Gli autori non hanno riconoscimenti.

1. Acquisizione di guadagno dati per uno specchio Galvanometer <ol><li> Fissare lo specchio galvanometro tale che è stabilizzato per proteggerlo da danni oscillando. Non solo lo specchio galvanometro, ma anche il corpo dello specchio galvanometro, si muove se non fissato in posizione utilizzando una maschera metallica misura con un foro circolare per lo specchio galvanometro. Fissare la maschera su una portante ottica ed un banco ottico. </li><li> Collegare i cavi BNC dalla scheda / DA AD tramite una morsettiera alle prese di ingresso e di posizione nel servoazionamento dello specchio galvanometro. </li><li> Programma generatore di funzione sinusoidale come interfaccia utente grafica (GUI) utilizzando l&#39;SDK della AD / DA scheda con C ++, che è in grado di impostare un arbitrario frequenza, ampiezza e durata, come mostrato nella figura 3. NOTA: Questo generatore funzione personalizzata contribuisce a ridurre il costo temporale per gli studi continui passo 1.5, in quanto il processo è condotto molte volte. </li<html> &gt; <li> Impostare la frequenza varia da 100 Hz a 500 Hz a intervalli di 100 Hz, e impostare l&#39;ampiezza variare da 10 mV e 500 mV a 10 mV-intervalli nella GUI. In generale, esistono 250 combinazioni. Per testare 250 combinazioni, un doppio anello è efficiente da implementare. Il primo ciclo è di frequenze da 100 Hz a 500 Hz, che viene realizzato 50 volte. Il secondo anello è per ampiezze da 10 mV a 500 mV, che viene realizzato per 50 volte. </li><li> Aggiungere il segnale percorso sinusoidale nella scheda / DA AD per 2.000 campionamenti come durata nel GUI. Registrare simultaneamente il segnale di posizione dello specchio galvanometro per leggere il valore analogico della scheda AD / DA. In C ++ codifica utilizzando una libreria di AD bordo / DA, utilizzare lo stesso filo per la scrittura e la lettura in programmazione. Calcolare l&#39;angolo corrente di θ specchio galvanometro (scrittura delle informazioni) da questa equazione <img alt="equazione 2" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq2.jpg" /> dove t è il tempo,es / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg /&gt;&quot; è l&#39;ampiezza, ƒ è la frequenza. </li><li> Salvare i dati del segnale di posizione come un file .csv e comprendono il valore della frequenza e ampiezza al suo nome. </li><li> Ripetere i passaggi 1,4-1,6 per 250 iterazioni. </li></ol> 2. Calcolo ottenere coefficienti di pre-enfasi <ol><li> Applicare un filtro mediano per i file CSV (segnali registrati) al fine di evitare gli effetti del rumore. La dimensione spaziale del filtro mediano è 5. </li><li> Eseguire lo script per calcolare il valore picco-picco (corrispondente all&#39;ampiezza moltiplicato per 2), utilizzando MATLAB per ognuno dei file csv, come mostrato in figura 4 (grafico rappresenta i dati del percorso sinusoidale). </li><li> Tracciare i dati picco-picco su un grafico per determinare la linearità ad ogni frequenza, e limitare la regione di utilizzo dell&#39;ampiezza ingresso quando le trame sono non lineari, come illustrato in figura 5. NOTA: La parte non lineare del grafico rappresenta saturazioneil controllo PID; quindi, è consigliabile per evitare di usarle per fissare la limitazione di specificazione di controllo. </li><li> Eseguire una regressione lineare per i dati picco-picco in un foglio di calcolo per ottenere i coefficienti di interpolazione lineare di ciascuna frequenza. In questo processo, cinque serie di piste e intercetta state ottenute. Esse corrispondono alle frequenze da 100 Hz a 500 Hz per ogni 100 Hz. Un&#39;approssimazione della retta di 300 Hz è illustrato nella Figura 5 (A), ed i coefficienti di interpolazione lineare di ciascuna frequenza sono mostrati in Tabella 1. </li><li> Utilizzando quadratica regressione lineare multipla, eseguire interpolazione quartiche per ottenere i coefficienti di interpolazione quartici (coefficienti pre-enfasi) nel foglio di calcolo per i coefficienti di interpolazione lineare di ciascuna frequenza. I coefficienti pre-enfasi sono riportati nella Tabella 2. NOTA: In questa ricerca, i coefficienti di interpolazione lineare variano nella forma di una Quadratic curva; Tuttavia, altri tipi di funzioni, come equazioni quadratiche e cubiche, si applicano se l&#39;errore è minimo. </li></ol> 3. linea amplificazione del segnale basato sulla tecnica di pre-enfasi <ol><li> Eseguire il software che calcola il valore di ampiezza di ingresso aggiornato <img alt="equazione 5" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" /> dal valore ideale ampiezza di ingresso <img alt="equazione 3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> e la frequenza ƒ utilizzando i coefficienti pre-enfasi. <ol><li> Salvare i coefficienti pre-enfasi valori costanti nel software C ++. Quando il dispositivo viene aggiornata, questi valori costanti vengono aggiornati. </li><li> Programmare una funzione <img alt="equazione 7" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq7.jpg" /> nel software C ++ e ottenere i coefficienti di interpolazione lineare. Sostituirli per una i, b i, c i, d i,e E i dall&#39;equazione e Tabella 2. </li><li> Programmare una funzione <img alt="equazione 13" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq13.jpg" /> in C ++ software e di ottenere un valore di ampiezza di ingresso aggiornato <img alt="equazione 5" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" /> per sostituire <img alt="equazione 3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> ed i coefficienti di interpolazione lineare che sono stati ottenuti nel passaggio 3.1.2. </li></ol></li><li> Ripetere i passaggi 1,4-1,6 per tempi arbitrari con <img alt="equazione 5" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" /> usando la tecnica di pre-enfasi nel GUI.NOTE: Per evitare la saturazione della regione di controllo PID, impostare 400 mV fino a 200 Hz, 200 mV fino a 300 Hz, 100 mV fino a 400 Hz e 50 mV fino a 500 Hz. </li><li> Ripetere il punto 2.2 e trama di picco-picco dei dati come un grafico per visualizzare il miglioramento del guadagno. </li></ol> 4. Esperimento su Motion-blur Compensation <ol><li> Preparare un nastro trasportatore che può muoversi a 30 km / h utilizzando un nastro che può aderire a appiccicoso texture. Il nastro trasportatore misura è costituito da un motore a velocità-controllo, una cinghia di gomma di ferro, e così via. Può essere sostituito con il nastro trasportatore pronto che può controllare la velocità. </li><li> Stampare un motivo di fine-tessitura su nastro da stampare e incollarlo sul nastro trasportatore. NOTA: La struttura incollato viene mostrata in Figura 6. Le strisce sono programmati utilizzando una libreria &quot;ofxPDF&quot; in openFrameworks, e l&#39;immagine fotografica è da una società di fotografia. </li><li> Configurare dispositivi ottici come una macchina fotografica, una lente, ed un&#39;illuminazione, come mostrato in figura 2. Posizionare lo specchio galvanometro di fronte alla lente che è collegato alla telecamera, e posizionare l&#39;illuminazione per illuminare il nastro trasportatore. <ol><li> Impostare la frequenza telecamera a 333 Hz, il tempo di esposizione di 1 ms, e il numero di pixel di 848 * 960 (larghezza * altezza). </li><html></ol></li><li> Sincronizzare la temporizzazione di rotazione dello specchio galvanometro e il tempo di esposizione della fotocamera. Nel software, quando l&#39;angolo dello specchio galvanometro arriva la posizione dove iniziare l&#39;esposizione, il programma invia un trigger software nella fotocamera. I tempi di attivazione software è illustrato nella Figura 7. </li><li> Ingresso la velocità del nastro trasportatore v t (30 km / h) e la distanza dalla fotocamera al nastro trasportatore L (3,0 m) per calcolare necessaria velocità angolare ω r dello specchio galvanometro nella GUI come in Figura 8. ω R è calcolato come segue: <img alt="equazione 18" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq18.jpg" /></li><li> Ingresso il ƒ frequenza (330,0 Hz) nella GUI come in figura 8 per calcolare ampiezza di ingresso originale <img alt="equazione 3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> . CalcolareEquazione 3&quot; src = &quot;/ files / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg&quot; /&gt; come segue: <img alt="equazione 19" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq19.jpg" /></li><li> Copia e incolla <img alt="equazione 3" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" /> nel codice sorgente, e ruotare il galvanometro con il valore di controllo θ pre-enfatizzato per servoazionamento galvanometro come segue: <img alt="equazione 20" src="/files/ftp_upload/55431/55431eq20.jpg" /> dove t è il tempo. La figura 7 illustra come θ viene calcolato da A. </li><li> Registrare le immagini quando il nastro trasportatore si muove a v t (30 km / h). NOTA: la figura 9 illustra il movimento del nastro trasportatore. </li></ol>

