基于位置敏感探测器的微小形变测量系统
发布时间：2021-01-07 06:18
现代桥梁、舰船、飞机等由于受到温度、风浪、气压等外力作用,易发生微小形变,存在一定的安全隐患。因此,为了确保大型结构或设备的可靠性及安全性,需要进行微小形变的测量。但随着光学技术、传感器技术和计算机技术的快速发展,形变测量系统面临着越来越高的要求,不仅要具有高精度的性能,还要进一步实现快速化和智能化,并且要保证测量系统的重复性和稳定性。这使得传统的测量方法如电阻应变计法、千分表法等具有一定的局限性。目前,快速智能的光电检测技术得到了广泛关注,但现有的光电测量常选择电荷耦合器件作为探测传感器,其分辨率受限于本身像素的大小难以提高,响应速度也较低。本文设计一种基于位置敏感探测器（Position Sensitive Detector,PSD）的微小形变测量系统,其中PSD是一种基于横向光电效应的半导体器件,具有位置检测精度高、响应速度快、无测量死区以及对光学系统要求较低等优势,可代替其他光敏器件有望克服现有测量技术的不足,实现高精度的微小形变测量。本文的主要研究工作如下:1.针对现有微小形变测量方法的不足,提出基于PSD传感器成像法的测量方案。在掌握PSD基本原理及性能指标的基础上,选定微...
【文章来源】：中央民族大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１微小形变测量系统总体设计??
效应。横向光电效应不仅可以有效地检测入射光强度，而且还可以用于分析入射光斑的??位置。??！?ｘｂ?；?；??ｈ?！??输出ｉＸ２１?＾出ｉＸｌ??电极???Ｌ——＿１．．．＝１＾＞｜１｜电极１＼??＇?Ｊ?＇?—Ｐ?层??Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ?Ｉ?＾—Ｉ层??Ｉ?￣＼￣ＵＮ?层??公共电极丨??Ｉ?ｉ??Ｎ?Ｎ??１?有效长度Ｌ?１??图２－２?ＰＩＮ型横向光电效应原理图??横向光电效应的电场分布方程式为：??？？ｉｒ?Ｐｄｊｄ＼?ｆｑＵ＼?Ｊ?ＣｄｐｄｄＵ?ｐｄｊｓ??ｖｕ－＾［ｅｘｎｉＰｒ）－１＼－－ｗ＾＾＝￣Ｗｄ?（２－”??其中，ｇ是电子电荷量（１．６＊１（Ｔ１９Ｃ），ｔＭ／（ｘ，ｙ；ｔ）是结电势差（Ｖ），?１４／ｄ是结区非耗尽??层Ｐ层的厚度（ｆｉｍ），／ｄ是反向饱和电流密度（（ｉＡ／ｃｍ２），ｐｄ是结区电阻率（ｎ＊ｃｍ），?ｒ是热??力学温度（Ｋ），／ｓ是光电流密度（ｎＡ／ｃｍ２），Ｃｒｆ是结面积的每单位面积电容（ｐＦ／ｃｍ２ｈ?是??玻尔兹曼常数（１．３８＊１（Ｔ２３Ｊ／Ｋ）。??２．３．２?ＰＳＤ的基本结构类型??由于一维ＰＳＤ只能输出单方向＿的位移量，对被测物有一定的限制，因此本文主要对’??二维ＰＳＤ进行分析，二维ＰＳＤ具有两对输出电极（Ｘ＾?ＸｄＰＹｐ?Ｙ２），按结构分为Ｄｕｏ－??ｌａｔｅｒａｌ和Ｔｅｔｒａ－ｌａｔｅｒａ丨类型［１６，１７］。在Ｔｅｔｒａ－ｌａｔｅｒａｌ型ＰＳＤ中，提供了一种具有改善的光敏??区域和电极的Ｐｉｎ－ｃｕｓｈｉｏｎ型ＰＳＤ［１８］。不同结构类型的ＰＳＤ，其内部等效电路都略有不??同。??（１）?Ｄｕｏ－ｌ
