位置敏感探测器的微弱光电流检测系统研究

摘要

电子测量技术与仪器是现代信息技术的基础。当前信息化高速发展过程中，无论是科学研究还是工业生产，都经常需要对被测物体表面的相对距离和方位进行测量，而目前的测量方式主要有接触式和非接触式两种。其中光电位置敏感探测器(Position Sensitive Detector，PSD)是一种非接触式检测投射在其表面的光斑中心位置的简单器件，只需要少数几个光电输出信号便可从其相对程度计算出被探测的位置信息。
　　 PSD可以工作在较宽的光照范围内，在毫瓦级功率激光的照射下，PSD可以产生数百微安的光电流，但随着光强的减弱，PSD输出光电流的大小也会大大减弱，甚至低至数纳安，此时对PSD每个电极的输出信号进行放大及检测都需要用到弱电流检测技术。众所周知，微弱电流的测量是目前测试测量领域的一项难颢，因为微弱电流状态下的噪声和干扰将极大影响到测试系统的分辨率、动态范围、信噪比和结果重复性，因此微弱电流测量技术成为测试测量领域里非常重要的方面。
　　 本文首先对目前国内外微弱电流测试理论及方法进行了分析研究，对常见的硬件和软件检测方法各自的优缺点进行了对比分析，在此基础上设计了软硬件结合的微弱电流检测电路。针对以PSD为信号源的微弱光电流输出，本文设计了位置敏感探测器输出光电流检测系统，最终实现了在弱光(光照度约为11x)条件下，对微小位移的精确测量，并通过编写的上位机软件计算分析和显示入射光斑的中心位置及其运动参数。另外，在进行微弱电流检测系统的设计中，本文也从测量精确度、可靠性和经济性等角度进行了相关考虑，合理的设计了微弱信号测量电路，从系统的设计、制作、调试和软件技术等方面综合提高了系统的测量精度和抗干扰性能，并降低了生产成本。
　　 本文设计了基于位置敏感探测器的微弱光电流信号检测系统，同时实现了对微小位移的实时检测，可以广泛应用于远程光学控制系统、位移和振动监测、自动范围探测系统以及机器人运动及分析系统等。另外，本系统的模块化结构设计也对类似的测量仪器的研制开发提供了借鉴的经验和思路。
　　 最后本文在设计的系统实物基础上对系统进行了全面的性能测试，并对系统的测量分辨率、动态范围、信噪比和测量结果的可重复性等数据进行了相关分析，最终实现了所有设计目标。