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：
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：
图1 PSD探测器
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
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：
R3105
R6
104
R7
104C4
10n F
PSDI2C5
10n F R4
105PSDI1
Vo 1
Vo 2
Vo 3Vi1R8
100K
R11104
Vo 4R9104
Vi2
R10104
C7104
1IN-2
1IN+
3
1OP
1
V +
8
V -4U3A
LF412W1
22K C11104
2IN-62IN+
5
2OP
7
U3B
LF412
T8
T6
T9
T7
T10
T12
T11
T13
T16
T15
T14
R5100K C8104C6104
R1310k
R121K
R1410K
R1512K
R1710K
R1910K
C9244
R18
1K
R1612K
VEE -12
VCC12
1t171
t18R2010K
C10244
R211K W2
1IN-21IN+
3
1OP
1
V +
8
V -4
U5A
LF4122IN-62IN+
5
2OP
7
U5B
LF412
VEE -12
VCC12
1IN-21IN+
3
1OP
1
V +
8
V -4
U4A
LF4122IN-62IN+
5
2OP
7
U4B
LF412
VEE -12
VCC12
VCC12VEE -12
D5
5.1V D65.1V
图9 PSD 供电电路图
图11 PSD 位置检测电路简图 图10 LF412芯片
运算放大器U4A U4B完成PSD两路电流输出I/V变换：
图13
U5A为加法电路，对两路输出进行加法运算，用来验证PSD两路输出之和不随光电位置变化而改变； U5B为减法电路，实现PSD位移测量：
图14
U3A为放大电路，W1用来调节放大增益；U3B为调零电路，通过调节W2阻值大小进行电路调零：
图15
五、PSD位置传感器测量位移方法
1、将激光器引线红色接模块上+5V金色插孔，黑色接GND5金色插孔。PSD 后金色插孔“I1”“I2”为PSD电流输出，对应接到金色插孔“T6”“T8”， PSD 后金色插孔“C”为PSD供电端，对应接到金色插孔“T4”。
2、将PSD传感器实验单元电路连接起来：“T7”接“T10”“T9”接“T12”“T13”接“T14”“T15”接“T16”，“T17”接“T11”，“T17”和“T18”对应接到万用表电压档正负极，用来测量输出电压。
3、打开主机箱电源开关，打开模块上电源开关，实验模块开始工作。调整测微头，使激光光点能够在PSD受光面上的位置从一端移向另一端，最后将光点定位在PSD受光面上的正中间位置（目测），调节零点调整旋钮，使电压表显示值为0。转动测微头使光点移动到PSD受光面一端，调节输出幅度调整旋钮，使电压表显示值为3V或-3V左右。
4、从PSD一端开始旋转测微头，使光点移动，取△X＝0.5mm，即转动测微头一转。读取电压表显示值，填入表1，画出位移-电压特性曲线。
表1 PSD传感器位移值与输出电压值
六、心得体会
通过本次课程设计，我们了解了位置灵敏探测器PSD (Position Sensitive Device) 属于半导体器件。PSD的主要特点是位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高，处理电路简单、光敏面内无盲区，可同时检测位置的光强,测量结果与光斑尺寸和形状无关。由于其具有特有的性能，因而能获得目标位置连续变化的信号，在位置、位移、距离、角度及其相关量的检测中获得越来越广泛的应用。在PSD光电实验中，根据读出电压值的变化，可以知道物体的运动变化，从而达到了解光电传感器的构造原理和电子线路的设计与实践、运算放大器的应用。
本次课程设计虽然不是特别顺利，但是让我们深入了解了PSD位移设备装置，使我们在以后的学习、工作、生活中知道该如何运用PSD测量位移。
七、参考文献
[1] 曾光宇，张志伟，张存林.光电检测技术，第二版.北京：北京清华大学出
版社,北京交通大学出版社，2005.
[2]刘笃仁，韩保君。传感器原理及应用技术.西安：西安电子科技大学出版社，
2003.
[3]童诗白.模拟电子技术基础.北京：人民教育出版社，1980.
[4]秦积荣.光电检测原理及应用.北京：国防工业出版社，1985.
[5]王新贤.通用集成电路检查手册.济南：山东科学技术出版社，2006.
[6]江月松.光电技术与实验.北京：北京理工大学出版社，2000.