一种提高微机电系统近红外光谱仪分辨率的方法与流程

本发明涉及微机电系统(mems)的自动控制，具体为一种采用自动控制技术提高mems近红外光谱仪分辨率的方法。

背景技术：

近红外光谱仪在性质快速分析中应用广泛，如在石油石化领域，原油、馏分油以及成品油的性质快速检测都离不开近红外光谱仪。目前的近红外光谱仪一般都在实验室环境下使用，体积较大，便携性差。

mems技术近年来开始用于近红外光谱仪的小型化设计中。mems技术多种多样，其中，一种基于傅里叶变换原理的mems近红外光谱仪采用热伸缩原理驱动微镜运动，通过外加电压产生焦耳热驱动微镜梁臂移动，这种梁臂一般由多层材料制成，内部嵌入电阻层作为加热器使用。

傅里叶变换型近红外光谱仪的分辨率与微镜的移动距离有关，移动距离越大，分辨率越高。然而，当mems微镜的移动距离增大时，由于制造工艺的非线性等因素，微镜在运动过程中偏转角度也会随之变化，从而导致光谱仪的吸光度重复性大大降低，这使得片面增加分辨率失去意义。如何在保持重复性的同时提高分辨率，已成为mems近红外光谱仪研究发展的一个关键问题。

技术实现要素：

为解决上述技术的局限性，本发明提出了一种提高微机电系统近红外光谱仪分辨率的方法，采用扩大驱动电压范围的方法增加微镜移动距离，并采用控制算法防止微镜在整个移动范围内偏转角过大，进而达到提高光谱分辨率的目的，具体步骤如下：

1)进行微镜x方向偏转角θx、y方向偏转角θy，与驱动电压u1、u2、u3和u4之间的关系试验；

2)分析试验结果，进行四象限划分，进而完成变量配对；

3)根据试验结果进行控制区间划分，在不同的控制区间分别进行pid控制参数整定；

4)控制过程中，若偏差位于死区范围内，则控制器的输出保持不变；否则根据不同的控制区间分别进行变增益pid控制。

优选的，分别在多组不同的驱动电压下进行微镜偏转角与电压的关系试验，为变量配对和区间划分提供依据。

具体的，所述关系试验是指：驱动电压u1、u2、u3和u4分别在不同等级的电压下三个驱动电压不变，对第四个驱动电压施加微小的正反作用电压，记录该行为对微镜偏转角的影响。

为简化mems微镜偏转角与驱动电压的匹配关系，根据在不同驱动电压下微镜偏转角与驱动电压的关系，对微镜偏转角进行四象限划分，并按照不同象限分别进行变量配对。

更优的，利用现场可编程门阵列，设计硬件pid控制器实现控制。本发明采用现场可编程门阵列(fpga)实现编程控制，并利用eda工具优化综合一款硬件pid控制器，以提高控制的实时性。

具体的，为降低因控制带来的抖动对重复性的影响，采用带死区的数字pid算法控制微镜的偏转角度，控制算式如下：

式中，ek是偏转角目标值θ^*与偏转角当前值θk的偏差，ek＝θ^*-θk；e0为死区，根据具体实际可调。

具体的，为保证微镜在整个行程内的控制精度，根据不同的行程范围采用变增益的数字pid算法，

式中，uk为当前控制输出值；ek和ek-1分别为当前和上一次采样时刻的角度偏差；uo为控制的初始值；kp，ki，kd分别为比例、积分、微分系数，其具体数值根据不同的行程范围分别整定。

驱动电压在0～2v时，kp＝0.55，ki＝0.025，kd＝0；驱动电压在2v以上时，kp＝0.38，ki＝0.021，kd＝0。

有益效果：

本发明公开了一种提高mems近红外光谱仪分辨率的方法，通过加大电压延长微镜移动距离，进而达到增加分辨率的效果。在微镜移动过程中，采用变量象限划分、带死区的pid算法、分段变增益pid，以及基于fpga的硬件pid控制器等措施，在保持吸光度重复性的同时，有效提高了光谱仪的分辨率，为性质分析建模预测提供了可靠保障。

附图说明

图1为驱动电压对偏转角的影响示意图

图2为本发明控制方法的实施流程图

具体实施案例

本实施例选用双层材料驱动器结构的mems微镜，由驱动电压u1、u2、u3和u4分别驱动微镜的四个梁臂，如图1所示。下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。

