一种提高微机电系统近红外光谱仪吸光度重复性的方法与流程

本发明涉及微机电系统(mems)与自动控制理论，具体为一种通过自动控制来提高mems近红外光谱仪吸光度重复性的方法。

背景技术：

基于傅里叶变换的近红外光谱仪在石油化工领域的油品性质分析中有着重要的应用，伴随着mems技术的兴起，国内外已开始对基于mems技术的近红外光谱仪的研制，但由于重复性、分辨率等原因，目前还未见商品化的基于傅里叶变换的mems近红外光谱仪。

基于傅里叶变换的近红外mems工作原理多种多样，其中电热式微镜的驱动原理利用材料的热膨胀实现驱动能力：当电流通过梁臂时，焦耳热产生的热膨胀将梁的顶点向外推动产生位移。多层材料结构驱动器是基于不同热膨胀系数的两层或多层材料受热形变程度不同的原理设计的，在多层材料的驱动器中嵌入电阻层作为加热器使用，通过输入电压产生热形变驱动镜面的直线移动。

吸光度重复性是近红外检测一个重要指标，它直接影响模型建立的质量和测量的准确性。目前已有的基于mems微镜的近红外光谱仪，由于mems微镜固有的压阻效应和机械可动结构等特性，必然存在温度漂移和尺度效应等非线性特征，更由于工业现场的复杂外界扰动以及芯片制造工艺的差异，使得基于mems的近红外光谱仪在实际测量时，如果不采用有效控制，难以保持长期稳定的吸光度重复性，严重阻碍了基于mems的新型近红外光谱仪的推广和发展。如何提高mems近红外光谱仪长期稳定的吸光度重复性，已成为工程实际中亟待解决的一个关键问题。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种提高mems近红外光谱仪吸光度重复性的方法，该方法利用静态相对增益矩阵λ确定变量配对关系，并进一步采用前馈解耦网络进行自动控制，具体步骤如下：

1)建立微镜x方向偏转角θx、y方向偏转角θy，与驱动电压u1、u2之间的关系模型：

通过改变驱动电压u1和u2，记录并分析微镜偏转角θx和θy的变化，确定传递函数矩阵：

2)计算偏转角与驱动电压的静态相对增益矩阵λ：

3)根据静态相对增益矩阵确定变量间的配对关系；

4)采用前馈补偿法设计解耦网络；

5)设计闭环控制算法对微镜运行过程中的偏转角进行控制。

上述技术方案中，采用前馈补偿法进行解耦网络d12(s)和d21(s)的设计，根据前馈补偿不变性原理：

w12(s)+d12(s)w11(s)＝0

w21(s)+d21(s)w22(s)＝0

从而得出解耦网络为：

上述技术方案中采用二维位置敏感传感器(psd)作为测量变送元件，同时测量微镜运行过程中x方向和y方向偏转角，并采用pid作为控制算法；其中，选取样品光光强峰值所对应的mems微镜偏转角作为闭环控制的目标值

上述技术方案中采用的pid方程为：

上式中，y为pid控制器的输出，kp为比例系数，ti和td分别为积分时间与微分时间，e(t)为控制器输入偏差，即目标值与实测角度的偏差。

上述目标值和的确定采用如下方式实现：通过实时采集并存储的微镜行程内样品光强度所对应的电压值进行排序，选择电压最大值作为pid控制器的目标值。

有益效果：

本发明公开了一种采用自动控制提高mems近红外光谱仪吸光度重复性的方法，通过静态相对增益矩阵确定微镜x方向偏转角、y方向偏转角，与不同驱动电压之间的配对关系，以样品光强度最大值对应的偏转角作为控制目标，设计解耦网络并采用pid控制算法，有效控制了mems微镜运行中的偏转角度，显著提高基于傅里叶变换型mems光谱仪的吸光度重复性，有助于提升近红外检测模型质量和预测精度。

附图说明

图1为本发明mems微镜与驱动示意图

图2为本发明实施流程图

图3为本发明mems近红外光谱仪控制系统结构示意图

具体实施案例

下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述，下述实施例在本发明前提下进行实施，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。

本实施例选用的mems微镜采用两种不同热膨胀系数的材料构成驱动器结构，并在驱动器中嵌入热电阻来产生热量，如附图1所示。当输入驱动电压产生温度变化时，两层材料的长度变化不一致，由于它们在界面处结合紧密，所以驱动器会向热膨胀系数较小的材料层一侧弯曲，由此产生的形变驱动镜面的二维转动。

如附图2所示，一种提高mems近红外光谱仪吸光度重复性的方法，包括如下步骤：

1)采用系统辨识建模方法，即通过改变驱动电压u1和u2，记录并分析微镜偏转角的变化，得到该mems系统传递函数如下：

2)计算上述模型的静态相对增益矩阵λ：

3)根据上述静态相对增益矩阵λ，确定由驱动电压u1控制微镜x方向偏转角θx，由驱动电压u2控制微镜y方向偏转角θy。

4)采用前馈补偿法进行解耦网络设计，即根据如下公式：

w12(s)+d12(s)w11(s)＝0

w21(s)+d21(s)w22(s)＝0

从而得出前馈解耦网络数学模型为：

5)采用二维位置敏感传感器(psd)作为测量元件，检测微镜偏转角θx和θy；并采用pid作为控制算法；其中，选取系统开环状态下干涉光强峰值所对应的mems微镜偏转角作为闭环控制的目标值pid方程为：

式中，y为pid控制输出，kp为比例系数，ti和td分别为积分时间与微分时间，e(t)为控制器输入偏差，即目标值与实测角度的偏差。软件编程实现时采用增量式pid算法。

优选的，上述目标值和的确定采用如下方式实现：通过实时采集并存储微镜行程内样品光强度所对应的电压值进行排序，选择电压最大值作为pid控制器的目标值。

本实施例中，本发明提出的提高mems近红外光谱仪吸光度重复性的方法，可将mems微镜在运行过程中的偏转角控制在0.01°范围内。如果不对其施加有效的闭环控制，其运行过程中偏转角度可达0.1°以上！经过测试，样品光的吸光度重复性优于千分之三，远高于非控制模式下的重复性。