硕士研究生答辩讲稿

横向光电效应

半导体光电位置敏感器件是一种对其感光面上入射光点位置非常敏感的光电器件。当有光照射P-N结时，半导体吸收光子后激发出电子-空穴对，在结电场作用下是空穴进入P区，电子进入N区，从而产生了结光电势。如果入射光仅集中照射在P-N结光敏面上的某一点，则光生电子和空穴亦将集中在结点。由于P区参杂浓度大于N区，因此进入P区的空穴有入射点迅速扩散到整个P区，N区的导电率较低，进入N区的电子将仍集中在入射光点，在P-N结的横向形成不平衡电势，建立了一个横向电场，这就是横向光电效应。

改进表面分流型二维PSD

改进表面分流型二维PSD采用了弧形电极，四侧面结构，信号在对角线上引出。这样不仅可以减小位置输出非线性误差，同时保留了表面分流型PSD暗电流小、加反偏电压容易、响应速度高以及边缘畸变小等优点。

当入射光点位置距各电极距离不同时，四个电极收集的电流强度也不相同，各电极收集到的电流强度与光点在光敏面上位置相对应，取光敏面的几何中心位置为二维x-y坐标原点，PSD的四个电极的输出电流分别为Ix1,Ix2,Ix3,Ix4。若将电极输出电流作适当处理，则光敏面上输出的位置信号仅是位置坐标的单值函数，其光点位置方程为：

Px(X2Y1)(X1Y2)x  （1）X1X2Y1Y2L

(X2Y2)(X1Y1)y（2）  X1X2Y1Y2LPy

光学原理

高精度多功能激光准直仪的光学系统主要采用双光束消漂移的方法来提高激光光线的准直精度。

当He-Ne激光器发出的激光光线经过凹透镜、凸透镜、光阑和滤光器以后，打到分光器（镀有半反半透膜）上被分为垂直的两束光线，其中经过分光器反射的向下的直线再经过平面反射镜1的反射，进入到五角棱镜和直角屋脊棱镜后其漂移方向正好和透过分光器1的平行直线相反。如果直接用这两束光线做准直基线，这样会使光靶的设计更为复杂，可以在光学系统中加入反射镜2和透镜3，将上下两束光线合为一束光线，这样当原光束有漂移的时候，合成的光线将变为椭圆形的光束，光束的能量重心是不漂移的，由于光靶采用只对光束能量重心位置敏感的位置敏感探测器PSD，这样可以消除大部分杂散光和背景光，激光束的准直精度得到了大大的提高。

直线度测评软件的设计分析

直线度误差测评软件结合高精度多功能激光准直仪实现了直线度误差的动

态连续实时测量、静态测量，而且结合直线度误差的两类测量方法（角差法和线差法）和直线度误差的两种主要评定方法（两端点连线法和最小包容区域法）实现了可与多种直线度误差测量仪器的配合使用。

直线度测评软件的特殊功能及实现

本系统所设计的软件主要的任务有：交互式界面的设计、PSD光靶的等间距移动控制、数据采集和数据输出评测等等。为了方便使用，软件设计时编写了求斜率子程序、求直线上点的坐标函数、凸多边形法子程序等多种子程序和函数，方便程序调用和实现一些特殊功能，如算法转换功能等。在软件中，我们通过使程序模块化的方法来实现各个特殊功能。要实现某个功能，只需要调用该程序即可。

直线度测评软件的测量方法

角差法用自然水平面或光线作为测量基准,将被测表面分为若干段,用水平仪或自准直仪等小角度量仪,采用节距法逐段测出每段前后两点连线与测量基准之间的微小角度,然后经过数据处理,求出直线度误差。采用角差法进行直线度误差检测的优点是测量方便实用,缺点是测量时存在累积误差且数据处理比较复杂,需要将测量值进行一定的转换变成相对统一基准直线的累积值后,再应用两端点连线法或最小包容区域法等数据处理方法评定出直线度误差。

线差法用模拟法建立理想直线,然后把被测实际线上各被测点与理想直线上相应的点进行比较,以确定实际线各点的偏差值。由于线差法测量得到的是相对统一基准直线的偏差值,因此其数据处理要比角差法简便,可直接应用两端点连线法或最小包容区域法评定出直线度误差。

