毕业设计（论文）基于光电位置敏感器新型浓度检测系统的设计

1、 毕业设计（论文）毕业设计（论文）题题 目：目： 基于光电位置敏感器基于光电位置敏感器 新型浓度检测系统的设计新型浓度检测系统的设计学 院：电气与电子工程学院专 业：电子信息科学与技术学生姓名： 指导教师： 毕业设计（论文）时间：二 年三月五日 六月二十三日 共十六周摘 要目前，实时在线液体浓度检测技术还比较落后，研究开发新型的液体浓度检测系统具有重要意义。浓度的变化会引起液体折射率的变化，对于固定的入射光线，折射率的变化会导致出射光线发生偏移，利用光电位置敏感器件检测出光线偏移量的大小，便可得到液体的折射率，进而计算出液体浓度。基于以上理论，本文首次提出一种双隔离窗的光透射方法应用于液体浓度

2、的检测。基于光电位置敏感器新型浓度检测系统主要由半导体激光器、光学系统、PSD 信号调理电路、单片机系统、A/D 转换电路和显示电路组成。由激光器发出激光，经过光学系统照射在一维 PSD 上，PSD 信号调理电路将输出的电流信号进行调理，再由 A/D 转换电路将模拟量转换为数字量，通过适当接口将其送入 8051 单片机，单片机对数据处理后，由显示电路显示出待测液体的浓度。新型浓度检测系统检测方法的准确性在理论分析和实验仿真中得到了验证，一些影响检测结果的主要因素也在本文中作了细致的分析。实验表明，温度漂移和光源强度对本系统的影响非常小。该系统具有结构简单、灵敏度高、稳定性好、响应时间快以及自动

3、化程度高等优点，能够方便、准确地实现液体浓度的实时在线检测。本浓度检测系统可广泛应用在化工、制糖、食品、制药等诸多行业，是一种具有广阔发展前景的浓度检测系统。关键词：位置敏感器件（PSD） ，半导体激光器，液体浓度，8051 单片机AbstractAt present, real-time on-line liquid concentration detection technology is still relatively backward. Research and development of a new type of liquid concentration detection s

4、ystem is of great significance. Changes in concentration can make changes of refractive index in liquid, which will cause exit ray excursion as to the fixed incident ray. Therefore, refractive index will result from ray excursion, whose size can get from using photo-electric position sensitive detec

5、tors to detect, thus calculating the concentration of the liquid. Based on the above-mentioned theory, this paper firstly presents light transmission liquid concentration detection system using a double isolated optical transmittance window. Based on PSD, the new concentration detection system mainl

6、y includes the semiconductor laser diode, optical system, and the PSD signal conditioning circuit, SCM system, and A/D converter circuit and display system. Laser issued by the laser machine, via optical system irradiates on the single dimension PSD, then after PSD signal conditioning circuit recupe

7、rating the current output signal, the A/D converter circuit will transfer analog into digital, through an appropriate interface into 8051 single chip. After data processing, the display system finally shows the concentration of the unknown liquid. The accuracy of New Detection System concentration d

8、etection is proved by theoretical analysis and experimental simulation, and some main factors that make impact on the results are also made detailed analysis in this paper. Experiments show that the temperature drift and the strength of light sources make little influence on this system. The system

9、is simple in structure, high sensitivity, good stability, fast response time and high degree of automation advantages, can be a convenient way to achieve accurate, real-time detection of liquid concentration.The concentration detection system can be widely used in chemical industry, sugar, food, pha

10、rmaceutical and many other industries, which was a vast development prospect of concentration monitoring system.Key words: position sensitive detector (PSD), semiconductor laser diode， liquid concentration, MCU8051目 录摘 要IAbstractII目 录IV第一章 引 言 11.1 课题设计的目的意义11.2 国内外同类课题研究现状11.2.1 位置敏感探测器(PSD)国内外发展状况

11、11.2.2 液体浓度测量的国内外研究现状21.3 课题设计的主要内容4第二章 总体方案 52.1 系统总体方案设计 52.2 系统性能指标 6第三章 新型浓度检测系统设计73.1 光学系统设计 73.1.1 光源的选择 73.1.2 光学系统设计 83.2 半导体位置敏感器件 PSD113.2.1 PSD 的结构113.2.2 PSD 的工作原理123.2.3 常用 PSD 器件的种类143.2.4 PSD 的主要性能参数163.2.5 影响 PSD 性能的因素173.2.6 PSD 的选取193.3 PSD 信号调理电路的设计193.3.1 前置放大、主放大电路203.3.2 背景干扰及暗

12、电流消除243.3.3 陷波电路 273.4 单片机硬件系统的设计283.4.1 单片机系统概述 283.4.2 电源电路设计 293.4.3 AD574 芯片及其接口303.4.4 MCS-8051 单片机333.4.5 AD574A 与单片机的接口电路343.4.6 基于 MAX232 的通讯模块353.4.7 LED 显示电路设计363.5 新型浓度检测系统 38第四章 系统的软件设计404.1 系统软件设计流程 404.2 A/D 转换子程序设计 414.3 LED 显示子程序设计424.4 数据处理子程序设计434.5 十进制编码与 BCD 编码的相互变换45第五章 实验结果及系统误

