基于PSD的微位移傳感器建模的實(shí)現方法

位置敏感傳感器(position sensitive detector，PSD)廣泛應用于光學(xué)位置、角度的測量與控制、工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)、遠程光學(xué)控制系統、微電子生產(chǎn)中的各類(lèi)檢測和監控、位移和振動(dòng)監測等。在PSD的眾多應用領(lǐng)域中，應用最為廣泛的就是位移測量。本文通過(guò)光學(xué)三角測量的方法將測量物理位移信號轉換成PSD能夠測量的位移信號，然后利用PSD工作原理將位移信號轉換成電流信號，通過(guò)后續電路將電流信號轉換成電壓信號，經(jīng)過(guò)放大、濾波、A／D處理后交由計算機對采集得到的電壓(V)和位移(S)信號進(jìn)行處理。為準確反映該PSD的微位移傳感器系統的V-S間關(guān)系，實(shí)現精確測量，需要擬合出一條曲線(xiàn)盡可能逼近PSD的微位移傳感器實(shí)際的輸入、輸出特性。文中采用MATLAB語(yǔ)言，運用矩陣運算，由實(shí)驗測得數據采用分段擬合的方法建立了PSD的微位移傳感器V-S間的數學(xué)模型，對于PSD的微位移傳感器實(shí)際的非線(xiàn)性特性進(jìn)行擬合，逼近得出最佳關(guān)系曲線(xiàn)。

1 基于PSD的微位移傳感器測量原理分析
1．1 PSD的工作原理
PSD分為一維PSD和二維PSD。一維PSD大致分為P-I-N 3層。一維PSD截面如圖1所示。表面P層為感光面，從P層兩側分別引出一個(gè)電極，作為輸出。中間的I層為電離層。底面N層的引出一個(gè)電極，作為公共端并施加反偏電壓。PSD的光敏層接受入射光照射時(shí)，在相應的入射位置上所產(chǎn)生的電荷與光能成正比例關(guān)系，電荷定向移動(dòng)形成光電流由P層兩個(gè)輸出電極輸出。2個(gè)電極輸出的電流大小都與入射光點(diǎn)位置到各電極之間距離有關(guān)，若感光面電阻是均勻分布的，距離越大，光電流越??；反之，則越大。

PSD的等效電路如圖2所示，設電極1和電極2的距離為L(cháng)，電極1和電極2輸出的光電流分別為I1和I2，則電極3上的電流為總電流I0，并且IL=I1+I2。若以PSD的中心點(diǎn)位置作為原點(diǎn)，光點(diǎn)離中心點(diǎn)的距離為X。對一維PSD，如果負載電阻與面電阻相比很小，則有式(1)關(guān)系：

由式(1)可以看出光點(diǎn)坐標X僅和兩極輸出電流有關(guān)，而和入射光點(diǎn)強度無(wú)關(guān)，因此，若可以通過(guò)實(shí)驗測量獲得參數I1和I2的數值，光點(diǎn)坐標X就是可求的。

1．2 光學(xué)三角法構成的位移尺寸傳感器
PSD進(jìn)行位移測試時(shí)經(jīng)常采用光學(xué)三角測量法。具體過(guò)程為：當激光束入射到被測試件表面時(shí)，會(huì )形成漫反射光斑，將其作為信號，利用透鏡成像原理將收集到的漫反射光會(huì )聚到焦平面的光接收器上形成像點(diǎn)。當入射光斑隨被測物面移動(dòng)時(shí)，像點(diǎn)在光接收器上面做相應移動(dòng)，根據像移大小和系統結構參數可以確定被測物面的位移量?；赑SD的微位移傳感器測試原理由圖3所示。

由于直接從電極輸出的是微安級的光電流變化，并且負載電阻應該盡可能小，因此需要合適的信號調理電路對PSD的輸出信號進(jìn)行處理和運算才能得到位置坐標。本系統的PSD信號調理電路主要由前置放大器、加法器、減法器、除法器等構成。其中包含4個(gè)高精度運算放大器。兩個(gè)作為前置放大運算放大器，將電流信號轉換成電壓信號進(jìn)行放大，放大倍數取決于反饋電阻阻值。本系統在調試時(shí)為了提高測量精確度采用了精確阻值的電阻。另外兩個(gè)高精度運算放大器分別作為加法器和減法器，為了實(shí)現精確測量，盡可能避免軟件方法實(shí)現的除法器在兩路數據采集過(guò)程中難以真正實(shí)時(shí)同步的缺點(diǎn)，本系統采用高精度模擬除法器實(shí)現除法運算功能。由于加法器、減法器、除法器的輸出具有一定的電壓波動(dòng)，所以系統還加入了濾波器。用數據采集卡PCL-818HD采集高精度模擬除法器的輸出電壓并實(shí)現A／D轉換，通過(guò)編程實(shí)現轉換結果和PC機中的MATLAB數據連接，通過(guò)調用自行編寫(xiě)的建模程序實(shí)現對基于PSD的微位移傳感器的建模，即在傳感器系統中，電壓大小與光點(diǎn)位置和原點(diǎn)之間的距離近似成線(xiàn)性比例關(guān)系。