①?②??④ＣＡＴＨＯＤＥ?（丫２＞?？?＿＿＿?Ｒｐ??？??①ＡＮＯＤＥ?Ｉ￣ｆｖｗｗｗ＾ｗＪ￣Ｉ??”Ｄ：［ｃｊ｜Ｒｓｈ??②?ＡＮＯＤＥ?（Ｘ２）?「了?＊—＾－｜??ｙｒ?Ｉ—ｒ／ｗ＊ｗｖｗ＇／＇／ｗｖ＊ｉ—Ｉ??③ＣＡＴＨＯＤＥ?（Ｙ１）?Ｒｐ?Ａ??Ｃ３）?⑷??图２－３?Ｄｕｏ－ｌａｔｅｒａｌ型ＰＳＤ的结构及等效电路图??Ｄｕｏ－ｌａｔｅｒａｌ型ＰＳＤ将图２－２中的Ｎ层进行处理形成电阻层，并在两面上形成呈直角??排列的两对电极，分别为Ｘ电极和Ｙ电极。Ｘ位置信号从上表面的Ｘ电极中提取，Ｙ位??置信号从下表面的Ｙ电极中提取，如图２－３所示。Ｄｕｏ－ｌａｔｅｒａｌ型ＰＳＤ产生的信号电流是??Ｔｅｔｒａ－ｌａｔｅｒａｌ型的两倍，因此可获得更高的位置分辨率。另外，与Ｔｅｔｒａ－ｌａｔｅｒａ丨型相比，??Ｄｕｏ－ｌａｔｅｒａｌ型的电极不紧密靠近，具有极好的位置检测特性。??（２）?Ｔｅｔｒａ－ｌａｔｅｒａｌ?型?ＰＳＤ??Ｔｅｔｒａ－ｌａｔｅｒａｌ型ＰＳＤ的结构及等效电路如图２－４［４９］所示。??①?④??＂■綠②??？ａｎｏｄ＾＾＾＾ＯＤＥ（Ｘ２）?ｌＴＨ??■——〇?⑤?ＣＡＴＨＯＤＥ?Ａ??图２－４?Ｔｅｔｒａ－ｌａｔｅｒａ丨型ＰＳＤ的结构及等效电路图??Ｔｅｔｒａ－ｌａｔｅｒａｌ型ＰＳＤ在上表面沿着四个边缘形成四个电极，各个电极分别提取通过同??一电阻层输出的四部分光电流。与Ｄｕｏ－ｌａｔｅｒａ丨型相比，Ｔｅｔｒａ－ｌａｔｅｒａ丨型ＰＳＤ电极之间的相??互作用通常在有源区域的拐角附近发生，从而使位置失真变大。但是Ｔｅｔｒａ－ｌａｔｅｒａｌ型具有??易于施加的反向偏置电压、较小的暗电流以及
本文编号：2962073
【文章来源】：中央民族大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１微小形变测量系统总体设计??
效应。横向光电效应不仅可以有效地检测入射光强度，而且还可以用于分析入射光斑的??位置。??！?ｘｂ?；?；??ｈ?！??输出ｉＸ２１?＾出ｉＸｌ??电极???Ｌ——＿１．．．＝１＾＞｜１｜电极１＼??＇?Ｊ?＇?—Ｐ?层??Ｉ?Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ?Ｉ?＾—Ｉ层??Ｉ?￣＼￣ＵＮ?层??公共电极丨??Ｉ?ｉ??Ｎ?Ｎ??１?有效长度Ｌ?１??图２－２?ＰＩＮ型横向光电效应原理图??横向光电效应的电场分布方程式为：??？？ｉｒ?Ｐｄｊｄ＼?ｆｑＵ＼?Ｊ?ＣｄｐｄｄＵ?ｐｄｊｓ??ｖｕ－＾［ｅｘｎｉＰｒ）－１＼－－ｗ＾＾＝￣Ｗｄ?（２－”??其中，ｇ是电子电荷量（１．６＊１（Ｔ１９Ｃ），ｔＭ／（ｘ，ｙ；ｔ）是结电势差（Ｖ），?１４／ｄ是结区非耗尽??层Ｐ层的厚度（ｆｉｍ），／ｄ是反向饱和电流密度（（ｉＡ／ｃｍ２），ｐｄ是结区电阻率（ｎ＊ｃｍ），?ｒ是热??力学温度（Ｋ），／ｓ是光电流密度（ｎＡ／ｃｍ２），Ｃｒｆ是结面积的每单位面积电容（ｐＦ／ｃｍ２ｈ?是??玻尔兹曼常数（１．３８＊１（Ｔ２３Ｊ／Ｋ）。??２．３．２?ＰＳＤ的基本结构类型??由于一维ＰＳＤ只能输出单方向＿的位移量，对被测物有一定的限制，因此本文主要对’??二维ＰＳＤ进行分析，二维ＰＳＤ具有两对输出电极（Ｘ＾?ＸｄＰＹｐ?Ｙ２），按结构分为Ｄｕｏ－??ｌａｔｅｒａｌ和Ｔｅｔｒａ－ｌａｔｅｒａ丨类型［１６，１７］。在Ｔｅｔｒａ－ｌａｔｅｒａｌ型ＰＳＤ中，提供了一种具有改善的光敏??区域和电极的Ｐｉｎ－ｃｕｓｈｉｏｎ型ＰＳＤ［１８］。不同结构类型的ＰＳＤ，其内部等效电路都略有不??同。??（１）?Ｄｕｏ－ｌ
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