一种傅里叶红外光谱仪的控制方法及系统与流程

本发明涉及光谱分析仪器控制，具体涉及一种傅里叶红外光谱仪的控制方法及系统。

背景技术：

1、傅里叶红外光谱仪通过动镜的运动产生光程差，同时调制激光和红外辐射。动镜运动的行程正比于光程差，光程差的大小是影响光谱分辨率的主要因素。

2、由于电路中各种元器件、走线或滤波器的延迟，当光谱仪的动镜运动速度不稳定时，即使通过激光作为尺度标准来进行采样，也会造成每个采样点的光程差存在差异，从而降低仪器信噪比。此外，如果使用对频率响应较为敏感的dlatgs(氘化l-丙氨酸硫酸三苷肽)探测器，信噪比在速度不稳定时还会进一步降低。

3、分辨率和信噪比是傅里叶光谱仪的重要指标。因此，通过控制动镜平稳运动，才能提高光谱信号的质量。此外，根据不同应用中探测目标对光谱分辨率的需求，仪器需要具备分辨率可调整的功能。上述问题亟待解决，为此，提出一种傅里叶红外光谱仪的控制方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：如何控制动镜平稳运动，提高光谱信号的质量，提供了一种傅里叶红外光谱仪的控制方法。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

3、step1：标定音圈电机的驱动电压峰值umax、驱动电压谷值umin；

4、step2：标定音圈电机的驱动电压平均值uaver；

5、step3：在一个运动周期内，根据标定的驱动电压谷值umin与预设控制量δu1将电机由静止驱动，由“开始加速位置”加速运动到“工作速度位置”，其中，预设控制量δu1为输出的预设驱动电压值；

6、step4：当动镜到达“工作速度位置”时，采集激光频率，将激光频率的采集值与预设值进行比较，得出增量式pid算法中的误差项，然后根据增量式pid算法及预设参数得到控制量，驱动音圈电机带动动镜在采样区间内匀速运动，其中控制量为数字量信号，预设参数包括中的增量式pid算法中的p参数、i参数、d参数及输出限值δu_limit；

7、step5：当动镜匀速运动到“开始减速位置”，根据标定的驱动电压峰值控制电机开始减速直至“减速到零位置”；

8、step6：当动镜减速到“减速到零位置”，根据标定的驱动电压峰值umax与预设控制量δu2控制电机返回至“开始加速位置”，其中，预设控制量δu2为输出的预设驱动电压值；

9、step7：重复step3～step6，完成下一周期的运动。

10、更进一步地，在所述step1中，具体包括以下过程：

11、s11：采集音圈电机的驱动电压，将相邻的驱动电压峰值、驱动电压谷值之间的间隔作为一个周期，同时在周期内采集激光干涉信号上升沿，上升沿数目即对应的动镜总行程，也对应电机有效行程，且一个上升沿对应一个信号点；

12、s12：判断音圈电机在预设驱动电压峰谷值参数下，当前的有效行程是否满足光谱计算所需的数据量要求；若否，跳转至步骤s13；

13、s13：判断音圈电机有效行程是否小于标称分辨率所要求的最小数据量，若是，增大音圈电机的驱动电压峰谷值；若否，减小音圈电机的驱动电压峰谷值；进而标定当前驱动电压峰、谷值。

14、更进一步地，在所述步骤s11中，根据目标周期内激光干涉图的信号点的数量计算得到当前光程差，即电机有效行程s，具体计算公式如下：

15、s＝n*λ；

16、其中，n为目标周期内激光干涉图的信号点的数量，λ为激光波长，激光干涉图即以1至n排序的信号点的集合。

17、更进一步地，在所述步骤s12中，电机有效行程s在预设摆动距离区间[s1，s2]内。

18、更进一步地，在所述步骤s13中，若s<s1，则调大驱动电压峰谷值，若s>s2，则调小驱动电压峰谷值，使得s1<s<s2。

19、更进一步地，在所述step2中，具体包括以下过程：

20、s21：选取周期内红外干涉信号最高点作为“零光程差位置”，判断“零光程差位置”是否在电机有效行程的中间位置范围；若否，跳转至步骤s22；

21、s22：判断“零光程差位置”是否早于电机有效行程的中间位置范围最小值，若是，减小音圈电机的驱动电压平均值；若否，增大音圈电机的驱动电压平均值；直到“零光程差位置”处于电机有效行程的中间位置范围，进而标定当前驱动电压平均值。

