1、PSD测小角度PSD测小角度摘要 本文对PSD器件的基本原理以及二维PSD器件的原理方法和性能特点做了介绍，同时对利用二维PSD器件用于二维小角度测量的实验结果也有较详细的分析论述。 PSD是一种能够连续监测光点位置的非分割型光电转换元件，目前常利用PSD位置传感器测试振动信号。它是一种模拟器件，具有响应时间快，外围电路简单，分辨率高以及不受入射光束和焦点偏离的影响等特点。以测量石英摆片的振动为例。石英摆片是加速度计的核心敏感元件，它广泛应用于航天、航空、航海等各种飞行器舰船的惯性导航、遥控、遥测系统中，因此对石英加速度计的性能提出了很高的要求，而石英摆片的各项参数，如几何尺寸、挠性刚度、摆动
2、频率与振幅、扭动频率与振幅等都将对加速度计的性能产生影响。因此，实现对石英摆片各项参数的综合测试，是我们面临的新问题。基于PSD传感器的诸多优点，在了解其检测原理之后特设计一套检测系统以满足我们的测量要求。 随着传感技术、激光技术、精密仪器技术、电子技术等飞速的发展，目前国内外对倾斜角测量技术的要求越来越高，越来越要求功能齐、全实时在线、高可靠性、高速、高精度等。倾斜角测量技术将在建筑工程、空间技术、航空航天事业以及机械加工等方面有良好的应用前景。而PSD作为一种位置敏感探测器，凭借其自身的高响应度、高分辨率、信号处理简单等特点，在位移测量、三维运动测量、微小角度测量以及平行度测量中显示了广阔
3、的应用前景，在测距系统、传感系统、光通信、信号处理等众多尖端领域被广泛青睐。本文所阐述的就是利用PSD对物体来进行二维小角度的测量。 自从1930年Schottkey发现了横向光电效应后，许多研究者对这种效应及其应用潜力作了深入的探讨，其中要数Wallmark和Lucovskey的贡献突出。Wallmark利用内部载流子传输理论基本解释了横向光电效应。而系统的解释并建立起横向光电效应方程的是Lucovskey，他从电流连续性方程出发，导出了著名的Lucoveskey方程，奠定了PSD的理论基础，后来，许多研究者对不同的边界条件作了阐述和分析如圆形边界、矩形边界、枕形边界等。随后W.P.Conn
4、ots以及Narust等人对其作了进一步的研究，六十年代迅速发展并逐渐成熟，七十年代发展了表面分割型和两面分割型器件，为了提高器件的参数性能，八十年代发展了表面改进分割型器件，九十年代表面改进分割型器件成为目前在测量领域主要应用的产品。 国外发展及研究情况：现如今美国、日本、英国等发达国家在PSD研究和制造方面已具有相当高的水平，其产品性能日趋完善，关于横向光电效应有许多文献。五十年代到八十年代主要是注重PSD特性研究及其从实验到产品开发阶段。关于位置敏感器件的专利申请在日本基本上都还是在九十年代初。所以在应用上不如CCD器件那样广泛被人们采用。根据我们所检测到的资料：日本滨松是PSD器件和相
5、应的信号处理电路齐全的一家公司。八十年代后主要从事PSD研究工作有D.J.W.Noorlag博士，Achyut Kumer Dutta博士和Yoshinori Halanaka博士，A.kawasaki和M.Goto等。国内有关PSD的报道最早出现在七十年代，当时也只是一些有关PSD原理及特性方面的报道，其大部分都是些译文、图、曲线参数都基本是介绍国外的。PSD器件及其应用方面的研究发展比较缓慢。有关光电检测技术，现代传感器技术，新型传感器等专业著作中，大都是在93年后出版的才有所介绍给出日本等国外产品性能。近年来国内PSD研究取得了一定的成果，国内已有自己的产品应用于各项测试检测中。 像一般
6、的光电二极管一样，当入射光通过玻璃窗口到达PSD芯片敏感面时，在芯片的PN结内部，将会产生光电信号，如果有外电场作用，在器件的外部引出端上就会有光电信号输出。作为PSD器件所具有的特征来讲，这种光电信号与一般光电二极管的光电信号不同，它包含位置信息。因为在芯片PN结的P层或P层和N层两面为均匀电阻层，这种电阻层与位置的关系十分密切，当入射光入射到半导体芯片内部后，根据光生伏特效应，在PN结的两侧将产生数量相同的正负电荷，正电荷通过PN结流向P层，负电荷通过PN结流向N层。正电荷在P层中产生不均匀流动，分别到达两端输出电极，获得与电极距离成反比的输出电流信息。二维PSD器件的工作原理与一维器件相
