CN110520700B - 用于抵抗外部施加的力的干涉仪的系统和方法 - Google Patents

Abstract

描述一种加固型干涉仪的实施例，所述加固型干涉仪包括：光源(210)，其产生光束；固定镜面(207)；移动镜面(205)，其沿着线性路径行进；分束器(215)，其将所述光束的第一部分引导到所述固定镜面且将所述光束的第二部分引导到所述移动镜面，其中所述分束器将从所述固定镜面反射的所述第一部分和从所述移动镜面反射的所述第二部分重组；以及伺服控制(203)，其在周转周期起始时将相当大程度的力施加到所述移动镜面，其中所述相当大程度的力足以将高速行进的所述移动镜面重导向到所述线性路径上相反的行进方向。

Description

用于抵抗外部施加的力的干涉仪的系统和方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2017年3月16日提交的第62/472,096号美国临时专利申请的权益。本申请的内容以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明大体针对一种改进的干涉仪和操作方法。

背景技术

通常应理解，傅里叶变换红外(FTIR)光谱法技术提供用于同时实时测量大量(例如20+)气体的浓度的优良的工具。如本文所使用的术语“实时”通常是指以与事件展开相同的速度且有时与事件展开同时地对事件进行报告、描绘或作出反应，而非延迟报告或行动。因为这一点，FTIR一直是用于排放物监测工业的重要技术，然而在产生干扰FTIR性能的力的环境中，在特定便携式或工业应用中可靠地使用FTIR存在挑战。其一个实例包含一种系统，所述系统在交通工具处于运动中时实时测量交通工具的排放物且经受作用于仪器上的力，所述力可包含振动、仪器相对于重力的方位改变(例如，倾斜)、动量的改变(例如，加速度/减速度)等。此系统的特定实例可被称为用于RDE(实时行驶排放物)的PEMS(便携式排放物测量系统)。

普通技术人员应理解，利用FTIR技术的“干涉仪”仪器通常包含被称作调制器的仪器，所述调制器可对振动、倾斜和其它类似条件极其敏感。举例来说，一些干涉仪实施例对外部施加的力尤其敏感，所述外部施加的力可能导致1)将像差引入到数据中，从而产生较差数据质量；和/或2)搅乱干涉仪的控制系统，从而致使其暂时停止扫描，几秒钟内不产生数据。在某些状况下，外部施加的力还可能阻止仪器从停止或断开的位置开始扫描。

对于例如PEMS等连续测量系统，极其合乎需要的是，干涉仪产生大体上不间断的数据(例如，尽可能少的数据丢失)且具有与实验室环境中可获得的数据大体上相等的质量。被称作“迈克尔逊干涉仪”的一种特定类型的干涉仪可以PEMS应用需要的具成本效益且紧凑的形式配置，然而迈克尔逊干涉仪实施例通常存在由如上文所描述的外部施加的力导致的问题。举例来说，迈克尔逊干涉仪通过使用分束器来反射和透射入射光而工作。光的一个射束路径反射离开静止镜面，且光的另一射束路径反射离开移动镜面。这两个射束在分束器处重组且退出干涉仪。随着移动镜面来回振荡，两个光束之间的干扰图案产生经调制信号。此经调制光信号随后与样本交互，且最后由检测器测量。此外，固定已知频率的激光束通过干涉仪且用单独的检测器检测到。此激光信号用于以已知位置间隔(例如，1除以激光的频率)对经调制光取样，且激光信号还用于经由伺服电机控制移动镜面的速度。位置空间中的此测得的信号经傅里叶变换，从而产生频率空间中的频谱。由Griffiths和deHaseth在“傅里叶变换红外光谱法(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)”中论述迈克尔逊干涉仪的额外描述(Griffiths,Peter R.,和James A.De Haseth.傅里叶变换红外光谱法，第2版，新泽西州，霍博肯市(Hoboken，NJ)：约翰·威利父子公司(John Wiley&Sons)，2007)，其全文出于所有目的特此以引用的方式并入本文中。

相关领域的普通技术人员应理解，迈克尔逊干涉仪实施例是极其精确的仪器且通常并入有一个或多个机制以解决可能经由物理和/或环境波动而发生的变化。举例来说，一些实施例包含动态对准系统，其使静止镜面倾斜以考虑干涉仪中微小的未对准，以及考虑干涉仪的热漂移。所述动态对准系统通常具有其自身的控制系统，其与控制移动镜面的伺服电机控制系统分离。动态对准和伺服电机控制系统两者均使用激光信号作为测量值，但以不同方式。移动镜面伺服电机控制系统使用激光的“零交叉”作为移动镜面的速度的测量值。动态对准系统通常使用在射束的平面中分离的三个单独激光信号，且使用控制系统将三个激光信号的相位锁定在适当位置达某一限定的相位分离。干涉仪中微小的未对准通常致使这些激光信号的相位分离贯穿移动镜面的振荡变化。在上文以引用的方式并入的Griffiths和de Haseth的例如“傅里叶变换红外光谱法”等标准文本中进一步描述用于迈克尔逊干涉仪的此众所周知的技术。

