基于PSD的位移测试装置设计.docx
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基于PSD的位移测试装置设计.docx
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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
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
课程设计任务书
1.设计目的:
V*■■■■■vi!
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在学习专业基础课和专业课的基础上,主要在电子仪器、微机综合设计与实践、单
片机与A/D和D/A和光、计、电综合应用等几个方面开展实践活动,巩固所学知识、培
养动手能力。
2.设计内容和要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等):
m■■亠・m』d-baa』亠Kad&taam■■亠・mvd-baa4亠Kaa&haa•亠m・n亠・mvd■&aa4亠Kaa&taa•亠m・n亠・mvd■&aadjiKaa&faaa•亠mm£亠・nmd■&aadjiKaa&faaasad^taad■&aauxKaa&faaaaad^haad■&aauxKaa&faaaaad^taad■&aauxsaa鼻4batad44aad■&a设计要求:
1、掌握PSD位置传感器工作原理及其特性
2、掌握PSD位置传感器测量位移的方法
3、完成PSD位移测试装置设计
3.设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、
实物样品等〕:
设计说明书符合要求;
相应器件的工作原理;
系统工作原理图;
参考文献原文不少于3篇。
课程设计任务书
4.主要参考文献:
学生根据所查的资料,在此写3-5篇参考资料
要求交回的任务书中写出具体的参考资料。
5.设计成果形式及要求:
设计说明书及相关电路图
6.工作计划及进度:
2012年12月31日~2013年1月4日:
查资料
2013年1月5日~1月12日:
在指导教师指导下设计方案
2013年1月13日~1月17日:
学生完成实验,指导教师辅导
完成课程设计说明书
2013年1月18日:
答辩
系主任审查意见:
签字:
、PSD简介
PSD(PositionSensitiveDetectors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1PSD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:
图2PSD结构图
图3PSD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:
光生
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
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11和12,显然
Io1112。
而11和12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Rl、R2为入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻,显然Rl、R2正比于光点到两个输出电极间的距离。
图5PSD位置测量等效电路图
由此可得出如下公式:
11和12是电极的光电流,2L和10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1
I
1/I2=R2/R1=(L-X)/(L+X)
0=I1+I2
所以可得1
I
1=Io(L-X)/2L
2=Io(L+X/2L
x=(图b-4sD等效电路图
(2)当PSD一端(R1端)设定为坐标原点:
因为1
I
1/I2=R2/R1=(2L-X)/X
0=I1+I2
所以可得1
I
1=Io(2L-X)/2L
2=Io(X)/2L
当入射光恒定时,I。
恒定,则入射光点与PSD中间零位点距离X与I?
11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Y1,Y2和X3,X4,其公共N极常接电源Ubb。
二维PSD器件的等效电路如图
6(b)所示:
图6二维PSD的结构图与等效电路
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
方形产生了变。
这种结构光斑在边缘差被大大地
图7改进后的PSD的结构图与等效电路
枕形畸的优点是的测量误减少。
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。
(兀二2工X^X2^Y[+Y2~L
(X2+Yr)-(Xl+Yl)_2yK+兀+K"L
四、PSD位移测试装置设计
PSD供电电路如下图:
512
1/
E4■*r
1
1R1
T4
R2
3.3uf/50V
Z=C3
104
E3•10UF/25V
VCC12
图9PSD供电电路图
放大器LF412芯片:
一维PSD位置检测简化电路原理图如下:
图11PSD位置检测电路简图
说明:
光电流11经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4,而光电流12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11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11相减的运算。
PSD位置测试输出处理电路:
运算放大器U4AU4B完成PSD两路电流输出\N变换:
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
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“11”“12”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1PSD传感器位移值与输出电压值
位移量(mm
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
输出电压(V
-3
-2.43
-1.76
-1.39
-0.53
-0.26
-0.1
-0.02
位移量(mm
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
输出电压(V
0.02
0.09
0.34
0.44
1.348
1.57
2.37
2.9
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(PositionSensitiveDevice)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.
⑸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.
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