7、同，在一维PSD器件两电极的垂直方向在设置一对电极，就是二维PSD器件。表面P型电阻层的1、2和3、4两对电极提供X方向的位置信息，1、4和2、3两对电极提供Y方向的位置信息，光生电流在表面电阻薄层位置向四面八方流动，被一对或两对电极所收集，形成两个或四个电流分量，这些电流分量与总的光生电流有关，与光点位置和光强也有关。为了怕消除光点位置与光强度的依赖关系，必须把电流分量通过相应的运算放大电路来归一化，找出坐标位置与归一化电流的关系，从而实现位置的测量，这就是光点位置传感器测量位置的基本原理。 二维PSD器件一般具有方形的敏感接收面，当光斑信号打在接收面上时，四个电极X1、X2、Y1、Y2将有
8、不同的光电流输出，大小取决于光斑在接受面上的具体位置。二维PSD分为双面分离型和分离改进型等几种，下面将简单予以介绍：双面分离型PSD在X,Y两个方向上感光层是独立的，一层感受X方向上光点的位置变化，另一层则感受Y方向上光点的位置变化。二维分离改进型的PSD对X,Y两个方向上的感光层在同一表面，只是在制造器件的工艺过程中，对表层感光层性能，在双面分离型基础上进行了改进，具有暗电流小，响应时间快，易于偏置应用，环境噪音低等特点。关键词：位置敏感探测器（PSD） 小角度测量1设计方案简介 1.1本设计采用二维PSD完成由光路到电路的转化，来进行物体小角度倾斜的测量。1.2系统的大致光路图如图1：图
9、1 系统大致光路图 当物体不发生倾斜时，调整激光器以及二维PSD的位置还有光线的入射角度，使得激光照到物体上，通过物体的反射，反射到二维PSD上，恰好照到二维PSD上 x=0，y=0的点，即反射光线与二维PSD垂直。此处透镜起到了聚焦的作用，减小了实验误差。当物体发生小角度倾斜时，激光器发出的光通过物体反射到PSD上的光点坐标为x ,y.根据光的反射定律，就可以得出物体倾斜角度与反射光点坐标x，y的关系。倾斜角度与PSD上光点坐标（x,y）的关系为： =1/2arctan（x+y）/（X+Y） 基于二维PSD的光点位置检测电路原理图，从而把光信号转换为电信号。电路利用了加法器、减法器和除法器进
10、行各分支电流的加、减和除的运算，以便计算出光点在PSD中位置的坐标。在PSD检测系统检测完x，y值后，我们在电路中加入A/D数据采集系统，把PSD检测系统检测的x，y的位置信息送入计算机，在计算机的软件支持下完成光点位置的检测工作。2设计条件及主要参数表2.1设计条件：因为PSD受温度和光强的影响较大，所以，系统在常温和弱光的 条件下才能更好的工作。2.2设计参数表：物体偏移的角度L二维PSD的边长X激光器与PSD原点的距离一半Y测量物点到激光器与PSD原点中心处的距离x光斑在x轴方向的距离y光斑在y轴方向的距离X1PSD在x轴正方向的电流X2PSD在x轴反方向的电流Y1PSD在y轴正方向的电
11、流Y2PSD在y轴反方向的电流3设计主要参数计算及设计结果3.1电路原理图和光路原理图电路原理图和光路原理图如下所示，图2为电路原理图，图3为光路原理图. 图2 电路原理图 图3 光路原理图4工作原理和应用，仿真结果4.1光路部分4.1.1 PSD的光学测量原理 PSD 是基于横向光电效应的光电位置敏感器件。横向光电效应又称侧向光生伏特效应或殿巴（Dember）效应。以一维PSD工作原理为例，半导体光照部分吸收入射光子能量后产生电子空穴对，使该部分载流子浓度高于未被光照部分，因而出现了载流子浓度梯度，形成载流子的扩散。由于电子迁移率比空穴的大，因此电子首先向未被光照部分扩散，致使光照部分带正电
12、，未被光照部分带负电，两部分之间产生光生电动势的现象称为横（侧）向光生伏特效应。当有光照射到 PSD 感光区，就会发生横向光电效应，在投射位置上就会产生电动势。由于 P 层的阻抗是均匀分布的，这样在 P 层两电极上聚集的光电流入射光位置和电极之间的距离成反比。假设光束入射到光敏面所产总的光电流为 I0，P 层两电极输出的光电流分别为 I1 和 I2，显然有 I0= I1+I2，I1 和 I2 的分流大小关系取决于入射光点的位置到电极间的等效电阻。二维PSD同样的原理检测，仅仅是多一个方向的测量，即二维PSD。 图4 一维PSD的工作原理PSD是一种能够连续检测光点位置的非分割型光电转换元件。