然而，如上文所描述，即使利用解决物理和/或环境变化的机制，典型的迈克尔逊干涉仪实施例仍不能解决例如便携式应用(例如对于包含轿车、卡车、飞行器等的交通工具)或工业应用(例如，具有导致大振动的大风扇或其它装置的电厂或远程排放物监测站点)中经历的外部施加的力所导致的显著影响。此外，以简单且具成本效益的方式开发解决外部施加的力所导致的相当大的影响的迈克尔逊干涉仪实施例极其具有挑战性。举例来说，所属领域的普通技术人员应理解，存在可解决外部施加的力所导致的一些影响的技术，包含可被称为“正交”技术的技术。然而，对于便携式应用和工业应用来说，与此类技术相关联的复杂程度和成本过高。

因此，需要一种以相对简单且便宜的方式使得更能抵抗外部施加的力的干涉仪的改进的设计。

发明内容

本文关于说明性、非限制性实施方案来描述解决这些和其它需求的系统、方法和产品。各种替代方案、修改和等效物是可能的。

描述一种加固型干涉仪的实施例，所述加固型干涉仪包括：光源，其产生光束；固定镜面；移动镜面，其沿着线性路径行进；分束器，其将光束的第一部分引导到固定镜面且将光束的第二部分引导到移动镜面，其中分束器将从固定镜面反射的第一部分和从移动镜面反射的第二部分重组；以及伺服控制，其在周转周期起始时将相当大程度的力施加到移动镜面，其中所述相当大程度的力足以将高速行进的移动镜面重导向到线性路径上相反的行进方向。

在一些实施例中，周转周期的起始使用开环控制方案来施加所述相当大程度的力。并且，伺服控制在稳态模式中使用闭环控制方案将力施加到移动镜面。

并且，一些实施例的固定镜面包含动态对准系统，所述动态对准系统具有拥有刚性特性的一个或多个调谐元件，例如压电或机械致动器。此外，动态对准系统的一些实施例还包含具有刚性特性的粗略调谐机构，例如导螺杆或步进式电机。有利的是，调谐元件和粗略调谐机构组合而提供额外补偿范围。

此外，所描述发明的一些实施例包含运动检测器，例如加速度计，其定位于加固型干涉仪的非移动部分上且被配置成为移动镜面提供参考。在相同或替代实施例中，运动检测器(其可以是第一运动检测器或额外运动检测器)定位于端板上且为调谐元件提供参考。重要的是，运动检测器向伺服控制提供信息以修改周转周期中力的程度。

所描述的实施例中的每一个也包含检测器，其可以是“快速”检测器(例如碲镉汞(MCT)检测器)或“慢速”检测器(例如硫酸三甘肽(TGS)检测器)。此外，一个或多个实施例可包含一个或多个减震结构，其进一步减小加固型干涉仪的组件上施加的外部施加的力的程度。减震结构的实例包含橡胶脚垫和/或钢绳隔震器。

此外，在一些实施例中，所述相当大程度的力包括处于50-300克范围内的力，其包含最大可允许力。在一些实施例中，可能需要所述相当大程度的力为约100克的力。此外，高速大于或等于3cm/s，其可包含约8.2cm/s的速度。

上述实施例和实施方案彼此不一定为包含性的或排它性的，且无论其是否与同一或不同实施例或实施方案结合呈现，所述实施例和实施方案都可以不冲突的和其它可能的任何方式进行组合。一个实施例或实施方案的描述不意图就其它实施例和/或实施方案来说为限制性的。而且，在替代实施方案中，在本说明书中其它地方描述的任何一个或多个功能、步骤、操作或技术可与本发明内容中描述的任何一个或多个功能、步骤、操作或技术组合。因此，上述实施例和实施方案为说明性的而非限制性的。

附图说明

从结合附图进行的以下详细描述中将更清楚地理解以上以及其它特征。在图式中，相同的参考标号指示相同的结构、元件或方法步骤，且参考标号的最左边数字指示参考元件第一次出现的图的编号(例如，元件120第一次出现在图1中)。然而，所有这些惯例既定是典型的或说明性的，而非限制性的。

图1是干涉仪和相关联计算机系统的一个实施例的简化图形表示；

图2是包括迈克尔逊干涉仪配置的图1的干涉仪的一个实施例的简化图形表示；

图3是示出“基线鞭状(baseline whip)”的效应的数据的简化图形表示；

图4是示出在图2的干涉仪的实施例中使用动态对准系统的改进的数据的简化图形表示；

图5是示出在图2的干涉仪的实施例中用于移动镜面的控制的标准方案和混合方案之间的比较的简化图形表示；

图6是示出图2的干涉仪的实施例的性能的数据的简化图形表示，其示出交通工具中在运动中时随着时间的过去丙烷气体的测得的浓度；以及

图7是示出标准气体分析仪器和图2的干涉仪的实施例之间的量化误差的比较的数据的简化图形表示。

贯穿图式的多个视图，相同的参考标号表示对应的零件。

具体实施方式

如下文将更详细地描述，所描述发明的实施例包含抵抗外部施加的力的改进的干涉仪。更具体地，所述干涉仪为“加固型”，使得其在经受外部施加的力的环境中提供高质量的恒定输出，所述环境例如其中很可能发生显著程度的振动、加速度/动量改变或倾斜的环境。应了解，术语振动、加速度、动量改变和倾斜全部指代外部施加的力的形式且因此在本文可互换使用。

