CN101806621B - 一种mems光谱仪运动补偿系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS光谱仪运动补偿系统及方法，该系统包括MEMS光学器件、运动信号传感器、运动信号放大器、运动信号AD转换器、运动补偿控制处理器、MEMS器件驱动DA转换器、MEMS器件驱动放大器、温度传感器，各部分组成闭环控制系统。运动补偿方法包括以下步骤：1)编制标准运动轨迹数据表；2)编制运动补偿信号数据表；3)启动光谱仪；4)检测MEMS光学器件运动轨迹；5)和标准的运动轨迹进行比较判断是否正常；6)若正常则回到步骤4)；7)若不正常，查询运动补偿信号数据表，调节驱动信号。本发明解决了MEMS光谱仪温度稳定性、耐振动性差的问题。

Description

一种MEMS光谱仪运动补偿系统及方法
技术领域
本发明涉及一种运动控制系统及方法，尤其涉及一种MEMS光谱仪光学器件的运动补偿控制系统及方法，属于分析仪器技术领域。
背景技术
光谱学是测量紫外、可见、近红外和红外波段光强度的一种技术，被广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成份的浓度检测或电磁辐射分析等。传统光谱测量仪由众多光学、电学与机械等分立器件组成，需要极其复杂的光路系统与精密机械结构，降低了整个仪器的可靠性，对仪器工作、存放环境也有着严格的要求，限制了对其更加广泛的应用。特别是针对在线(现场)光谱测量的应用需求，传统光谱仪无力解决，开发微型化光谱仪已成为当前一大研究热点。
随着科技的进步，微电子机械系统(MEMS)技术和微细加工技术已取得了迅猛的发展。众多基于MEMS技术的新型器件亦已崭露头角，其与传统器件相比具有许多优势，如体积小、功耗低、灵敏度高、重复性好、易批量生产、成本低、加工工艺稳定等。采用MEMS技术制作光谱仪已成为光谱仪开发的主流技术之一。
S.H.Kong等(Infrared micro-spectrometer based on a diffractiongrating，见Sensors and Actuators A，2001，92：88-95)于2001年提出采用MEMS技术将黑白衍射光栅和热电堆探测器集成制作了一体化光栅光谱仪。
何野等(200710021052.7，CN101021437A，2007年3月23日)提出的一种基于微电子机械系统技术的微型光谱仪，该技术方案利用MEMS器件与新型光路结构，设计出具有良好适用性的微型光谱仪，光路结构简单，可适合于各个光谱波段，具有明显的技术优势。该光谱仪由光纤连接器、入射狭缝、反射微镜、闪耀光栅、聚焦镜和探测器组成；待测光信号由光纤连接器接入光谱仪，入射狭缝位于光纤连接器后部，光信号经由入射狭缝入射到反射微镜上，反射微镜反射光信号至闪耀光栅，闪耀光栅将入射光信号分解成不同波长的单色光，单色光入射到聚焦镜上，由聚焦镜会聚并反射到探测器上，探测器放置于聚焦镜会聚焦点处，探测器测量接受的单色光的强度；反射微镜作周期性运动，使得入射光信号在闪耀光栅上的入射角度和各入射光信号中的单色光的空间排列位置呈周期性变化，各种波长的单色光经聚焦镜会聚后，依次进入探测器中，实现全光谱的扫描，其中所述反射微镜应用微电子机械系统技术(MEMS)制造而成，是一种MEMS光学器件。这些设想都试图利用MEMS技术制作出一体化光谱仪，但只停留于理论探讨阶段，在实际产品开发中，MEMS光学器件存在以下问题：
1、MEMS光学器件是一种具有温度特性的器件，用恒定的信号驱动时，其振幅随着温度变化而变化，给光谱仪带来的结果是光谱图的波长稳定性被破坏；
2、MEMS光学器件同时是易受外界机械振动影响的，如果不采取措施，MEMS光学器件在振动环境下工作时会偏离理论的运动轨迹，使得光谱图的波长和波幅同时发生偏移。