13、差分析485.1 实验结果 485.2 系统误差分析 495.2.1 光源光强波动对系统的影响495.2.2 位置敏感器件对系统的影响505.2.3 温度对系统测量的影响515.2.4 A/D 的分辨率对系统的影响 52第六章 总结与展望 536.1 总结 536.2 展望 54参考文献 55致 谢 58附 录 59第一章 引 言液体的浓度是一个重要的物理量，在工业生产如化工、医药、轻工、食品、饮料、环保等各个部门以及科研国防各领域，有着十分广泛的应用，尤其对环境保护、水质资源的监测等方面，具有重要的研究背景和科学意义。浓度的变化会引起液体折射率的变化，对于固定的入射光线，折射率的变化会导致出

14、射光线发生偏移，利用光电位置敏感器件检测出光线偏移量的大小，便可得到液体的折射率，进而计算出液体浓度。基于以上理论，本文提出了一种采用双隔离窗的光透射液体浓度检测系统。1.1 课题设计的目的意义浓度是衡量工业产品质量的一项非常重要的指标，为了提高产品质量，生产企业除了在化验室对产品的浓度进行检验外，还要求在生产线上对产品的浓度进行监控，化验室检验只是抽样检验，步骤繁琐，实时性差，不易控制产品质量，仅仅依靠这种方法很难满足生产要求。在线检测系统可以使操作人员在生产过程中随时掌握产品浓度的变化情况，及时采取措施，实现实时控制，使产品的浓度控制在要求的范围内这对提高产品质量有很重要的意义。目前液体浓

15、度的检测方法虽然很多，但大部分采用接触式检测方法，接触式方法对某些有害液体有一定危险性。本新型浓度检测系统利用光电敏感器件 PSD 作为光敏元件，使用比较简单的光学系统和电子电路便可以非常稳定地检测液体的浓度，大大节省成本，并且由于 PSD 只对光斑能量中心敏感，因而对光源的变化影响可忽略不计，降低了对准直聚焦光学系统的要求，更具有现实意义。1.2 国内外同类课题研究现状 位置敏感探测器(PSD)国内外发展状况半导体位置敏感器件(Position Sensitive Detector 简称 PSD)是一种对其感光面上的入射光点位置敏感的光电器件，即当入射光点落在器件感光面的不同位置时，将对应输

16、出不同的信号。通过对输出信号的处理，即可确定入射光点在器件感光面上的位置。PSD 可分为一维 PSD 和二维 PSD。一维可以测定光点的一维位置坐标，而二维可以检测出光点的平面二维位置坐标。美国、日本、英国等发达国家在 PSD 的研究和制造方面已经具有相当高的水平，其产品性能日趋完善。日本浜松光子学株式会社（HAMAMATSU713s，尺寸 13mm22727mm2，典型位置误差十几 mmm。最近，瑞典 SiTek 开发了一种响应灵敏度增强型 PSD（Enhance Sensitivity PSD，ES-PSD） ，响应灵敏度是普通 PSD 的 5 倍。在国内，PSD 的发展比较晚。有关 PS

17、D 的报告出现在 70 年代，当时也只是一些关于 PSD 原理及特性方面的报道，且大部分是些译文，PSD 本身及其应用方面的研究比较缓慢，只是近年来才引起重视，90 年代应用方面的报道就比较多了。在研制方面，目前有电子 44 所研制的 a-Si:H 一维 PSD 和单晶硅双面结构二维 PSD；机电部 214 所主要研制一维 PSD 和枕形结构的二维 PSD；上海技术物理研究所和西南技术物理研究所也正在展开这方面的研究。国内市场的总情况是对 PSD 的了解和认识不足，产品性能还不完善。此外，缺乏配套的信号处理电路、成本高都是约束 PSD 在国内发展的重要因素。从七十年代后期 PSD 出现以来，由

18、于 PSD 越来越体现出它体积小，高灵敏度，线性范围大，噪声小，分辨率高，光谱响应范围大，响应速度快，价格低及应用电路简单等优点，受到了各界人士的瞩目。其在工业生产、核辐射环境、医疗卫生环境以及军事环境、航空航天等环境中都有广泛的应用。 液体浓度测量的国内外研究现状目前，工业生产中检测液体浓度的方法有很多种，有比重法、化学分析法、超声波法以及光学法等。这些方法的工作原理及装置结构各不相同，适应的部门和场合也不同，并且各有其优点与不足。比重法，较方便，但在工业浓度检测中，经常需要检测大槽或大池中的不同深度处的溶液浓度，由于比重计采用浮力原理，它只能检测上层表面的溶液浓度，无法适应这种工业检测需要

19、。另外在多组分溶液的装置中，用比重法也无法进行控制。化学分析法，虽然可以做到较高的检测精度，但它需要耗费许多昂贵的化学试剂，又需要较长的分析周期，甚至需要价格很高的特种分析仪器，成本比较高。以上传统的液体浓度检测方法各有其局限性，同时它们都需要人工取样，不能实现实时在线检测，由于取样费时费事，滞后性大，分析出的结果已经不是当时的状况了，而且在取样间隔内溶液浓度的变化又是未知的，这样就影响了产品的质量和自动化控制，所以它们的应用范围有限，不能适应现代工业生产的实际要求。国外已报道的有：Bergman 制作了一个光纤探头来检测各种液体的盐度；Narayanan 使用一个基于激光的棱镜糖度计检测含糖

