【導(dǎo)讀】氣敏芯體在半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器中是很敏感的，氣體傳感器還能利用化學(xué)反應(yīng)測(cè)量氣體濃度。本文要詳解的是氣體傳感器PID脈寬控制恒溫電路的設(shè)計(jì)過程。滿足了低功耗、高精度、高可靠性的特點(diǎn)。
在電路設(shè)計(jì)理論里實(shí)現(xiàn)恒溫控制的方式有很多，傳感器的特殊應(yīng)用決定了低功耗、高精度、高可靠性的分立模擬電路實(shí)現(xiàn)方案非常適合。PID脈寬控制恒溫模擬電路具有非常好的控溫精度，同時(shí)元器件簡(jiǎn)單且具有可靠的失效率參數(shù)，風(fēng)險(xiǎn)可控，非常適合航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。
電路框圖
傳感器芯體上面集成了測(cè)溫電阻與加熱電阻，測(cè)溫電阻能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器芯體的當(dāng)前溫度，且反饋到控制電路的輸入端，作為溫度誤差信號(hào)的一個(gè)輸入端，形成閉環(huán)控制。
電路框圖如圖1 所示，測(cè)溫電路把當(dāng)前芯體溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值，該值是一個(gè)微弱信號(hào)值，必須經(jīng)過高信噪比前置放大電路放大到合適的電壓輸出值，再經(jīng)過系統(tǒng)放大，然后輸送給PID 環(huán)節(jié)進(jìn)行控制輸出，控制輸出產(chǎn)生寬度可調(diào)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)加熱電路，給傳感器芯體加熱。傳感器當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度溫差值越大，誤差電壓信號(hào)越大，經(jīng)過PID 控制輸出脈寬開通時(shí)間越長(zhǎng)，加熱功率越大，反之亦然，從而實(shí)現(xiàn)了恒溫控制。
圖1 恒溫控制電路框圖
溫度與加熱功率
傳感器芯體溫度與加載在芯體上的正熱能與負(fù)熱能大小有關(guān)。若傳感器芯體溫度維持在環(huán)境溫度以上，則傳感器芯體加載的正熱能來自電能，由焦耳定律可以知道若給定電阻R 上加熱電流為I，加熱時(shí)間為T，那么有I2 * R* T 的電能轉(zhuǎn)換成熱能; 而傳感器芯體加載的負(fù)熱能可以是傳感器芯體與周圍環(huán)境的溫度差而產(chǎn)生的熱對(duì)流及熱傳導(dǎo)帶來的熱能轉(zhuǎn)移。這種正熱能與負(fù)熱能對(duì)溫度的影響體現(xiàn)為傳感器芯體的加熱功率與制冷功率，它們共同決定了傳感器芯體的穩(wěn)定溫度。
假設(shè)傳感器芯體工作環(huán)境溫度為25℃，傳感器芯體氣體濃度響應(yīng)最佳溫度為80℃，因熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流損失的負(fù)熱能為某個(gè)可測(cè)量值且保持恒定，那么該點(diǎn)環(huán)境下芯體溫度只與加熱功率有關(guān)。如上所述，給芯體合適電流，那芯體就可以維持設(shè)定點(diǎn)溫度，若環(huán)境溫度上下波動(dòng)，芯體加熱與制冷的功率隨溫度發(fā)生變化，要使芯體繼續(xù)維持在設(shè)定點(diǎn)溫度，只需要調(diào)節(jié)芯體上電流的大小。在25℃環(huán)境下，實(shí)際測(cè)得加熱功率與芯體溫度的關(guān)系如圖2 所示，加熱功率為0.45W 時(shí)芯體即可穩(wěn)定工作在設(shè)定溫度80℃。
溫度測(cè)量
為了更加準(zhǔn)確地測(cè)量敏感芯體溫度場(chǎng)的溫度，在氫敏芯體上集成了一個(gè)測(cè)溫電阻與一個(gè)加熱電阻。測(cè)溫電阻、加熱電阻和氫敏電阻版圖設(shè)計(jì)經(jīng)過溫度場(chǎng)仿真實(shí)現(xiàn)最佳耦合。因而測(cè)溫電阻能真實(shí)反映氫敏電阻當(dāng)前工作溫度。測(cè)溫電阻材料采用高純鉑電阻鍍膜而成，實(shí)際測(cè)試的測(cè)溫電阻溫度特性如圖3 所示，從圖中可以看出測(cè)溫電阻具有良好的溫度線性關(guān)系。該測(cè)溫電阻的溫度系數(shù)因?yàn)椴捎帽∧こ练e工藝制備，溫度系數(shù)沒有標(biāo)準(zhǔn)PT100 大，但并不影響使用。
圖2 芯體加熱功率與溫度曲線
圖3 測(cè)溫電阻阻值隨溫度變化曲線