图1提供用户101能够与计算机110交互以及计算机110和干涉仪120之间的网络连接的简化说明性实例。图1还示出样本130，其可包含流体样本(例如气体或液体)或固体样本。应了解，图1的实例示出元件之间的直接网络连接(例如，包含由闪电表示的有线或无线数据传输)，然而示例性网络连接还包含经由其它装置(例如开关、路由器、控制器、计算机等)的间接通信且因此不应被视为具有限制性。

计算机110可包含任何类型的计算平台，例如工作站、个人计算机、平板计算机、“智能电话”、服务器、计算集群(本地或远程)，或任何其它当前或未来计算机或计算机集群。通常包含已知组件，例如一个或多个处理器、操作系统、系统存储器、存储器存储装置、输入-输出控制器、输入-输出装置和显示装置。还应了解，计算机110的一个以上实施方案可用于在不同实施例中实行各种操作，且因此图1中计算机110的表示不应被视为具有限制性。

在一些实施例中，计算机110可采用包括计算机可用介质的计算机程序产品，所述计算机可用介质中存储有控制逻辑(计算机软件程序，包含程序代码)。控制逻辑在由处理器执行时致使处理器执行本文中所描述的功能。在其它实施例中，一些功能主要在硬件中使用例如硬件状态机来实施。实施硬件状态机以便执行本文中所描述的功能对于相关领域的技术人员来说将是显而易见的。并且在相同或其它实施例中，计算机110可采用因特网客户端，所述因特网客户端可包含被启用以经由网络访问远程信息的专门的软件应用。网络可包含所属领域的普通技术人员众所周知的许多不同类型的网络中的一个或多个。举例来说，网络可包含局域网或广域网，其采用通常被称为TCP/IP协议集的协议来通信。网络可包含包括通常被称为因特网的全球互连计算机网络系统的网络，或还可包含各种内联网架构。相关领域的普通技术人员还将理解，联网环境中的一些用户可能偏爱采用通常被称作“防火墙”(有时也被称作包过滤器或边界防护装置)的机制来控制去往和来自硬件和/或软件系统的信息业务。举例来说，防火墙可包括硬件或软件元件或其某一组合，且通常被设计成强制执行由例如网络管理员等用户置于适当位置的安全策略。

图2提供包含光源210(例如激光器)、伺服控制203、端板225、移动镜面205和分束器215的加固型(例如抵抗外部施加的力)干涉仪120的实施例的说明性实例。图2还示出检测器220，其测量来自“气室”中所含有的气体样本的光谱，且可包含氘化三甘氨硫酸酯(DTGS)检测器、钽酸锂(LiTaO3)检测器、硫酸三甘肽(TGS)检测器或碲镉汞(MCT)检测器。还应了解，干涉仪120可包含图2中未示出的元件。举例来说，干涉仪120可经由例如橡胶脚垫、钢绳隔震器或其它减震结构等一个或多个振动阻尼元件以操作方式连接到交通工具、风扇或其它外力源，所述振动阻尼元件减小和/或移除以特定频率发生的振动(例如某一频率下的阻尼量取决于振动阻尼元件的特性)。

在图2中示出的实施例中，端板225包含固定镜面207和动态对准系统，所述动态对准系统包括对固定镜面207作出位置调整的一个或多个调谐元件217。应了解，调谐元件217在图2中在线性布置中示出，然而调谐元件217可布置在任何配置中且因此图2中的示图不应被视为具有限制性。举例来说，端板225上用于调谐元件217的安装平面可包括环形形状。调谐元件217可以任何布置分布在安装平面上，这为固定镜面207提供所有所要移动自由度以实现有效的动态对准。

在迈克尔逊干涉仪的典型实施例中，固定镜面搁置在柔性柱上以使动态对准系统能够具有大行进范围。然而，因为柔性柱不是刚性的，所以其对振动尤其敏感，这致使固定镜面移出理想位置。当干涉仪经受外部施加的力时，此移动导致所收集的傅里叶变换光谱中的“基线鞭状”。通常还应理解，各种其它伪影也可能促成基线鞭状，例如通常被称作激光位置误差或镜面倾斜的伪影。此外，通常应用“基线校正”过程来解决某一程度的基线鞭状误差，然而典型的基线校正算法不能移除显著的基线鞭状效应。

图3依据测量流体中的恒定甲烷量且经受一定程度的振动(例如36Hz)的标准干涉仪实施例提供在三个时间点(例如0.058分钟处线309；0.301分钟处线307；以及0.349分钟处线305)处所收集光谱中的不合需要的基线鞭状的说明性实例。在不存在外部施加的力所导致的基线鞭状的情况下，光谱应非常干净地叠加降落，然而如图3中所示出，归因于每一时间点处基线鞭状的程度，光谱彼此极其不同。并且，虽然可能看上去基线鞭状的程度随着时间的过去而增加，但情况不一定如此，因为基线鞭状可能展现不规则且随机的图案。

