二维PSD非线性误差修正算法的研究

第21卷第6期 2007年11月 山东理工大学学报(自然科学版) JournalofShandongUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition) V01．21No．6 NOV．2007 文章编号：1672—6197(2007)06—0031-04 二维PSD非线性误差修正算法的研究 闰洪猛1，李田泽1，刘 坤2 (1．山东理工大学电气与电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，山东淄博255049； 2．德州职业技术学院电气电子工程系，山东德州253034) 摘要：对插值算法、神经网络算法进行了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，并利用这两种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 对PSD的非线性误差进 行了修正补偿．在不增加成本和设备复杂程度的前提下，提高了B区的线性度、数据的置信 度，扩大了PSD的测量范围和测量精度．最后给出了插值和神经网络这两种方法的优缺点，并 得出几点结论． 关键词：位置敏感探测器；双一次插值I神经网络；非线性误差IBP网络 中图分类号：TN247 文献标识码：A Nonlinearitymodifiablearithmeticof2D—PSD YANHong—men91，LiTian-zel，LiuKun2 (1．SchoolofElectricandELectronicEngineering，ShandongUniversityofTechnology，Zibo255049．China 2．DepartmentolElectronicEngineering，DezhouVocat(onalTechnicalSchool，Dezhou253034，China) Abstract：Thebilinearinterpolationandneuralnetworkwasanalyzed．andthetwomeans wereusedtomodifythenonlinearityerrorofPSDandcompensateit．Underthepremiseof notincreasingcostandequipmentscomplexity，thelinearityanddegreeofconfidenceofarea Bwereadvanced，themeasurerangeandprecisionwereexpanded．Attheend，themerits andflawsofthetwomeansweregivenout，someconclusionswerealsoelicited． Keywords：PSD；bilinearinterpolation，neuralnetwork!nonlinearityBPnetwork 半导体光电位置敏感器件(PositionSensitive Detector简称PSD)，以其具有输出信号只与光点能 量中心位置有关、频率响应宽、响应速度快、处理电 路简单等独特的优点，使得PSD在光电检测领域得 到了广泛的应用．但美中不足的是，由于PSl3器件 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面电阻的不均匀性等缺点，导致整个器件的测量输 啦稿日期：2007—06—24 作者筒舟：日淮蟹(1981一)．男．两士研究生 出出现了较大的非线性误差“]．尽管近年来，国内外 对PSD的研究不断深入，在原理和制作工艺方面也 提出了一些改进性的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，但PSD非线性仍是不可 避免的．为了提高数据的可信度和PSD的测量范围， 对PSD进行非线性误差标定，然后设计相应的算法 对误差进行修正是非常有必要的． 万方数据 32 山东理工大学学报(自然科学版) 2007越 1 PSD的工作原理 PSD是一种基于横向光电效应的位置敏感探 测器，它可分为一维和二维两大类，分别用来测量 光点直线方向上的运动位移和平面上的运动位置． 图l为改进表面分流型二维PSI)的结构原理图． 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．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03为 P一!茎!±!!!二!墨!±蔓!一王f1、‘4 X1十X2+y1+LL ⋯ P：!墨!±垦!二!茎!±兰!!一上f” 1’ Xl+X2+y】+y2L ⋯ 式中：x。