20、液体的浓度；Longtin and Fan 在一个矩形单元中测量静止液体的折射率和浓度。其他提出来的技术包括平面荧光技术、热标记技术和干涉测量法技术等。国内已报道的包括：浮力法、重力法、静压法、折光法、振动法、同位素法、势力学法及电导法等。然而，这些技术都需要复杂和昂贵的实验装置，不能用于流动液体浓度的检测。采用光学传感方法进行溶液浓度的检测具有快捷、简便、不污染待测液体、易于进行信号转换实现自动化控制等特点，并有助于解决在线检测及选择性测量等问题，适应现代工业生产对液体浓度测量的要求，所以越来越受到重视，有关的研究和应用也越来越多。光学传感方法测量液体浓度的出发点是光线透过待测溶液或者在待测

21、溶液的界面上进行反射时，溶液浓度的变化会引起光的偏振方向，溶液的吸光度、折射率等物理参量的变化，如果能在它们之间建立起对应的关系，就可以通过测量这些物理参量的变化来测量液体的浓度。本文采用的是光透射方法，设计了双隔离窗和双平面镜的独特光学系统，利用光电位置敏感器件检测出光线偏移量的大小，得到液体的折射率，进而计算出液体浓度。1.3 课题设计的主要内容(1) 系统总体设计方案及框图(2) 光学系统的设计(3) PSD 特性分析(4) 信号调理电路的设计(5) A/D 转换电路的设计(6) LED 显示电路设计(7) 浓度检测系统图设计(8) 系统程序设计(9) 系统误差分析第二章 总体方案浓度的

22、变化会引起液体对光的折射率的变化，对于由激光器发出的固定倾斜入射的光线，折射率的变化会导致出射光线发生偏移，利用位置敏感器件（PSD）将得到的电流信号经过放大处理后检测出偏移量的大小，将这个模拟量经过 A/D 转换后发送给 8051 单片机，以单片机为核心对浓度检测系统进行控制处理，最后由显示系统显示液体的浓度。2.1 系统总体方案设计新型浓度检测系统主要包括以下几部分：半导体激光器、光学系统、信号调理电路、8051 单片机、A/D 转换电路和显示电路等。液体浓度检测系统的系统框图如图 2-1：图 2-1 液体浓度检测系统的系统框图系统工作原理为：半导体激光器发出激光，通过光学系统（内装有参考

23、液体和待测液体）照射到一维 PSD 感光面上，经过一维 PSD 信号调理电路将输出的电流信号进行放大等处理，由 A/D 转换电路将模拟量转换为数字量，通过适当接口将其送入微处理器，以其为核心对浓度检测系统进行控制，再由显示系统显示出待测液体浓度。激光器电源光学系统PSD传感器PSD信号调理电路A/D转换电路8051单片机LED 显示系统键盘输入驱动电路2.2 系统性能指标新型浓度检测系统的主要技术指标有：系统分辨力、系统测量范围、系统测量精度和体积质量等（1） 系统分辨力系统理论可分辨 0.00001 的折射率变化，但实际测量中，将会受放大器、单片机和 A/D 转换电路后的影响，综合分析，系统

24、的分辨力可达 0.00003，这相当于 20 度 NaCl 溶液的 0.018%的浓度精度。（2） 系统测量范围系统中采用了日本滨松公司的 S3932 型，其有效敏感区为 112，考2mm虑到边缘误差太大，实际可用约，可测量折射率。最大相当于 20 度 NaCl 溶液的 90%的浓度精度。如果增加 PSD 的长度，则测量范围可进一步加大。（3） 系统测量精度系统测量精度取决于系统误差修正后的残差和偶然误差的总均方根值R。若以表示浓度检测系统的测量精度。则：RdS 22RSRd（4） 系统的体积与重量浓度检测系统的体积与重量在使用中是一个非常突出的指标，往往同其他指标互相矛盾。第三章 新型浓度检

25、测系统设计基于 PSD 的新型浓度检测系统主要由激光器、光学系统、PSD 信号调理电路、单片机系统 、A/D 转换电路和显示电路组成。3.1 光学系统设计 光源的选择光电式液体浓度测量系统的光源有钠灯、发光二极管、氦氖激光器、半导体激光器可以选择。选择的要求是单色性好、方向性比较好、稳定性比较高、结构简单、体积比较小、结实坚固、价格低廉及使用方便等。（1） 钠光灯钠光灯工作时，在可见光区域发射处两条极强的黄色谱线(又称 D 线)，它们的波长分别为 589nm 及 589.6nm，通常取它们的中心近似值589.3nm作为黄光的标准参考波长，很多光学常数常以它作基准，因此钠灯是比较重要的单色光源之

26、一。钠灯的光源质量比较好，为标准参考波长，所以测量出来的数值不需要修正，但体积比较大，需要限流器，启动电压也比较高。（2） 发光二极管发光二极管 LED 作为光源出现在有关的报导中，可以使用新型黄色超高亮度的发光二极管 LED，它是一种直接注入电流的发射器件，是晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时，发射出光子的结果。LED 具有体积比较小、坚固耐用、使用电压低、寿命比较长等优点。暨南大学研制的饮料中糖含量在线测量系统就是使用超高亮度的黄色发光二极管作为光源的，但是 LED 的单色性较差，强度较弱，方向性也不理想。（3） 氦氖激光器氦氖激光器是一个气体放电管，管内充有氦、氖混合气体，两端用镀有

