一种PSD传感器量程拼接技术

孙延博 杨勇 方厚招 撒文彬 冯彦军 李海洋 / . 上海卫星工程研究所；. 上海市计量测试技术研究院

0 引言

新型位置敏感探测器（Position Sensitive Detector,PSD）具有体积小、灵敏度高、线性范围大、噪声低、响应速度快、后续处理电路简单等优点，广泛应用在测试、测量等领域[1]，使非接触式测量获得巨大进步[2]。

张欣婷等学者[3]通过设计基于PSD传感器的单透镜激光三角测头，实现了PSD传感器在激光三角测头中的应用，不仅降低了对测量环境的要求，而且保持了较好的测量准确度。ChaoLi 等学者[4]利用PSD传感器灵敏度高、响应速度快等特性提出了通过PSD传感器来实现对转速的非接触式测量。黄战华等学者[5]提出了基于单PSD传感器相机的空间目标位姿测量方法，通过使用8个红外LED构成的合作目标，借依次闪烁的方法进行调制，最终解算出目标的位姿信息。该方法解决了三角法探测范围小的问题，但其测量范围仍然受限于PSD传感器量程。以上学者均充分利用了PSD原理和特性，实现了非接触式测量的应用，但均受到了PSD传感器量程限制，而无法进一步发挥PSD传感器的作用。

目前市场主流的一维PSD传感器量程一般为6～30 mm，在很多大量程测量需求的场合，受限于PSD传感器的量程不足，无法使用。基于此，本文设计了一维PSD传感器（以下文中的PSD传感器均指一维PSD传感器）量程拼接技术，通过使用两片一维PSD传感器S3932构建拼接模型，并设计相应的拼接算法，最终实现一维PSD传感器的量程扩展，为PSD传感器在大量程测量需求场合的应用了提供解决方案。

1 PSD传感器量程拼接技术

1.1 PSD传感器拼接模型

1）PSD传感器工作原理

PSD传感器是一种基于光电效应的位置敏感器件[6]，它可将光敏面上的光信号转化成电信号，当光斑照射在PSD传感器光敏面时，PSD传感器将输出电流信号[7]，且随着光斑位置的不同，输出电流随之变化[8]。本文使用的一维PSD传感器型号为S3932，其有效光敏面为1 mm×12 mm，最小分辨力可达0.1 μm，光谱响应范围为3 200 nm×1 100 nm。

一维PSD传感器是一种基于横向光电效应的半导体光学元器件[9]，主要由三层半导体（P型半导体、本征半导体I层以及N型半导体，其中P型半导体既是光敏面，还是一个均匀的电阻面[10]）制作在同一硅片上，一维PSD传感器结构如图1所示。

图1 一维PSD传感器结构

当激光照射在PSD传感器有效光敏面时，在激光照射点表面将产生与光强成比例的电荷，在P型半导体层两端电极形成对应的光电流。在两端电极上分别连接负载电阻RL和RC，使光电流分别流向两个信号电极，并产生电流I1和I2[11]。

因此，一维PSD传感器有两路电流输出引脚X1和X2，当测量光斑照射在PSD传感器光敏面时，X1和X2分别输出弱电流I1和I2，根据式（1）计算出光斑在PSD传感器光敏面上的落点位置[12]。

2）PSD传感器拼接建模

PSD传感器拼接模型通过设计PSD传感器量程拼接电路实现PSD传感器有效光敏面的扩展，使用数据采集和计算模块为用户设备端，完成对PSD传感器量程拼接电路输出电压的采集和量程拼接计算。

其中，PSD传感器量程拼接电路，由两个一维PSD传感器、相应的I/V转换电路及电压放大电路等部分组成，两个一维PSD传感器用于感应测量光斑并输出电流信号，I/V转换电路将电阻电流转换为电压，电压放大电路将弱小信号放大[13]。PSD传感器拼接原理如图2所示。

图2 PSD传感器量程拼接原理

两个一维PSD传感器在硬件电路上临近布置，保证其光敏面在测量方向上平行，且有一定的交叠区域，根据测量光斑尺寸确定合适的交叠量，建议交叠区域长度为测量光斑的2倍左右。

1.2 PSD传感器拼接算法

本文设计的一维PSD传感器量程拼接技术使用两个一维PSD传感器，分别为传感器A和传感器B，相应的电流输出引脚分别记作A1和A2、B1和B2，输出电流经转换和放大后的电压分别记作UA1和UA2、UB1和UB2。量程拼接的算法流程如图3所示。

图3 PSD传感器量程拼接步骤

1）设定PSD传感器工作阈值电压

（1）一维PSD传感器A，测量其在不接收测量光斑时的两路输出电压UA1'、UA2'之和，记作UA背景=UA1'+UA2'，测量其在接收到测量光斑时的两路输出电压UA1、UA2之和，记作UA测量=UA1+UA2。设定一维PSD传感器A是否接收到测量光斑的判断电压阈值为UA阈值=（UA背景+UA测量）/2。