直线度测评软件的评定方法

形状误差的评定，是以被测实际要素相对于理想要素的最大变动量来确定的。由于直线度误差曲线的不同，理想要素(理想直线)的位置也是浮动的。评定直线度误差时根据理想直线的确定方法不同，可分为神经网络法[37-38]、两端点连

[39-42]线法、最小区域法和最小二乘法。

两端点连线法

两端点连线法评定直线度误差，是以误差曲线的首尾两个端点的连接直线作为理想直线，误差曲线对于该理想直线的最大变动量即为直线度误差。对于给定平面内的直线度，就是按误差曲线两端点连线的方向做两平行直线，包容误差曲线，且以其纵坐标方向的最小距离作为直线度误差值。

最小区域包容法

将离散的误差值连接成误差折线，并将露在最外围的那些点连接成封闭的凸多边形，则各凸点到其对应的凸边的最大纵坐标距离，即为直线度误差

直线度测评软件的主要组成部分

本系统的整个软件采用了模块化的设计来完成数据采集、动静态测量以及数据显示和储存等等工作。软件的模块功能及模块之间的关系如图4-10所示。

用户界面模块： 操作人员来完成指令操作和结果显示；

标定模块：完成准直系统的标定工作，为以后的准直提供基准；

自动测量模块：实现准直自动实时测量，采样时间可以通过用户界面来设定； 手动测量模块：实现准直的单点测量，目的性强，操作简单；

数据采集处理模块：与硬件系统相联系，取得模拟信号的数值，并进行处理； 方法通道转换模块：实现不同通道数据的提取和评定；

数据显示模块：完成数据测量的实时显示；

数据存储模块：对数据进行格式化便于存储和后期记录分析。

直线度测评软件的关键技术

（1）DAQAI控件的属性

● CyclicMode

循环模式的设定。True为Cyclic循环方式，False为non-Cyclic非循环模式。这个程序是针对驱动而言，与板卡硬件无关。

在非循环方式下，驱动程序执行完一系列操作后会停止。对于A/D而言，它会完成一系列转换后，将数据存储到制定的区域，然后停止。

在循环方式下，除非你发出一个停止的指令，否则它不会停止操作。在将数据存储到缓存区末尾时，它会从缓冲区的开始端重新操作。对于A/D而言，这种方式会循环地覆盖缓冲区。可以采用循环方式来采集实时性很高的数据。 ● StartChannel

开始输入的通道号。

● NumberOfChannes

输入的通道数。从StartChannel中描述的通道号开始计算，在硬件多通道输入时，要分别对StartChannel与NumberOFChannels的属性设置。

● DataType

指模拟量输入返回值类型的设置。adRaw为二进制或十六进制形式，adRaw为实型形式。

● TransferMode

数据传输模式。adSoftTrig-软件触发，adINTTrig-中断触发，adDMATrig-DMA触发。

● FIFOEnable

FIFO终端的使能状态选择，取决于硬件设备。

● FIFOSize

返回FIFO的大小。

● NumberOfSamples

采样数值。在软件触发方式中，NumberOfSamples一般要设置为FIFO的一般的整数值，也就是FIFOSize的整数倍。在使用FIFO的中断方式下，NumberOfSamples要设置FIFoSize的整数倍，并且还要设置为采样通道数的整

数倍。在DMA触发方式中，NumberOfSamples的设置至少要在4KB。

● EventEnabled

DAQAI的时间触发的使能状态设置。

（2）DAQAI控件的方法

● SelectDevice

此方法是用来选择所需要的板卡设备的。当调用此方法后，程序运行时就会弹出一个对话框来选择所需要的板卡，并会把所选择板卡的板卡号返回给DeviceNumber属性。

● RawInput 与 RealInput

是板卡设备用来采集单个数据时所使用的两种方法。RawInput返回的是二进制的数值，而RealInput返回的实数型的数值。这两种方法都需要设置参数，以说明具体的输入通道号。