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	<li>Bass, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook Of Optics. 3, (1995).</li><li>Marshall, G. F., Stutz, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook of optical and laser scanning. , (2011).</li><li>Aylward, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+galvanometer-based+optical+scanner+design.">Advanced galvanometer-based optical scanner design.</a> Sensor Rev. 23 (3), 216-222 (2003).</li><li>Duma, V., Rolland, J. 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F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mathematical+model+of+a+galvanometer-based+scanner:+simulations+and+experiments.">Mathematical model of a galvanometer-based scanner: simulations and experiments.</a> Proc SPIE. 8789, 878915 (2013).</li><li>Mnerie, C. A., Preitl, S., Duma, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+Enhancement+of+Galvanometer+Scanners+Using+Extended+Control+Structures.">Performance Enhancement of Galvanometer Scanners Using Extended Control Structures.</a> 8th IEEE International Symposium on Applied Computational Intelligence and Informatics. , 127-130 (2014).</li><li>Mnerie, C., Preitl, S., Duma, V. -. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+architectures+of+galvanometer-based+scanners+for+an+increased+precision+and+a+faster+response.">Control architectures of galvanometer-based scanners for an increased precision and a faster response.</a> Proc of SPIE. 8925, 892500 (2014).</li><li>Farjad-rad, R., Member, S., Yang, C. K., Horowitz, M. A., Lee, T. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+0.4-+m+CMOS+10-Gb/s+4-PAM+Pre-Emphasis+Serial+Link+Transmitter.">A 0.4- m CMOS 10-Gb/s 4-PAM Pre-Emphasis Serial Link Transmitter.</a> IEEE J Solid-State Circuits. 34 (5), 580-585 (1999).</li><li>Buckwalter, J. F., Meghelli, M., Friedman, D. J., Hajimiri, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase+and+amplitude+pre-emphasis+techniques+for+low-power+serial+links.">Phase and amplitude pre-emphasis techniques for low-power serial links.</a> IEEE Journal of Solid-State Circuits. 41 (6), 1391-1398 (2006).</li><li>Le, S., Blow, K., Turitsyn, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Power+pre-emphasis+for+suppression+of+FWM+in+coherent+optical+OFDM+transmission.">Power pre-emphasis for suppression of FWM in coherent optical OFDM transmission.</a> Opt exp. 22 (6), 7238-7248 (2014).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Questo articolo presenta un procedimento capace di ampliare la gamma di frequenza sinusoidale di ottenere elevata precisione di traiettoria con controllo PID. Perché la risposta di uno specchio galvanometro è limitata dalla sua inerzia, è fondamentale utilizzare uno specchio galvanometro quando il percorso di controllo è ripida. Tuttavia, in questa ricerca, proponiamo un metodo per migliorare le specifiche di controllo e quindi provare il metodo ottenendo risultati sperimentali. Nel nost...

