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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：1mm×8mm
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（Vr＝5V）
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
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二、实验仪说明
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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012I 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
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简化为图2所示的电位器模型，其中1R 、2R 为入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻，显然1R 、2R 正比于光点到两个输出电极间的距离。
入
射
输出电极
公共电极
P
I
N
输出电极
R1R2图11－1图11-2
图1 图2
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 1 = I 0（L+X ）/2L
X =（ I 2 - I 1） /I 0 L 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。
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
- 6 - 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1o V 与1i V 接，2o V 与2i V 接，4o V 与5i V 接，6o V 与6i V 接，将电压表输入端用导线接到实验模板的7o V 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）
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。
