PSD在弦振动测量中的应用

　　1　引言

　　位置敏感器PSD(Position Sensitive Detector)是一种基于横向光电效应研制的装置,能在其感光表面位置提供连续移动的光点,具有测量位置精度高、响应速度快等优点,广泛地应用于物体位移、位置,液体浓度,固体硬度,两平面的相对平行度的测量当中,并且在光学位置和角度的测量与控制系统、激光光速校准、自动范围探测系统、人体的运动及分析系统、机器人视觉方面也有所应用。

　　2　PSD传感器的结构原理及工作原理

　　高灵敏度光电位置传感器PSD是一种基于横向光电效应的新型的光电器件。当一束激光照射到PSD的光敏表面上时,利用PSD的P-N结上的横向光电效应可以来检测入射光点的照射位置。

　　PSD传感器可分为一维PSD和二维PSD,在这里主要介绍一维PSD的组成结构和工作原理。当PSD表面受到光照射时,在光斑位置处产生比例于光能量的电子-空穴对流过P层电阻,分别从设置在P层相对的两个电极上输出光电流和,由于P层电阻是均匀的,电极输出的光电流反比于入射光斑位置到各自电极之间的距离,光电流和可以用下面两种方式表示:

　　(1)坐标原点选在PSD光敏面的中心时:

　　由式(1)和式(2)可以得到的表达式:

　　(2)坐标原点选在PSD光敏面的一端时:

　　由式(4)和式(5)可以得到:

　　式中:为PSD光敏面上的中心到入射光点之间的距离;为选取一端的PSD的光敏面的边缘到入射光点的距离;L为PSD光敏感面的有效长度的1/2;,为两个光电极的输出电流;I0为基极的输入电流,在数值上等于和两者数量之和。

　　由式(3)和式(6)就可以把所测得两个电极的输出光电流,代入到公式中即可解得光点距中心的距离大小,距另一端的距离,即入射光在PSD感光表面的位置。

　　3　PSD弦振动测试系统的结构组成及原理

　　为了使振源的振动能够通过PSD传感器的输出信号真实的反映出来,通过实验找到一种可行的方法,振动测试平台如图2所示,PSD弦振动测试系统原理如图3所示。系统组成所用的器件主要有半导体激光发生器、短距聚焦透镜、吉它弦、镜片、PSD传感器、电源、放大电路、示波器、计算机等。把激光发生器固定在振动测试平台上,使得激光发生器发出的激光和镜片处在同一水平面上,由于所采用的激光光源为半导体激光发生器,其光斑模式比较大,能量分散,为了提高PSD的测量精度,在半导体激光发生器和镜片中间要用一个透镜进行聚焦,使得激光入射到PSD的感光表面时能量能够聚到一个最小的面积上。

　　其原理为:半导体激光发生器发出的水平方向上的激光经过透镜聚焦照射到反光镜片上,垂直反射到PSD传感器的感光表面上,经过PSD传感器传换成电信号送入前置放大器,放大后的模拟信号再送入贮存式示波器,示波器一方面可以显示PSD输出信号的波形,另一方面还可以进行振动信号数据采样,把模拟输入信号转换成数字信号送入计算机,最后在计算机中作进一步的数据分析和处理,并最终得到振动信号的振动曲线。