跡。它的PN結結構、工作狀態(tài)、光電轉(zhuǎn)換原理等與普通光敏二極管類似，但它的工作原理與普通光敏二極管完全不同。普通光敏二極管是基于P-N結或肖特基結的縱向光電效應，而PSD是基于P-N結或肖特基結的橫向光電效應，事實上是縱向光電效應和橫向光電效應的綜合。普通光敏二極管通過光電流的大小反應入射光的強弱，是光電轉(zhuǎn)換器件和控制器件。而位置敏感探測器（PSD）不僅是光電轉(zhuǎn)換器，更重要的是光電流分配器件，通

5、過合理設置分流層和收集電流的電極，根據(jù)各電極上收集到的電流信號的比例確定入射光的位置。從這個意義上說，PSD是普通光敏二極管進一步細化的產(chǎn)品?；赑IN二極管型的PSD相當于在P-N結構的P層與N層之間插入高阻本征層（I層），當加不太大的反偏電壓時I層就己全部耗盡，于是勢壘寬度大大增加。而在勢壘區(qū)內(nèi)有接近I的量子效率和飽和載流子運動，且勢壘區(qū)寬度可減小勢壘電容。因此，I層的引入可以顯著地縮短器件的響應時間。PSD可分為一維PSD和二維PSD。一維PSD可以測定光點的一維位置坐標，二維PSD可測光點的平面位置坐標。三、結構及測量原理 如圖l所示。PSD由P、I、N三層構成，最上一層是P層，P層為

6、感光面，下層為N層，中間插入較厚的高阻I層，形成P-I-N結構。 此結構的特點是I層的耗盡層較寬、結電容較小，光生電流子幾乎全部都在I層耗盡層區(qū)中產(chǎn)生，沒有擴散分量的光電流，因此兩邊各有一個信號輸出電極；I區(qū)較厚但具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，更高的靈敏度和響應速度；底層N引出一個公共電極，用來加反偏電壓。由于反向偏置下的PSD性能優(yōu)于零偏狀態(tài)下PSD的性能，在應用中將PSD處于反向偏置狀態(tài)。 （a）結構示意圖 （b）等效電路圖圖1 PSD的結構及等效電路當入射光點照射到PSD光敏面上某一點時，假設產(chǎn)生的總的光生電流為I0。由于在入射光點到信號電極間存在橫向電勢，若在兩個信號電極上接上負載電阻，光電

7、流將分別流向兩個信號電極，從而從信號電極上分別得到光電流I1和I2。顯然，I1和I2之和等于光生電流I0，而I1和I2的分流關系取決于入射光點位置到兩個信號電極間的等效電阻R1和R2。如果PSD表面層的電阻是均勻的，則PSD的等效電路為圖1（b）所示，其中R1和R2的值取決于入射光點的位置。假設負載電阻RL阻值相對于R1和R2可以忽略，則有： （1-1） 式中，L為PSD中點到信號電極的距離，x為入射光點距PSD中點的距離。式（1-1）表明，兩個信號電極的輸出光電流之比為入射光點到該電極間距離之比的倒數(shù)。將I0= I1+I2與式（1.1.1）聯(lián)立得： （1-2） （1-3）從以上兩式可以看出，

8、當入射光點位置固定時，PSD的單個電極輸出電流與入射光強度成正比。而當入射光強度不變時，單個電極的輸出電流與入射光點距PSD中心的距離x呈線性關系。若將兩個信號電極的輸出電流作如下處理： （1-4）則得到的結果只與光點的位置坐標x有關，而與入射光強度無關，此時PSD 就成為僅對入射光點位置敏感的器件。Px稱為一維PSD的位置輸出信號。四、位移測量設計1、一維PSD位移測量原理 設被測面在沿會聚透鏡激光軸軸方向的移動前光點的位置為 x2，, 對應物面位置為y2，移動后光點的位置為 x1，對應物面位置為 y1，x1，x2，可由式分別計算求出， 進而計算出y1 和 y2， 則物面位移 y 可表示為

9、y =y-y2.式中d。 為會聚透鏡激光軸和接收透鏡光軸的交點到接 收透鏡物方主面的距離； d1接收透鏡像方主面到成像中心點的距離； 為激光束光軸與接收透鏡光軸之間的夾角；為 PSD 敏感面與接收透鏡光軸的夾角， 使 PSD 工作面與 像面重合 ， 保證了對于工作范圍內(nèi)不同的位移 y ， 像點沿 著 PSD 工作面移動。其中， do， d 1， ， 在光學設計和加工 后已經(jīng)確定， 是已知量， 可見只要精確測量 ， 即精確測量 被測面移動 y 前后的 PSD 兩極輸出電流， 就可以由式, 計算出被測面的位移量 y ， 實現(xiàn)被測面的 微位移、 粗糙度等的非接觸檢測。而精確測量 PSD 兩極電流的關

