一種PSD傳感器量程拼接技術(shù)

孫延博 楊勇 方厚招 撒文彬 馮彥軍 李海洋 / . 上海衛(wèi)星工程研究所；. 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

新型位置敏感探測器（Position Sensitive Detector,PSD）具有體積小、靈敏度高、線性范圍大、噪聲低、響應(yīng)速度快、后續(xù)處理電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在測試、測量等領(lǐng)域[1]，使非接觸式測量獲得巨大進(jìn)步[2]。

張欣婷等學(xué)者[3]通過設(shè)計(jì)基于PSD傳感器的單透鏡激光三角測頭，實(shí)現(xiàn)了PSD傳感器在激光三角測頭中的應(yīng)用，不僅降低了對(duì)測量環(huán)境的要求，而且保持了較好的測量準(zhǔn)確度。ChaoLi 等學(xué)者[4]利用PSD傳感器靈敏度高、響應(yīng)速度快等特性提出了通過PSD傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的非接觸式測量。黃戰(zhàn)華等學(xué)者[5]提出了基于單PSD傳感器相機(jī)的空間目標(biāo)位姿測量方法，通過使用8個(gè)紅外LED構(gòu)成的合作目標(biāo)，借依次閃爍的方法進(jìn)行調(diào)制，最終解算出目標(biāo)的位姿信息。該方法解決了三角法探測范圍小的問題，但其測量范圍仍然受限于PSD傳感器量程。以上學(xué)者均充分利用了PSD原理和特性，實(shí)現(xiàn)了非接觸式測量的應(yīng)用，但均受到了PSD傳感器量程限制，而無法進(jìn)一步發(fā)揮PSD傳感器的作用。

目前市場主流的一維PSD傳感器量程一般為6～30 mm，在很多大量程測量需求的場合，受限于PSD傳感器的量程不足，無法使用?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一維PSD傳感器（以下文中的PSD傳感器均指一維PSD傳感器）量程拼接技術(shù)，通過使用兩片一維PSD傳感器S3932構(gòu)建拼接模型，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的拼接算法，最終實(shí)現(xiàn)一維PSD傳感器的量程擴(kuò)展，為PSD傳感器在大量程測量需求場合的應(yīng)用了提供解決方案。

1 PSD傳感器量程拼接技術(shù)

1.1 PSD傳感器拼接模型

1）PSD傳感器工作原理

PSD傳感器是一種基于光電效應(yīng)的位置敏感器件[6]，它可將光敏面上的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，當(dāng)光斑照射在PSD傳感器光敏面時(shí)，PSD傳感器將輸出電流信號(hào)[7]，且隨著光斑位置的不同，輸出電流隨之變化[8]。本文使用的一維PSD傳感器型號(hào)為S3932，其有效光敏面為1 mm×12 mm，最小分辨力可達(dá)0.1 μm，光譜響應(yīng)范圍為3 200 nm×1 100 nm。

一維PSD傳感器是一種基于橫向光電效應(yīng)的半導(dǎo)體光學(xué)元器件[9]，主要由三層半導(dǎo)體（P型半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體I層以及N型半導(dǎo)體，其中P型半導(dǎo)體既是光敏面，還是一個(gè)均勻的電阻面[10]）制作在同一硅片上，一維PSD傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一維PSD傳感器結(jié)構(gòu)

當(dāng)激光照射在PSD傳感器有效光敏面時(shí)，在激光照射點(diǎn)表面將產(chǎn)生與光強(qiáng)成比例的電荷，在P型半導(dǎo)體層兩端電極形成對(duì)應(yīng)的光電流。在兩端電極上分別連接負(fù)載電阻RL和RC，使光電流分別流向兩個(gè)信號(hào)電極，并產(chǎn)生電流I1和I2[11]。

因此，一維PSD傳感器有兩路電流輸出引腳X1和X2，當(dāng)測量光斑照射在PSD傳感器光敏面時(shí)，X1和X2分別輸出弱電流I1和I2，根據(jù)式（1）計(jì)算出光斑在PSD傳感器光敏面上的落點(diǎn)位置[12]。