Vari attuatori ottici ei metodi di controllo adatte per varie applicazioni ottiche sono stati proposti e sviluppati 1, 2. Questi attuatori ottici sono in grado di controllare il percorso ottico; specchi galvanometro soprattutto offrono un buon equilibrio in termini di precisione, velocità, la mobilità, e costano 3, 4, 5. In realtà, il vantaggio offerto dalla velocità e la precisione di specchi galvanometro ha portato alla realizzazione di una varietà di applicazioni ottiche, come il monitoraggio di destinazione e il disegno, il controllo di scansione, e la compensazione 6, 7, 8, 9, 10 moto-sfocatura, 11, 12. Tuttavia, nel nostro precedente Compensati motion-blursul sistema, uno specchio galvanometro utilizzando un proporzionale-integrale-differenziale (PID) controllore fornito un piccolo guadagno; perciò, è stato difficile ottenere una frequenza più alta e una maggiore velocità 11. D&#39;altra parte, il controllo PID è un metodo ampiamente utilizzato, in quanto soddisfa un certo livello di precisione 13 inseguimento. Una varietà di metodi sono stati proposti per correggere il guadagno nel controllo PID. Come soluzione tipica, PID sintonizzazione parametro di controllo viene effettuato manualmente. Tuttavia, ci vuole tempo e abilità speciali da mantenere. Un metodo più sofisticato, una funzione di auto-tuning per determinare automaticamente i parametri, è stato proposto ed è ampiamente utilizzato 14. La precisione di monitoraggio per operazioni ad alta velocità è migliorata utilizzando la funzione di autotuning quando il proporzionali P aumenta il valore di guadagno. Tuttavia, questo aumenta anche il tempo di convergenza e rumore nella gamma di bassa velocità. Quindi, la precisione di rilevamento non èt necessariamente migliorato. Anche se un controllore di auto-sintonizzazione può essere sintonizzata per impostare i parametri adatti per il controllo PID, la sintonizzazione introduce un ritardo a causa della necessità di ottenere parametri adatti; Pertanto, è difficile adottare questo metodo in applicazioni in tempo reale 15. Un controllore PID esteso 16, 17 e un controllore predittivo estesa 18 sono state proposte per estendere il controllo PID generale e per migliorare le prestazioni di inseguimento di specchi galvanometro per una varietà di percorsi di tracciamento, come le onde triangolari, a dente di sega, onde e onde sinusoidali. Tuttavia, in quei sistemi, il sistema del galvanometro è stato considerato come una scatola nera, mentre è stato richiesto un modello del sistema di controllo, e il sistema di controllo non è stata considerata come una scatola nera. Quindi, tali metodi richiedono che il loro modello per ogni singolo specchio galvanometro essere aggiornato. Inoltre, sebbene Mnerie et al. convalidato il loro metodo di focusing su un&#39;onda output dettagliato e fase, la loro ricerca non includeva l&#39;attenuazione dell&#39;intera onda. Infatti, nella precedente ricerca 11, il guadagno era significativamente diminuita quando la frequenza sinusoidale era alto, indicando in tal modo la necessità di compensare il guadagno dell&#39;intero onda. In questa ricerca, la nostra procedura di compensazione del guadagno con controllo PID 12 è basato sulla tecnica di pre-enfasi 19, 20, 21 -a metodo per migliorare la qualità o la velocità di comunicazione in comunicazione ingegneria che consente la costruzione di un sistema sperimentale che utilizza apparecchiature esistenti. La Figura 1 mostra la struttura del flusso. La tecnica di pre-enfasi è in grado di ottenere in anticipo il valore di uscita desiderato da un valore di ingresso, dove il controllo PID non è efficace, anche se lo specchio galvanometroe il suo controller sono considerati come scatole nere. Ciò consente loro di ampliare la frequenza e l&#39;intervallo di ampiezza in cui un guadagno di 0 dB può essere ottenuta senza ottimizzazione dei parametri di controllo PID. Quando il guadagno è amplificato, le caratteristiche di risposta dello specchio galvanometro generalmente differiscono a frequenze diverse, e quindi, necessitano di amplificare ogni frequenza con coefficienti di amplificazione. Pertanto, un&#39;onda sinusoidale è adatto per la tecnica di pre-enfasi, in quanto v&#39;è una sola frequenza in ciascuna onda sinusoidale. In questa ricerca, perché applichiamo compensazione del guadagno per realizzare la compensazione del movimento-sfocatura, il segnale di controllo è limitato alla scansione sinusoidale, e il segnale sinusoidale costituisce una singola frequenza, a differenza di altre onde, come le onde triangolari e dente di sega. Inoltre, il segnale di ingresso nello specchio galvanometro viene aggiornato immediatamente nel ciclo successivo a causa del ciclo aperto dopo la pre-enfasi sono impostati coefficienti. In altre parole, abbiamo bisogno di to conoscere solo il rapporto tra ingresso e uscita a considerare il controllore come scatola nera, e la modellazione dettagliata non è necessaria. Questa semplicità permette al nostro sistema di essere facilmente incorporato nelle applicazioni. L&#39;obiettivo generale di questo metodo è quello di stabilire una procedura sperimentale di compensazione del movimento-sfocatura come applicazione compensazione di guadagno utilizzando la tecnica di pre-enfasi. dispositivi hardware multipli sono utilizzati in queste procedure, come uno specchio galvanometro, una videocamera, un nastro trasportatore, illuminazione, e una lente. software centrale programmi sviluppati dagli utenti scritti in C ++ costituiscono anche parte del sistema. La figura 2 mostra uno schema del setup sperimentale. Lo specchio galvanometro ruota con velocità angolare guadagno compensata, rendendo così possibile valutare la quantità di sfocatura dalle immagini.