当微镜的四个电压完全相同时，理论上微镜的中心点反射的光线应该投影在坐标系的原点。当某个电压增加时，如u1加大(见图1中微镜的左上角)，则由u1驱动的梁臂受热膨胀，将推动微镜向前运动。此时，如果其它电压不变，则微镜的中心点反射的光线将不再处于坐标系的原点。由图1可见，任一电压的变化都会对x方向和y方向产生影响，即在实施自动控制时，变量间存在耦合问题。

整个控制方法的实施流程如图2所示。为解决耦合问题，并简化控制系统的设计，首先进行驱动电压对mems微镜偏转角的关系试验，分别在不同等级的电压下施加微小的正反作用电压，记录试验结果。表1记录了驱动电压变化对θx的影响。

表1驱动电压与θx关系试验

表2记录了驱动电压变化对θy的影响。

表2驱动电压与θy关系试验

由表1可见，不管在多大的基础电压下，u1对θx的放大倍数都为正，即若发现θx偏大，则可通过减小u1来控制。结合表1与表2数据分析可得：

若θx＞0，则可通过u1减小、u2增大、u3增大、u4减小进行调整；

若θx＜0，则可通过u1增大、u2减小、u3减小、u4增大进行调整；

若θy＞0，则可通过u1增大、u2减小、u3增大、u4减小进行调整；

若θy＜0，则可通过u1减小、u2增大、u3减小、u4增大进行调整。

根据上述规则，进一步按照四个象限进行划分处理可得：

第ⅰ象限内：即θx＞0，θy＞0，则可通过u3，u4调整；

第ii象限内：即θx＜0，θy＞0，则可通过u1，u2调整；

第ⅲ象限内：即θx＜0，θy＜0，则可通过u3，u4调整；

第ⅳ象限内：即θx＞0，θy＜0，则可通过u1，u2调整。

综上，在第ⅰ，ⅲ象限内采用u3，u4控制；在第ii，ⅳ象限内则采用u1，u2控制。经过上述象限划分后，简化了控制系统的变量配对。

为消除微镜运动过程中，由于频繁控制引起的微小抖动给光谱重复性可能带来的不利影响，采用带死区的数字pid算法，控制算式如下：

式中，ek是偏转角目标值θ^*与偏转角当前值θk的偏差，ek＝θ^*-θk；e0是死区，为可调参数，本实施例中设置为0.001°，即：当角度偏差小于0.001°时，pid控制器的当前输出uk保持不变，为上次输出值uk-1。

此外，进一步分析表1和表2可见，在不同的基础电压范围，驱动电压对偏转角的放大倍数是不同的。以表1中的u1对θx为例，在2v基础电压以下，放大倍数的平均值为

(0.391+0.411+0.252+0.247+0.444+0.506+0.326+0.310)/8＝0.361

采用同样方法计算，2.5v基础电压以上的放大倍数平均值为0.522。

也就是说，微镜在不同的运动范围，其增益是变化的。考虑到微镜大范围运动时的非线性因素，如果只采用一组pid参数难以在大范围内保证控制效果。为此，本实施例还进行了不同电压下的控制区间划分。根据表1与表2，将电压范围划分为0～2v与2v以上两个区段。数字pid算法的公式如下：

式中，uk为当前控制输出值；ek和ek-1分别为当前和上一次采样时刻的角度偏差；uo为控制的初始值；kp，ki，kd分别为比例积分微分系数，在0～2v电压范围内采用一组pid参数，分别为k2p＝0.55，k2i＝0.025，k2d＝0；2v以上电压范围内采用另一组pid参数，分别为k1p＝0.38，k1i＝0.021，k1d＝0。

为进一步提高控制系统的实时性，进行veriloghdl编程，利用quartusii等fpga工具进行优化综合布局，生成一款硬件pid控制器。本实施例采用的fpga工作频率可达100mhz以上，与传统的微控制器相比，利用fpga运行的硬件pid控制器运行速度更快，稳定性更好，有效提高了系统的实时性和抗干扰能力。

本实施例中，本发明提出的提高mems近红外光谱仪分辨率的方法，能够在将微镜偏转角控制在0.01°范围的同时，将光谱仪的分辨率稳定在64波数(cm^-1)以内。这样既保持了良好的重复性，又有效提高了光谱仪的分辨率。

上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上述实施例。