2）PSD傳感器拼接建模

PSD傳感器拼接模型通過設(shè)計(jì)PSD傳感器量程拼接電路實(shí)現(xiàn)PSD傳感器有效光敏面的擴(kuò)展，使用數(shù)據(jù)采集和計(jì)算模塊為用戶設(shè)備端，完成對(duì)PSD傳感器量程拼接電路輸出電壓的采集和量程拼接計(jì)算。

其中，PSD傳感器量程拼接電路，由兩個(gè)一維PSD傳感器、相應(yīng)的I/V轉(zhuǎn)換電路及電壓放大電路等部分組成，兩個(gè)一維PSD傳感器用于感應(yīng)測量光斑并輸出電流信號(hào)，I/V轉(zhuǎn)換電路將電阻電流轉(zhuǎn)換為電壓，電壓放大電路將弱小信號(hào)放大[13]。PSD傳感器拼接原理如圖2所示。

圖2 PSD傳感器量程拼接原理

兩個(gè)一維PSD傳感器在硬件電路上臨近布置，保證其光敏面在測量方向上平行，且有一定的交疊區(qū)域，根據(jù)測量光斑尺寸確定合適的交疊量，建議交疊區(qū)域長度為測量光斑的2倍左右。

1.2 PSD傳感器拼接算法

本文設(shè)計(jì)的一維PSD傳感器量程拼接技術(shù)使用兩個(gè)一維PSD傳感器，分別為傳感器A和傳感器B，相應(yīng)的電流輸出引腳分別記作A1和A2、B1和B2，輸出電流經(jīng)轉(zhuǎn)換和放大后的電壓分別記作UA1和UA2、UB1和UB2。量程拼接的算法流程如圖3所示。

圖3 PSD傳感器量程拼接步驟

1）設(shè)定PSD傳感器工作閾值電壓

（1）一維PSD傳感器A，測量其在不接收測量光斑時(shí)的兩路輸出電壓UA1'、UA2'之和，記作UA背景=UA1'+UA2'，測量其在接收到測量光斑時(shí)的兩路輸出電壓UA1、UA2之和，記作UA測量=UA1+UA2。設(shè)定一維PSD傳感器A是否接收到測量光斑的判斷電壓閾值為UA閾值=（UA背景+UA測量）/2。

（2）一維PSD傳感器B，測量其在不接收測量光斑時(shí)的兩路輸出電壓UB1'、UB2'之和，記作UB背景=UB1'+UB2'，測量其在接收到測量光斑時(shí)的兩路輸出電壓UB1、UB2之和，記作UB測量=UB1+UB2。設(shè)定一維PSD傳感器B是否接收到測量光斑的判斷電壓閾值為UB閾值= （UB背景+UB測量）/2。

2）標(biāo)定PSD傳感器等效零位

（1）將測量光斑照射在一維PSD傳感器A和一維PSD傳感器B的光敏面交疊區(qū)域的中間位置上。

（2）采集一維PSD傳感器A的輸出電壓UA1'、UA2'和UA1、UA2，采集一維PSD傳感器B的輸出電壓UB1'、UB2'和UB1、UB2。

（3）根據(jù)式（1），剔除測量背景噪聲，計(jì)算測量光斑在一維PSD傳感器A光敏面上的位置值：

計(jì)算測量光斑在一維PSD傳感器B光敏面上的位置值：

（4）在計(jì)算軟件中設(shè)置等效零位,記作Xref，標(biāo)記一維PSD傳感器A的XA-ref位置、一維PSD傳感器B的XB-ref位置為拼接一維PSD傳感器光敏面的等效零位。

3）判斷PSD傳感器光斑落點(diǎn)區(qū)域

（1）計(jì)算一維PSD傳感器A的兩路輸出電壓之和UA測量=UA1+UA2，計(jì)算一維PSD傳感器B的兩路輸出電壓之和UB測量=UB1+UB2。

（2）結(jié)合步驟1）中設(shè)定的工作電壓閾值，查表1確定測量光斑的落點(diǎn)區(qū)域。

表1 光斑落點(diǎn)區(qū)域查詢表

4）計(jì)算PSD傳感器拼接前光斑位置

（1）根據(jù)式（1），計(jì)算測量光斑在一維PSD傳感器A光敏面上的位置值為

（2）根據(jù)式（1），計(jì)算測量光斑在一維PSD傳感器B光敏面上的位置值為

5）計(jì)算PSD傳感器拼接后光斑位置

（1）當(dāng)判定測量光斑落在一維PSD傳感器A光敏面時(shí)，測量光斑在等效一維PSD傳感器上的位置為X拼接=XA-XA-ref。

（2）當(dāng)中判定測量光斑落在一維PSD傳感器B光敏面時(shí)，測量光斑在等效一維PSD傳感器上的位置為X拼接=XB-XB-ref。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)