<table><tbody><tr><td>Galvanometer mirror</td><td>Cambridge Technology</td><td>M3s X axis</td><td></td></tr><tr><td>Custom-made metal jig</td><td>ASKK</td><td>-</td><td>With circular hole for galvanometer mirror</td></tr><tr><td>Optical carrier</td><td>SIGMAKOKI</td><td>CAA-60L</td><td></td></tr><tr><td>Optical bench</td><td>SIGMAKOKI</td><td>OBT-1500LH</td><td></td></tr><tr><td>Oscilloscope</td><td>Tektronix</td><td>MSO 4054</td><td></td></tr><tr><td>AD/DA board</td><td>Interface</td><td>PCI-361216</td><td></td></tr><tr><td>PC</td><td>DELL</td><td>Precision T3600</td><td></td></tr><tr><td>Galvanometer mirror servo controller</td><td>Cambridge Technology</td><td>Minisax</td><td></td></tr><tr><td>Lens</td><td>Nikon</td><td>AF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>High-speed camera</td><td>Mikrotron</td><td>Eosens MC4083</td><td>Discontinued, but sold as MC4087. The cable connection is different from MC4083</td></tr><tr><td>Conveyor belt</td><td>ASUKA</td><td>-</td><td>With a speed-control motor(BX5120A-A made by Oriental Motor), iron rubber belt(100-F20-800A-J made by NOK), and so on</td></tr><tr><td>Printable tape</td><td>A-one</td><td>F20A4-6</td><td></td></tr><tr><td>Photographic texture</td><td>Shutterstock, Inc.</td><td>231357754</td><td>Printed computer motherboard with microcircuit, close up</td></tr><tr><td>Terminal block</td><td>Interface</td><td>TNS-6851B</td><td></td></tr><tr><td>CoaXPress board</td><td>AVALDATA</td><td>APX-3664</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>mathworks</td><td>MATLAB R2015a</td><td></td></tr></tbody></table>

gain-compensation methodology for a sinusoidal scan of a galvanometer mirror in proportional-integral-differential control using pre-emphasis techniques

