朱婧婧　李亦軍

(中北大學(xué)理學(xué)院物理系　山西 太原　030051)

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一維PSD激光定位反饋指示電路設(shè)計(jì)

朱婧婧李亦軍

(中北大學(xué)理學(xué)院物理系山西 太原030051)

摘 要：針對(duì)某新型激光定位微角位移測(cè)試系統(tǒng)，應(yīng)用一維PSD接收激光并定位反饋指示，設(shè)計(jì)了一維PSD對(duì)中處理電路．實(shí)驗(yàn)證明，激光光斑小于10 mm時(shí)，對(duì)中精度達(dá)1 mm．

關(guān)鍵詞：一維PSD對(duì)中電路激光定位

位置敏感器簡(jiǎn)稱為PSD器件，是一種新型的光電敏感器件，可以連續(xù)測(cè)量光點(diǎn)位置，基于橫向光電效應(yīng)來(lái)測(cè)量光入射點(diǎn)的位置，以及與位置有關(guān)的其他量．它具有成本底、靈敏度高及位置分辨率高等特性，輸出的位置信息與光斑的形狀無(wú)關(guān)，只跟光斑能量中心有關(guān)[1]．在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用．

本文就某新型激光微角位移測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一維PSD激光對(duì)中定位反饋指示電路．可應(yīng)用于位移、角位移及其相關(guān)等激光測(cè)試系統(tǒng)中．

1一維PSD結(jié)構(gòu)和工作原理

PSD是一個(gè)P-I-N二極管的結(jié)構(gòu)．它是在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間加入一層本征半導(dǎo)體(也稱I層)．在P層兩端有兩個(gè)輸出電極，在N層底部有反偏電極，可以加反偏電壓,形成光電流I0[2]．

當(dāng)光入射到PSD光敏面時(shí)，很大一部分的光子被I層吸收，產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，在電場(chǎng)中發(fā)生載流子的定向運(yùn)動(dòng)，于是形成光電流，分別分配到兩個(gè)電流信號(hào)電極．

圖1　一維PSD基本結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，A點(diǎn)為光的入射位置，O為坐標(biāo)原點(diǎn)，x為入射光離坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，2L為兩電極之間的距離．總電流I0等于兩分電流I1與I2之和[3]．

PSD的面電阻是均勻的，I1與I2可以表示為

(1)

(2)

由式(2)可以看出，入射光點(diǎn)位置僅與光斑的能量中心有關(guān)．

2一維PSD的信號(hào)處理電路以及對(duì)中處理電路

圖2中Rf1與Rf2為反饋電阻，反饋電阻不易過(guò)大，選擇兆歐級(jí)別的即可，否則會(huì)比較容易產(chǎn)生振蕩，因此在此電路圖中所有反饋電阻都取值為10 kΩ,其余電阻值也為10 kΩ．并聯(lián)在反饋電阻上的電容起到了濾波的作用，由于雜波的頻率較高，所以選取的電容的電容值一般很小，選擇容值為1 μF．

圖2　一維PSD的信號(hào)處理電路

一維PSD的信號(hào)處理電路主要運(yùn)用了AD704[4]，當(dāng)激光入射到PSD表面時(shí)，光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，PSD輸出的是微小的電流信號(hào)，為了更好地測(cè)量，在信號(hào)進(jìn)入AD704之前，首先把PSD兩端輸出電流信號(hào)I1和I2分別轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)V1和V2，再對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行加法電路和減法電路的處理，分別得到電壓信號(hào)V3和V4,其中,最后需要一個(gè)除法器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)一維PSD信號(hào)位置信號(hào)的測(cè)量,所得的V0與式(2)結(jié)合可以獲取激光入射信號(hào)的位置x[5]．

(3)

(4)

3結(jié)論

按照激光微角位移定位測(cè)試系統(tǒng)要求，為制作一維PSD對(duì)中指示器設(shè)計(jì)了如圖3所示的一維PSD對(duì)中處理電路，當(dāng)激光光斑水平方向能量中心處在一維PSD中心時(shí)，該電路警示燈發(fā)光．該電路運(yùn)用N型MES場(chǎng)效應(yīng)管即MESFET-N作為電子開(kāi)關(guān)控制指示燈，場(chǎng)效應(yīng)管屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電壓為高電平時(shí)，電路導(dǎo)通，警示燈發(fā)光．實(shí)驗(yàn)證明，激光光斑小于10 mm時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)LM393雙電壓比較器外圍電路的滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)節(jié)該電路對(duì)準(zhǔn)精度，對(duì)中定位精度可達(dá)1 mm，該電路不僅可應(yīng)用在激光測(cè)試領(lǐng)域，也可在國(guó)際軍事上應(yīng)用于激光瞄準(zhǔn)、火炮校瞄等．

圖3　一維PSD對(duì)中處理電路

參 考 文 獻(xiàn)

1朱尚明. 位置敏感探測(cè)器PSD及其應(yīng)用研究.儀表技術(shù)與傳感器，1996(2)：39～40

2段潔,孫向陽(yáng),蔡敬海，等.PSD在激光位移檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究.紅外與激光工程，2007，36(6)：281～284

3于麗霞,王福明.一維PSD器件及其在測(cè)量中的應(yīng)用.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(7)：143～144

4楊袆,呂肖剛.基于PSD傳感器的激光語(yǔ)音還原系統(tǒng)電路設(shè)計(jì).電子技術(shù)應(yīng)用，2014(1)：50～52

5何敏,劉榮,閔銳.位置傳感器PSD的應(yīng)用電路設(shè)計(jì).電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009(S1):323～326

Design on One-dimensional PSD Laser

Position Feedback Indicating Circuit

Zhu JingjingLi Yijun

(Department of Physics,North University of China，Taiyuan,Shanxi030051)

Abstract:In a new type of laser positioning micro angular displacement test system,a one-dimensional PSD of the processing circuit is designed by applying a one-dimensional PSD receiving laser and position feedback instructions.The experiment proved that when the laser spot is less than 10 mm,The accuracy is 1 mm.

Keywords:one-dimensional PSD；center；circuit；laser positioning

收稿日期：(2016-07-06)