27、多层介质膜的反射镜封固，构成谐振腔。光在两镜面间多次反射，形成持续振荡，发射出激光。激光单色性好 (波长为 632.8nm)、方向性比较好、激光束产生的光斑质量也比较好。但氦氖激光器的激光管体积比较大，需要很高的电源电压 (20003000V 的直流电 )。（4） 半导体激光器(激光二极管)半导体激光器 (激光二极管 LD)具有单色性好，方向性比较好，体积比较小(采用 TO 封装)，工作电源电压比较低 (2.5V 左右)，使用比较方便等优点。本系统使用中国科学院半导体研究所(海特光电子技术公司 )生产的HTL67T05 型 5mw 输出 670nm 基横模量子阱激光器。激光二极管的芯片结构基本

28、上与侧面发光的LED 芯片结构基本相同，但要制造出与 PN 结垂直的两个相对平行的光学平面作为光学谐振腔，当PN 结通以电流并超过阀值时，引起高强度的电致发光，最终在谐振腔内产生了激光。激光的产生是光在半导体内通过时，引发受激发射而获得放大的结果。 光学系统设计（1） 浓度检测的基本光学原理液体浓度检测的基本原理如图 3-1 所示，被测液体浓度的改变，会引起入射光线折射角的变化，通过检测光线折射角度的变化（这一变化几乎与浓度成正比），经过分析计算可以求得待测液体的浓度。图 3-1 液体浓度检测的基本原理图测量水槽分为两部分，一部分装有参考液体（蒸馏水），另一部分就是待测的液体，中间用一块倾斜放

29、置的光学透射窗隔开，这样，光线的折射角度就会随两部分液体折射率差值的变化而不同。当光线如图 3-1 所示的情况入射，那么两种液体折射率之差与光线偏移量 d（相当于参考液体与被测液体都是n蒸馏水的情况）之间存在下列关系 (3-1)kdnnnn2/cot20其中，为光线出射角，为光线入射角，k 为与结构有关的常量。入射光线待测液体dn蒸馏水（2） 浓度检测的光学系统图基于浓度检测的基本光学原理，本文提出了一种采用双隔离窗的光透射新型液体浓度检测的实验装置。 如图 3-2 所示。图 3-2 新型液体浓度检测系统光学部分光学系统包括两个装有蒸馏水的参考水槽和一个装有待测液体的测量水槽，三个水槽之间由两

30、个平行的光学透射窗隔开，水平入射的光线在由光学透射窗1 进入待测液体时产生一个入射角(图 3-2)。在装有蒸馏水 2 的水槽装有一个双平面镜，光线经过双平面镜的反射后，再进入待测液体，同样产生一个入射角，再次进入装有蒸馏水的水槽 1，最后通过窄带滤光片投射在位置敏感器件的光敏面上，当待测液体浓度发生变化时，透射到位置敏感器件的光敏面上的光斑位置也发生变化，位置敏感器件就会线性的输出这一变化，从而实现浓度的检测。加入滤波片的目的是为了滤除大部分环境杂散光对检测的影响。光线的几何轨迹如图 3-3 所示。在图 3-3 的几何光学光线轨迹中用 d 来表示 PSD 所测得的被测液体是待测液体（实光线）和

31、蒸馏水（虚光线）时的光线偏移量。nxnxd1d2s1s1dd1d2蒸馏水2蒸馏水1水槽双平面镜待测液体光学透射窗2光学透射窗1PSD滤光片激光器图 3-3 光线几何光学轨迹根据图 3-3 所示几何关系和光学折射定律有： (3-2)21ddd (3-3)tan111dsd (3-4)tan212dsd和 (3-5)sinsin0gnn (3-6)sinsingxnn式中，为两隔离窗距离。从式中可以看到，当入射角、参比液体和两隔离窗1s间距选定以后，、和就是固定值，将（3-2） 、 （3-3）式代入（3-1）式得0n1s到光线偏移量为 tan1tantan1tan1121ssddd （3-7） x

32、xxnfnnnnssinarcsintan1sinarcsintan20013.2 半导体位置敏感器件 PSD半导体位置敏感器件(Position Sensitive Detector 简称 PSD)是一种对其感光面上的入射光点位置敏感的光电器件，即当入射光点落在器件感光面的不同位置时，将对应输出不同的信号。通过对输出信号的处理，即可确定入射光点在器件感光面上的位置。PSD 可分为一维 PSD 和二维 PSD。一维可以测定光点的一维位置坐标，而二维可以检测出光点的平面二维位置坐标。3.2.1 PSD 的结构若有一轻微掺杂的 N 型半导体和一重掺杂的 P+型半导体构成 P-N 结，当内部载流子扩