specchi galvanometro sono utilizzati per applicazioni ottiche come il monitoraggio di destinazione, disegno, e il controllo di scansione a causa della loro elevata velocità e precisione. Tuttavia, la reattività di uno specchio galvanometro è limitata dalla sua inerzia; quindi, il guadagno di uno specchio galvanometro viene ridotta quando il percorso di controllo è ripida. In questa ricerca, si propone un metodo per estendere la frequenza corrispondente utilizzando una tecnica di pre-enfasi per compensare la riduzione del guadagno di specchi galvanometro a percorso sinusoidale monitoraggio utilizzando proporzionale-integrale-differenziale di regolazione (PID). La tecnica di pre-enfasi ottiene un valore di ingresso per un valore di uscita desiderato in anticipo. Applicando questo metodo per controllare lo specchio galvanometro, il guadagno grezzo di uno specchio galvanometro in ogni frequenza e ampiezza per percorso sinusoidale tracciamento utilizzando un regolatore PID è stato calcolato. Dove il controllo PID non è efficace, mantenendo un guadagno di 0 dB per migliorare la precisione di inseguimento traiettoria, è possibileampliare la gamma di velocità in cui un guadagno di 0 dB può essere ottenuta senza ottimizzazione dei parametri di controllo PID. Tuttavia, se v&#39;è una sola frequenza, amplificazione è possibile con un singolo coefficiente pre-enfasi. Pertanto, un&#39;onda sinusoidale è adatto a questa tecnica, a differenza di onde triangolari e dente di sega. Quindi, siamo in grado di adottare una tecnica di pre-enfasi per configurare i parametri in anticipo, e non abbiamo bisogno di preparare i modelli di controllo attivi aggiuntivi e hardware. I parametri vengono aggiornati immediatamente nel ciclo successivo a causa del ciclo aperto dopo i coefficienti pre-enfasi sono impostati. In altre parole, a considerare il controllore come scatola nera, dobbiamo conoscere solo il rapporto tra ingresso e uscita, e la modellazione dettagliata non è necessaria. Questa semplicità permette al nostro sistema di essere facilmente incorporato nelle applicazioni. Il nostro metodo utilizzando la tecnica di pre-enfasi per un sistema di compensazione del movimento-sfocatura e l&#39;esperimento condotto per valutare il metodo sono spiegati.

I risultati presentati sono stati ottenuti usando un / a bordo DA AD e una macchina fotografica. La Figura 1 mostra la procedura della tecnica di pre-enfasi; pertanto, è il nucleo di questo articolo. Non è necessario impostare i parametri del controllo PID dopo lo stato di inizializzazione; di conseguenza, la procedura di acquisto online è notevolmente semplice. La Figura 10 mostra i risult...

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Gain-compensation Methodology for a Sinusoidal Scan of a Galvanometer Mirror in Proportional-Integral-Differential Control Using Pre-emphasis Techniques

Si propone un metodo per estendere la frequenza corrispondente utilizzando una tecnica di pre-enfasi. Questo metodo compensa la riduzione del guadagno di uno specchio galvanometro nel percorso sinusoidale inseguimento utilizzando il controllo proporzionale-integrale-differenziale.

Metodologia Gain-risarcimento per una scansione sinusoidale di un galvanometro specchio in proporzionale-integrale-differenziale di controllo Utilizzando tecniche di pre-enfasi

Galvanometer mirrors are used for optical applications such as target tracking, drawing, and scanning control because of their high speed and accuracy. ...

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SCIENTISTS IN ACTION

8.6K Views.  University of Tokyo.  Si propone un metodo per estendere la frequenza corrispondente utilizzando una tecnica di pre-enfasi. Questo metodo compensa la riduzione del guadagno di uno specchio galvanometro nel percorso sinusoidale inseguimento utilizzando il controllo proporzionale-integrale-differenziale. 

Video: Gain-compensation Methodology for a Sinusoidal Scan of a Galvanometer Mirror in Proportional-Integral-Differential Control Using Pre-emphasis Techniques

An Experimental Platform to Study the Closed-loop Performance of Brain-machine Interfaces

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine interface to assess the robustness of different control-laws applied to a closed-loop image stabilization task. Taking advantage of the well-characterized fly visuomotor pathway we record the electrical activity from an identified, motion-sensitive neuron, H1, to control the yaw rotation of a two-wheeled robot. The robot is equipped with 2 high-speed video cameras providing visual motion input to a fly placed in front of 2 CRT computer monitors. The activity of the H1 neuron indicates the direction and relative speed of the robot's rotation. The neural activity is filtered and fed back into the steering system of the robot by means of proportional and proportional/adaptive control. Our goal is to test and optimize the performance of various control laws under closed-loop conditions for a broader application also in other brain machine interfaces.

We use a closed-loop fly-machine interface to investigate general principles in neuronal control.

Una piattaforma sperimentale per studiare il ciclo chiuso delle prestazioni di interfacce cervello-macchina

The non-stationary nature and variability of neuronal signals is a fundamental problem in brain-machine interfacing. We developed a brain-machine ...

Ricerca

Neuroscienze

Scanning-probe Single-electron Capacitance Spectroscopy

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the electronic quantum structure of small systems - including individual atomic dopants in semiconductors. Here we present a capacitance-based method, known as Subsurface Charge Accumulation (SCA) imaging, which is capable of resolving single-electron charging while achieving sufficient spatial resolution to image individual atomic dopants. The use of a capacitance technique enables observation of subsurface features, such as dopants buried many nanometers beneath the surface of a semiconductor material1,2,3. In principle, this technique can be applied to any system to resolve electron motion below an insulating surface.
As in other electric-field-sensitive scanned-probe techniques4, the lateral spatial resolution of the measurement depends in part on the radius of curvature of the probe tip. Using tips with a small radius of curvature can enable spatial resolution of a few tens of nanometers. This fine spatial resolution allows investigations of small numbers (down to one) of subsurface dopants1,2. The charge resolution depends greatly on the sensitivity of the charge detection circuitry; using high electron mobility transistors (HEMT) in such circuits at cryogenic temperatures enables a sensitivity of approximately 0.01 electrons/Hz&frac12; at 0.3 K 5.

