(完整版)第二章PSD传感器与信号处理电路

第二章 PSD传感器与信号处理电路

为了将电机轴的位置信号转换为相应的电信号，本文的传感器使用光电位置敏感器件PSD（Position Sensitive Detector）。

本章介绍PSD及其信号处理电路的工作原理及选型。

2.1 PSD传感器的工作原理及选型

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2.1.1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I0。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I1和I2。显然，I1和I2之和等于光生电流I0，而I1和I2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R1和R2。如果PSD表面层的电阻是均匀的，则PSD的等效电路为图2.1.1〔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2.1.1 (c) 的形式，其中R1和R2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R1和R2可以忽略，则有：

I I

R

R

L x

L x

1

2

2

1

==

-

+

（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I0= I1+I2与式（2.1.1）联立得：

图2.1.1 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。

本文选用的PSD 是日本HAMAMATSU PHOTONICS 公司生产的S1352一维线阵列PSD

2.2 PSD 传感器信号处理电路原理

PSD 两极输出的只是光电流I 1和I 2，要想得到位置输出信号P x 必须要有相应的信号处理电路的支持。下面介绍PSD 传感器信号处理电路原理。

由上一节可知，P x=（I1－I2）/（I1＋I2），因此其基本检测和处理电路的设计思想是先将I1和I2进行加减运算然后再进行除法运算。电路原理图如图2.2.1所示，光电流I1和I2先经过IC1和IC2的低通滤波将高频噪声和脉冲干扰去处掉。然后分别通过加法电路IC3和IC5和减法电路IC4得到I1＋I2和I1－I2。最后I1＋I2和I1－I2通过除法电路IC6得到位置输出信号P x=（I1－I2）/（I1＋I2）

图2.2.1 一维PSD基本检测原理图

该电路只适用于没有外界光只有信号光的理想情况。在实际检测的环境中，外界光是存在的，并且会给上面的原理电路的测试结果带来很大的误差，因此在电路设计中要着重考虑如何消除外界光源的信号干扰。

2.3 C5923 PSD信号处理电路

本文选用的PSD信号处理电路是由HAMAMATSU PHOTONICS公司出品的C5923一维PSD信号处理电路。该信号处理电路是专门针对HAMAMATSU公司生产的一维PSD传感器设计的。C5923采用调制解调技术来去除信号光中的背景光干扰。

C5923信号处理电路的所有组件都安装在一块PCB电路板上，这些电路包括：调制信号光源驱动电路、前置放大电路、信号加法、减法电路、信号除法电路、信号采样保持电路。具体的电路原理图参见图2.3.1，现就各个电路的功能来介绍C5923。

2.3.1 滤波电路

滤波电路的功能是让指定频段的信号通过，而将其余频段上的信号加以抑制或使其急剧衰减。运算放大器和RC网络组成的有源滤波器与无源滤波器件相比具有体积小，重量轻，线性特性好的优点。其次，由于运算放大器的增益和输入阻抗很高，输出阻抗很低，所以有源滤波器还能提供一定的信号增益和缓冲作用。

图2.3.1 C5923信号处理电路原理图

C5923采用的低通滤波器如图2.3.2所示。输入的光电流型号I1和I2通过滤波器转换成放大的电压信号。由于加在PSD上的光信号是由一定频率的方波驱动的，因此PSD两个引脚输出的I1和I2也是交流信号。C1在电路中起的是隔直通交的作用。C2和R2组成的RC网络和运算放大器一起构成低通滤波器，将输入信号中的脉冲干扰和高频噪声过滤掉，滤波的带宽的频率应比解调频率高。通过改变R1和R2的值还可以调整低通滤波器的输出增益。

图2.3.2 低通滤波器

2.3.2 运算电路

I1和I2经过滤波之后得到两个与I1和I2倒相的电压信号V S1和V S2。为了得到最终的位置输出信号P x。必须要进行（V S2－V S1）/（V S1＋V S2）的运算。整个运算可以分为加法运算，减法运算和除法运算三部分来进行。下面将逐个介绍相应的运算电路。

C5923的加法电路是通过图2.3.3所示的电路来实现的。

图2.3.3 加法电路