13、二维PSD的原理根据器件的不同，分为几种：二维PSD分为双面分离型和分离改进型等几种PSD器件以光斑光斑的位置作为输入的模拟信号而输出地半导体器件。可以获得与光斑强度、分布、对称性和尺寸无关的经确定位信息。PSD输出电流随光点位置不同而连续变化，具有体积小、灵敏度高、线性范围大、噪声低、响应速度快、后续电路处理简单等优点。二维PSD器件用来测定光点在平面上的二维（x,y）坐标。其结构如图5所示，在PIN硅片的光敏面上设置两对电极，其位置分别为x1,y1,x2，y2，其公共常接电源Vb，其等效电路图如图6.图5 PSD的结构示意图图6 等效电路图4.1.2光学计算二维PSD器件的等效电路如图6所
14、示,入射光点（如图5中黑点）位置的计算公式为（以中心位置为参考点）： 本次所设计系统的光路原理图如图7所示，激光器发出的入射光线入射到未倾斜物体的表面，反射光线1经过透镜成像的作用照射到PSD表面中心位置处，即PSD上x=0，y=0的点处，成为一个光斑；若物体倾斜角度，保持入射光线不变，则反射光线转动角度2，即为反射光线2，同样经过透镜作用照射到PSD上，形成一个光斑。在系统中，设计使得激光器和PSD中心位置的连线为一条水平线，且反射光线1与PSD表面保持垂直，根据光路原理图，设激光器和PSD中心位置两者之间的距离为2X，这条水平线到物体的距离为Y，光斑照在PSD上，光斑重心到PSD中心的距离
15、分解到两个方向上，一个方向上的距离为x，另一个方向上的距离为y。如图7所示，物体偏移的角度与光斑二维位置（x,y）有如下关系式： tan（2）=（x+y）/（X+Y）得 =1/2arctan（x+y）/（X+Y）图7 光路原理图根据泰勒展开式: -arctan(x) = x - (x3)/3 + (x5)/5 - (x7)/7 +. - 设x+y=w，X+Y=A（常数） 根据式及角度测量要求（倾斜范围2，角度分辨率1） 进行精度计算得，式中取n=2，精度满足 根据式及角度测量要求（倾斜范围2，角度分辨率1） 进行精度计算得，式中估取n=34.2电路部分4.2.1 器件的二维PSD光点位置检测电
16、路图如图8所示。光电位置敏感器件PSD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。通过对此输出信号的处理，即可确定入射光斑在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。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，所以对光斑位置可以进行连续测量从而获得连续的坐标信号。入射光点（如图8中的黑点）位置（x，y）的计算公式为： x=（X2+Y1）L（X1+Y2）L/（X1+X2+Y1+Y2） y=（X2+Y2）L（X1+Y1）L/（X1+X2+Y1+Y2）根据公式，可以设计
17、二维PSD的光点位置检测电路。如图8所示为基于改进后二维PSD的光点位置检测电路原理图。电路利用了加法器，减法器和除法器进行各分支电流的加减和除的运算，以便计算出光点在PSD中的位置坐标。 图8 PSD光点位置检测电路原理图当Ix1，Ix2，Iy1，Iy2四个电流输出来时，要通过前置放大器，因为四个电流的数值过小，要通过放大器来进行放大电流数值，为后边的电路提供足够强的电流，同时也可以防止干扰信号对坐标信号的干扰。当电流通过放大器放大后，通过加法器和减法器进行电信号运算，为触除法器提供数值。电流通过加减运算后，要通过除法器进行除法运算，从而得到x，y的位置电信号数值。4.2.2 A/D转换电路
18、A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。 模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。一个取样-保持电路可保证模拟电路中取样时，取样时间的稳定并储存，通常使用电容组件来储存电荷。 根据数字信号处理的基本原理，Nyquist取样定理，若要能正确且忠实地呈现所撷取的模拟信号，必须取样频率至少高于最大频率的2倍。例如，若是输入一个100Hz的正弦波的话，最小的取样频率至少要2倍，即是200Hz。虽