33、散和漂移达到平衡时，就建立了一个方向由 N 到 P 区的结电场。当有光照射到 P-N 结时，半导体吸收光子后激发出电子-空穴对，在结电场作用下使空穴进入 P 区，而使电子进入 N 区，从而产生结光电势，这就是一般所说的内光电效应。但是，如果入射光仅集中照射在 P-N 结光敏面上某一点 A，如图 3-4 所示，则产生的电子和空穴也将集中在 A 点。由于 P 区的掺杂浓度远大于 N 区，即 P 区的电导率远大于 N 区，因此，P 区的空穴由 A 点迅速扩散到整个 P 区，即 P 区可以近似的视为等电位。而由于 N 区的电导率比较低，进入 N区的图 3-4 横向光电效应示意图电子将仍集中在 A 点，

34、从而在 P-N 结的横向形成不平衡电势，该不平衡电势将空穴拉回到 N 区，从而在 P-N 结横向建立了一个横向电场，这就是横向光电效应。横向光电效应是由肖特基（Schottky）在 1930 年首先发现的。PSD 的基本结构仍为一 P-N 结结构，其工作原理是基于横向光电效应。图3-5 为 PSD 的剖面图。P+NA入射光点输出电极输出电极入射光公共电极P 层N 层图 3-5 PSD 的剖面图3.2.2 PSD 的工作原理PSD 是基于横向光电效应的光电位置敏感器件。横向光电效应又称侧向光生伏特效应或殿巴（Dember）效应。半导体光照部分吸收入射光子能量后产生电子空穴对，使该部分载流子浓度高

35、于未被光照部分，因而出现了载流子浓度梯度，形成载流子的扩散。由于电子迁移率比空穴的大，因此电子首先向未被光照部分扩散，致使光照部分带正电，未被光照部分带负电，两部分之间产生光生电动势的现象称为横（侧）向光生伏特效应。当有光照射到 PSD 感光区，就会发生横向光电效应，在投射位置上就会产生光生电动势。由于 P 层的阻抗是均匀分布的，这样在 P 层两电极上聚集的光电流就与入射光位置和电极之间的距离成反比。如图 3-6，假设光束入射到光敏图 3-6 一维 PSD 的工作原理面所产生的总的光电流为，P 层两电极输出的光电流分别为和，显然有0I1I2I输出电极输出电极入射光公共电极，和的分流大小关系取决

36、于入射光点的位置到电极间的等效电210III1I2I阻。其具体关系遵循下列公式：当以 PSD 的中心为原点： (3-8) oAILx)21 (21I 1 (3-9) oBILx)21 (21 I2 (3-10)LIIIIAx22112 (3-11)AAxxLLII2221当以 PSD 的一端为原点： (3-12)oBILLx 1I (3-13)oBILx I2 (3-14)LLIIIIBx22112 (3-15)BBxxLII21式中，是 PSD 中产生的总的光电流，并且；L 是 PSD 光敏面的长0I210III度；是输出电极到入射光点的距离；是光敏面中心到入射光的距离。BxAx从上式可以看

37、出，、值和总电流无关，即表示光斑的位置信息只AxBx0I与光斑的位置有关，而与光斑强度无关；输出信号和光的聚焦无关，即与光斑分布、对称性以及光斑的大小尺寸无关，只与光的重心位置有关，这给检测带来了方便，但在实际应用中还应于考虑。 PSD 是一种能够连续检测光点位置的非分割型光电测距器件，其结构原理和等效电路如图 3-7 所示图 3-7 PSD 结构原理和等效电路3. 常用 PSD 器件的种类根据所传感的位置坐标维数 ，PSD 分一维和二维两类 ，根据器件结构 ，二维 PSD 有四边形结构、双面结构和枕形结构等几种。（1）单晶硅 PSDPSD 发展的初期，无论表面结构如何变化，单晶硅基PN 结的

38、结构一直没有变化。后来，随着研究的深入和应用方向的拓展，又开发了如氢化非晶硅和有机材料等等新的 PN 结材料。但是，单晶硅基 PSD 在只需要小光敏面积的应用情况下，依旧保持着一些优势，线性度、灵敏度相当好，响应速度也比其它材料的要快。另外，没有氢化非晶硅的氢游离和有机材料老化导致的器件性能下降的问题。因此单晶硅PSD 是目前唯一获得大规模商业应用的 PSD 产品。（2） 氢化非晶硅(a2Si:H)PSD由于受光刻设备和制作工艺的限制，单晶硅不适于做大面积器件，氢化非晶硅(a2Si:H)薄膜可在布材料上生长，适合大尺寸制作，而且均匀性好，对红外透明，原材料价格低廉。（3） 有机材料双异质结 P

39、SDR2xAQBPIR1RLLAI1RR1R2BC1I2ACI0RtRN由于某些有机材料在可见光波段的吸收长度很小，可以做成光敏面较大又非常薄的器件。另外，器件又可以制作在重量轻，表面粗糙或者可弯曲的塑料基底上。这些特性，无疑对一些使用在特殊场合的光导和光伏器件具有一定的吸引力。（4） 面积挠性薄膜 PSD这一 PSD 的尺寸达到了 5mm80mm，与类似结构的传统 pin 型 PSD 相比，其暗电流要小得多。通过分光光度计测量，最高灵敏度为入射光波长 500nm 时的 0.12AW。经过波长 632nm，功率 2.3mW，光斑直径 1mm 的激光器的测量，位置非线性度在10%。大面积挠性薄膜