Scanning-probe single-electron capacitance spectroscopy facilitates the study of single-electron motion in localized subsurface regions. A sensitive charge-detection circuit is incorporated into a cryogenic scanning probe microscope to investigate small systems of dopant atoms beneath the surface of semiconductor samples.

Scansione-sonda a singolo elettrone Capacità Spettroscopia

The integration of low-temperature scanning-probe techniques and single-electron capacitance spectroscopy represents a powerful tool to study the ...

Ingegneria

Video-rate Scanning Confocal Microscopy and Microendoscopy

Confocal microscopy has become an invaluable tool in biology and the biomedical sciences, enabling rapid, high-sensitivity, and high-resolution optical sectioning of complex systems. Confocal microscopy is routinely used, for example, to study specific cellular targets1, monitor dynamics in living cells2-4, and visualize the three dimensional evolution of entire organisms5,6. Extensions of confocal imaging systems, such as confocal microendoscopes, allow for high-resolution imaging in vivo7 and are currently being applied to disease imaging and diagnosis in clinical settings8,9.
Confocal microscopy provides three-dimensional resolution by creating so-called "optical sections" using straightforward geometrical optics. In a standard wide-field microscope, fluorescence generated from a sample is collected by an objective lens and relayed directly to a detector. While acceptable for imaging thin samples, thick samples become blurred by fluorescence generated above and below the objective focal plane. In contrast, confocal microscopy enables virtual, optical sectioning of samples, rejecting out-of-focus light to build high resolution three-dimensional representations of samples.
Confocal microscopes achieve this feat by using a confocal aperture in the detection beam path. The fluorescence collected from a sample by the objective is relayed back through the scanning mirrors and through the primary dichroic mirror, a mirror carefully selected to reflect shorter wavelengths such as the laser excitation beam while passing the longer, Stokes-shifted fluorescence emission. This long-wavelength fluorescence signal is then passed to a pair of lenses on either side of a pinhole that is positioned at a plane exactly conjugate with the focal plane of the objective lens. Photons collected from the focal volume of the object are collimated by the objective lens and are focused by the confocal lenses through the pinhole. Fluorescence generated above or below the focal plane will therefore not be collimated properly, and will not pass through the confocal pinhole1, creating an optical section in which only light from the microscope focus is visible. (Fig 1). Thus the pinhole effectively acts as a virtual aperture in the focal plane, confining the detected emission to only one limited spatial location.
Modern commercial confocal microscopes offer users fully automated operation, making formerly complex imaging procedures relatively straightforward and accessible. Despite the flexibility and power of these systems, commercial confocal microscopes are not well suited for all confocal imaging tasks, such as many in vivo imaging applications. Without the ability to create customized imaging systems to meet their needs, important experiments can remain out of reach to many scientists.
In this article, we provide a step-by-step method for the complete construction of a custom, video-rate confocal imaging system from basic components. The upright microscope will be constructed using a resonant galvanometric mirror to provide the fast scanning axis, while a standard speed resonant galvanometric mirror will scan the slow axis. To create a precise scanned beam in the objective lens focus, these mirrors will be positioned at the so-called telecentric planes using four relay lenses. Confocal detection will be accomplished using a standard, off-the-shelf photomultiplier tube (PMT), and the images will be captured and displayed using a Matrox framegrabber card and the included software.

The complete construction of a custom, real-time confocal scanning imaging system is described. This system, which can be readily used for video-rate microscopy and microendoscopy, allows for an array of imaging geometries and applications not accessible using standard commercial confocal systems, at a fraction of the cost.

Video-tasso di Microscopia confocale e scansione Microendoscopy

Confocal microscopy has become an invaluable tool in biology and the biomedical sciences, enabling rapid, high-sensitivity, and high-resolution optical ...

Bioingegneria

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input bias voltage. However, the tradeoff for the improved switching performance is a relatively long settling time to reach each gap height in response to various applied voltages. Transient applied bias waveforms are employed to facilitate reduced switching times for electrostatic fringing-field MEMS actuators with high mechanical quality factors. Removing the underlying substrate of the fringing-field actuator creates the low mechanical damping environment necessary to effectively test the concept. The removal of the underlying substrate also a has substantial improvement on the reliability performance of the device in regards to failure due to stiction. Although DC-dynamic biasing is useful in improving settling time, the required slew rates for typical MEMS devices may place aggressive requirements on the charge pumps for fully-integrated on-chip designs. Additionally, there may be challenges integrating the substrate removal step into the back-end-of-line commercial CMOS processing steps. Experimental validation of fabricated actuators demonstrates an improvement of 50x in switching time when compared to conventional step biasing results. Compared to theoretical calculations, the experimental results are in good agreement.

The robust device design of fringing-field electrostatic MEMS actuators results in inherently low squeeze-film damping conditions and long settling times when performing switching operations using conventional step biasing. Real-time switching time improvement with DC-dynamic waveforms reduces the settling time of fringing-field MEMS actuators when transitioning between up-to-down and down-to-up states.

