劉卓元, 宋旭彤, 孫云娜, 丁桂甫

(上海交通大學 微米/納米加工技術重點實驗室,上海 200240)

0 引 言

氫氣是一種理想的二次能源,儲量豐富,制備過程簡單。同時,氫氣作為工業(yè)原料在石油化工、電子冶金、食品加工、航空航天等領域都有廣泛應用。由于氫氣無色無味且易燃易爆,因此,在其生產(chǎn)、運輸、存儲和使用過程中,安全、快速和靈敏的測得當前環(huán)境中氫氣實時體積分數(shù)變得十分必要。隨著微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術的發(fā)展,各式各樣高精度、高集成、快響應的氫傳感系統(tǒng)應運而生[1]。

本文的敏感探頭具有自主知識產(chǎn)權,在氫氣測試環(huán)境中其敏感電阻阻值會發(fā)生變化,通電后此變化通過電橋輸出電壓差。但此種方式不能直接反映氫氣體積分數(shù)、器件局部溫度的實際變化情況,在實驗條件下二者的反饋分別需要借助專業(yè)的體積分數(shù)檢測設備和紅外測溫儀,不夠直觀高效。又因為本文探頭基于玻璃基底制作,導熱性差,通電后由于電流的焦耳熱效應溫度持續(xù)升高且不穩(wěn)定,無法保持在最佳工作溫度點附近。因此，系統(tǒng)在探頭的基礎上進行多功能附加,不僅可以顯示測量點處氫氣體積分數(shù)和敏感探頭溫度,還可以對整個系統(tǒng)進行溫度控制,使其更貼合產(chǎn)品使用實際。

設計的探頭以Pd-Ni合金電橋為氫氣體積分數(shù)敏感執(zhí)行結構,其右側集成了Pt電阻用于實現(xiàn)測溫、加熱兩種功能。系統(tǒng)采用雙路比例—積分—微分(proportional-integral-differential,PID)算法,分別實現(xiàn)制冷半導體、Pt電阻輸出功率控制,以維持溫度平衡。該算法控制精度高,工作后迅速將系統(tǒng)調(diào)整至最佳溫度點,使探頭靈敏度最佳。系統(tǒng)將氫氣敏感探頭、單片機及復位電路、電源電路、信號放大及AD轉換電路、溫度控制電路、有機發(fā)光二極管(OLED)顯示屏等模塊集成在一起,成功實現(xiàn)了既定的系統(tǒng)功能。

1 電橋式氫氣敏感探頭設計

系統(tǒng)的氫氣敏感探頭,由敏感單元和電橋電路引線、電極同步制作而成,采用甩膠、光刻、濺射、剝離等基本MEMS工藝。這種探頭由玻璃基底、金引線及電極、Pd-Ni合金敏感電阻和Pt電阻器組成。

1.1 Pd-Ni合金電橋

Pd-Ni合金敏感電阻對氫氣體積分數(shù)敏感且對氫氣具有高選擇性。4只電阻器組成惠斯通電橋結構,其中R2,R3表面覆蓋了一層光刻膠,隔絕與氫氣的接觸；以保證外界環(huán)境中的氫氣體積分數(shù)發(fā)生變化時,此電橋中只有R1，R4電阻阻值發(fā)生變化,這樣當給電橋通電時,方便將電阻變化放大為電壓變化。

1.2 Pt電阻

Pt電阻因其測量范圍大、耐氧化和穩(wěn)定性好等優(yōu)點被廣泛用于溫度測量。需要指出的是將Pt與Pd-Ni的間距盡可能縮小,以使兩者溫度差小到可以忽略不計,即Pt的溫度等于整個傳感系統(tǒng)的溫度。由于系統(tǒng)上電后溫度無反饋機制,因此，Pt電阻的存在就是為了增加一個能夠直接反映整個系統(tǒng)溫度變化的機制,用其阻值變化反映整個系統(tǒng)的溫度變化[2]。

1.3 氫氣敏感探頭結構

圖1為此探頭完整的器件圖和敏感結構放大圖,其中R1～R4為Pd-Ni電阻,R5為Pt電阻；矩形部分1～4為Pd-Ni合金電阻的4個引腳,矩形5,6為Pt電阻的兩個引腳。

