[发明专利]一种提高微机电系统近红外光谱仪分辨率的方法

说明书

本发明公开了一种提高微机电系统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，采用有效的控制方法，最终达到增加分辨率的效果。首先对微镜偏转角与驱动电压进行象限划分和变量配对，简化了解耦控制的设计；然后利用带死区的PID算法有效解决了微镜因控制抖动造成的重复性降低的问题；采用分段变增益PID算法保证了微镜在全行程范围内的控制精度；最后利用FPGA搭建的硬件PID控制器提高了控制系统的实时性。本发明通过扩大驱动电压范围提高光谱仪的分辨率，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可靠保障。

技术领域

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。

发明内容

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θ_x、y方向偏转角θ_y，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：