光电位置灵敏探测器及其应用

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第25卷第s期东南大学学报Vd．25No．5I995年9月JOURNALOFS旷【lⅢ^sTUNI、RTYSept．1995光电位置灵敏探测器及其应用。方秋华田新孙定1H2(j末南太学振动工程研竞所，南京210018)2摘要夼绍了一种建立在横向光电效应基础上的新型位置更敏探测嚣，它不存在死区，可给出入射先．最在整个光敏面上移动时的连续性位置数据．文中舟绍了其结构、工作原理和特性，给出了位置坐标函数表达或和相应的检刺电路框图，并讨论了PSI)的几个应用实捌．关键词光电栓洲I．位置传感器／

2、横向电效应中国法分类号位置探器位置灵敏探测器是80年代发展起来的一种新塑位置揉测器．与光导摄像管及固体摄像器元件相比，有许多独特的优点，如：(1)没有工作死区，可给出光点在整个光敏面上移动时的连续性位置数据．(2)分辨率高，响应速度快，线性较好．(3)不需扫描，可筒化外围电路，具有较高的性价输出比．(d)检测时不受人射光束的形状以及光强波动的叫影响．l’lPSD在结构上有一维和二维之分，可分别进行一维和二维的位置测量，本文仅讨论一维PSD的原L{J理及其应用．．光电流』0一』l十2】PSD的结构及工作原理PSD的工作原理基于横向光电

3、效应，图l是其结构原理图及等效电路图．PSD由三层构成，最上一层是P层，下层是N层，中间插人一较厚的高阻I层，形删成PI-N结构，此结构的特点是I层耗尽区宽，结电0l容小，光生载流子几乎垒部都在I层耗尽区中产生，@．没有扩散分量的光电流，因此，响应速度比普通P-N(b)结光电二极管快得多．当PSD表面受光照射时，在光图1PSD蛄构原理图斑位置上产生比例于光能量的电子一空穴对流过P层电阻，分剐从设置在P层相对的两个电极·目隶八五攻燕项目。85-720资助项目，收薯日期1905—01—03，修改稿收到日期t1095—03—18．维普资讯

4、http://www.cqvip.com第5期方戢华等：光电位王更敏探测器厦其应用上输出光电流J和J”由于P层电阻是均匀的，电极输出的光电流反比于人射光位置到各自电极之同的距离，光电流^和Jz可用以下公式表示坐标原点设在PSD中点时J1=Io(L一)／2L(1)一Io(L+)／2L-(2)坐标原点设在PsD一端时J=,to(2L一粕)12z,(3)如一Joa12z,(d)由上式可知^，J是光能量(Jo)与位置的函数，实际应用中，由于光源光功率的波动及光源与PsD同距的变化，Jo并不是一个恒定值，为了消除的影响，通常把输出电流的差与和

5、相除作为位置检涮信号，即坐标原点在PSD中点时(J2一Ii)／(J2+Ii)=／L(5)一L(I2一J1)／(J2+J1)(6)坐标原点在PsD一端时(一J1)／(J2+J1)宣(zB—L)／L(7)粕一2L12／(J2+J1)(8)只要检测出J和Jz的大小，即可计算出光所在位置．2PSI)位置检出电路由以上分析可知，PSD是由电流输出得到位置信号，通常在初级采用电流一电压变换电路，然后将两输出电压进行模拟加减运算，最后用除法器计算两者之比，获得无光量依存性的位置信号．图2是一雏PSD的检测电路原理框图．为了适应内阻比较低的电流源，

6、初级前置放大器要有低偏压电源特性以及小的输入噪声电压和零漂电压．输入噪声通过PSD内阻与反馈电阻之比进行放大，为此，反馈电阻通常选择lMQ左右，如图3所示．另外，可通过调整一电位器的输出电压进行减法运算以消除漏电流、暗电流和削弱背景光的影响．若在室外工作，背景光往往图2一雏PSD位王检测电路原理目比较强，且光强变化大，上述方法无效，此时可设计一个长槽结构的机械元件置于PSD前，通过长槽照射在PSD面上的背景光很傲弱，同时，建议使用单色光，在PSD前加上与该光源波长一致的滤色片，实验表明：该措施效果很好．如果在精度要求极高的场合下应用

7、，可附加一片同样的PSD器件进行补偿．维普资讯http://www.cqvip.com54东南天学学报弟25春3PSD的特性以下主要以$3932型PSD为例进行介绍，表1列出了其主要特性锢I试结果．图4是$3932的位置检测特性，该特性是在距感光中心土4．5mm的范围内，用宽为400咖的白色光条在其光敏面上移动而获得的．坐标原点设在PSD光敏面的中心位置，从翻中可知，在4．5mitt整个区域内，线性良好．PSD的检钡I灵敏度(即曲线的线性斜率)=1／L，的误差在士0．25范围内，随L的减小而增大，但相对精度却是L越大越高，因此，要根

8、据具体应用场合合理选用相应的PSD元件．目3PSD电流一电压变换电路表1$3932的主要特性图5是$3932的位置检出误差曲线，位置检出误差定义为一=导()～其中，“为人射光位置；位为邮·互++魈*蛔一』()^射光所娅位置(m加)图4