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1、一维PSD位移传感器原理及其应用综述报告学院：电气工程学院 学号：2180401066姓名： 一、实验原理PSD为一具有PIN三层结构的平板半导体硅片。其断面结构如图1-1所示，表面层P 为感光面，在其两边各有一信号输入电极，底层的公共电极是用与加反偏电压。当光点入射 到PSD表面时，由于横向电势的存在，产生光生电流Io,光生电流就流向两个输出电极，从而在两个输出电极上分别得到光电流I和I ,显然1 = 1 +1。而I和I的分流关系则1 2 0 1 2 1 2取决于入射光点到两个输出电极间的等效电阻。假设PSD表面分流层的阻挡是均匀的，则PSD可简化为图1-2所示的电位器模型，其中R、R为入射
2、光点位置到两个输出电极间的12等效电阻，显然R、R正比于光点到两个输出电极间的距离。12输出电极I枪,：血协X图1-1图1-2因为I /1 二 R / R 二(L - X)/(L + X)1 2 2 1I 二 I +1012所以可得I 二 I (L- X/2L)10I 二 I (L + X /2 L)20X 二(I -1 /1 ) L2 1 0当入射光恒定时，I恒定，则入射光点与PSD中间零位点距离X与I -1成线性关系，0 2 1 与入射光点强度无关。通过适当的处理电路，就可以获得光点位置的输出信号。二、实际应用1、测薄板厚度测量原理如图1所示，其中P、q1为标准物的上下表面，卩2、g2为待
3、测物的上下表面, h为标准物厚度。由PSD特性公式可以得出激光像斑在PSD上的位移x和尹，则被测物体 位移大小丽2、石石可以根据几何关系求得XL n SLH0 ”P1P汙5L aina + xsin (Q + 円 9,9l= Zina +in+ 莎 再由H=h+丽十屁可得出待测物的厚度H。2、精密测量桥梁结构位移量PSD传感器采用薄层叠状半导体材料，其上安装有PIN二极管，可曝光到一个极小的光 点上。这个曝光会引起局部电阻发生变化，随之 4 个测量电极的电流也发生变化。光点位置 可由测量电极中的电流Ia, Ib，Ic，Id值计算，其计算过程如式(1)、式(2)所示：开=人 /b/d) S+Z)
4、(1)f (1-0 S十。(2)式中：kx和ky为标定系数。标靶直接安装在被测桥梁结构的测点上，标靶随着结构的位移而相应的变化。每个标靶 上有两组LED光点，两组光点的几何位置和尺寸是已知的。基于此，每个标靶的位移可单独 计算出来。图2-2截止电压与入射光频率关系曲线三、已做过实验中，运用线性关系的实例1、光电效应和普朗克常数的测定该实验中，测出不同频率的光入射时的截止电动势匕后，作Ua-v曲线，匕与V呈线性关系。实验装置结构图如图2-1所示，截止电压与入射光频率关系曲线如图2-2所示。hU = （V V ）由直线斜率可求出普朗克常数h,由直线的斜率可求得截止频率U0。图2-1 实验装置结构图
5、2、pn结正向电压温度特性的研究（为上学期所做实验）对于给定的pn结材料，在允许的温度变化区间内，IF （正向电流）保持不变的条件下， pn结正向电压岭与温度呈线性关系。r（o）（k/q/lncF）T式中，T是热力学温度，k是波尔兹曼常量，q为电子电量，（o）是热力学温度0K时pn 结材料的导带底与价带顶的电势差，及禁带宽度，C是与pn结的结面积、掺杂浓度有关的 常数。实验装置结构图如图2-3, 2-4所示，实验结果如图2-5所示（其中AV = Vp（t）乙（0） 是温度为t时pn结正向电压与0摄氏度时的正向电压增量）。i 3iiT-JJ51咔人电 E-叮花城C-乩：PH门H加虫E陀-如妁电堞
6、柘:L图 2-4 测量电路框图图 2-5 正向电压增量与温度的关系曲线四、实验数据处理用Excel画出输出电压-位移量散点图（如图1所示），观察可知其仅在位移量1.5-6mm 处近似为线性关系，经线性拟合后相关指数2=0.9895 （线性相关系数r=0.9947）接近于1（拟合曲线如图2所示），由此可知线性区间位移量1.5-6mm，拟合线性曲线方程 y=-0.252x+0.93，测量范围 1.5-6mm。圈1准移-电压钦点国E2位移-电压线性拟合曲強五、思考题1、试分析一维PSD的工作原理。如综述报告实验原理部分所述。2、用一维PSD测量位移的主要误差有哪些？怎样减小这些误差？（1）环境光线的变化对结果产生影响，通过避免环境光线发生变化减小误差，例如，避 免长时间在有太阳光照射的房间里实验。（2）根据所测电压对应线性拟合曲线的位移量测位移而产生误差，原因是由于各种因素 造成的系统误差，使得输出电压与位移量并不呈线性关系。可不采用线性拟合，而采用多项 式拟合，本实验中，若采取三次多项式拟合，整个区间相关指数R2达到0.9861 （如图3）, 线性区间1.5-6mm相关指数R2达到0.9999 （如图4）,拟合值与实际值几乎没有误差。图m位穰.电压三次参项式抵合曲歧也荻凶mm鉴出B-E / V