在本发明的一个实施例中，调谐元件217中的一个或多个包括被称作“压电致动器”(有时也称作“压电堆叠”)的元件。压电效应是特定材料的已知特性，其中另外刚性材料响应于所施加电压从而致使所述材料少量伸长。还应了解，压电致动器技术的并入相对简单且压电致动器技术具有相当便宜的额外益处。因此，归因于材料的刚性性质，调谐元件217的一个或多个压电致动器为固定镜面207提供大体上抵抗来自外部施加的力的影响的非常刚性且稳定的安装界面。此外，调谐元件217的所述一个或多个压电致动器可处于可包含伺服控制系统(例如可大体上等同于伺服控制203)的控制系统或计算机110的操作引导下，所述计算机提供固定镜面207的所要动态对准控制。举例来说，调谐元件217的所述一个或多个压电致动器提供对于多种振动的显著阻力，且以与刚性安装的固定镜面(例如，固定镜面直接安装到端板225而无调谐元件)大体上类似的方式运作。然而，调谐元件217的所述一个或多个压电致动器还提供足够的行进范围以作出实现有效动态对准的必需的校正。在相同或替代实施例中，调谐元件217可包括例如步进式电机或导螺杆实施例等一个或多个机械致动器。

图4提供使用包括具有多个压电致动器的配置的干涉仪120的实施例和包括处于振动下的柔性柱配置的标准干涉仪实施例(例如“备用”)收集的透射率数据的说明性实例。图4中数据的比较表明经由采用使用压电致动器配置的动态对准系统实现的性能的显著改进。这由利用压电致动器配置检测到的振动的显著减少来例证，所述压电致动器配置在不存在任何振动的情况下大体上等同于备用实施例。

相关领域的普通技术人员应理解，压电材料通常具有有限行进范围，这对于固定镜面207的长距离调整可能不够。举例来说，采用压电致动器的调谐元件217可针对固定镜面207提供达约100角秒的调整范围。因此，在所描述实施例中的一些或全部中，干涉仪120包括“粗略调整”对准功能，其提供动态对准系统的额外调整范围。在所描述的实施例中，粗略调整功能可包含达数千角秒的范围，且可在某些情况下包含以度数测量的范围。重要的是，粗略调整功能提供足够的范围，以实现对于可能超出调谐元件217的调整能力范围的各种校正量的补偿。所需的校正量可以是制造容差、热漂移、机械损伤、老化或影响干涉仪120的各种组件的其它因素的结果。在所描述的实施例中，由粗略调整提供的移动范围可与由调谐元件217提供的范围相加。举例来说，在一些实施例中，粗略调整提供长距离调整(例如粗略调谐)，且调谐元件217提供小调整(例如微调)。此外，粗略调整机制还共享上文描述为抵抗外部施加的力的刚性特性。在所描述的实施例中，粗略调整/调谐机构可包含例如手动导螺杆型元件等一个或多个机械致动器，和/或具有足够的齿轮比的一个或多个步进式电机。在本实例中，三个导螺杆可有效地实现粗略调整功能。

在本文中所描述的实施例中，干涉仪120包括用于在伺服控制203的操作控制下沿着线性路径来回扫描移动镜面205的线性支承。在一些实施例中，伺服控制203可包含可被称为“比例-积分-微分控制器”(也称为PID控制器)的控制器，其包括可连续地计算误差值并应用校正的控制环路反馈机制。在正常操作期间，伺服控制203执行移动镜面205的“周转”操作模式(例如，移动镜面205逆转方向的模式)，以及“稳态”操作模式(例如，移动镜面205的固定行进速率)。举例来说，在稳态模式期间，伺服控制203将激光零交叉保持在恒定固定速率。并且，如下文将更详细地描述，在周转模式期间，伺服控制203使用非常简明的开环控制方案将相当大的力施加到移动镜面205，从而致使移动镜面205的方向以稳态模式的速度快速逆转。随后，在闭环控制下，伺服控制203加速移动镜面205直至其已达到用于稳态模式的速度，且继续在伺服控制203的闭环控制下操作直至下一周转操作。这不同于起始周转操作的标准方法：在施加“轻度”力以逆转移动镜面205的方向之前在闭环控制下将移动镜面205减缓到低速度。

相关领域的普通技术人员应理解，闭环控制方案通常利用与所要设定点比较的某一值的主动测量。随后，使用测得值和设定点之间的差(通常被称为“误差”信号)，作出关于是否需要应用对于控制参数的改变来维持设定点的确定。举例来说，伺服控制203可设定成将移动镜面205的“激光交叉”的频率保持到约130kHz。如果激光交叉的检测到的频率在约125kHz下发生，则伺服控制203通过将更多电压施加到驱动移动镜面205的电机来作出响应。类似地，如果激光交叉的检测到的频率在约135kHz下发生，则伺服控制203通过减小到驱动移动镜面205的电机的电压来作出响应。在本实例中，可由伺服控制203使用所属领域中常用的等式来确定电压改变的量，例如：