40、 PSD 的出现拓展了 PSD 的应用范围，其低成本、透明和可弯曲的优点适用于一些需要曲面探测器的特殊场合。（5） 阵列型 PSD 一维 PSD 阵列随着 PSD 应用范围的不断扩大，其自身的一些局限也开始显露出来。其中一个重要的问题就是单个光敏面的只能获得一个位置响应。虽然也有学者从事过在单一 PSD 光敏面上的多光束位置响应，但是处理方法过于复杂。于是人们开始把目光转向阵列型的 PSD。研究和开发了一维和二维的 PSD 阵列。 二维阵列 PSD自适应光学技术是一种实时校正光学系统随机误差的新技术，它使光学系统能适应使用条件变化而保持良好性能，在太空望远镜系统等领域有着重要应用。自适应光学的

41、核心是对波前的精确探测和修复。（6） CMOS 型 PSDCMOS ASIC 技术是当今电子集成芯片的主流制造技术。将其移植到集成光学和光电子器件领域，可充分利用现有的平台，节约投资，实现光学器件的规模化、自动化生产，并且最终实现光学和电子器件的混合集成，真正实现 SOC(system on chip)。传统 PSD 的单一连续大面积光敏面要求口电阻非常大(10k)且分布均匀的分流电阻层，对工艺精度要求严格。300500 700 900 1100 12003.2.4 PSD 的主要性能参数从使用的角度来看， PSD 的灵敏度、光谱响应特性、位置分辨率、位置线性度、灵敏面尺寸、暗电流、暗电流温度

42、系数、响应速度等是使用者选择 PSD 器件必须考虑的指标。（1） 光谱响应特性 PSD 器件的光谱响应特性，表示 PSD 的响应灵敏度与光波波长之间的关系，它与所使用的材料有关。PSD 器件的光谱响应较宽，一般在 3001100nm范围内，PSD 光谱响应特性曲线如图 3-8 所示，其峰值响应波长在 900nm 左右。图 3-8 PSD 光谱响应特性曲线（2） 位置分辨率位置分辨率是指在 PSD 受光面上能检测的最小变位，用受光面上的距离表示。器件尺寸越大，即 L 越大，PSD 的位置分辨率越高。现实中为了提高 PSD的位置分辨率，就必须增大 PSD 的分流层电阻，减小暗电流，此外还需选择低噪

43、声的运算放大器以及分辨率足够高的测试仪表。（3） 位置线性度位置线性度是指光点沿着直线移动时 PSD 的位置输出偏离该直线的程度。由于 PSDN 区材料的不均匀性、电极形状等因素而造成 P 区结面上电阻率不为恒量从而成为 PSD 非线性的主要影响因素，因而在使用过程中不得不人为地将PSD 敏感面划为 a 区和 b 区，a 区为中央区域，b 区为边缘区域，a 区的位置准确度优于 b 区。如图 3-9 所示，区域 a 的尺寸为 10mm，位置检测误差为150m，区域 b 直径尺寸为 20mm，位置检测误差为400m。在实际运用中，应尽量使光点打在 PSD 的 a 区域，提高位置检测精度。另外可以使

44、用非线性性补偿算法，补偿非线性性，提高 b 区域的使用价值。 图 3-9 区域 a 及区域 b 的定义 1 区域 a 2 区域 b 3 感光面（4） 响应速度响应速度是反映 PSD 瞬态特性的重要指标，它与 PSD 的工作状态和制作工艺有关。（5） 暗电流及暗电流温度系数暗电流及暗电流温度系数则是反映PSD 在无光照时的响应特性。 影响 PSD 性能的因素PSD 除了固有特性之外，使用情况以及外加参数也对其性能有所影响。下面对这些因素作一些简单的分析（1） 入射光对 PSD 性能的影响从理论上讲，入射光点的强度和尺寸大小对位置输出均无关。但当入射光的强度增大时，信号电极的输出光电流也增大，不利

45、于提高信噪比，进而提高器件的位置分辨率。当然，入射光点强度也不能太大，以免引起器件饱和。此外在选择光源时，应尽量选用与 PSD 光谱响应有良好匹配的光源，以充分利用光源发出的光能。123根据 PSD 的工作原理，PSD 的位置输出只能与入射光点的中心位置有关，而与光点尺寸的大小无关，这给 PSD 的使用提供了很大的方便。但当光点位置接近有效感光面边缘时，一部分光就会落到感光面之外，使落在有效感光面内的光电中心位置偏离实际光点的中心位置，从而使输出产生误差。光点越靠近边缘，误差就越大。显然，入射光点的尺寸越大，边缘效应就越严重，从而缩小了器件实际可用的感光面的范围。因此，尽管当入射光点全部落在器

46、件的有效感光面内时，位置输出与光点大小无关，但为了减少边缘效应，入射光的直径应该尽量少一些，尤其当 PSD 的有效感光面尺寸比较小时，更应该注意。（2） 反偏电压对 PSD 性能的影响与 PIN 光电二极管类似，加上反偏电压后，PSD 的感光灵敏度略有提高，并且结电容降低，这对提高 PSD 的动态频率响应是有利的。因此 PSD 在使用时加上 10V 左右的反偏电压。加上反偏电压后会使 PSD 的暗电流也有所增加。上述特性从前表中可以清楚地看出。（3） 背景光的影响通常，PSD 在使用时总存在一定强度的背景光，背景光的存在将会影响器件的性能。假设背景光在两个信号电极上产生的光电流为 I，显然，当

