实验题目：基于一维 PSD 的微小位移测量系统设计

1. 实验内容与任务（限 500 字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否有不同层次的要求

1）采用一维 PSD 传感器，设计系统测量±5mm 范围内的微小位移；
2） 采用半导体激光器，非接触式无损测量的方法，自行设计测量系统；
3）要求：测量系统输出电压倍率可调，输出电压零点位置可调。

2. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在自学预习、思考讨论、设计电路、软件仿真、构建平台、选择器件、设计过程、设计表格、观察现象、测试数据、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1）掌握一维 PSD 位置传感器工作原理、输出特性、非接触式测量微小位移的方法；
2）查找一维 PSD 的尺寸、测量范围、输出精度、信号形式、非线性曲线等参数；
3）选取合适的一维 PSD 器件后，根据需求选取供电电源，设计 PSD 供电电路、电流-电压转换
电路、加法/减法电路、放大电路、电压调零电路等；
4） 满足实验任务要求，系统输出电压倍率可调，输出电压零点位置可调；
5） 完成电路系统设计，并在 Multisim软件中完成仿真；
6） 根据仿真结果，选取芯片、元器件等，基于面包板搭建测量电路系统；
7） 选取精度为 $0 . 0 1 \mathrm { m m }$ 的螺旋测微装置，标定系统电压与位移的对应关系，建立标定数据库；
8）撰写实验报告，以 PPT 的形式，各组交流系统设计、电路仿真及搭建过程中的问题和心得。

3. 相关知识及背景（限 150 字）

实验涉及知识、方法、技能

PSD 全称是位置敏感探测器，属于光电测距器件。PSD 具有横向光电效应，对入射光的位置敏感，且与光斑尺寸无关，因此可获得目标位置连续变化的信号。该实验涉及光电传感技术、光电检测技术、模拟电子技术等，并采用标定建立数据库的方式，完成非线性器件的应用测量。

4. 教学目的（限 100 字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

本实验由工程项目抽象而来，引导学生了解光电传感技术、光电检测技术、模拟电子技术等，并引导学生根据需要选取元器件、设计电路、仿真电路、搭建电路并调试，构建测试系统，标定并建立数据库。

5. 实验教学与指导

实验前讲课内容，如：知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的指导或引导。

本实验经历学习研究、方案论证、系统设计、电路仿真、器件选取、组装调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）学习一维 PSD 的基础知识，掌握一维 PSD 的工作原理、输出特性、测量微小位移的方法，并能够根据任务要求，选择适用的传感器，并搭建测量系统。

2） 掌握一维 PSD 输出信号的形式、幅值、驱动电压、非线性度等，并设计后续的电流-电压信号转换和放大电路。
3） 实验中位移信号的来源主要取决于 PSD 输出电流的差值，可以利用电流差值直接测量，也可以利用电流差值与总电流的比值进行测量。系统统一要求采用同型号集成放大器（实验室提供 LF412CN）。
4） 由于一维 PSD 输出的电压值与光斑位置信息存在非线性关系，因此需要针对测量系统，进行电压-位移的数据标定；实验中配备精度为 0.01mm 的螺旋测微装置，模拟微小位移变化量，以获得标定数据库。
5） 在软件仿真时，除了需要考虑电源的滤波、降噪、保护外，还需考虑 PSD 输出电流幅值与后续电路放大倍率的匹配问题，避免输出电压饱和。仿真完成后，调试电路并搭建测量系统，标定电压-位移关系数据库。
6） 系统标定完成后，对微小形变进行实际测量，并以现场答辩的形式进行交流。

在设计中，要注意测量系统的可行性，电路系统的规范性，要注意元器件参数的选取，并考虑整体电压输出的饱和区间，同时给系统使用者提供倍率调节、电压调零的功能；在调试中，要注意保护工作电源，考虑电源成本并予以滤波降噪，并在标定过程中有足够的耐心，对电压-位移关系进行准确的记录。

6. 实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的技术、电路、器件。

一维 PSD的结构及工作原理

PSD是一种基于横向光电效应的位置传感器件，它可将光敏面上的光斑位置信息转化为电流信息。当一束光射到PSD的光敏面上时，不同电极间会有电流流过，这种电流随光斑位置而变的现象就是半导体的横向光电效应。如图l(a)所示，一维PSD由P、I、N三层构成，P层为感光面，两边有信号输出端；I区是光电转换区，灵敏度高，响应速度快；底层N是反偏电压区。

图1 PSD内部结构示意图、等效电路图

等效电路如图1(b)所示，入射光照射PSD感光面，产生电流I0；入射光到信号输出端存在横向电势，假设负载电阻均为RL，光电流将分别流向两个信号输出端，设为I1和I2。I1和I2的大小取决于等效电阻R1和R2。假设PSD表层电阻均匀，则R1和R2的阻值取决于入射光位置，即I1和I2的大小与入射光位置X正相关。

一维 PSD测量电路及分析

1、电路框架

2、整体电路

图 2 一维 PSD 转换电路原理图

根据 PSD原理及上述公式的推导，转换电路首先应对 PSD进行反向电压偏置，输出的电流进行电压转换，再通过加、减运算放大器进行预置相加和相减运算，然后根据需要，对相减信号进行可调倍率放大，通过可调基准电压进行零值比较，最终得到与光能大小无关的位置信号。电路中放大倍率的调节，通过可调电阻 R14 实现；电压零点的调节，通过可调电阻 R23 实现。为了模拟入射光在 PSD感光面上的移动，可引入直流源 I1，通过可调电阻 R24 的变化改变输入电流值。

3、仿真结果

图3 Multisim示波器仿真图

通过连续改变可调电阻 R24 的阻值，应能在输出端接收到随输入电流而变的电压值，如图3 所示。同时，改变可调电阻 R14 的阻值，应能实现放大倍率的调节，并且总电压输出不饱和；改变可调电阻 R23 的阻值，应能实现电压零点的调节。

4、典型测量系统

图 4 一种典型测量系统示意图

一种典型的测量系统如图 4 所示，可将圆形反射镜贴放于待测物体表面，然后在物体后放置顶针，以模拟物体的微小形变。当顶针旋转向前时，物体发生形变，反射镜随之向前移动，使得半导体激光器反射光斑的位置发生改变，从而在 PSD 上采集相应的位置信息。

7. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验需求分析
2） 测量系统方案设计
3） 电路设计与器件选择
4） 电路仿真与调试
5） 实验数据记录
6） 标定数据处理
7） 实验结果总结

8. 考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1） 测量系统方案设计：方案合理，计算方法准确。
2） 电路仿真设计：电路设计合理，仿真软件使用熟练。
3） 电路调试：器件选择合理，电路搭设准确，电路功能完整，具备自主思考与独立实践能力。
4） 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择的合理性，成本核算与损耗。
5） 实验数据：测试数据和测量误差。
6） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

9. 项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色在于：本项目由工程科研实例抽象而来，综合应用光电传感技术、光电检测技术、模拟电子技术等，并可以综合训练学生方案设计、电路仿真、电路调试、系统搭设等不同环节的能力。

实验案例信息表