在所描述等式中，output(t)表示时间且是伺服控制203的输出，且error(t)表示伺服控制203的设定点和测得的变量的当前状态之间的瞬时误差。在伺服控制203的情况下，输出是移动移动镜面205的驱动电压，且测得的变量的当前状态是如由激光信号零交叉测得的移动镜面205的速度。误差信号为设定点速度减去测得的速度。K_p,K_I和K_d为常数，且这些常数针对系统调谐以提供最佳系统性能。这些常数分别是驱动控制等式的比例、积分和微分常数。

普通技术人员还应理解，开环控制不使用主动测量来控制系统的性能。所属领域的普通技术人员应理解，开环控制可被设计成比闭环控制系统更简单且更快，这是归因于以下事实：通常在进入开环操作模式之前预设力的程度(例如，不需要镜面速度的测量和计算来调整力的程度)。并且，开环控制模式和闭环控制模式(且反之亦然)之间的转变可专门编程以使误差最小化，所述误差可能延长移动镜面205达到恰当速度所需的时间量。

在一个实施例中，由伺服控制203提供的开环控制可包括施加约2V持续约5毫秒的持续时间以产生约50-300克的相当大的力(例如，可存在与所使用的最大可允许力程度相关的“热限制”，其中高于热限制的力从施加所述相当大的力的驱动线圈产生不合需要的热量)。举例来说，约100克的相当大的力可足以提供反冲，同时仍低于热限制。还应了解，力的程度还取决于干涉仪120和相关联组件的尺寸，其中较大实施例需要较高程度的力且具有不同热要求。在所描述的实施例中，在开环控制下，如果存在致使移动镜面205的速度改变的干扰，则由伺服控制203施加的电压不改变。

典型的干涉仪实施例针对稳态操作模式(例如，平稳、恒定的速度)以及针对周转操作模式的大部分采用闭环控制方案。举例来说，对于典型的周转操作模式，控制器在闭环控制下减缓移动镜面直至其在转动镜面之前达到缓慢速度。在该点处，控制器进入开环控制模式以将足以以缓慢速度转动镜面的小程度的力施加到镜面。随后，控制器重新进入闭环控制模式以在确定周转点之后将移动镜面加速回到所要巡航速度。

相关领域的普通技术人员还应理解，当移动镜面205正以“缓慢”速度(例如，相比于稳态模式中的快速速度)行进时伺服电机203对外部施加的力最敏感。举例来说，缓慢速度可小于或等于约1cm/s，且快速速度可大于或等于约3cm/s。在本实例中，如果干涉仪120在与移动镜面205行进相同的方向上快速摇晃，则移动镜面205可实际正在相反方向上行进持续短时间周期。更具体地，如果移动镜面205正以0.4cm/s的速度在行进方向上移动且干涉仪120以1cm/s的速度在相同的行进方向上移动，则移动镜面205实际正以-0.6cm/s相对于空间中的固定点反向移动。在本实例中，逆向移动导致对于所述扫描不可用的傅里叶变换数据。移动镜面205行进得越快，则干涉仪120可能摇晃的越快以使得发生逆向速度效应，且因此干涉仪120在移动镜面205的较快速度下更稳健。

在所描述发明的一个实施例中，伺服电机203使移动镜面以缓慢速度行进的时间周期最小化，以缩短干涉仪120对外部施加的力敏感的周期。举例来说，与在标准干涉仪中一样，伺服电机203在闭环控制下在稳态模式中操作。然而，当周转模式伺服起始时，控制203切换到替代的开环控制系统，所述替代的开环控制系统使用例如驱动线圈等装置来施加相当大程度的力以向移动镜面205提供与行进方向相对的“反冲”。所述相当大程度的力(例如，可包含处于50-300克范围内的力，且更确切地说可包含约100克的力)足以改变移动镜面的行进方向，而不会首先从稳态模式的高速度(例如可包含约8.2cm/s的速度)减缓。在一些实施例中，反冲针对驱动线圈的实施例利用最大可允许力，其可包含可用于驱动线圈实施例的完全力。通常应理解，存在驱动线圈的不同实施例，其具有可能超出反冲所需的量的可用力，且因此最大可允许力或完全力可能不是必需的。

在所描述的实施例中，伺服控制203施加预设且恒定的力，且监测开环操作期间移动镜面205的速度直至移动镜面205逆转其行进方向。此时，伺服控制203重新进入闭环稳态控制模式。在所描述发明的实施例中，通过在反冲提供相当大程度的力的周转操作期间使用开环控制系统，移动镜面205以缓慢速度行进的时间量大大减小。换句话说，如本文所描述的开环操作模式实现移动镜面205的非常快速的周转，从而使所需的时间量最小化。