47、背景光强度变化时，将引起位置输出的误差。并且，当背景较强时，信号光点强度的变化也将影响位置输出。因此，背景光的存在对 PSD 的使用是很不利的。消除背景光影响的方法有两种：光学法和电学法。光学法是在 PSD 感光面上加上一片透过波长与信号光源匹配的干涉滤光片，滤掉大部分的背景光。电学法可以先检测出信号光源熄灭时的背景光强的大小，然后点亮光源，将检测到的输出信号减去背景光的成分。或者可以将光源以某一固定的频率调制成脉冲光，对输出信号用锁相放大器进行同步检波，滤去背景光成分，再进行处理，得到位置输出信号。（4） 环境温度的影响温度上升会引起器件暗电流的增大，温度每上升 1，暗电流就要增加倍。C暗电

48、流的存在不仅会带来误差和噪声，而且对背景光产生不利影响。3.2.6 PSD 的选取结合 PSD 的性能参数、系统测量范围和测量精度的分析，本文选用日本滨松公司的 S3932 型 PSD 产品，其响应速度为 3，有效敏感区为 112sm，光谱响应特性曲线如图 3-10，它主要性能参数如表 3-1 所示。2mm 图 3-10 S3932 光谱响应范围特性曲线表 3-1 S3932 型 PSD 的主要性能参数光敏面112mm2光谱响应范围3201100nm响应度/W(=920nm)上升时间(VR=5V，RL=1K)s结电容80pF(VR=5V，f=10kHZ)暗电流0.220nA(VR=5V)极间电

49、阻3080(Vb=0.1V)K工作温度-1060存储温度-2080分辨率m位置测量误差60m(Typ，Ta=26)OE=50%40060080010000OE=100%S3979S3931S3932响应灵敏度（A/W）波长（nm）3.3 PSD 信号调理电路的设计一维 PSD 信号基本检测和调理电路，如图 3-11 所示。主要由前置放大、加法器、减法器和除法器等部分构成，其中、为高精度运1IC2IC3IC4IC放，和是前置运放电路，应选用低温漂高输入阻抗运放，和分1IC2IC3IC4IC别形成加法器和减法器，AD538 为模拟除法器，可根据入射光的强度而定。fR我们可以将位移与液体浓度变化值之

50、间的线形因数折算到 PSD 的长度之中选择合适的电阻阻值将输出的位置信号在这一步将转化为所对应的浓度数值。123456ABCD654321DCBATitleNu mberRev isionSizeBDate:10-Jun-2 007Sheet o f File:H:业业业业业业业业业业业业业fxlt.ddbDrawn B y:PSD+V ccC350u FGN DIC1OPAMPC150u FR?10KR?10KR?10KIC2OPAMPGN DC?50u FGN DR?10KAR ?OPAMPGN DR?10KR?10KIC4OPAMPR?10KR?10KPSD 2PSD 3PSD -1Iz

51、1Vz2B3+10 V4+2V5+V s6-Vs7Vo8I9Vy10Iy11C12PW R EN D13SIG NL E ND14Vx15Ix16D17A18U?AD 538PSD 4R?10KR?10KGN D+V cc-Vcc+V cc-VccR?PO T2C?0.1 uF+V ccGN DAD 547图 3-11 一维 PSD 的基本检测电路 前置放大、主放大电路在实际的光电系统中，由光电探测器获得的电信号常常是微弱信号，不能直接送到信号处理器或显示设备中去，必须由放大器给予放大。放大器通常由前置放大器或主放大器组成，前置放大器一般和光电探测器紧靠在一起构成探头，对信号给予放大。对前置放

52、大器不仅有增益的要求，同时对信噪比也有严格的要求，因此前置放大器也是低噪声放大器。（1） 前置放大电路PSD 输出为电流信号，为了对输出信号进一步的处理，需要设计电流型前置放大电路将电流信号转换为便于处理的电压信号（I/V 变换）。前置放大电路如图 3-12 所示。PSD 光电流流过 RF 反馈电阻，反馈电容 CF 控制增益峰值，大小决定于 PSD 结电容 Cd。RF、CF 根据系统频响决定。OUT-+RFRFRDCFCFUo图 3-12 电流型前置运放电路电路的输出电压： （3-18） RFIUIN0下面分析上述电路的频响函数，由于信号处于低频段，放大器的开环带宽可以近似看成无穷大，同时根据

53、戴维南定理、密勒定理，电流型前置放大电路可等效为如图 3-8 所示电路。 OU- + ZfZi ZfZCViU图 3-12 等效电路图 （3-19）RdZD （3-20）DINZIINV （3-21）oFFAZZ11式中，为放大器开环增益；FFFFCsRRZ10A则 （3-22）001/1)1/1(AAZZsCZVAZZsCUoFidDINoFid经过整理可得电路的闭环增益： （3-23）)1 (11dFDFiFoDFfCsZZZZZAZZA当时，电路的闭环增益可简化为：DiZZ （3-24）)1 (110dFDFDFfCsZZZAZZA考察电路的闭环增益，取为一纯电阻阻抗时，可以看出系统为二