10、鍵就是前置放大電路的設計。位移檢測傳感器測量實驗裝置圖如圖5所示。點狀半導體激光器發(fā)出的激光經(jīng)過透鏡L1,匯聚于被測物體表面即形成入射光點,該入射光點被反射,部分反射光經(jīng)接收透鏡L2將被測物體表面上(被測物體被置于二維微位移平臺上,該平臺能夠x,y軸方向前后進給,進給量為每圈(2.5m)的光斑成像于PSD敏感表面上x處,PSD上將產(chǎn)生相應的光電流信號,經(jīng)過檢測電路處理進而經(jīng)過計算可以得出被測物體的距離d. 首先,調(diào)整點狀半導體激光器的初始位置,使其發(fā)出的光線經(jīng)過接收透鏡成像在PSD的中心位置,這樣電路的輸出就為0,然后通過精密二維微位移平臺對被測物體進行位移(每次2.5m),記錄每次輸出。表5

11、給出在實驗物距離約為3cm,像相距約為115cm,量程為±0.5mm的實驗條件下,每移10m記錄的幾組數(shù)據(jù)。由表3中數(shù)據(jù)經(jīng)過計算處理可知,該位移檢測傳感器系統(tǒng)的位移量的測量平均誤差為0.44,測量精度為2.5m,非線性誤差為0.112%,滿足一般較精密的位移、圓度誤差、振動等的測量,具有較優(yōu)良的性能.2、一維PSD轉(zhuǎn)換電路及分析 一維PSD轉(zhuǎn)換電路原理圖 根據(jù)PSD原理及光點位置（x，y）的表達式，轉(zhuǎn)換電路首先應對PSD輸出的光點流進行電流-電壓轉(zhuǎn)換放大，再按轉(zhuǎn)換公式的要求，通過加、減運算放大器進行預置相加和相減運算，最后通過模擬除法器相除，得到與光能大小無關的位置信號。圖中Rf之取

12、決于輸入電平的大小；V6、V13、V14為模擬除法器；Ai為低漂移運算放大器。對準物體的中心裝有一高的發(fā)光二級管，PSD傳感器安裝于微動。工作平臺上；二極管發(fā)出的光束經(jīng)過光學系統(tǒng)聚焦后，將光點成像于放置在透鏡焦平面上的PSD 的接收光敏面上，這個光點信號經(jīng)過前置轉(zhuǎn)換為電信號。然后，通過AD采樣，送入到計算機進行處理。從而確定PSD對準物體平面上某一點的位置。當對準位置在測量范圍內(nèi)移動時，光斑與PSD兩電極間的距離發(fā)生變化，使兩電極輸出電流隨其光斑位置的變化而變化，因此通過測定傳感器兩電極輸出電流的大小，便可知道PSD與對準物體平面上的某一點位置相對應。五、結論分析 從得出的試驗結果來看, 系統(tǒng)

13、存在一定的非線性因素, 也是造成系統(tǒng)測量誤差的主要原因, 而造成系統(tǒng)非線性的主要原因有以下幾點: (1) PSD 器件的非線性。 由于PSD 器件的固有特性決定其存在非線性, 也是PSD 的主要不足之處。 它的線性度主要取決于在制造過程中表面擴散層和底層材料電阻率的均勻性, 以及有效的感光面積等多種因素, 而且非線性并沒有準確的公式作為依據(jù)。 一般而言, 在距離器件中心 2? 3 的范圍內(nèi)的線性度較好。 越靠近邊緣線性度越差。因此在實際應用中應盡量選用線性度較好的區(qū)域, 使其非線性限制在最小。( 2)造成測量誤差的還有其它因素, 如測試環(huán)境中產(chǎn)生的各種震動和溫度的變化、 以及處理電路的參數(shù)選擇

14、等都需要我們采取必要的措施來克服; 從而提高試驗精度。參考文獻1王國梅，萬發(fā)榮.材料物理. M武漢理工大學出版社,2004.2康光華，陳大欽.電子技術基礎(模擬部分第四版). M機械工業(yè)出版社,1999.063江文杰，施建華.光電技術.M科學出版社，20094雷玉堂，葉聲華.光電檢測技術.中國計量出版社，20095浦昭邦.光電測試技術.北京：機械工業(yè)出版社，2009課程設計（論文）任務書學 院理 學 院專 業(yè)光信息科學與技術學生姓名許昊班級學號1109020222 課程名稱光 電 檢 測 原 理 與 技 術 課 程 設 計課 程 設 計（論文）題目利用PSD傳感器測量物體的位移設計目的：了解光電檢測的基本原理與方法，利用PSD傳感器測量物體的位移。設計任務：選擇適當?shù)腜SD傳感器測量物體的位移設計要求（技術參數(shù)