Real-Time DC-dinamica Metodo di polarizzazione per il tempo di commutazione miglioramento Severamente sottosmorzato frangente campo elettrostatico MEMS Attuatori

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus have potential applications in nonlinear optics, which requires extraordinary optical intensity. One of the most studied nonlinearities in plasmonics is nonlinear absorption, including saturation and reverse saturation behaviors. Although scattering and absorption in nanoparticles are closely correlated by the Mie theory, there has been no report of nonlinearities in plasmonic scattering until very recently. 
Last year, not only saturation, but also reverse saturation of scattering in an isolated plasmonic particle was demonstrated for the first time. The results showed that saturable scattering exhibits clear wavelength dependence, which seems to be directly linked to the localized surface plasmon resonance (LSPR). Combined with the intensity-dependent measurements, the results suggest the possibility of a common mechanism underlying the nonlinear behaviors of scattering and absorption. These nonlinearities of scattering from a single gold nanosphere (GNS) are widely applicable, including in super-resolution microscopy and optical switches. 
In this paper, it is described in detail how to measure nonlinearity of scattering in a single GNP and how to employ the super-resolution technique to enhance the optical imaging resolution based on saturable scattering. This discovery features the first super-resolution microscopy based on nonlinear scattering, which is a novel non-bleaching contrast method that can achieve a resolution as low as l/8 and will potentially be useful in biomedicine and material studies.

Saturable and reverse saturable scattering were discovered in isolated plasmonic particles and adopted as a novel non-bleaching contrast method in super-resolution microscopy. Here the experimental procedures of detecting and extracting nonlinear scattering are explained in detail, as well as how to enhance resolution with the aid of saturated excitation microscopy.

Misura di Scattering non linearità da un nanoparticelle plasmoniche singolo

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Implementation of a Nonlinear Microscope Based on Stimulated Raman Scattering

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy uses near-infrared excitation light; therefore, it shares many multi-photon microscopic imaging properties. SRS imaging modality can be obtained using commercial laser-scanning microscopes by equipping with a non-descanned forward detector with proper bandpass filters and lock-in amplifier (LIA) detection scheme. A schematic layout of a typical SRS microscope includes the following: two pulsed laser beams, (i.e., the pump and probe directed in a scanning microscope), which must be overlapped in both space and time at the image plane, then focused by a microscope objective into the sample through two scanning mirrors (SMs), which raster the focal spot across an x-y plane. After interaction with the sample, transmitted output pulses are collected by an upper objective and measured by a forward detection system inserted in an inverted microscope. Pump pulses are removed by a stack of optical filters, whereas the probe pulses that are the result of the SRS process occurring in the focal volume of the specimen are measured by a photodiode (PD). The readout of the PD is demodulated by the LIA to extract the modulation depth. A two-dimensional (2D) image is obtained by synchronizing the forward detection unit with the microscope scanning unit. In this paper, the implementation of an SRS microscope is described and successfully demonstrated, as well as the reporting of label-free images of polystyrene beads with diameters of 3 &#181;m. It is worth noting that SRS microscopes are not commercially available, so in order to take advantage of these characteristics, the homemade construction is the only option. Since SRS microscopy is becoming popular in many fields, it is believed that this careful description of the SRS microscope implementation can be very useful for the scientific community.

In this manuscript, the implementation of a stimulated Raman scattering (SRS) microscope, obtained by the integration of an SRS experimental set-up with a laser scanning microscope, is described. The SRS microscope is based on two femtosecond (fs) laser sources, a Ti-Sapphire (Ti:Sa) and synchronized optical parametric oscillator (OPO).

Implementazione di un microscopio non lineare basato sullo scattering Raman stimolato

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy uses near-infrared excitation light; therefore, it shares many multi-photon microscopic imaging properties. ...

Characterization of SiN Integrated Optical Phased Arrays on a Wafer-Scale Test Station

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for moving mechanical parts. This technology is particularly useful for beam steering applications. Here, we focus on OPAs integrated into SiN photonic circuits for a wavelength in the near infrared. A characterization method of such circuits is presented, which allows the output beam of integrated OPAs to be shaped and steered. Furthermore, using a wafer-scale characterization setup, several devices can easily be tested across multiple dies on a wafer. In this way, fabrication variations can be studied, and high-performance devices identified. Typical images of OPA beams are shown, including beams emitted from OPAs with and without a uniform waveguide length, and with varying numbers of channels. In addition, the evolution of output beams during the phase optimization process and beam steering in two dimensions is presented. Finally, a study of the variation in the beam divergence of identical devices is performed with respect to their position on the wafer.

Here, we describe the operation of a SiN integrated photonic circuit containing optical phased arrays. The circuits are used to emit low divergence laser beams in the near infrared and steer them in two dimensions.

Caratterizzazione degli array ottici integrati sin sin su una stazione di test su scala Wafer

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for ...

