基于MEMS的近红外光谱仪控制方法研究与开发

摘要

基于微机电系统（MEMS）技术的近红外光谱已成为便携式近红外光谱技术的热点。然而，MEMS微镜在长期工作过程中，由于自身特性变化以及外界振动等因素的影响，导致其运行过程中产生角度偏转，进而影响光谱仪的性能。此外，微镜驱动系统还存在变量耦合问题，常规控制方法难以满足近红外光谱仪的性能要求。本文研究了微镜控制策略以解决上述问题。 本文在介绍了课题研究背景之后，第二章首先阐明了电热式MEMS微镜的驱动特性，分析了微镜角度在运行过程中发生偏转的主要原因；通过驱动电压与MEMS微镜X轴、Y轴方向偏转角的试验测试，分析了微镜的耦合特性以及可行的变量配对方法；最后，利用最小二乘法完成MEMS微镜驱动系统的模型参数识别。 第三章首先介绍了MEMS微镜驱动模型的相对增益分析和解耦网络设计方法，然后根据MEMS微镜的实际工作条件，设计了一种改进的PID控制器组成一个PID解耦控制系统，并进行了仿真研究，以处理系统耦合和干扰。 第四章在简要阐述了模型预测控制与扰动观测器的原理后，针对MEMS微镜驱动系统的耦合与扰动，将扰动观测器与模型预测控制相结合，形成一个复合控制系统，仿真结果表明该复合控制结构可以全面补偿MEMS微镜驱动系统中的干扰。 第五章进行了MEMS近红外光谱仪系统的调试和性能测试，在企业实验环境下搭建测试平台，测试MEMS微镜移动过程中的偏转角度，以及MEMS近红外光谱仪的长期测量重复性。测试结果表明，在闭环控制作用下，MEMS微镜运动过程中的偏转角被控制在0.005°左右，MEMS近红外光谱仪的性能比项目规范要求的0.01°控制目标有所改进。 本文所设计的近红外光谱仪控制方法，可有效处理MEMS微镜驱动系统的耦合与扰动，对推动MEMS近红外光谱仪的便携式发展具有很好的参考价值。

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