，墨，x3，墨代表每一电极输出信号(光电 流)，z，Y代表光点的位置坐标，只，只分别表示 在z，Y方向的位置输出信号，它与坐标一一对应． 田l改避表面分砸型21)rPSD培柯原理圈 式(1)(2)中，是把改进型2D-PSD电极结点的太 小形状视为理想的，即输出电极结点是点接触，尺 寸是几何对称的．但实际中，改进型2D-PSD的输 出电极具有一定的大小和形状，尺寸也非绝对几 何对称，由此在测量中将使PSD产生非线性输出 误差．因此在使用时，人们往往不得不将PSD光 敏面分为A区和B区，如图2所示．A区的位置 准确度要优于B区． 朋2 PSI)的A区和B区 2 PSD的非线性修正 由于PSD的非线性误差比光学系统和电路 引入的非线性误差大得多，所以为了提高PSD的 输出性能和大范围的测量精度，需要对PSD位置 输出误差进行修正．由于工艺上用于制作PSD的 硅片材料的非均匀性往往呈现出一种缓慢的梯度 变化，故整个PSD面上的位置误差函数E(x，y) 便是一小梯度曲面．若将此函数离散化，得到一系 列网格点阵上的误差函数值，则非网格点上的误 差值可用插值、神经网络等方法对其进行函数逼 近，这样便可得到待测点的逼近值o]． 2．1误差函数的离散化 PSD的非线性误差在z，Y方向上是相对独 立的，对PSD光敏面上每一点相对应的有z方向 上的误差函数E，(z，y)以及y方向上的误差函数 E(z，y)．E(z，y)的推导过程和E(z，y)相似， 在此只选择E(z，y)为例进行推导．将PSI)置于 一高精度数控位移平台上，然后固定一激光器，使 其照射在PSD光敏面上，控制平台按一定的步长 s分别沿z，Y方向推进，这样便可得到一系列网 格点阵上的误差函数值E(丑，YJ)和E(丑，∞)： E(z。，M)一z：一Z (3) E(z。，YJ)=撕一五 (4) 式中，(z：，正)为网格点上PSD测量输出值，(Z， 正)为网格点处数控机床上准确位置读数． 2．2双一次插值法 在PSD光敏面上，一系列离散点形成一个矩 形网格，选取其中任一个矩形区域A。A。A。A。，如 图3所示．设顶点A-，Az，Aa，A，上的误差函数值 依次为E(A，)，Ex(Az)，E(A。)，Ex(A4)．现在 求它的插值函数E(z，y)，其中(z，y)为矩形域 A-AzA。A．内的点． ， 抽 ，J 圈3取一攻插僵区域 由于插值条件有4个点信息，故可将插值函 数类G取为 万方数据 第6期 曰洪猛，等：二维PSD非线性误差修正算法的研究 a+bx+cy+dry(5) 式(5)即为双一次式．由此可得到矩形区域 内任一点(z．y)误差函数的双一次表达式为 ‘ E(z，y)=∑E(A’牡(z，y)． 利用求得的误差函数值以及PSD的测量输 出值，即可以计算出实际的位置值： fXR=X州一￡：(z，y) 1Yk=Y二一B(工，y) 式中‰，K为实际的位置输出值，X。，k为 PSD的测量输出值． z，； YJ= z⋯=z。+sign(x)4tx ，h1一，}+sign(y)Ay 其中△z，△y分别为z，Y方向上的步距．这里△z =Ay=S． 2．3神经网络法 神经网络非线性补偿原理如图4所示．由传 感器出来的信号经整形、滤波、放大、运算、标定后 送神经网络进行补偿．由(1)(2)式输出的．17，Y是 非线性的，不能用解析式显示表示，但是可以利用 前向神经网络能够任意精度逼近非线性函数的特 点实现．这样，只要把传感器的输出z，Y加在前 向神经网络的输入端，在神经网络的输出端就可 以得到期望的线性输出值． 豳4 PSD非线性朴售厦理 对于神经网络的结构，在能实现有效补偿的情 况下，采用尽可能简单的结构．这需要确定网络隐 层的层数以及网络各层的神经元数量．以双输入输 出为例，由于神经网络要接收两个由传感器送来的 信号z和Y，并要求输出两个信号．因此，输入层和 输出层的神经元数量都应取为2．已经证明有一个 隐层的前向神经网络可以实现任意非线性映射“]， 因此采用包含一个隐层的3层神经网络，隐层取14 个神经元可以得到较好的补偿效果”。]． 训练神经网络的样本数据可通过将PSD放在 二维高精度数控平台上，利用步进电机逐点采集输 出的电压值，并用坐标值对其标定就得到了训练样 本．训练样本的选取应覆盖整个测量空间，并且训 练样本之间的间隔不能太大，否则影响网络的推广 性．以上述样本中的z，Y作为神经网络的输入．并 以丁作为神经网络的期望输出，对神经网络进行 训练．训练时神经网络的实际输出Z与期望输出不 断地进行比较，并根据两者之差，应用神经网络训 练算法调整网络的权值，使不断逼近r，直到误差 平方和满足或训练达到预先给定的循环次数．训练 结束时，神经网络内的权值上，实际已分布存储了 传感器的非线性补偿及线性化信息． 2．4非线性修正分析 2．4．1赢一次插值法修正 图5为实验测得国产W202型PSD的输出z 和Y的值，而实际光点位置在网格点上．从图5可 看出，在PSD的A区域(几何中心约2mm×2ram 范围内)先行度较好，在B区PSD的输出值出现 了较明显的非线性误差，尤其在边缘区域误差相 当严重．