基于PSD的微位移傳感器建模的實(shí)現(xiàn)方法

位置敏感傳感器(position sensitive detector，PSD)廣泛應(yīng)用于光學(xué)位置、角度的測(cè)量與控制、工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)、遠(yuǎn)程光學(xué)控制系統(tǒng)、微電子生產(chǎn)中的各類檢測(cè)和監(jiān)控、位移和振動(dòng)監(jiān)測(cè)等。在PSD的眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，應(yīng)用最為廣泛的就是位移測(cè)量。本文通過光學(xué)三角測(cè)量的方法將測(cè)量物理位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成PSD能夠測(cè)量的位移信號(hào)，然后利用PSD工作原理將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，通過后續(xù)電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波、A／D處理后交由計(jì)算機(jī)對(duì)采集得到的電壓(V)和位移(S)信號(hào)進(jìn)行處理。為準(zhǔn)確反映該P(yáng)SD的微位移傳感器系統(tǒng)的V-S間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，需要擬合出一條曲線盡可能逼近PSD的微位移傳感器實(shí)際的輸入、輸出特性。文中采用MATLAB語言，運(yùn)用矩陣運(yùn)算，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)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(shù)學(xué)模型，對(duì)于PSD的微位移傳感器實(shí)際的非線性特性進(jìn)行擬合，逼近得出最佳關(guān)系曲線。

1 基于PSD的微位移傳感器測(cè)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(cè)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(yīng)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，光電流越小；反之，則越大。

PSD的等效電路如圖2所示，設(shè)電極1和電極2的距離為L(zhǎng)，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(duì)一維PSD，如果負(fù)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(biāo)X僅和兩極輸出電流有關(guān)，而和入射光點(diǎn)強(qiáng)度無關(guān)，因此，若可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得參數(shù)I1和I2的數(shù)值，光點(diǎn)坐標(biāo)X就是可求的。

1．2 光學(xué)三角法構(gòu)成的位移尺寸傳感器
PSD進(jìn)行位移測(cè)試時(shí)經(jīng)常采用光學(xué)三角測(cè)量法。具體過程為：當(dāng)激光束入射到被測(cè)試件表面時(shí)，會(huì)形成漫反射光斑，將其作為信號(hào)，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(dāng)入射光斑隨被測(cè)物面移動(dòng)時(shí)，像點(diǎn)在光接收器上面做相應(yīng)移動(dòng)，根據(jù)像移大小和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)可以確定被測(cè)物面的位移量?；赑SD的微位移傳感器測(cè)試原理由圖3所示。

由于直接從電極輸出的是微安級(jí)的光電流變化，并且負(fù)載電阻應(yīng)該盡可能小，因此需要合適的信號(hào)調(diào)理電路對(duì)PSD的輸出信號(hào)進(jìn)行處理和運(yùn)算才能得到位置坐標(biāo)。本系統(tǒng)的PSD信號(hào)調(diào)理電路主要由前置放大器、加法器、減法器、除法器等構(gòu)成。其中包含4個(gè)高精度運(yùn)算放大器。兩個(gè)作為前置放大運(yùn)算放大器，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)取決于反饋電阻阻值。本系統(tǒng)在調(diào)試時(shí)為了提高測(cè)量精確度采用了精確阻值的電阻。另外兩個(gè)高精度運(yùn)算放大器分別作為加法器和減法器，為了實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，盡可能避免軟件方法實(shí)現(xiàn)的除法器在兩路數(shù)據(jù)采集過程中難以真正實(shí)時(shí)同步的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用高精度模擬除法器實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)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(tǒng)還加入了濾波器。用數(shù)據(jù)采集卡PCL-818HD采集高精度模擬除法器的輸出電壓并實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換，通過編程實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果和PC機(jī)中的MATLAB數(shù)據(jù)連接，通過調(diào)用自行編寫的建模程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)基于PSD的微位移傳感器的建模，即在傳感器系統(tǒng)中，電壓大小與光點(diǎn)位置和原點(diǎn)之間的距離近似成線性比例關(guān)系。