在一些实施例中，检测器220和计算机110不收集周转操作期间的光谱数据。然而，因为干涉仪120的所描述实施例归因于周转操作的快速性质和返回到稳态模式的高速度而对来自外部施加的力的负面影响不太敏感，所以数据收集也对误差的引入不太敏感。举例来说，归因于可能引入的电位误差，典型的干涉仪实施例在周转操作期间移动镜面正减缓或加速时不执行数据获取。归因于任何时间处速度的改变，当使用例如DTGS检测器等慢速检测器时对数据质量的影响尤其明显，但在例如MCT型检测器等较快检测器的情况下的影响可显著减少。在使用快速检测器的本发明的所描述的实施例中，数据收集的周期可延长到其中移动镜面205的速度在100％到约30％之间的范围内的时间周期。延长的数据获取周期产生具有较好分辨率的更多数据。此外，数据获取周期可经由周转操作延长，这使得以较快速率获取数据。由所描述的实施例提供的另一优点是，用于周转操作的相当大程度的力可处于力范围的下端，且总体数据收集中具有低速度损耗和较好系统稳定性，这是归因于线性电机中振动较少且热量较少。

在所描述的实施例中，在移动镜面205的行进方向逆转之后，伺服控制203提供恒定高水平的力以推动移动镜面205直至其达到所要巡航速度。此可被称为“混合”伺服控制系统，其使用用于稳态模式的闭环控制和相当大程度的力，所述相当大程度的力可包含相当大的最大可允许力，以用于周转模式起始时的开环控制。通常应理解，标准控制策略导致数据失落且需要在行驶时以频繁的间隔重新开始(例如，每几分钟左右一次)。而由伺服控制203采用的使用混合控制方案的混合控制实现延长周期的连续操作(例如，至少三十分钟)，而不会发生一次失落事件。

在一些实施例中，大体上最大可允许力周转模式可增加零路径差的表观位置中的误差量(例如，ZPD是最大量的某一范围的波长的光通过干涉仪的气室到达检测器的点；有时也被称作“中心突发”)，从而产生干涉图中的一或两个数据点峰值跳跃。在所描述的实施例中，这可由伺服控制203或计算机110所实施的其它高级软件考虑，它们在扫描完成之后找到ZPD，且将数据移位峰值跳跃的量使得ZPD始终处于数据阵列中的相同点处。对于标准的基于实验室的红外(IR)仪器，最大可允许力周转方案(和所得峰值跳跃)对于其中ZPD难以找到的大多数应用(例如，有噪声数据收集或FT-Raman)将是不可接受的。此外，此类型的周转足够剧烈以至于对利用慢速TGS检测器的实验室级系统造成负面影响。在以MCT检测器快速扫描的实施例中，这对性能的影响程度没有达到其对TGS检测器的影响程度。举例来说，对于加固型干涉仪120的实施例，对于ZPD的位置的精确控制对于伺服控制203的准确性来说不太重要。这是归因于以下事实：归因于红外(IR)信号的质量，ZPD通常在所描述应用中明确界定，所述质量由仅允许特定波长通过的气室保证。

图5提供示出用于控制的标准方案510和混合方案520之间的比较的说明性实例，其中x轴是移动镜面205的相对位置，且y轴是移动镜面205的相对速度。重要的是，如上文所描述，移动镜面205线性地行进(例如使用线性轴承)，且图5中所示出的椭圆形线路表明速度而非行进路径的改变。在标准方案510中，初始周转周期的大部分仍在闭环控制下，直至移动镜面205达到非常缓慢的速度(例如小于约1cm/s)。在非常缓慢的速度下，当伺服控制203向移动镜面205提供小程度的力以使移动镜面转动时存在到开环控制周期的转变(例如由转变条500指示)，随后是到闭环加速度周期的另一转变，这使移动镜面205进入稳态速度(例如图5中示出为V_巡航)。标准方案510下整个周转操作的时间周期指示为周转周期515。

在混合方案520中，伺服控制203在起始周转周期之前不减慢移动镜面205的速度。实际上，在周转周期起始时，伺服控制203在移动镜面205处于稳态速度(例如由转变条500指示)时转变到开环控制，且将与行进方向相对的相当大的力施加到移动镜面205(例如50-300克的力)。随后，在移动镜面205的行进方向已经逆转之后，伺服控制203转变到闭环控制(例如由转变条500指示)且维持施加所述相当大的力。混合方案520下整个周转操作的时间周期指示为大大短于周转周期515的周转周期525。还应了解，在一些实施例中，移动镜面205在用于混合方案520的大体上最大可允许力下反冲，这导致与周转周期515相比更加大大缩短的周转周期(和距离)。在标准方案510和混合方案520两者中，用于稳态部分的闭环控制保持相同。

并且，干涉仪120的一些实施例包含例如加速度计等运动检测器以帮助确定当系统处于开环控制下时将施加的力的程度。加速度计(例如3轴加速度计或6轴加速度计)的一个或多个实施例的并入通过依据特定元件的移动向伺服控制203提供额外数据来提供用于抵抗干涉仪120的外部施加的力的相当大的改进。在采用TGS检测器的实施例中，归因于相对较慢的扫描速率，加速度计输入尤其有用，在相对较慢扫描速率的情况下检测器对移动镜面205的速度误差较敏感(例如，相比于由MCT检测器采用的扫描速率)。还应了解，运动检测器的一些功能可由被称作“正交”的另一技术执行，然而加速度计实施例相对于此类技术提供相当大的成本益处，同时实现大体上相等的性能水平。举例来说，可与当前描述的发明一起使用的加速度计的实施例可以比具有类似性能特征的正交实施例的成本少约十倍的成本获得。