所以，如果不对MEMS光学器件的运动轨迹进行自适应补偿，MEMS光谱仪将不能胜任野外或者其他恶劣环境下的工作，使其功耗低、灵敏度高、成本低等优点无法得到发挥。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MEMS光谱仪光学器件运动补偿控制系统及方法，解决MEMS光谱仪中MEMS光学器件温度稳定性和机械稳定性的问题，使得MEMS光谱仪具有良好的适应性和应用前景。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种MEMS光谱仪运动补偿系统，包括MEMS光学器件1、运动信号传感器2、运动信号放大器3、运动信号AD转换器4、运动补偿控制处理器5、MEMS器件驱动DA转换器6、MEMS器件驱动放大器7、温度传感器8；运动信号传感器2采集MEMS光学器件1的运动信号，并与运动信号放大器3连接，运动信号放大器3与运动信号AD转换器4连接，运动信号AD转换器4与运动补偿控制处理器5连接，运动补偿控制处理器5与MEMS器件驱动DA转换器6连接，MEMS器件驱动DA转换器6与MEMS器件驱动放大器7连接，MEMS器件驱动放大器7与MEMS光学器件1连接，驱动MEMS光学器件1；所述温度传感器8与运动补偿控制处理器5相连。
一种MEMS光谱仪运动补偿方法，该方法包括以下步骤：
1)编制MEMS光学器件标准的运动轨迹数据表；
2)编制MEMS光学器件运动补偿信号数据表，该数据表采用PID控制算法，计算出不同温度条件下，MEMS光学器件在不同运动幅度、不同运动位置时合适的运动补偿控制信号并列表保存待查；
3)启动光谱仪，MEMS光学器件进行周期性运动；
4)由运动信号传感器、运动信号放大器、运动信号AD转换器组成的运动信号检测系统检测MEMS光学器件的运动轨迹；
5)和标准的运动轨迹数据进行比较，判断运动轨迹是否正常；
6)若运动轨迹正常则回到步骤4)；
7)若运动轨迹不正常，则查询MEMS光学器件运动补偿信号数据表，根据数据表提供的补偿信号调节MEMS光学器件的驱动信号，使之保持标准的运动轨迹。
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：
前述一种MEMS光谱仪运动补偿系统，其中运动补偿控制处理器5采用嵌入式微处理器ARM。
前述一种MEMS光谱仪运动补偿系统，其中MEMS光学器件1处于恒温箱体内。
前述一种MEMS光谱仪运动补偿方法，其中步骤7)中所述MEMS光学器件的驱动信号是PWM波，通过调整PWM波的幅值来调节MEMS光学器件的运动轨迹。
前述一种MEMS光谱仪运动补偿方法，其中步骤7)中所述MEMS光学器件的驱动信号是PWM波，通过调整PWM波的相位来调节MEMS光学器件的运动轨迹。
前述一种MEMS光谱仪运动补偿方法，其中步骤7)中所述MEMS光学器件的驱动信号是PWM波，通过调整PWM波的占空比来调节MEMS光学器件的运动轨迹。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用运动补偿技术，使MENS光学器件的驱动信号能根据外界温度和机械振动做自适应变化，使其运动轨迹保持恒定，使得MENS光学器件工作在最佳工作区。
附图说明
图1是本发明的电路结构图。
图2是本发明的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括MEMS光学器件1，它处于恒温箱体内，以减少环境温度对其周期性运动幅值的影响；该系统还包括运动信号传感器2、运动信号放大器3、运动信号AD转换器4、运动补偿控制处理器5、MEMS器件驱动DA转换器6、MEMS器件驱动放大器7、温度传感器8。运动信号传感器2采集MEMS光学器件1的运动信号，并与运动信号放大器3连接，将运动信号送至运动信号放大器3；运动信号放大器3与运动信号AD转换器4连接，运动信号AD转换器4将运动信号进行模数转换，然后将信号送至运动补偿控制处理器5，运动补偿控制处理器5采用嵌入式微处理器ARM，内嵌运动补偿控制软件，运动补偿控制软件根据光学器件1的运动信号计算出运动补偿控制信号。运动补偿控制处理器5与MEMS器件驱动DA转换器6连接，MEMS器件驱动DA转换器6与MEMS器件驱动放大器7连接，MEMS器件驱动放大器7与MEMS光学器件1连接，运动补偿控制信号经DA转换、放大后驱动MEMS光学器件1进行周期性运动，使其运动轨迹保持标准、恒定。所述温度传感器8与运动补偿控制处理器5相连，采集环境温度送至运动补偿控制处理器5。
如图2所示，MEMS光谱仪运动补偿系统中运动补偿控制处理器5运行的运动补偿控制程序的流程包括以下步骤：
1)编制MEMS光学器件标准的运动轨迹数据表；