試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)一維PSD傳感器量程拼接電路模塊，配合線型激光器和精密位移臺(tái)，PSD傳感器拼接電路模塊固定于升降臺(tái)上，通過調(diào)整位移臺(tái)，改變測量光斑在光敏面的落點(diǎn)，使用數(shù)據(jù)采集和計(jì)算模塊獲取測量光斑在等效一維PSD傳感器光敏面上的位置（圖4）。

圖4 試驗(yàn)方案原理

一維PSD傳感器選用日本某公司S3932型，該器件光敏區(qū)域面積1 mm×12 mm，最小分辨力0.3 μm；精密位移臺(tái)選用某公司的MVS005-M型，位移控制準(zhǔn)確度3 μm；測量光源使用自研的線型激光發(fā)射器，激光線寬2.2 mm。一維PSD傳感器量程拼接電路原理如圖5所示，硬件實(shí)物兩片一維PSD傳感器感光面交疊區(qū)域設(shè)計(jì)值為4 mm。

圖5 一維PSD傳感器量程拼接電路原理

根據(jù)圖3所示的方法，先完成工作電壓閾值測量和等效零位測量標(biāo)定，將所測得的電壓閾值和等效零位值設(shè)置在計(jì)算軟件上，然后按圖3中的步驟進(jìn)行量程擴(kuò)展功能測量。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

PSD傳感器量程拼接電路模塊中PSD傳感器A和PSD傳感器B的工作電壓閾值測量數(shù)據(jù)如表2所示，設(shè)定PSD傳感器A的工作電壓閾值為2.288 V，設(shè)定PSD傳感器B的工作電壓閾值為2.226 V。

表2 工作電壓閾值測量數(shù)據(jù)

等效零位標(biāo)定的測量數(shù)據(jù)，如表3所示，設(shè)置拼接一維PSD傳感器光敏面的等效零位為PSD傳感器A的-4.078 mm和PSD傳感器B的3.940 mm。

表3 等效零位標(biāo)定測量數(shù)據(jù)

試驗(yàn)使用的S3932的感光面長度為12 mm（測量范圍-6～+6 mm），根據(jù)表3中等效零位標(biāo)定值，計(jì)算等效一維PSD傳感器的光敏面物理長度為20.018 mm（測量范圍-9.94～+10.078 mm）。

測量時(shí)，測量光斑在拼接一維PSD傳感器光敏面上的位置值測量和計(jì)算數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 量程拼接測量數(shù)據(jù)

使用PSD傳感器測量時(shí)，需要保證測量光斑全部落在光敏面。由于測量光斑有寬度，因此，無法實(shí)測到等效一維PSD傳感器光敏面的物理長度。根據(jù)表4，拼接后實(shí)測光斑位置測量范圍不小于-8.550～8.693 mm，實(shí)測量程不小于16 mm，接近且符合理論計(jì)算結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果表明，通過本文方法對(duì)兩片一維PSD傳感器S3932進(jìn)行拼接，可有效實(shí)現(xiàn)量程擴(kuò)展。

4 結(jié)語

本文提出了一維PSD傳感器量程拼接技術(shù)，通過使用兩片一維PSD傳感器S3932構(gòu)建拼接模型，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的拼接算法，最終進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明，通過對(duì)兩片一維PSD傳感器S3932的拼接，光敏面尺寸可由12 mm擴(kuò)展至優(yōu)于20 mm，量程提高了66%以上。該技術(shù)適合各型號(hào)的一維PSD傳感器，可有效擴(kuò)展其量程，量程可擴(kuò)展至（-LB-XB-ref）～（LA-XA-ref）。理論上支持兩種不同型號(hào)的一維PSD傳感器量程拼接，且不損失傳感器的測量準(zhǔn)確度。為一維PSD傳感器應(yīng)用于大量程測量場合提供了解決方案，對(duì)一維PSD傳感器的進(jìn)一步推廣應(yīng)用極具價(jià)值，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。