（2）一维PSD传感器B，测量其在不接收测量光斑时的两路输出电压UB1'、UB2'之和，记作UB背景=UB1'+UB2'，测量其在接收到测量光斑时的两路输出电压UB1、UB2之和，记作UB测量=UB1+UB2。设定一维PSD传感器B是否接收到测量光斑的判断电压阈值为UB阈值= （UB背景+UB测量）/2。

2）标定PSD传感器等效零位

（1）将测量光斑照射在一维PSD传感器A和一维PSD传感器B的光敏面交叠区域的中间位置上。

（2）采集一维PSD传感器A的输出电压UA1'、UA2'和UA1、UA2，采集一维PSD传感器B的输出电压UB1'、UB2'和UB1、UB2。

（3）根据式（1），剔除测量背景噪声，计算测量光斑在一维PSD传感器A光敏面上的位置值：

计算测量光斑在一维PSD传感器B光敏面上的位置值：

（4）在计算软件中设置等效零位,记作Xref，标记一维PSD传感器A的XA-ref位置、一维PSD传感器B的XB-ref位置为拼接一维PSD传感器光敏面的等效零位。

3）判断PSD传感器光斑落点区域

（1）计算一维PSD传感器A的两路输出电压之和UA测量=UA1+UA2，计算一维PSD传感器B的两路输出电压之和UB测量=UB1+UB2。

（2）结合步骤1）中设定的工作电压阈值，查表1确定测量光斑的落点区域。

表1 光斑落点区域查询表

4）计算PSD传感器拼接前光斑位置

（1）根据式（1），计算测量光斑在一维PSD传感器A光敏面上的位置值为

（2）根据式（1），计算测量光斑在一维PSD传感器B光敏面上的位置值为

5）计算PSD传感器拼接后光斑位置

（1）当判定测量光斑落在一维PSD传感器A光敏面时，测量光斑在等效一维PSD传感器上的位置为X拼接=XA-XA-ref。

（2）当中判定测量光斑落在一维PSD传感器B光敏面时，测量光斑在等效一维PSD传感器上的位置为X拼接=XB-XB-ref。

2 试验验证

2.1 试验

试验中，设计一维PSD传感器量程拼接电路模块，配合线型激光器和精密位移台，PSD传感器拼接电路模块固定于升降台上，通过调整位移台，改变测量光斑在光敏面的落点，使用数据采集和计算模块获取测量光斑在等效一维PSD传感器光敏面上的位置（图4）。

图4 试验方案原理

一维PSD传感器选用日本某公司S3932型，该器件光敏区域面积1 mm×12 mm，最小分辨力0.3 μm；精密位移台选用某公司的MVS005-M型，位移控制准确度3 μm；测量光源使用自研的线型激光发射器，激光线宽2.2 mm。一维PSD传感器量程拼接电路原理如图5所示，硬件实物两片一维PSD传感器感光面交叠区域设计值为4 mm。

图5 一维PSD传感器量程拼接电路原理

根据图3所示的方法，先完成工作电压阈值测量和等效零位测量标定，将所测得的电压阈值和等效零位值设置在计算软件上，然后按图3中的步骤进行量程扩展功能测量。

2.2 试验数据

PSD传感器量程拼接电路模块中PSD传感器A和PSD传感器B的工作电压阈值测量数据如表2所示，设定PSD传感器A的工作电压阈值为2.288 V，设定PSD传感器B的工作电压阈值为2.226 V。

表2 工作电压阈值测量数据

等效零位标定的测量数据，如表3所示，设置拼接一维PSD传感器光敏面的等效零位为PSD传感器A的-4.078 mm和PSD传感器B的3.940 mm。

表3 等效零位标定测量数据

试验使用的S3932的感光面长度为12 mm（测量范围-6～+6 mm），根据表3中等效零位标定值，计算等效一维PSD传感器的光敏面物理长度为20.018 mm（测量范围-9.94～+10.078 mm）。

测量时，测量光斑在拼接一维PSD传感器光敏面上的位置值测量和计算数据如表4所示。

表4 量程拼接测量数据

使用PSD传感器测量时，需要保证测量光斑全部落在光敏面。由于测量光斑有宽度，因此，无法实测到等效一维PSD传感器光敏面的物理长度。根据表4，拼接后实测光斑位置测量范围不小于-8.550～8.693 mm，实测量程不小于16 mm，接近且符合理论计算结果。

试验结果表明，通过本文方法对两片一维PSD传感器S3932进行拼接，可有效实现量程扩展。

4 结语

本文提出了一维PSD传感器量程拼接技术，通过使用两片一维PSD传感器S3932构建拼接模型，并设计相应的拼接算法，最终进行试验验证。试验和计算结果表明，通过对两片一维PSD传感器S3932的拼接，光敏面尺寸可由12 mm扩展至优于20 mm，量程提高了66%以上。该技术适合各型号的一维PSD传感器，可有效扩展其量程，量程可扩展至（-LB-XB-ref）～（LA-XA-ref）。理论上支持两种不同型号的一维PSD传感器量程拼接，且不损失传感器的测量准确度。为一维PSD传感器应用于大量程测量场合提供了解决方案，对一维PSD传感器的进一步推广应用极具价值，具有很好的经济效益。