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

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

一、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 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0I ，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1I

和2I ，显然

012

I I I =+。而1I 和2I

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

1

R 、2R 为入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻，显然1R 、2

R

正比于光点到两个输出电极间的距离。

图2 PSD 结构图

图3 PSD 等效电路图

图4 PSD 截面图

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 I 1 / I 2 = R 2 / R 1 = （L-X ）/( L+X ） I 0 = I 1 + I 2

所以可得 I 1 = I 0（L-X ）/2L I 2 = I 0（L+X ）/2L X =（ （I 2 - I 1） / I 0）L （2）当 PSD 一端（R1端）设定为坐标原点：

因为 I 1 / I 2 = R 2 / R 1 = （2L-X ）/ X I 0 = I 1 + I 2

所以可得 I 1 = I 0（2L-X ）/2L I 2 = I 0（X ）/2L

当入射光恒定时，0I 恒定，则入射光点与PSD 中间零位点距离X 与21I I 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Y 1，Y 2和X 3，X 4，其公共N 极常接电源U bb 。二维PSD 器件的等效电路如图6(b)所示：

图5 PSD 位置测量等效电路图

图6 二维PSD 的结构图与等效电路 图5 PSD 等效电路图

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：

C3

104E310uF/25V

R2

512Vref

R1391

E43.3uf/50V

VCC12

T4

图7 改进后的PSD 的结构图与等效电路 图8

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：

00

图9 PSD供电电路图

图11 PSD位置检测电路简图图10 LF412芯片