圖1 探頭結構

1.4 標定結果

對Pt電阻直接標定線性度為0.844 5,經(jīng)過對樣片的熱處理后[3],線性度達1.001 1,如圖2(a)所示。通過單片機對Pt電阻阻值進行讀取,經(jīng)過A/D轉換后,在OLED屏上直接顯示溫度；同理,由于敏感探頭輸出電壓和氫氣體積分數(shù)之間為單調(diào)函數(shù)關系,對二者間的數(shù)量關系進行標定后同樣可顯示氫氣體積分數(shù)。不同氫氣體積分數(shù)下探頭的電壓輸出曲線如圖2(b)所示。當輸出電壓和氫氣體積分數(shù)間滿足四次多項式關系時,相關系數(shù)R2達0.999,滿足擬合效果。

圖2 標定結果

2 溫度控制系統(tǒng)

2.1 硬件電路設計

為了實現(xiàn)溫度控制和氫氣體積分數(shù)、溫度的實時反饋,設計了一個控制顯示電路?？刂骑@示電路主要由單片機及復位電路、電源電路、信號放大及A/D轉換電路、溫度控制電路、OLED顯示屏等模塊組成。

整個電路工作框圖如圖3所示。左側為電源電路部分：12 V電源為5 V基準穩(wěn)壓模塊供電,產(chǎn)生一個穩(wěn)定的5 V,使之為信號放大電路、Pt電阻供電；同時12 V為制冷、制熱驅動和制冷半導體供電。5 V基準電壓經(jīng)過一個3.3V低壓降穩(wěn)壓器(LDO)為單片機供電。右側為整個電路系統(tǒng)之間的協(xié)作關系：單片機分別通過讀取Pd-Ni合金電阻、Pt電阻信息實現(xiàn)信號采集,再經(jīng)過信號放大、A/D轉換將其變?yōu)闅錃怏w積分數(shù)、溫度信息,單片機再控制OLED顯示其數(shù)值。根據(jù)實際溫度和設定溫度的比較,單片機輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號分別控制制冷和制熱驅動,使制冷半導體和Pt電阻開始工作[4]。

圖3 電路工作框圖

圖4為信號放大及A/D轉換電路。其中，1,2號引腳用來接入Pd-Ni合金電橋電阻的信號變化,然后和R4,R5,R6共同組成惠斯通電橋,采用儀表放大器AD8226對橋間電壓進行放大,通過R7和C2組成低通濾波器,將電壓輸入AD處理器進行轉換,依據(jù)傳感器輸出電壓和氫氣體積分數(shù)的數(shù)量關系,計算后得到采樣的氫氣體積分數(shù)值。通過定值電阻R3和可調(diào)電阻PR1調(diào)節(jié)儀表放大器增益,使輸出電壓在理想的測量范圍[5]。同理,3,4號引腳用來接入Pt電阻的信號變化,將電壓輸入AD處理器進行轉換,依據(jù)Pt電阻值和溫度的數(shù)量關系,計算得到采樣的溫度值。

圖4 信號放大及A/D轉換電路

該系統(tǒng)所用處理器為ST公司的STM32F103C8T6單片機,CPU采用ARM架構的32位Cortex-M3內(nèi)核,時鐘頻率為72 MHz,自帶12位A/D轉換器和PWM發(fā)生器。

2.2 Pt的兩種功能

系統(tǒng)中Pt電阻兼具兩種功能。由單片機控制Pt在不同時序下的功能轉變：前5個時鐘周期信號進行溫度檢測,當上升沿來臨時,分別去讀取Pt電阻溫度信號,取平均并實時顯示；第6個時鐘周期,Pt切換為加熱功能,此種工作狀態(tài)維持5個周期。當?shù)?個上升沿來臨時,單片機對上一個周期測得的溫度值和設定值進行比對,若實際溫度高于設定值時,單片機驅動制冷半導體工作,使之降溫,持續(xù)4個時鐘周期,結束時切換成溫度檢測功能,再次比對,循環(huán)工作至實際溫度與設定溫度相等；若實際溫度低于設定值時,單片機發(fā)出信號至固態(tài)繼電器,使Pt切換至加熱功能,升溫持續(xù)4個時鐘周期,結束時轉換回溫度檢測功能,繼續(xù)比對,循環(huán)工作至實際溫度與設定溫度相等。

當實際溫度與設定溫度相等時,單片機讀取氫傳感器電橋的輸出信號,實時顯示氫氣體積分數(shù)；同時讀取Pt電阻溫度信號,達到溫度的同步實時顯示。整個溫度控制過程如圖5所示。