19、说理论值是如此，但真正在应用时，最好是接近10倍才会有不错的还原效果(因取样点越多)。若针对多信道的A/D转换器来说，就必须乘上信道数，这样平均下去，每一个通道才不会有失真的情况产生。量化与编码 电路是A/D转换器的核心组成的部分，一般对取样值的量化方式有下列两种： 只舍去不进位： 首先取一最小量化单位=U/2n，U是输入模拟电压的最大值，n是输出数字数值的位数。当输入模拟电压U在0之间，则归入0，当U在2之间， 则归入1。透过这样的量化方法产生的最大量化误差为/2，而且量化误差总是为正，为+1/2LSB。 有舍去有进位： 如果量化单位=2U/(2 n+11)，当输入电压U在0/2之间，归入0
20、，当U在/23/2之间的话，就要归入1。这种量化方法产生的最大量化误差为/2，而且量化误差有正，有负，为1/2LSB。此AD转换器采用ADC0809器件，其管脚图如图9所示。 图9 ADC0809管脚图如图10所示，当x，y位置的电信号要对其处理运算，就要通过AD转换器（ADC0809），把模拟信号转换成数字信号，使得转变成单片机可以区分识别的电信号。其中，x，y位置模拟电信号分别输入到INT0和INT1中，通过对ADC0809的A，B，C地址锁存端口的控制，依次对x，y模拟信号进行转换，当ABC=000时，x模拟信号转换成数字信号，当ABC=001时，y模拟信号转换成数字信号，通过对EOC端
21、，ALE和START端的控制，实现与单片机的输入配合。 图10 ADC0809的模数转换原理图4.2.3 系统电信号处理 87C51FA和87C51FB的单芯片8位微控制器，先进的CMOS工艺制造，是80C51微控制器家族的衍生物。具有相同的指令集作为80C51 87C51FA/FB 。此设备提供架构的改进，使得它适用于一般的控制系统的各种应用。的87C51FA包含8K8内存，的87C51FB包含16K8内存。它们都含有挥发性2568数据存储器读/写，4个8位I / O端口，3个16位定时/计数器，一个可编程计数器阵列（PCA），多源，两个优先级嵌套中断结构，增强UART和片上振荡器和定时电路
22、。对于系统需要额外的能力，87C51FA/FB可以扩大使用标准TTL 兼容的记忆和逻辑。它的增值功能，使其为脉冲宽度调制，高速I / O和向上/向下的应用，需要一个更强大的微控制器计数功能，如电机控制。它也有一个更灵活的串行通道，有利于多处理器通信。80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘（MUL）、除（DIV）、减（SUBB）、比较（CMP）、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源。采用40引脚双列直插式DIP（Dual In Line Package），内有128个RAM单元及4K的
23、ROM。80C51有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。80C51内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接，本系统中采用12MHz的晶振频率。由于80C51的系统性能满足系统数据采集及时间精度的要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，故采用来作为控制核心。 图11 80C51的管脚图由于80C51单片机的普遍性，本次课程设计采用80C51作为电信号处理器件，根据编程的简便性，从而通过数字运算实现电信号的运算。80C51有着重要作用，它把x，y的位置数字电信号通过运算转变成需要的电信号，输出传递给LED数码管，从而实现数码管的显示。
