位置敏感探测器PSD特性的试验研究

　　1　引　　言

　　位置敏感探测器PSD,是能够连续检测光点位置的非分割型元件。它探测光点位置的基本原理是基于横向光电效应[1]。由于PSD具有较高灵敏度、良好的瞬态响应特性以及紧凑的结构和简单的处理电路而备受工程界的青睐,在航空对接、精密对中、振动测量等诸多领域得到了应用[2～4]。本文作者在进行无导轨三坐标系统[5]的研究中,分析了PSD特性对测量系统的影响,为其应用于测量领域提供了理论与试验依据。

　　2　PSD的非线性

　　PSD的输出特性如图1所示。中心点定义为电气信号零的位置,理论曲线定义为表示受光面中心±1/3范围平均灵敏度的输出直线。理论曲线与实际输出线的偏差表示PSD的线性误差。其直接影响整个测量系统的测量精度,因此,需对其线性误差进行评定并校正。

　　日本东北大学清野慧教授提出自律校正的理论和方法[6～7],其校正原理与校正系统和过程参见参考文献[8],检测过程复杂。本文采用数学校正的方法,将PSD和光源放置在相互平行的两个导轨上,使光源沿平行于PSD光敏面的方向运动,光源每次位移确定的量,测得PSD的输出曲线,用最小二乘法拟合该曲线,得到的拟合曲线即认为是修正了非线性误差的PSD输出。图2为试验所得到的PSD的非线性校正曲线图。

　　3　PSD的温度特性

　　位置敏感器件PSD对温度较敏感。环境温度的改变会影响器件的灵敏度和暗电流。PSD的暗电流随着温度的上升而按指数规律增加,图3是PSD的灵敏度与温度的关系曲线

　　从图中可看出,当入射光波长小于950nm时,温度变化对灵敏度基本无影响,但当波段大于950nm时其灵敏度随温度变化较大。此外,PSD输出也会随环境温度的变化而变化,为此需对PSD的温漂进行定量评价,得到PSD输出与温度漂移的数量关系。图4为测定PSD的温漂电路。其中AD592为AD公司生产的高精密线性温度传感器,将其贴附在位置敏感器PSD表面,感受温度变化。AD1403为高性能稳压块,提供2.5V的稳定电压。当AD592感受1℃的温度变化时,AD741的输出变化100mV。实验时,暗室,空调开放,室温27℃。PSD温度电压输出为2.145V,加热,使PSD升温,电压输出升至2.282V,依据电压改变与温度改变的对应关系为100mV～1℃,因此PSD温度变化为(2. 282 -2.145)×100=1.37℃。相应的PSD输出电压变化:8.7mV。由此得到PSD温漂特性:当PSD所在环境温度变化1℃,PSD输出的变化为:通道1输出电压变化。由于室温变化一般在±0.1℃,所以由温度漂移引起的PSD输出变化可以忽略。

　4　PSD的光学定位特性

　　4.1　背景光对PSD定位特性的影响