PSD移动目标轨迹测量系统设计+电路图+程序(2)

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4.1 激光器的选择 27

4.2 PSD的选择 28

4.3 实验器材和设计 29

4.4 实验结果与分析 30

结论 34

致谢 35

参考文献36

附录A FPGA程控程序 38

附录B 单片机程控程序 41

附录C FPGA核心电路图 49

附录D 电路板实物图 50

1 绪论

位置敏感探测器（position sensitive detector,简称PSD）的原理是半导体光伏效应，具体来说是半导体P-N结的横向光电效应，是一种连续的模拟探测器件。当光点照射在一个P-N结，沿着P-N结的每个平面出现光生电位。光生电位产生向平面电极分发的光电流，肖特基在1930年首次发现这种现象并称之为横向光电效应，随着人们对这种现象的逐渐认知，Lucovusky在1960年经过数学和物理推导得到了可以定性描述横向光电效应的Lucovusky方程，这为以后的PSD研究打下了坚实的理论基础[2]。在同类型产品中，它具有较好的检测精度，同时分辨率和响应时间可以达到微米和微秒级，所以PSD良好的性能指标就决定了他在高精度、自适应的快速智能自动定位测量系统以及需要精确高速定位的测量角度、自动跟踪等高速精密测量系统中的大规模应用[3]。

1.1 PSD移动目标轨迹测量的背景和意义

随着工业和测量定位技术的发展进步，用户对移动目标测量技术提出了愈来愈高的要求，使这一技术向高精度、多自由度、智能自动化和在线动态无接触测量的目标发展延伸。PSD移动目标轨迹测量在工业检测与监控、军事、医疗、机器人传感、航空空间等诸多领域倍受青睐。它还特别适用于需要非接触式传感器作为检测装置的一些比较特殊的测量场合(如位移、材料的物理参数检测等)，而且是在现代工业、现代军事运用十分广泛的一种移动目标轨迹测量系统。虽然位置敏感探测器已经经过几十年的发展，但是还有很多问题亟待解决。

首先是位置敏感探测器PSD由于制作水平的局限和其他物理环境的影响，会导致各种检测误差的出现，从而导致移动目标轨迹的测量出现偏差，影响测量精度。例如从PSD的工作原理和结构来说，暗电流是无法避免的，暗电流是器件在反偏压条件下除入射光信号以外产生的电流，是噪声信号的一种[4]。暗电流主要包括PSD界面产生电流和耗尽层产生电流，并且会随着温度变化而变化。理论上来说暗电流的数值会随着反偏电压的增大而增大，但是实际测量后发现变化并不明显。所以由暗电流带来的误差可以通过合理选择PSD的结构和偏置电压的大小来降低，从而提高目标轨迹测量的精度。再者，结电容是影响PSD响应速度的一个因素，而反偏电压和结电容成反比关系，和暗电流成正比，而且反偏电压的选择不能大于器件允许的最大反偏电压，否则器件会遭受损害。实际测量中，反偏电压对光电流的影响并不大，所以由反偏电压和结电容带来的误差几乎可以忽略。温度会影响暗电流的大小，所以实验温度应该保持恒温。在实际实验中，PSD的感光面的不同区域是有不同误差的，如图1.1所示：

PSD感光面的不同区域