2)编制MEMS光学器件运动补偿信号数据表，该数据表采用PID控制算法，计算出不同温度条件下，MEMS光学器件在不同运动幅度、不同运动位置时合适的运动补偿控制信号并列表保存待查；
3)启动光谱仪，MEMS光学器件进行周期性运动；
4)由运动信号传感器、运动信号放大器、运动信号AD转换器组成的运动信号检测系统检测MEMS光学器件的运动轨迹；
5)和标准的运动轨迹数据进行比较，判断运动轨迹是否正常；
6)若运动轨迹正常则回到步骤4)；
7)若运动轨迹不正常，则查询MEMS光学器件运动补偿信号数据表，根据数据表提供的补偿信号调节MEMS光学器件的驱动信号，使之保持标准的运动轨迹。
理想状态下，运动检测系统采集到的数据和标准的轨迹数据应该吻合，但当外界温度微小的变化或有微小振动时，MEMS光学器件的运动轨迹会受到影响，运动检测系统采集到的数据立刻会偏离标准的轨迹数据，由于采用了高增益的运动信号放大器，当这种偏离还很微小，未影响到光谱仪性能时，系统就会根据数据偏移的大小对驱动MENS光学器件的驱动信号进行调整，MEMS光学器件的驱动信号是PWM波，可以通过调整PWM波的相位或占空比或振幅来调节MEMS光学器件的运动轨迹。MEMS光学器件振幅偏小时增大驱动，振幅偏大时减小驱动，使得MENS光学器件的运动轨迹克服外界温度或振动带来的影响，保持标准的轨迹数据运动。从而解决了MEMS光谱仪温度稳定性差和耐振动差的问题。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种MEMS光谱仪运动补偿系统，包括MEMS光学器件(1)，其特征在于，还包括运动信号传感器(2)、运动信号放大器(3)、运动信号AD转换器(4)、运动补偿控制处理器(5)、MEMS器件驱动DA转换器(6)、MEMS器件驱动放大器(7)、温度传感器(8)；所述MEMS光学器件(1)处于恒温箱体内，运动信号传感器(2)采集MEMS光学器件(1)的运动信号，并与运动信号放大器(3)连接，运动信号放大器(3)与运动信号AD转换器(4)连接，运动信号AD转换器(4)与运动补偿控制处理器(5)连接，运动补偿控制处理器(5)与MEMS器件驱动DA转换器(6)连接，MEMS器件驱动DA转换器(6)与MEMS器件驱动放大器(7)连接，MEMS器件驱动放大器(7)与MEMS光学器件(1)连接，驱动MEMS光学器件(1)；所述温度传感器(8)与运动补偿控制处理器(5)相连。
2.如权利要求1所述的一种MEMS光谱仪运动补偿系统，其特征在于，所述运动补偿控制处理器(5)采用嵌入式微处理器ARM。
3.采用了如权利要求1所述的一种MEMS光谱仪运动补偿系统的运动补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)编制MEMS光学器件标准的运动轨迹数据表；
2)编制MEMS光学器件运动补偿信号数据表，该数据表采用PID控制算法，计算出不同温度条件下，MEMS光学器件在不同运动幅度、不同运动位置时合适的运动补偿控制信号并列表保存待查；
3)启动光谱仪，MEMS光学器件进行周期性运动；
4)由运动信号传感器、运动信号放大器、运动信号AD转换器组成的运动信号检测系统检测MEMS光学器件的运动轨迹；
5)和标准的运动轨迹数据进行比较，判断运动轨迹是否正常；
6)若运动轨迹正常则回到步骤4)；
7)若运动轨迹不正常，则查询MEMS光学器件运动补偿信号数据表，根据数据表提供的补偿信号调节MEMS光学器件的驱动信号，使之保持标准的运动轨迹。
4.如权利要求3所述的一种MEMS光谱仪运动补偿方法，其特征在于，步骤7)中所述MEMS光学器件的驱动信号是PWM波，通过调整PWM波的幅值来调节MEMS光学器件的运动轨迹。
5.如权利要求3所述的一种MEMS光谱仪运动补偿方法，其特征在于，步骤7)中所述MEMS光学器件的驱动信号是PWM波，通过调整PWM波的相位来调节MEMS光学器件的运动轨迹。
6.如权利要求3所述的一种MEMS光谱仪运动补偿方法，其特征在于，步骤7)中所述MEMS光学器件的驱动信号是PWM波，通过调整PWM波的占空比来调节MEMS光学器件的运动轨迹。
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