图6位经双一次插值修正后的PSD输出 结果，从图6中可以看出修正后的PSD光敏面上 9mm×9mm范围内输出误差显著减小了． 圈5枉正前PSI)输出 圈‘柱正后PSD■出 万方数据 34 山东理工大学学报(自然科学版) 2007庄 2．4．2神经网络法修正 以PSD定量范围内的数据为例，应用神经网 络结构进行修正．该网络为双输入、双输出结构 型，其隐层为14个神经网络结构，使用s型传输 函数。在输出层中使用线性传输函数，经过训练后 可达到精度要求，如图7所示． 田7謦正前后PSD输出 3算法分析与比较 3．1插值法 在各种误差修正方法中，插值法有如下特点 (1)运算简单；(2)程序编制易于实现且运算速度 快I(3)可以充分利用计算机的数据处理能力，用 软件的方法进行测量结果的实时修正．但在进行 插值算法误差分析时，减小对误差函数进行离散 化时的步距可以减小插值算法的误差．但是减小 步距在减小插值算法误差的同时，增加了标定时 的工作量并对标定设备的精度提出了更高的要 求，而且还会使程序设计时复杂度大大增加，增 加系统运行开销． 3．2神经网络法 为传感器的信号处理提供了新的有效手段， 可望在降低对传感器材料性能的要求下，运用神 经网络提高PSD的检测性能．可以利用Matlab 中的神经网络工具箱仿真BP网络的各种改进算 法．可以得到满意的结果，减少了权值训练的工作 量，提高了工作效率．BP网络即多层前馈神经网 络，采用误差反向传播算法(＆l'orBackPropaga- tion．即BP算法)，是目前应用最为广泛的神经网络 之一．但是也存在学习算法的收敛速度慢、局部极小 值、权值修正等问题． 4结束语 1)插值法修正补偿时，由于边缘部分没有了 “包含”边缘输出值的插值区域，边缘部分测量值 的纠正效果稍差．神经网络法修正补偿时，稍显复 杂，但利用计算机Matlab中的神经网络模块仿 真，可以得到的精度比较高． 2)将插值算法和神经网络算法等引人到 PSD非线性修正中，扩大了PSD的使用范围，提 高了输出精度，有效地提高了工作效率． 3)根据现场实际精度的不同要求，可以选择 不同的修正补偿方法． 参考文献： [1]周保玉，陈培峰．朱明珠，等．位置敏感撺测器非线性误差 修正实验研究[J]．光学仪器．2005，27(5)：11—15． [2]莫长薄，陈长征，张鼙丽，等．二维PSD非线性謦正的神经 阿络算法的研究口]．光电子·澈光，2003，14(4)t342—344． [33施隆照．黄梅真．杨小玲，等．二维位置艋感探测器厦信号处 理器CJ]．传感器技术．2002．21(8)：20—22 [4]NoriegaJR，WandH．Adirectadaptiveneurdnetwork controlforunknownnonlinearsystemsanditsapplication [J]．IEEE．TransaotionsNeuralNetwork．1998，9(1)E27— 24． [5]HouxLtChenCz，YuHJ．etalOptimummethodabout weightsandthresholdsofnervenetwork[J]．Journal，of Northea5ternUniver吐ty(NaturalScien蚀)。1999，20(4)l 447—450． [6]王旭，主宏，王文j晖．人工神经元网络原理与应用[M]． 沈阳：东北大学出版杜．2000t51-54． [7]WangXD．YeMY．RBFneuralnetworkapplicationinthe surfaeeroughfiberoptics帅sor[J]．JournalofOptoeleetron— ics·LaSeF，2001．12(10)：936-940． 羽翱鞫一一瓣擀鬻攀囊霹j=噩廿弭嚣廿狂烛±±～簿乒r?÷mt之oL“羔#：r工一蕉蓬赣鬻耳一绺辩强跹嚣忡韩饕芷。m}}爵照蕊黧鼹警rrr—r卜一二_二．rzphL_三}?一一_1．卜÷{，置{：：}÷申=}|_lo孬霞霞甍蕊浮霹蠹蘸蘸嚣一 ，4 3 2●0 i 4 4 4{． ■a0^ 万方数据 二维PSD非线性误差修正算法的研究 作者： 闫洪猛， 李田泽， 刘坤， YAN Hong-meng， Li Tian-ze， Liu Kun 作者单位： 闫洪猛,李田泽,YAN Hong-meng,Li Tian-ze(山东理工大学,电气与电子工程学院,山东,淄博 ,255049)， 刘坤,Liu Kun(德州职业技术学院,电气电子工程系,山东,德州,253034) 刊名： 山东理工大学学报（自然科学版） 英文刊名： JOURNAL OF SHANDONG UNIRERSITY OF TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 2007，21(6) 被引用次数： 0次 参考文献(7条) 1.