22、更进一步地，在所述步骤s21中，设定目标周期内激光干涉图中间区域为其中δ为允许偏差，n为目标周期内激光干涉图的信号点的数量。

23、8.根据权利要求7所述的一种傅里叶红外光谱仪的控制方法，其特征在于，在所述步骤s22中，若即零光程差点早于目标周期内激光干涉图的中间区域出现，此时减小驱动电压平均值；若即零光程差点晚于目标周期内激光干涉图的中间区域出现，此时增大驱动电压平均值；其中，n0为零光程差点的位置。

24、更进一步地，在一个工作周期内，将音圈电机运动分为正向运动和反向运动，驱动电压按设定规律从谷值增加到峰值的过程即对应正向运动，驱动电压按设定规律从峰值减小到谷值的过程即对应反向运动，红外信号仅在正向运动时采集；

25、其中，正向运动过程如下：

26、标定的驱动电压谷值对应音圈电机正向运动时“开始加速位置”，音圈电机由静止自“开始加速位置”加速，进行正向运动，在“采样起点位置”前的“工作速度位置”加速至工作速度；

27、音圈电机在“工作速度位置”和“开始减速位置”以工作速度保持匀速运动；

28、标定的驱动电压峰值对应“开始减速位置”，音圈电机经过“开始减速位置”减速到零，即到达“减速到零位置”；

29、反向运动过程如下：

30、音圈电机正向运动减速到零后，自然返回到“开始加速位置”，即对应正向运动时的“开始减速位置”；

31、音圈电机自“开始加速位置运动”至“开始减速位置”，反向运动的“开始减速位置”即对应正向运动的“开始加速位置”；

32、音圈电机反向运动减速到零后，到达“停止运动位置”，然后自然返回到正向运动的“开始加速位置”。

33、本发明还提供了一种傅里叶红外光谱仪的控制系统，采用上述的控制方法对傅里叶红外光谱仪的音圈电机运动进行控制，即对动镜的运动进行控制，包括：激光探测电路、整形电路、mcu、d/a转换电路、电压偏移电路、功率放大电路、音圈电机；激光探测电路、整形电路、mcu、d/a转换电路、电压偏移电路、功率放大电路、音圈电机与音圈电机的线圈依次连接，音圈电机的线圈和动镜连接在同一摆臂上，其中音圈电机的线圈即为音圈电机动子；

34、光谱仪每个周期包括以下运动过程：

35、a：在每个周期的“开始加速位置”，mcu输出数字量信号u(n)至d/a转换电路，d/a转换电路将数字量信号转换成模拟信号，模拟信号经电压偏移电路转换成正负电压，再经过功率放大电路后驱动音圈电机运动，音圈电机带动动镜加速运动到“工作速度位置”，其中，该数字量信号u(n)＝umin+n*δu1；

36、b：激光探测电路及整形电路输出激光干涉方波到mcu，mcu通过内部计数器测量激光干涉方波的周期，并转化成频率，该频率用于表征电机运动速度，当动镜运动到“工作速度位置”时，mcu根据增量式pid算法输出匀速数字量信号u(n+1)至d/a转换电路，d/a转换电路将匀速数字量信号转换成匀速模拟信号，匀速模拟信号经电压偏移电路转换成匀速正负电压，再经过功率放大电路后驱动音圈电机运动，音圈电机带动动镜在采样区间内匀速运动，其中，该匀速数字量信号u(n+1)＝u(n)+δu，δu为增量式pid算法输出的数字增量；

37、c：当动镜匀速运动到“开始减速位置”时，mcu输出数字量信号至d/a转换电路，d/a转换电路将数字量信号转换成模拟信号，模拟信号经电压偏移电路转换成正负电压，再经过功率放大电路后驱动音圈电机运动，音圈电机带动动镜减速运动到“减速到零位置”，其中，该数字量信号即驱动电压峰值umax；

38、d：当动镜匀速运动到“减速到零位置”时，mcu输出数字量信号u(n)至d/a转换电路，d/a转换电路将数字量信号转换成模拟信号，模拟信号经电压偏移电路转换成正负电压，再经过功率放大电路后驱动音圈电机运动，音圈电机带动动镜运动到“开始加速位置”，即可进入下一周期，其中，该数字量信号u(n)＝umax-n*δu2。

39、本发明相比现有技术具有以下优点：该傅里叶红外光谱仪的控制方法，通过标定仪器的运动控制参数，确定光谱仪不同分辨率下的电机有效行程；提出的策略适用于不同光谱分辨率下的电机控制，即在不同的光谱分辨率设置下，均可以满足光谱计算所需的数据量，同时保证电机有效行程内动镜运动速度的均匀性，提高红外光谱信号的质量。