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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 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 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 1 R2 L x I 2 R1 L （2.1.1）

x

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：

轴振动光电在线精密测量系统研究

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

I 1 I 0 L x

（2.1.2）2L

I 2 I 0 L x （2.1.3）

2L

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 X I 2 I 1 x

（2.1.4）I 2 I 1 L

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 称为一维 PSD 的位置输出信号。

x

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 I1和 I2，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。

第二章

PSD 传感器与信号处理电路

由上一节可知， P x =（ I 1－I 2） /（ I 1＋ I 2），因此其基本检测和处理电路的设计

思想是先将 I 1 和 I 2 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 I 1 和 I 2 先经过 IC 1 和 IC 2 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 IC 3 和 IC 5 和减法电路 IC 4 得到 I 1＋I 2 和 I 1－I 2。最后 I 1＋ I 2 和 I 1

－I 2 通过除法电路

IC 6 得到位置输出信号

x （ 1－ 2） （ 1＋ 2）

P = I I / I I

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。