Time-Domain Interpretation of PD Control

Proportional-Derivative (PD) control is a widely used control method in various engineering systems to enhance stability and performance. In a system with only proportional control, common issues include high maximum overshoot and oscillation, observed in both the error signal and its rate of change. This behavior can be divided into three distinct phases: initial overshoot, subsequent undershoot, and gradual stabilization.
Consider the example of control of motor torque. Initially, a positive error signal generates a rapidly rising positive motor torque. This surge in torque leads to significant output overshoot and oscillations, attributed to the high force and insufficient damping. The system&#39;s output exceeds the desired value, reflecting the proportional control&#39;s excessive initial correction and weak resistance.
In the second phase, a negative error signal produces negative motor torque, which decelerates the output, causing it to undershoot the target. This undershoot indicates the system&#39;s tendency to overcompensate in the opposite direction after the initial overshoot. The torque reduction in this phase slows down the output, but the absence of adequate damping results in oscillatory behavior.
During the final phase, positive motor torque reappears, reducing the undershoot from the previous phase. Each oscillation sees a diminishing error amplitude, progressively stabilizing the system&#39;s output. The high initial correction and weak resistance that caused the overshoot are counterbalanced by increased resistance and reduced corrective force in this phase.
PD control effectively addresses these issues by introducing anticipatory adjustments based on the slope of the error signal. This anticipatory mechanism allows the system to predict and correct its direction, mitigating excessive overshoot and reducing the amplitude of oscillations. By adjusting the system&#39;s response rate, PD control fine-tunes the initial correction force and enhances resistance, leading to smaller overshoots and undershoots. Consequently, the system achieves a more stable and controlled output.

Interpretazione nel dominio del tempo del controllo PD

Consider a motor system with only proportional control that exhibits high maximum overshoot and oscillation, reflected in the error signal and its rate of ...

Didattica

Design of Control Systems

KEY TERMS AND CONCEPTS

PI Controller: Design

Proportional Integral (PI) controllers are a fundamental component in modern control systems, widely used to enhance performance and mitigate steady-state errors. They are particularly effective in applications such as automatic brightness adjustment on smartphones, where they excel at mitigating steady-state errors for step-function inputs. Unlike PD controllers, which require time-varying errors to function optimally, PI controllers leverage their integral component to address residual steady-state errors not corrected by the proportional part.
In an operational amplifier (op-amp)-based PI controller, resistors and a capacitor process the error signal, generating a control signal. The proportional feedback is derived from a resistor, while the integral response comes from a capacitor. Two- and three-op-amp circuit designs exhibit unique transfer functions, with PI controller parameters intrinsically linked to their circuit characteristics. The three-op-amp configuration allows for independent adjustment of proportional and integral gains through specific circuit parameters. Notably, in both circuits, the integral gain is inversely proportional to the capacitor value, which may necessitate large capacitors for effective PI control designs.
The PI controller enhances system performance by modifying the forward-path transfer function through the addition of a zero and a pole. This adjustment boosts system performance and reduces the steady-state error by an order of magnitude. In scenarios where the steady-state error to a given input is constant, the PI controller can reduce this error to zero, provided the system remains stable after compensation.
By addressing both proportional and integral aspects, PI controllers provide a robust solution for steady-state error correction in various applications. Their design, involving specific resistor and capacitor configurations in op-amp circuits, ensures precise control and performance enhancement, making them indispensable in modern control systems.

Controllore PI: Progettazione

In applications like automatic brightness adjustment on smartphones, Proportional Integral controllers effectively mitigate steady-state errors for ...

Time and frequency -Domain Interpretation of PI Control

Proportional-Integral (PI) controllers are essential in many control systems to improve stability and performance. They are commonly used in everyday devices like thermostats to enhance system damping and reduce steady-state error. When the zero in the controller&#39;s transfer function is optimally placed, the system benefits significantly in terms of stability and accuracy.
Acting as a low-pass filter, the PI controller slows the system&#39;s response and extends settling times. This requires careful design to position the zero near the beginning, away from major poles, and with minimal proportional and integral gains.
The PI controller&#39;s transfer function can typically be depicted in a Bode plot. The visualization helps in understanding the effects of proportional and integral components on system performance. Insufficient proportional gain can lead to steady-state errors, while proper attenuation and stability management involve both proportional and integral aspects.
A critical design consideration is the controller&#39;s negative phase, which can adversely affect system stability. To mitigate this, the corner frequency should be positioned as far left as bandwidth requirements permit, preventing phase lag from reducing the system&#39;s phase margin. For optimal performance, the compensated transfer function should intersect the zero-decibel axis at the new gain crossover frequency, ensuring the desired phase margin.
Additionally, the ratio of integral to proportional gain should be set relative to a significantly lower frequency, balancing the system&#39;s responsiveness and stability.
Designing an effective PI controller involves meticulous selection of integral and proportional gains. This selection process aims to avoid the need for a large capacitor, which is a more significant challenge in PI controllers compared to PD controllers. The large capacitor, if required, can complicate the physical implementation of the controller due to increased size and cost.
Overall, the careful placement of the zero, strategic selection of gains, and consideration of phase margins are essential in designing a PI controller that enhances damping, minimizes steady-state error, and maintains system stability.

Tempo e frequenza - Interpretazione nel dominio del controllo PI

Everyday devices like thermostats utilize PI controllers. These can enhance system damping and reduce steady-state error when the controller transfer ...