54、阶系统，FZ电路的阶跃响应会有强烈振荡，同时系统也有可能产生自激振荡，需对其进行相位补偿，起这样的作用。当前置放大器的高频稳定性由传递函数在复平面FC上两个极点 P1，P2 的相位差 来表示，则时前置放大器稳定，必60FC须满足以下条件： （3-25）1FPSDFRCC是前置放大器的开环单位增益带宽。1系统选用 AD 公司 OP07 运放，其开环单位增益带宽=0.6MHz，差模输1入阻抗，又，。RF 的阻值要取mZi50kRd50pFCd1200diRZ 得远远小于 PSD 的内阻，取，将上述参数带入上式，解得 Rd kRF1。pFCF7 .44（2） 主放大电路前置放大器对 PSD 的输出电

55、流信号进行 I/V 变换，送入主放大器的为电压信号，由于 PSD 内阻的限制，不能取得太大，主放大器的主要工作是将信RF号放大到我们需要的幅度。电路如图 3-13 所示。 OUT - + OP07 R1 R3 R Vo Vin 图 3-13 主放大电路图图中为前置放大器的输出电压，为前置放大器输出电阻，数值较小inV0R可忽略。电路输出：inVRRV120运算放大器存在偏置电流、失调电压、失调电流等误差，R3=R1/R2 可以消除偏置电流产生的误差，而失调电压、失调电流可以通过放大器外接调零电阻来消除。 放大器的输出电压要被送到数采模块进行 A/D 转换，因此需要考虑放大器的输出电压与数采模块

56、的模拟输入电压范围的匹配问题。通过调节放大倍数可以实现上述匹配，例如：当主放大器的输入极值电压为 0.01mV，数采模块的单极性输入电压 02V，则 A0 的取值在 200 左右。同样，四路放大电路的元件要进行认真的测量，保持一致。 背景干扰及暗电流消除通过实验我们发现，背景干扰和暗电流产生的电流输出，其频谱属于直流或缓变的信号。消除背景干扰和暗电流可以考虑从光路和电路两个方面采取措施。在光路上，采取光学滤波的措施。在 PSD 感光面上加上一个透过波长与信号光源匹配的干涉滤光片，滤掉大部分的背景光。从电路上，由于在几个时钟周期范围内，它可被看成是直流电平，因此可以先检测出信号光源熄灭时的背景干

57、扰及暗电流的大小，然后点亮信号光源，将检测到的输出信号减去背景干扰部分。另外，也可以对光源进行脉冲调制，对输出信号进行锁相放大，同步检波的办法滤去背景干扰及暗电流成分。（1） 背景干扰及暗电流消除电路本系统同时采用光学法和电学法中的第一种方法来消除背景干扰和暗电流。电路原理图如图 3-14 所示图 3-14 消除背景干扰、暗电流电路背景干扰、暗电流的干扰电平；dV叠加干扰电平的信号输出；inV （3-26）RRRRR4321 （3-27）)(0dinVVV由上式可以看出，电路实现了消除背景干扰和暗电流的功能，电路不具有放大作用，只是对信号进行了反向。（2） 干扰电平的采样、保持LF198 是国

58、家半导体公司生产的单片采样保持电路，只需外接一个保持电容 CH 就可构成性能良好的采样保持器。LF198 采用 BI-FET 工艺获得了超高的直流精度、较低的捕获时间和很小的衰减率。LF198 使用时为一单位增益跟随器，直流增益精度达到 0.002%。当捕获精度为 0.01%时，捕获时间仅为 6s。输出阶采用 P 沟道 JFET 构成输出放大器获得了低的衰减率，在外接 1F 保持电容时，衰减率为 5mV/min。双极性输入阶获得了较低的失调电压和宽带宽，通过片外的一个引脚可以调节 LF198 的失调。另外，LF198 还具有输入阻抗大（G） ，输出电阻小（） ，输出噪声小（nV/）等特点。LF

59、198 的模拟输Hz入电压范围可以达到其电源电压的范围。用 LF198 构成采样保持器如图 3-15所示。图 3-15 采样保持器采样保持器的采样保持信号由外触发电路提供，在点亮光源之前由人工手动触发采样干扰电平。（3） 保持电容 CH 的确定在选择保持电容时，主要从两个方面来考虑：电容的介质材料和电容值。在精密的采样保持电路中，保持电容的介质吸收是一项主要的误差源，比如，一个聚酯薄膜电容在快速充电后，电压值会下降 0.2%，这种现象表现为电容的介质迟滞现象，对电容的充电需要几次反复，对采样保持电路来说，就是意味着需要更长的捕获时间。聚苯乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯电容具有非常低的介质迟滞线，因此

60、我们选用聚四氟乙烯电容作为保持电容。电容值的选择应综合考虑精度、衰减率、捕获时间等参数。综合考虑以上各个因素，电容值的选择是一个不断优化的过程。随着电容的增大，衰减率直线下降，为了获得小的衰减率，选择大电容，取 CH=0.1F。此时衰减率为。从捕获时间与保持电容关系图可知，sV /100 . 34捕获误差在 0.01%范围内，捕获时间为 300s。当保持电容为 0.1F，结温度为25C 时，衰减率，整个后坐过程持续 18ms，理想情况下，保持sV /100 . 34期间的电压衰减，当采用 10 位 A/D 转换器，mVVD0054. 010183402V 电压输入，分辨力 0.002V，不会产