12 PSD光电位置传感器

实验十二 PSD 光电位置传感器的光电特性及位移测量

一．实验目的：

1．了解PSD 光电位置传感器的结构。

2．掌握PSD 光电位置传感器的工作原理。

3．了解PSD 器件对入射光强度改变的反应及光点大小对光生电流的影响。

二.实验原理：

传感器是一种以一定的精确度将被测量（如位置、力、加速度等）转换成与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。

传感器在检测系统中是一个非常重要的环节，其性能直接影响到整个系统的测量精度和灵敏度。如果传感器的误差很大，后面的测量电路、放大器等的精度再高也将难以提高整个系统的精度。所以在系统设计时慎重选择传感器是十分必要的。

光电位置敏感器件PSD （Position Sensitive Detector ）是一种对其感光面上入射光斑重心位置敏感的光电器件。即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时，PSD 将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光斑在PSD 的位置。入射光的强度和尺寸大小对PSD 的位置输出信号均无关。PSD 的位置输出只与入射光的“重心”位置有关。

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。由于PSD 是分割型元件，对光斑的形状无严格的要求，光敏面上无象限分隔线，所以对光斑位置可进行连续测量从而获得连续的坐标信号。

实用的一维PSD 为PIN 三层结构，其截面如图1所示。表面P 层为感光面，两边各有一信号输出电极。底层的公共电极是用来加反偏电压的。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I 0。由于在入射光点到信号电极间存在横向电势，若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I 1和I 2。显然，I 1和I 2之和等于光生电流I 0，而I 1和I 2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R 1和R 2。如果PSD 表面层的电阻是均匀的，则PSD 的等效电路为图1〔b 〕所示的电路。由于R sh 很大，而C j 很小，故等效电路可简化成图1 (c) 的形式，其中R 1和R 2的值取决于入射光点的位置。

假设负载电阻R L 阻值相对于R 1和R 2可以忽略，则有：

x

L x L R R I I 1221+-== （2.1.1） 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（2.1.1）表明，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I 0= I 1+I 2与式（2.1.1）联立得：

图1 PSD 的结构及等效电路

a)截面电路 b)等效电路 c)简化的等效电路

L

x L I I 20

1-= （2.1.2） L x L I I 202+= （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。若将两个信号电极的输出电流作如下处理：

P I I I I x L

X =-+=2121 （2.1.4） 则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。P x 称为一维PSD 的位置输出信号。

图2 一维PSD位置检测误差特性曲线

三．实验所需器件：

PSD组件(器件已装在基座上)、固体激光器、激光教鞭、反射体、PSD光电位置单元、数字电压表

四．实验步骤：

图3 PSD光电位置测试电路

1、位移测量

（1）通过PSD基座上端圆孔观察PSD器件及在基座上的安装位置,PSD光电位置传感器的“I1”和“I2”两端对应接入PSD光电位置单元的“I1”和“I2”两输入端，输出端Vo 接数字电压表20V档。

（２）确认接线无误后，开启仪器电源，此时因无光源照射，PSD器件前端的聚焦透镜也无光照射而形成的光点照射在PSD器件上，V o输出的为环境光的噪声电压，试用一块遮光片将观察圆孔盖上，观察光噪声对输出电压的变化。

（3）将激光器电源插头插入“激光电源”插口，激光器安装在基座圆孔中并固定。注意激光束照射到反射面上时的情况，光束应与反射面垂直。激光束照射到反射面后PSD组件上的透镜将漫反射的激光光线聚焦到PSD器件表面，旋转激光器角度，调节激光光

点，（必要时也可旋转调节PSD前的透镜）使光点尽可能集中在PSD器件上，并使正、负电压峰值对称分布。

（4）从原点开始，位移平台分别向前和向后位移，因为PSD器件对光点位置的变化非常敏感，故每次螺旋测微仪使反射体移动0.5mm，并将位移值（mm）与输出电压值（U0）记录列表，作出U/X曲线，求出灵敏度S，S＝△U/△X。根据曲线分析其线性。

2、光电特性测试

（1）在实验1的基础上调整位移平台前后位置，使光点在平台位移时均能照在PSD器件的光敏面上，如位移范围不够则可将激光器在激光器座中的位置前后作些调整。

（2）开启激光电源，记录下光点位移时V O端的最大输出值。

（3）保持单元电路增益不变，将光源更换成激光教鞭，记录下不同光源照射时输出端的最大V O值。

（4）调节PSD入射光聚焦透镜（或激光器调焦透镜），使光斑放大，依次重复步骤1、2，观察输出电压的变化。

（5）根据实验结果作出PSD器件光电特性的定性结论。

五．注意事项：

１．实验中所用的固体激光器光点可调节，实验时请注意光束不要直接照射眼睛，否则有可能对视力造成不可恢复的损伤。每一支激光器的光点和光强都略有差异，所以对同一PSD器件，光源不同时光生电流的大小也是不一样的。实验时背景光的影响也不可忽视，尤其是采用日光灯照明时，或是仪器周围有物体移动造成光线反射发生变化时，都会造成PSD光生电流改变，致使单元V0输出端电压产生跳变，这不是仪器的毛病。如实验时电压信号输出较小，则可调节一下激光器照射角度和光点在PSD器件上的上下位置，使输出达到最大。

六．思考题：

1．简述PSD器件的工作原理。

2. 分析PSD器件对入射光强度改变的反应及光点大小对光生电流的影响。