PSD传感器实验实验

- 9 -实验三 PSD传感器实验一、产品介绍：位置敏感器件（Position Sensitive Detector）简称PSD,，是一种对接收器光点位置敏感的光电器件。自1957年由Wall Miark提出后，其研究与应用不断，八十年代曾有过一段研究的高潮。由于受发射光的限制，其应用一度发展较慢。它与CCD电荷耦合器件不同，属于非离散型器件，在精密尺寸测元件中，其性能、价格介于CCD与其它光电阵列器件之间。近年来，由于半导体激光器的迅速发展，使PSD的光源在性能、体积上得到了很好的改善，促进了PSD器件广泛的实用研究。 PSD器件响应速度快、位置分辨率高，输出与光强度无关，仅仅与光点位置有关，其独特的工作方式，在精密尺寸测量、三维空间位置、机器人定位系统应用中有独到之处。 PSD可分为一维PSD和二维PSD。一维PSD可测出光点的一维位置坐标，而二维PSD可以检测出光点的平面位置坐标。PSD传感器实验仪，采用模拟电路，利用传感器两极输出的电流随光点位置变化而变换，经运算放大器进行电流电压变换、加减运算，最终根据输出的电压可以决定光斑中心位置。实验仪光源采用650nM半导体激光器，5mW，直流驱动，带准直功能，可以调节光点大小。一维PSD相关参数： 光敏区：1mm8mm 光谱范围：380-1100nm 峰值相应度：0.5A/W 位置分辨率：0.5um 暗电流：10nA（Vr5V）极间电阻：50K欧姆PSD位移支架参数：13mm移动距离，分辨率0.01mm电压表：200mV、2V、20V三档可调二、实验仪说明 实验指南一、实验目的1、了解PSD位置传感器工作原理及其特性2、了解并掌握PSD位置传感器测量位移的方法二、实验内容1、一维PSD光学系统组装调试实验2、激光器驱动实验3、PSD特性测试实验4、PSD输出信号处理实验5、PSD输出信号误差补偿实验6、PSD测位移原理实验7、实验误差测量三、实验仪器1、PSD传感器实验仪 1个2、PSD位移系统 1套3、连接线 若干5、电源线 1根四、实验原理PSD为一具有PIN三层结构的平板半导体硅片。其断面结构如图1所示，表面层P为感光面，在其两边各有一信号输入电极，底层的公共电极是用与加反偏电压。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，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和，显然。而和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可简化为图2所示的电位器模型，其中、为入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻，显然、正比于光点到两个输出电极间的距离。 图1 图2因为 I1 / I2 = R2 / R1 = （L-X）/ L+X） I0 = I1 + I2所以可得 I1 = I0（L-X）/2L I1 = I0（L+X）/2L X =（ I2 - I1） /I0 L当入射光恒定时，恒定，则入射光点与PSD中间零位点距离X与成线性关系，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。五、注意事项1、激光器输出光不得对准人眼，以免造成伤害。2、激光器为静电敏感元件，因此操作者不要用手直接接触激光器引脚以及与引脚连接的任何测试点和线路，以免损坏激光器。3、不得扳动面板上面元器件，以免造成电路损坏，导致实验仪不能正常工作。六、实验操作1）一维PSD光学系统组装调试实验1、将面板上的激光器输出端“L”“P”“C”按颜色用导线对应连接至PSD位移装置上（激光器端）。将面板上的PSD输入端“PSDI1”“Vref”“ PSDI2” 按颜色用导线连接至PSD位移装置上（探测器端）。2、将PSD传感器实验单元电路连接起来，即与接，与接，与接，与接，将电压表输入端用导线接到实验模板的和“”上。3、打开电源，实验模板开始工作。调整升降杆和测微头固定螺母，转动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）。罩上遮光罩。4、调节零点调整旋钮，使电压表显示值为0。调节增益旋钮，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-4V左右4V变化。5、关闭电源2）激光器驱动实验1、激光器工作在恒功状态，即激光器输出光功率恒定。该电路在测量应用中最大得优点就是可以防止光功率变化导致测量结果不准确。2、恒功原理框图：（注意：激光器和探测器实际为一体化设计）PSD传感器激光器激光器驱动反馈电路探测器图3 通过探测器对激光器输出光强度监测，经过反馈电路对输出光进行调整，从而使激光器输出光功率恒定。3）PSD特性测试实验1、将面板上的激光器输出端“L”“P”“C”按颜色用导线对应连接至PSD位移装置上（激光器端）。将面板上的PSD输入端“PSDI1”“Vref”“ PSDI2” 按颜色用导线连接至PSD位移装置上（探测器端）。2、将PSD传感器实验单元电路连接起来，即与接，与接，与接，与接，将电压表输入端用导线接到实验模板的和“”上。3、打开电源，实验模板开始工作。调整升降杆和测微头固定螺母，转动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，罩上遮光罩。4、转动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，观察电压表显示结果。5、对结果进行分析。4）PSD输出信号处理及误差补偿实验1、将面板上的激光器输出端“L”“P”“C”按颜色用导线连接至PSD位移装置上。将面板上的PSD输入端“PSDI1”“Vref”“ PSDI2” 按颜色用导线连接至PSD位移装置上。2、将PSD传感器实验单元电路连接起来，即与接，与接，与接，与接，将电压表输入端用导线接到实验模板的和“”上。3、打开电源，实验模板开始工作。调整升降杆和测微头固定螺母，转动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某一固定位置，调节输出幅度调整旋钮，使电压表显示值为一固定值。4、断开与、 与和电压表的连接，用电压表测量和的电压值，即为PSD两路输出电流经过I/V变化处理结果。5、连接与、 与，断开与接，用电压表测量的值，分析、分别和、的关系。6、连接与，断开与，调节增益调整旋钮，用电压表观察电压变化。7、连接与，调节零点调节旋钮，用电压表观察电压变化。分析误差补偿原理。5）PSD测位移原理实验及实验误差测量1、将面板上的激光器输出端“L”“P”“C”按颜色用导线连接至PSD位移装置上。将面板上的PSD输入端“PSDI1”“Vref”“ PSDI2” 按颜色用导线连接至PSD位移装置上。2、将PSD传感器实验单元电路连接起来，即与接，与接，与接，与接，将电压表输入端用导线接到实验模板的和“”上。3、打开电源，实验模板开始工作。调整升降杆和测微头固定螺母，转动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4V或-4V左右。4、从PSD一端开始旋转测微头，使光点移动，取X0.5mm，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位移量（mm）00.511.522.533.5输出电压（V）位移量（mm）44.555.566.577.5输出电压（V） 5、根据表1所列的数据，计算中心量程2mm、3mm、4mm时的非线性误差。七、实验思考题试分析一下二维PSD的工作原