周保玉.陈培峰.朱明珠 位置敏感探测器非线性误差修正实验研究[期刊论文]-光学仪器 2005(05) 2.莫长涛.陈长征.张黎丽 二维PSD非线性修正的神经网络算法的研究[期刊论文]-光电子·激光 2003(04) 3.施隆照.黄梅真.杨小玲 二维位置敏感探测器及信号处理器[期刊论文]-传感器技术 2002(08) 4.Noriega J R.Wand H A direct adaptive neural net work control for unknown nonlinear systems and its application 1998(01) 5.Hou X L.Chen C Z.Yu H J Optimum method a bout weights and thresholds of nerve network[期刊论文]- Journal of Nor the as tern University (Natural Science) 1999(04) 6.王旭.王宏.王文辉 人工神经元网络原理与应用 2000 7.Wang X D.Ye M Y RBF neural network application in the surface rough fiber optic sensor 2001(10) 相似文献(4条) 1.学位论文 唐晓珊 基于PSD的显微镜定位技术研究 2009 随着对PSD器件的深入研究以及PSD信号处理器的发展，PSD已经广泛应用于各个领域。目前，在测量领域的应用中，PSD已被应用于微小距离的测量 。但由于PSD制作工艺上仍存在一些不足，所以目前制造的PSD器件所存在的缺点是其输出信号的线性度并不是很好，对微小距离的测量精度影响较大 ，但是可以通过PSD的信号处理器对其输出信号进行一定的非线性补偿，减小非线性误差。因此，通过对其输出信号的处理实现测量精确度的提高的研究 ，对PSD在微小距离测量上的应用有着重要的意义。 显微镜是观察样本实验中常用的实验仪器，在对样本观察点进行精确定位时，其移动量通常在微小距离范围内，实验结果受到定位精度的影响。本 文介绍一种采用PSD及步进电机的显微镜定位装置；介绍了PSD信号处理方法，提出采用模拟电路计算光点坐标，再通过在单片机中采用双一次插值的方 法对PSD的输出信号进行非线性处理。所述信号处理器应能够实现观察样本的位置及位移量的实时显示，从而让操作人员可以通过读取位移数据对样本进 行精确定位，可以有效地提高工作效率。 2.期刊论文 周保玉.陈培锋.朱明珠.曾为.ZHOU Bao-yu.CHEN Pei-feng.ZHU Ming-zhu.ZENG Wei 位置敏感探测器 非线性误差修正实验研究 -光学仪器2005,27(5) 位置敏感探测器(position sensitive detector,PSD)以其分辨力高、时间响应性好的突出优点在光电检测领域得到了广泛的应用,但PSD在制造过程 中产生的非线性误差很大程度上降低了它的测量精度和范围.利用双一次插值法对PSD进行了非线性误差修正,阐述了实验的设计原理和操作.对非线性误 差修正结果的分析表明,通过采用双一次插值法进行误差修正,B区的测量误差显著减小,大大提高了PSD的测量精度和可靠性. 3.期刊论文 朱明珠.陈培峰.周保玉.曾为.ZHU Ming-zhu.CHEN Pei-feng.ZHOU Bao-yu.ZENG Wei 激光位置检测中 PSD的误差分析与实验研究 -光电子技术与信息2006,19(3) 通过实验研究了激光光束质量对PSD输出位置精度的影响.基于PSD工作原理分析并得出了背景光强与输出结果的关系,实验中采用与测量光源匹配的 滤光片来消除背景光干扰,极大提高了PSD的测量精度.并通过双一次插值算法修正PSD的非线性误差,修正后结果表明B区测量误差显著减小,线性度和测量 精度明显提高. 4.期刊论文 李宗峰.LI Zong-feng 空间微重力环境下主动隔振系统的三维位置测量 -宇航学报2010,31(6) 为保障实验载荷的微重力水平不被破坏,需要对载荷进行位置测营以便在较长的时间里控制浮子运动行程免于碰撞定子内壁.本文在介绍二维位置敏 感探测器(PSD)工作原理的基础上,提出了用三个二维PSD进行三维位置测量的方法并推导了解算三维位置的数学模型,文中还对国产W204型PSD的非线性误 差进行了双一次插值处理,提高了PSD自身的测量精度,最后仿真分析了位置安装误差对三维位置解算精度的影响,对三维位置测量设计具有指导意义. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_sdgcxyxb200706007.aspx 授权使用：沈阳理工大学(sylgdx)，授权号：d60b130f-e5e8-44bd-acfb-9e2e00c9a6eb 下载时间：2010年11月14日