電阻經(jīng)過測(cè)溫電橋檢測(cè)，輸出反映溫度的電壓信號(hào)。這個(gè)信號(hào)在控制區(qū)域非常微弱，為了提高溫度測(cè)量精度，采用四線制檢測(cè)電路，減少測(cè)溫鉑電阻引線長(zhǎng)度與鉑電阻通電電流對(duì)溫度測(cè)量的影響。
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溫度控制環(huán)路
通常溫度系統(tǒng)是大慣性系統(tǒng)，具有較大的滯后性，往往需要具有超前調(diào)節(jié)的微分環(huán)節(jié)。氣體傳感器芯體體積很小，無論是加熱還是制冷，芯體對(duì)溫度都有快速響應(yīng)，采用比例積分控制就可以獲得不錯(cuò)的效果。
比例環(huán)節(jié)
比例環(huán)節(jié)具有快速調(diào)節(jié)能力，比例系數(shù)越大靜差越小，過大容易震蕩。電路如圖4 所示，其增益為 - RP1 /RP2，試驗(yàn)測(cè)試比例系數(shù)為- 4 時(shí)控制效果較好。
積分環(huán)節(jié)
積分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)靜差，當(dāng)系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，積分環(huán)節(jié)的輸出會(huì)持續(xù)增大使得控制作用加強(qiáng)，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。積分系數(shù)越小，積分作用越明顯，控制精度越高。積分電路如圖5 所示，其增益為－ 1 /RI1 * CI1 * S，其中S 為拉式算子。經(jīng)調(diào)整時(shí)間常數(shù)RI1CI1為4.7s 比較合適。
微分電路
微分環(huán)境對(duì)輸入快速變化的情況具有較大的反應(yīng)輸出，能提高控溫系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度波動(dòng)的快速響應(yīng)能力。微分環(huán)節(jié)具有超前調(diào)節(jié)的作用，具體電路如圖6 所示。
PWM 產(chǎn)生電路
PWM 電路采用簡(jiǎn)單分立器件搭建，具體電路如圖7 所示，主要構(gòu)成有比較器產(chǎn)生限閾值翻轉(zhuǎn)波形，然后經(jīng)過積分電路充放電產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)鋸齒波，鋸齒波在與PID 環(huán)節(jié)輸出電壓比較，產(chǎn)生脈寬隨溫度誤差調(diào)整的波形，該波形輸出給驅(qū)動(dòng)加熱電路。
圖7 PWM 電路
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
樣機(jī)進(jìn)行了穩(wěn)定動(dòng)態(tài)過程的短時(shí)間測(cè)試和穩(wěn)定點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試。短時(shí)間測(cè)試樣機(jī)溫度曲線如圖8 所示，其中可以看出樣機(jī)到達(dá)溫度設(shè)定點(diǎn)90% 的時(shí)間非常短，大概為120s，整體控溫精度在0.15℃以內(nèi)。當(dāng)環(huán)境溫度波動(dòng)時(shí)控溫點(diǎn)會(huì)隨著擾動(dòng)，很快就能回到設(shè)定的溫度值，動(dòng)態(tài)響應(yīng)非常快.
圖8 控溫穩(wěn)定過程
樣機(jī)控溫效果穩(wěn)定點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)曲線如圖9 所示，從該圖可知整體控溫精度在0.15℃以內(nèi)更加明顯，說明樣機(jī)電路控溫點(diǎn)不會(huì)隨時(shí)間飄移，也不隨環(huán)境緩慢變化的溫度波動(dòng)漂移。
圖9 長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性
PID 脈寬溫度控制電路，所用元器件較少，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，控制精度可以達(dá)到±0.15℃，完全滿足氣體傳感器應(yīng)用需求。在可行性、可靠性、安全性方面特別適合航天產(chǎn)品的需求，可在氣體傳感器中應(yīng)用推廣。
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