圖5 溫度控制系統(tǒng)工作流程

2.3 雙路PID控制算法

本文將經(jīng)典PID控制算法分別寫入兩路,一路驅動制冷半導體工作,用于當實際溫度高于設定溫度的降溫；一路驅動Pt熱電阻工作,用于當實際溫度低于設定溫度的升溫。雙路PID的工作邏輯流程如圖6所示。

圖6 雙路PID工作邏輯流程

經(jīng)典PID算法公式為

其中，Kp為比例系數(shù),它的作用是加快系統(tǒng)響應速度,減小控制量偏差,但易產(chǎn)生靜態(tài)誤差,控制精度低；Ti為積分系數(shù),它的作用是只要偏差存在,就不斷地對偏差進行積分,并反映在調(diào)節(jié)力度上。即減小靜態(tài)情況下的誤差,讓受控物理量盡可能接近目標值；Td為微分系數(shù),它的作用是讓被控制的物理量“變化速度”趨于0,使系統(tǒng)超調(diào)量減小,穩(wěn)定性增加,動態(tài)誤差減小。但其系數(shù)過大會引入干擾、增大對系統(tǒng)的沖擊風險,過小則會使調(diào)節(jié)周期過長,效果不顯著。因此，三個環(huán)節(jié)之間需要相互配合,選取合理的控制器參數(shù)以達到良好的控制效果[6]。

2.4 系統(tǒng)集成

溫度控制系統(tǒng)由氫氣敏感探頭、制冷半導體、銅管和散熱片組成。將探頭通過導熱膠黏貼于制冷半導體上表面,并通過金絲壓焊,將器件的PAD與PCB電路相連,如圖7所示。其中制冷半導體本質上是一個熱傳遞的工具：利用特種半導體材料構成的P-N結,形成熱電偶對,產(chǎn)生珀爾帖效應[7]。當有電流通過時,上下表面之間就會產(chǎn)生熱量轉移,熱量就會從上表面轉移到下表面,從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。當冷熱端達到一定溫差時就會達到一個平衡點,此時冷熱端的溫度就不會繼續(xù)發(fā)生變化。為了達到更低的溫度,可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來實現(xiàn)。銅管和散熱片的作用都是為了增強散熱,以實現(xiàn)和工作環(huán)境快速的熱交換。

圖7 溫度控制系統(tǒng)結構

3 實驗結果與分析

印刷電路板(PCB)制作完成后,經(jīng)過I2C總線調(diào)試,實驗條件下,系統(tǒng)正常顯示溫度、氫氣體積分數(shù)。對系統(tǒng)施加1.5 V的輸入電壓,通過雙路PID算法控制氫傳感器的溫度,使系統(tǒng)穩(wěn)定在最佳工作溫度點。室溫25 ℃環(huán)境下,系統(tǒng)響應曲線如圖8所示。上電后響應迅速,經(jīng)過10 s上升略微超調(diào)后,15 s即達到穩(wěn)態(tài)45 ℃,超調(diào)量約為2.5 ℃；穩(wěn)態(tài)最高溫度為45.06 ℃,最低溫度為44.97 ℃,最高溫度與最低溫度差值為0.09 ℃,穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1 ℃。

圖8 溫度響應曲線

將上述系統(tǒng)置于氫氣體積分數(shù)測試環(huán)境中,通入1 000×10-6體積分數(shù)的氫氣,每隔10 s記錄一次氫氣體積分數(shù)示數(shù)。分別在無溫控和加溫控條件下,對單個器件進行測試,其輸出信號變化如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn),在無溫控條件下,氫氣體積分數(shù)會隨著溫度的漂移而產(chǎn)生波動,精度較低；而加入溫控模塊的氫氣傳感器系統(tǒng)輸出信號的響應比較穩(wěn)定,基本在理論水平1 000×10-6上下變化。

圖9 溫控對傳感器輸出信號的影響

4 結 論

本文設計了一種快速、高效和多功能的氫氣傳感系統(tǒng),不僅能夠實時顯示測試點處氫氣體積分數(shù)和傳感探頭溫度示數(shù),還能夠使系統(tǒng)溫度保持在最佳工作溫度點。該系統(tǒng)采用雙路PID溫度控制算法,溫度穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1 ℃,約15 s即達到穩(wěn)態(tài),響應速度快。使用該系統(tǒng)對電橋式氫氣敏感探頭進行溫度控制后,器件溫度和傳感器輸出信號穩(wěn)定性得到了提高。