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、角度的測量與控制、工業(yè)自動化生產(chǎn)、遠(yuǎn)程光學(xué)控制系統(tǒng)、微電子生產(chǎn)中的各類檢測和監(jiān)控、位移和振動監(jiān)測等。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量。本文通過光學(xué)三角測量的方法將測量物理位移信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電流信號，通過后續(xù)電路將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過放大、濾波、A／D處理后交由計(jì)算機(jī)對采集得到的電壓(V)和位移(S)信號進(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?。环粗瑒t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，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(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)行位移測試時(shí)經(jīng)常采用光學(xué)三角測量法。具體過程為：當(dāng)激光束入射到被測試件表面時(shí)，會形成漫反射光斑，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)入射光斑隨被測物面移動時(shí)，像點(diǎn)在光接收器上面做相應(yīng)移動，根據(jù)像移大小和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)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(fù)載電阻應(yīng)該盡可能小，因此需要合適的信號調(diào)理電路對PSD的輸出信號進(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，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號進(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，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。