● AcquireStart 与 AcquireStop

是板卡设备用来采集连续的数据是所使用的方法。AcquireStart是用来启动连续数据的采集，AcquireStop是用来停止连续数据的采集。

● GetBufferData 与GetBufferDataEx

是手动取回在内部缓存器中的数据的两种方法。这两种方法中的参数分别为：起始的缓存器的位置、存取的数据的个数，并返回内部缓存其中的数据。而在Visual Basic.NET中要用GetBufferDataEx来代替GetBufferData。

（3） DAQAI控件的事件

在使用DAQAI控件的事件之前，必须在控件的EventEnabled属性中将其设置为True。

● OnEventRaw 与OnEventReal

这两个事件是在采样个数达到NumberOfSamples中所设置的数值时才被触发。这两个事件是根据DataType来确定的。若DataType为adRaw，则控件响应的事件为OnEventRaw；若DataType为adReal，则控件响应的事件为OnEventReal。通过这两个事件中的各自的参数（DataCount和Data）可以取回采样数据。

● OnTerminated

此事件是在非循环的模式下，当采样个数达到NumberOfSamples中所设置的数值时被触发。

系统光源误差

He-Ne光源并不是理想的点光源，其发出的光线存在一定的发散角。当移动到一定的距离时，PSD接收信号的信噪比降低[43-44]，进而系统的精度也降低了。另外系统光源如果长时间工作的话，温度会升高，进而使得光线产生震动漂移，进而影响了系统的稳定性。

PSD的非线性误差及处理电路误差

PSD的输出电流并非与光点的位移成线性关系，当光点越靠近中心，其非线性误差就越小。为了减小非线性误差，采用通过光学系统压缩位移范围，使光点的运动限制在PSD线性度较好的范围内达到减小非线性误差的目的。

PSD信号处理电路大多采用的都是模拟器件，而模拟器件容易受温度、电压和外界信号的影响，输出存在不稳定性。本系统虽然采用了低漂移高输入阻抗型运算放大器的OP400，但零点漂移和温漂不能完全消除，进而对测量存在着影响。 系统传动误差

当系统运行时，由于机械结构上的不稳定性以及一些连接部件之间的蠕变，会造成激光的漂移，产生与PSD器件的相对抖动，这都不可避免的对系统测量带来影响。另外如果电机长时间工作会发热，其温度有时会相当高，这也会影响电机传动，进而影响系统测量。

总结与展望

PSD是一种极具特色和应用前景的一种光电位置敏感器件，围绕PSD的研究也将更加深入，作者认为可以进行以下几方面的探讨：

1.光源选择方面，选择更加理想的光源，减小发散角，提高光线的稳定性，尽量缩小光斑的大小。随着集成度的提高，可以将光源和PSD整合成密闭的无杂散光的器件，这样可以尽量消除外界杂散光的影响。

2.目前PSD只适用于单点测量，还不能对多点进行同时测量。随着CMOS技术的发展，PSD的集成度、效率会更高，功耗、暗电流等影响因素会更低。

3.在PSD处理电路中，当信号非常弱的时候，可以加入反馈控制，控制电路使得信号输入也按比例增大，提高信噪比，进而提高系统的测量精度。另外PSD电路中是模拟信号，很容易受到外界的干扰，如电磁干扰等，可以采用如下措施来减小模拟器件带来的误差：减少与前置放大电路的距离或采用屏蔽措施，采用高阶滤波电路提高信噪比；减少处理电路的器件，比如除法器可以用软件来代替。

4.Visual Basic有其自身的优点，但对于现阶段来说VB的运行速度相对与其它编程软件来说速度稍慢，界面过于呆板，与硬件之间的通信相对复杂。如今随着编程软件的开发升级，涌现出一些高性价比、功能比较完善的系统开发软件，如：matlab是个功能非常强大的软件，其中Data Acqusition Toolbox 2.8提供了一套设置较为完善的，可用于多种兼容PC的数据采集硬件上进行模拟输入、输出和数字输入、输出设置的工具。同时，该工具箱允许配置自己的内部硬件设备、将真实数据送入MATLAB进行即时分析和输出数据。用户可以自定义采集量，读取硬件设备的固有属性，还可以把MATLAB以及相关工具箱相结合，应用于用户所需的设计。

总体来说，本文设计的高精度激光准直仪功能强大、界面简单、容易操作、价格简单，便于使用、维护和开发。