如上文所描述，到干涉仪120的外部施加的力将在一个方向或另一方向上(例如根据外部施加的力的方向)向移动镜面205施加力，且伺服控制203使用预设程度的力来施加到移动镜面205以致使移动镜面在一个方向或另一方向上移动。然而，在一些实施例中，运动检测器可使伺服控制203能够调整开环操作周期期间施加到移动镜面的力的预设量，且因此实现较好的性能水平。举例来说，加速度计的实施例可定位于干涉仪120的主体的测量干涉仪120上施行的力的非移动区域上。伺服控制203接收加速度计输出且将对应于在移动镜面205的相同行进方向上作用的力的值求和，且接着将求和值乘以增益因数(所述增益因数可以是频率(例如扫描速度)相依的)，以产生加速度补偿值，伺服控制203可将所述加速度补偿值输入到将力提供到移动镜面205的线圈驱动器的电压输出中。在当前描述的实例中，加速度计策略具有实现在数据获取中断发生之前预测数据获取中断的最小延迟周期。

在相同或替代的实例中，加速度计(例如3轴或6轴)的额外实施例可定位于端板225的某一区域上，其输出可以与供与到调谐元件217中的电压输出一起使用的来自主体加速度计的输出(例如求和及增益乘法)相同的方式看待。在一些实施方案中，加速度计的使用可替代调谐元件217的压电实施例以进一步减小成本。并且，在其中作用于干涉仪120上的旋转力是关注点的某些状况下，加速度计的6轴实施例的使用提供相对于3轴实施例的优点。

此外，干涉仪120的一些实施例可利用位置传感器(例如光开关或编码器)来识别移动镜面205的位置。或者，本文中所描述的本发明的一些实施例利用运动检测器代替特定位置传感器来为伺服控制203提供给定时间处移动镜面205的绝对位置。在所描述的实施例中，重要的是，伺服控制203知道移动镜面205起始行进以用于扫描操作的位置。举例来说，启动方案可在开环控制下抵着线性轴承的行进范围的末端处的硬停止点迫使移动镜面205向上。从此位置启动扫描，使得伺服控制203始终具有移动镜面205相对于已知位置(例如开始启动的轴承的端部)的位置。如果存在需要伺服控制203重启的任何中断，则重复所述程序。在移动镜面205的行进方向上到干涉仪120(例如经由振动和/或倾斜)的外部施加的力可从已知位置更改移动镜面205的位置(例如，移动镜面205可能归因于非常低的摩擦系数而沿着线性轴承滑动)，这可能致使启动程序失败。通过将加速度计并入到开环控制操作中，伺服控制203能够施加必需的力以在启动第一扫描之前将移动镜面205保持在已知位置处。在本实例中，此在干涉仪120经历17度的倾斜角或更大倾斜角时实现可靠的启动。

在相同或替代实施例中，加速度计还可用于推动大力开环周转操作。举例来说，如果干涉仪120倾斜或以其它方式被加速，则伺服控制203可通过在取决于由加速度计测得的倾斜角的稍高或稍低的力下使移动镜面205反冲来补偿所述倾斜，从而产生ZPD定位的增加的可靠性(例如，使峰值跳跃不太极端)。最后，可采用加速度计作为报告工具来设定振动规格限制，且对振动环境中收集的在仪器规格之外的任何光谱进行标记。这将通过识别可能不精确的数据以及识别干涉仪120已经经历什么类型的振动条件来提供显著益处。

重要的是，本文中所描述的本发明的实施例在经历例如显著振动和倾斜(例如，沿着道路行驶的轿车的后部)等外部施加的力时产生类似于在受控实验室条件下获得的结果的结果。举例来说，干涉仪120可在0.5cm-1分辨率下执行高速气体分析，经过至少30分钟的连续操作周期，而无振动和/或倾斜所导致的中断。在本实例中，干涉仪120产生当行驶时密封气室中所含有的气体量的大体上恒定的测量值(例如，当行驶时仪器的精确程度的测试)。

图6和7提供表明量化在交通工具中处于运动中时的气体浓度的干涉仪120的性能的结果的说明性实例。在图6的实例中，干涉仪120安装于交通工具的后部，且设定成在沿着道路行驶时执行填充有210ppm的丙烷气体的2m气室中丙烷气体的实时量化。相对于平均值的最大偏差是4％的偏差，且超过90％的数据点在平均值的1％内。图7提供标准气体分析仪器(例如，可购自赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific)的iG50仪器)和干涉仪120的加固型实施例之间的量化误差的比较，所述干涉仪120的加固型实施例采用具有调谐元件217的动态对准系统，所述调谐元件采用压电致动器以及混合方案520。值得注意的是，标准气体分析仪器在从填充有100ppm的甲烷气体的气室检测到的误差曲线中含有若干离群值。或者，用于测试加固型式的干涉仪120的气室填充有210ppm的丙烷气体。两个数据集都是用安装于轿车后部的仪器在行驶时收集的，通过取每一值和平均值之间的减法的绝对值随后将此残差除以平均值并乘以100来计算％误差。

