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1、2000年6月 南昌航空工业学院学报June.2000第14卷第2期 JournalofNanchangInstituteofAeronauticalTechnologyVol.14 №2一维PSD位置敏感光电器件的应用研究漆新民 余拱信 袁丽华 周鞠宁(南昌航空工业学院 测控工程系 江西南昌330034)摘 要 本文简要叙述了一维PSD位置敏感光电器件的工作原理,以及采用光学三角法测量构成的尺寸测量传感器,重点介绍PSD、半导体激光器实现铁路钢轨磨耗自动检测的方法。关键词 光电PSD 三角法测量 钢轨磨耗 半导体激光器中图
2、分类号 TN15总光电流为Ⅰ0,由于在入射光点到信号电极间存在前言横向电势,若在两个信号电极上接一负载电阻,则在两极得到光电流Ⅰ1和Ⅰ2。Ⅰ1和Ⅰ2的大小取决位置敏感器件(PositionSensitiveDetector)简称于入射光点位置及两极间的等效电阻R1和R2。如PSD,是一种对接收器光点位置敏感的光电器件。果PSD表面层的电阻是均匀的,则PSD的等效电路自1957年由WallMiark提出后,其研究与应用不如图1.b所示,R1和R2的阻值取决于入射光点的断,八十年代曾有过一段研究的高潮。由于受光源位置,假设负载电阻RL阻值相对R1、R2可忽略,结构的限
3、制,其应用一度发展较慢。它与CCD电荷则:耦合器件不同,属于非离散型器件,在精密尺寸、位I1/I2=R2/R1=(L-X)/(L+X)(1)置检测元件中,其性能、价格介于CCD与其它光电式中:L为PSD中点距信号电极间距离,X为阵列器件之间。近年来,由于半导体激光器的迅速入射光点到PSD中点距离。上式表明,两个信号电发展,使PSD的光源在性能、体积上得到了很好的极的输出电流之比为入射光点到该电极间距离之比改善,促进了PSD器件广泛的实用研究。PSD器件的倒数,将I0=I1+I2与上式联立求解,得:响应速度快、位置分辨率高,输出与光强度无关,仅I1=Io3(L-X)
4、/(2L)(2)与光点位置有关,其独特的工作方式,在精密尺寸测I2=Io3(L+X)/(2L)量、三维空间位置、机器人定位系统中有独到之处。X=L3(I2-I1)/(I2+I1)(3)本文提出采用PSD器件,实现铁路钢轨磨耗的自动式(2)表明,当入射光点位置固定时,某单电极输出检测,为监测路轨状态提供了一种新的测试方法。电流与入射光强成正比;当入射光强不变时,单个电级输出电流与入射光点距中心距离X呈线性关系。1PSD的工作原理将(2)式中电流作些处理变为(3)式,则两极输出电流与坐标X有关,与入射光点强度无关。因此,PSDPSD可分为一维PSD和二维PSD。一维P
5、SD就成为仅对入射光光点位置敏感的光电器件。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。实用的PSD为PIN三层2PSD的应用研究结构,其截面如图1.a所示,表面P层为感光面,两边各有一输出电极,底层的公共电极接反偏电压,中2.1 光学三角法构成位移尺寸传感器间是Ⅰ层。PSD的工作原理是基于横向光电效应,应用PSD进行物体位移尺寸的测量是根据光当入射光点照到PSD光敏面某一点时,假设产生的学三角法测距的原理,如图2所示。光源发出的光收稿日期:1999-12-14 第一作者:漆新民,男,1951年生,高级实验师。©1995-2005Ts
6、inghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第2期 漆新民 等:一维PSD位置敏感光电器件的应用研究 85经发射透镜L1聚焦后投射到待测物体上,部分反射∴D=b3f/x(4)(散射)光由接收透镜L2成像到一维PSD上,若透由(3)式求出PSD上光点坐标X,再代入(4)镜L1和L2的中心距为b,透镜L2到PSD表面之间式,即可知物体位移尺寸的变化。对(4)式微分可的距离为f,聚焦在PSD表面的光点距PSD中心的得:2距离为X,则根据相似三角形PAB和BCD,得:
7、△D=(-D/b×f)×△XD=b·f/x。结果说明物体位移尺寸的分辨率与传感器结构尺寸∵D/b=f/x及被测物体距离有关。图1PSD的结构及等效电路图2 光学三角法位移尺寸传感器的结构2.2 铁路钢轨磨耗自动检测方法巧、上下道方便、显示直观,并能反映钢轨剖面磨耗近年来由于我国铁路列车全面提速及重载列车的轨迹。钢轨磨耗的测量,实际上是尺寸变化量的相继运行,铁路钢轨的磨耗引起国家重视。钢轨的检测。根据PSD的工作原理,采用光学三角测量方磨耗由材质、环境、状态、列车运行速度等多因素造法,配以伺服驱动扫描装置,在微处理器的控制下,成,特别是弯道钢轨垂直磨耗、侧面磨耗严重
8、可达十可以