24、80C51单片机是整个系统的灵魂。4.2.4系统显示模块 数码管内部的四个数码管共用adp这8根数据线，为人们的使用提供了方便，因为里面有四个数码管，所以它有四个公共端，加上adp，共有12个引脚，下面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图（共阳的与之相反）。引脚排列依然是从左下角的那个脚（1脚）开始，以逆时针方向依次为112脚，显示的数字与之一一对应。 数码管有共阴极和共阳极之分，区别它们的方法是若公共端接地，其他端接电源，若各段测试能亮，说明是共阴的，反之共阳的；若公共端分别接的，测的各端亮，则说明是共阳的，反之为共阴的。 图12 四位数码管显示 如图12所示，数码管使用共阳极连接法，通过对
25、单片机（80C51）进行编程对电信号进行运算，通过驱动芯片74HC273与74HC247把电信号传递给数码管，使得输出信号在四位数码管上得到显示，显示出角度值。其中，使单片机（80C51）对其进行位控制和字控制，对数码管字控制，使得其中被控数码管现实出所要显示的数字，对数码管进行位控制，使得控制那一个数码管工作。左二数码管要始终显示小数点，用于区分度数和分数；并且使得左三数码管进制为六进制，其他为十进制的进位规定。5系统流程图5.1 系统流程图如图13所示图13系统流程图 通过光路系统的测量与计算，根据几何光学的知识可知，物体倾斜，反射角度变化2，反射光线照射到PSD上，从而转化成PSD的位置
26、坐标的数值，根据PSD位置数值的变化，得到四个不同数值的电流，四电流的不同数值即为位置坐标的电信号，即通过PSD实现光信号转换成电信号的过程，对四个电流进行加，减，除运算，得到与光信号一一对应的两个电信号，再通过A/D模数转换，把两个模拟电信号转换成两个数字电信号，从而信号可以与单片机相互匹配，通过单片机（80C51）进行电信号运算，为了得到所需要的一个电信号，把此电信号输出给LED数码管，通过LED数码管现实角度的显示，需要注意的是分度的十位数值显示进制为6进制，区别与其他位（度，分度个位）10进制的规定。6 收获体会 PSD是一种新型半导体光电位置敏感探测器件,利用PSD作为光电接收器件的
27、自准直仪,实现对角度形变的测量。系统处理电路采用C8051F005单片机为核心器件对传感器输出信号进行处理设计了相应的硬件系统和软件系统，完成调试，为制作价格低廉、携带方便的角度测量系统提供了一种简便方法。但是实际设计中需要考虑 光源的稳定性及背景光的干扰，以及电路噪声的影响，从而实现了系统实时处理、动态显示,降低了PSD信号处理电路噪声干扰、简化了信号处理电路,提高了测量准确度。本系统将传统光学知识与电路知识较好的结合了起来,大大提高了动态实时测量的测量范围和精度,这也是检测技术走向多学科理论和技术相融合的结果。除了可以对平面角度进行检测外,本系统还可以应用在抛物面、圆曲面等的测量中(需对光
28、束进行变换和调整)。在以后的科研中,重点是提高系统的精度和对更高频率的变化目标进行检测的能力,以获得更好的检测性能,应用到更多的领域中。许多测试理论和方法只有通过实际验证才能加深理解并真正掌握。实验就是使学生加深理解所学基础知识，掌握各类典型传感器、记录仪器的基本原理和适用范围；具有测试系统的选择及应用能力；具有实验数据处理和误差分析能力；得到基本实验技能的训练与分析能力的训练，使学生初步掌握测试技术的基本方法，具有初步独立进行机械工程测试的能力，对各门知识得到融会贯通的认识和掌握，加深对理论知识的理解。测试技术实验课是本门课程的重要环节，其目的是培养学生的分析和解决实际问题的能力，从而掌握机
29、械工程测试技术手段，为将来从事技术工作和科学研究奠定扎实的基础。 通过本门课程实验，以下能力得到了较大的提高： 1、了解常用PSD的原理和应用，以及PSD使用的注意事项以及对电路的了解和应用。 2、 培养具有综合应用相关知识来解决测试问题的基础理论；3、 培养在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力；我们必须坚持理论联系实际的思想，以实践证实理论，从实践中加深对理论知识的理解和掌握。7参考文献1 张以谟.应用光学.北京：电子工业出版社，20082 郝晓剑,李仰军.光电探测技术与应用.北京：国防工业出版社，20093 毕满清.模电电子技术基础.北京：电子工业出版社，20114 毕满清.数字电子技术基础.北京：电子工业出版社，20115 雷玉堂.光电检测技术.北京：中国计量出版社，2009