最后，干涉仪120的形状因数对于连续排放物监测、便携式排放物监测和实时行驶排放物测量很重要。对于这些应用，非常频繁地拾取和携带光谱仪，或其安装于远程位置中。在任一情况下，小形状因数对于可运输性来说很重要。举例来说，干涉仪120的实施例可包括具有以下尺寸的形状因数：490mm x 250mm x 330mm，以及最大重量15kg，且在某些状况下需要具有350mm x 230mm x 280mm的形状因数和14kg的重量。相关领域的普通技术人员将了解，使较大、较重的干涉仪抵抗振动是一项较容易的挑战，因为物体的质量越大，则其对振动的敏感度越小。

已描述各种实施例和实施方案，对于相关领域的技术人员来说应显而易见的是，前述内容仅为说明性的且并非限制性的，仅借助于实例进行呈现。将功能分布在所说明实施例的各种功能元件当中的许多其它方案是可能的。任何元件的功能可在替代实施例中以各种方式实行。

Claims (24)

1.一种加固型干涉仪，其包括

光源，其产生光束；

固定镜面；

移动镜面，其沿着线性路径行进；

驱动线圈；

分束器，其将所述光束的第一部分引导到所述固定镜面且将所述光束的第二部分引导到所述移动镜面，其中所述分束器将从所述固定镜面反射的所述第一部分和从所述移动镜面反射的所述第二部分重组；以及

伺服控制，其在周转周期起始时利用所述驱动线圈将50-300克的相当大程度的力施加到以大于或等于3cm/s的稳态速度行进的所述移动镜面，其中所述相当大程度的力使所述移动镜面的行进方向反转，并且所述伺服控制保持施加所述相当大程度的力，直到所述移动镜面达到所述稳态速度。

2.根据权利要求1所述的加固型干涉仪，其中：

所述伺服控制采用混合控制方案以便在所述周转周期的所述起始时从闭环控制切换到开环控制，并在所述移动镜面的所述行进方向反转时从开环控制切换到闭环控制。

3.根据权利要求2所述的加固型干涉仪，其中：

所述伺服控制在所述闭环控制下利用所述驱动线圈向所述移动镜面施加力，以保持所述稳态速度。

4.根据权利要求1所述的加固型干涉仪，其中：

所述固定镜面进一步包括动态对准系统，所述动态对准系统包括具有刚性特性的一个或多个调谐元件。

5.根据权利要求4所述的加固型干涉仪，其中：

所述一个或多个调谐元件包括压电致动器。

6.根据权利要求4所述的加固型干涉仪，其中：

所述一个或多个调谐元件包括机械致动器。

7.根据权利要求4所述的加固型干涉仪，其中：

所述动态对准系统进一步包括具有刚性特性的粗略调谐机构。

8.根据权利要求7所述的加固型干涉仪，其中：

所述粗略调谐机构包括导螺杆或步进式电机。

9.根据权利要求7所述的加固型干涉仪，其中：

所述调谐元件和粗略调谐机构提供额外补偿范围。

10.根据权利要求1所述的加固型干涉仪，还包括：

运动检测器，所述运动检测器测量施加在所述加固型干涉仪上的力并定位于所述加固型干涉仪的主体的非移动部分上且向所述伺服控制提供信息以改变施加到所述移动镜面的所述相当大程度的力的大小。

11.根据权利要求1所述的加固型干涉仪，还包括：

运动检测器，所述运动检测器测量施加在所述加固型干涉仪上的力并定位于端板上且提供信息以对所述固定镜面进行位置调整。

12.根据权利要求10所述的加固型干涉仪，其中：

所述运动检测器包括加速度计。

13.根据权利要求1所述的加固型干涉仪，其进一步包括：

检测器。

14.根据权利要求13所述的加固型干涉仪，其中：

所述检测器包括快速检测器。

15.根据权利要求14所述的加固型干涉仪，其中：

所述快速检测器包括碲镉汞(MCT)检测器。

16.根据权利要求13所述的加固型干涉仪，其中：

所述检测器包括慢速检测器。

17.根据权利要求16所述的加固型干涉仪，其中：

所述慢速检测器包括硫酸三甘肽(TGS)检测器。

18.根据权利要求1所述的加固型干涉仪，其进一步包括：

一个或多个减震结构。

19.根据权利要求18所述的加固型干涉仪，其中：

所述一个或多个减震结构包括橡胶脚垫。

20.根据权利要求18所述的加固型干涉仪，其中：

所述一个或多个减震结构包括钢绳隔震器。

21.根据权利要求1所述的加固型干涉仪，其中：

所述相当大程度的力包括最大可允许力。

22.根据权利要求21所述的加固型干涉仪，其中：

所述相当大程度的力包括100克的力。

23.根据权利要求1所述的加固型干涉仪，其中：

所述稳态速度包括8.2cm/s的速度。

24.根据权利要求11所述的加固型干涉仪，其中：

所述运动检测器包括加速度计。

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