董克冰，曹勇全，張建國(guó)，程文進(jìn)，景 濤，楊成佳

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，長(zhǎng)沙410111；2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094）

氣體傳感器脈寬恒溫控制電路設(shè)計(jì)

董克冰1，曹勇全1，張建國(guó)1，程文進(jìn)1，景 濤1，楊成佳2

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，長(zhǎng)沙410111；2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094）

針對(duì)薄膜氣體傳感器敏感芯體的氣體溫度特性，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的脈寬恒溫控制電路。采用經(jīng)典PID控制模式，自適應(yīng)調(diào)節(jié)加熱功率，滿足高溫高濕的環(huán)境要求。樣機(jī)器件全部采用有失效率指標(biāo)的高等級(jí)質(zhì)量國(guó)產(chǎn)元件，可靠性完全可估。樣機(jī)對(duì)啟動(dòng)電流、最高溫度等最壞情況做了特別設(shè)計(jì)，同時(shí)為了有效降低失效率，對(duì)有效工作模式做了規(guī)定以適合高可靠性、低風(fēng)險(xiǎn)的航天應(yīng)用要求。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明氫氣傳感器控溫電路精度可達(dá)0.15℃，可滿足傳感器精度要求。

經(jīng)典PID控制；脈寬調(diào)制；溫度控制；氣體傳感器

1 引 言

在半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器中，氣敏芯體對(duì)溫度非常敏感［1］，在整個(gè)工作環(huán)境溫度波動(dòng)范圍內(nèi)溫度噪聲通常會(huì)完全掩蓋氣體濃度輸出的有效信號(hào)。另外氣體傳感器大多利用化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)測(cè)量氣體濃度，化學(xué)性質(zhì)通常與溫度有關(guān)，為了獲得最佳響應(yīng)特性，敏感芯體通常需要工作在特定溫度，因而為氣敏芯體提供恒定的工作溫度環(huán)境顯得非常有意義。

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。

2 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

3 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

3.1 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℃。

3.2 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。

3.3 溫度控制環(huán)路［2］

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(wú)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［3］控制就可以獲得不錯(cuò)的效果。

3.3.1 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。

3.3.2 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。

圖4 比例電路

圖5 積分電路

3.3.3 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。

圖6 微分電路

3.3.4 PWM產(chǎn)生電路

PWM電路［4］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

采用PWM通斷控制模式，能最大化利用加熱功率。在導(dǎo)通瞬間，加熱電壓完全加載在加熱電阻上，電流峰值會(huì)比較大，因此需要控制加熱電阻合適的阻值。另外PWM控制存在完全導(dǎo)通的情況，雖然在本電路應(yīng)用中不會(huì)帶來壞的影響，但是為了調(diào)整最大加熱功率以達(dá)到控制最大加熱溫度的目的，在PID輸出環(huán)節(jié)采用穩(wěn)壓二極管，控制PID輸出電壓的幅度，保證PWM能夠輸出一定寬度的死區(qū)。

4 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?？臁?/p>

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。

5 結(jié)束語(yǔ)

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。

圖9 長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性

［1］ RaviPrakash Jayaraman.Thin film hydrogen sensors：a materials processing approach［D］.Pennsylvania.Pennsylvania State University，2002.

［2］ 李寶仁，張理，杜經(jīng)民.基于模糊控制的氣體溫度控制系統(tǒng)的研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2005（7）：1－3.

［3］ 胡壽松.自動(dòng)控制原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［4］ 童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2007.

Design on Pulse－W idth PID Tem perature Control in Gas Sensor

Dong Kebing1，Cao Yongquan1，Zhang Jianguo1，ChengWenjin1，Jing Tao1，Yang Chengjia2
（1.The48th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Changsha 410111，China；2.Astronaut Center of China，Beijing 100094，China）

A practical temperature control circuit is designed especially for gas sensor according to properties of the thin sensitive core films.The classical PID controlmode is adapted to adjust the heating power and meet the environmental requirements of high temperature and high humidity.All domestic components have failure rate，so the reliability of the prototype can be estimated.The prototype is especially designed for the worst situations of starting current and maximum temperature.The prototype is also recommended for the normal work mode to reduce the failure rate.The experiments data show that the hydrogen sensor temperature control circuit precision can reach 0.15 degrees，which meets the requirement of the hydrogen sensor.

PID；PWM；Temperature control；Gas sensor

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.01.021

TN7

B

1002－2279（2015）01－0076－03

董克冰（1982－），男，湖南衡東人，碩士研究生，主研方向：微系統(tǒng)與自動(dòng)控制技術(shù)研究。

2014－05－04