氣體傳感器PID脈寬恒溫控制電路設計

　　1 引言

　　在半導體電阻式氣體傳感器中，氣敏芯體對溫度非常敏感，在整個(gè)工作環(huán)境溫度波動(dòng)范圍內溫度噪聲通常會(huì )完全掩蓋氣體濃度輸出的有效信號。另外氣體傳感器大多利用化學(xué)反應性質(zhì)測量氣體濃度，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。

　　在電路設計理論里實(shí)現恒溫控制的方式有很多，傳感器的特殊應用決定了低功耗、高精度、高可靠性的分立模擬電路實(shí)現方案非常適合。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，風(fēng)險可控，非常適合航天產(chǎn)品的設計要求。

　　2 電路框圖

　　傳感器芯體上面集成了測溫電阻與加熱電阻，測溫電阻能實(shí)時(shí)監測傳感器芯體的當前溫度，且反饋到控制電路的輸入端，作為溫度誤差信號的一個(gè)輸入端，形成閉環(huán)控制。

　　電路框圖如圖1 所示，測溫電路把當前芯體溫度值轉化為電壓值，該值是一個(gè)微弱信號值，必須經(jīng)過(guò)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(guò)系統放大，然后輸送給PID 環(huán)節進(jìn)行控制輸出，控制輸出產(chǎn)生寬度可調脈沖信號驅動(dòng)加熱電路，給傳感器芯體加熱。傳感器當前溫度與設定溫度溫差值越大，誤差電壓信號越大，經(jīng)過(guò)PID 控制輸出脈寬開(kāi)通時(shí)間越長(cháng)，加熱功率越大，反之亦然，從而實(shí)現了恒溫控制。

　　2.1 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(lái)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(mén)，那么有I2 * R* T 的電能轉換成熱能; 而傳感器芯體加載的負熱能可以是傳感器芯體與周?chē)h(huán)境的溫度差而產(chǎn)生的熱對流及熱傳導帶來(lái)的熱能轉移。這種正熱能與負熱能對溫度的影響體現為傳感器芯體的 加熱功率與制冷功率，它們共同決定了傳感器芯體的穩定溫度。假設傳感器芯體工作環(huán)境溫度為25℃，傳感器芯體氣體濃度響應最佳溫度為80℃，因熱傳導和熱 對流損失的負熱能為某個(gè)可測量值且保持恒定，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，要使芯體繼續維持在設定點(diǎn)溫度，只需要調節芯體上電流的大小。在25℃環(huán)境下，實(shí)際測得加熱功率與芯體 溫度的關(guān)系如圖2 所示，加熱功率為0.45W 時(shí)芯體即可穩定工作在設定溫度80℃。

　　2.2 溫度測量

　　為 了更加準確地測量敏感芯體溫度場(chǎng)的溫度，在氫敏芯體上集成了一個(gè)測溫電阻與一個(gè)加熱電阻。測溫電阻、加熱電阻和氫敏電阻版圖設計經(jīng)過(guò)溫度場(chǎng)仿真實(shí)現最佳耦 合。因而測溫電阻能真實(shí)反映氫敏電阻當前工作溫度。測溫電阻材料采用高純鉑電阻鍍膜而成，實(shí)際測試的測溫電阻溫度特性如圖3 所示，從圖中可以看出測溫電阻具有良好的溫度線(xiàn)性關(guān)系。該測溫電阻的溫度系數因為采用薄膜沉積工藝制備，溫度系數沒(méi)有標準PT100 大，但并不影響使用。

　　電阻經(jīng)過(guò)測溫電橋檢測，輸出反映溫度的電壓信號。這個(gè)信號在控制區域非常微弱，為了提高溫度測量精度，采用四線(xiàn)制檢測電路，減少測溫鉑電阻引線(xiàn)長(cháng)度與鉑電阻通電電流對溫度測量的影響。

　　2.3 溫度控制環(huán)路

　　通常溫度系統是大慣性系統，具有較大的滯后性，往往需要具有超前調節的微分環(huán)節。氣體傳感器芯體體積很小，無(wú)論是加熱還是制冷，芯體對溫度都有快速響應，采用比例積分控制就可以獲得不錯的效果。

　　2.3.1 比例環(huán)節

　　比例環(huán)節具有快速調節能力，比例系數越大靜差越小，過(guò)大容易震蕩。電路如圖4 所示，其增益為 - RP1 /RP2，試驗測試比例系數為- 4 時(shí)控制效果較好。

　　2.3.2 積分環(huán)節

　　積 分環(huán)節可以消除系統靜差，當系統有穩態(tài)誤差時(shí)，積分環(huán)節的輸出會(huì )持續增大使得控制作用加強，從而減小穩態(tài)誤差。積分系數越小，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)調整時(shí)間常數RI1CI1為4.7s 比較合適。

　　采用PWM 通斷控制模式，能最大化利用加熱功率。在導通瞬間，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 控制存在完全導通的情況，雖然在本電路應用中不會(huì )帶來(lái)壞的影響，但是為了調整最大加熱功率以達到控制最大加熱溫度的目的，在PID 輸出環(huán)節采用穩壓二極管，控制PID 輸出電壓的幅度，保證PWM 能夠輸出一定寬度的死區。

　　2.3.3 微分電路

　　微分環(huán)境對輸入快速變化的情況具有較大的反應輸出，能提高控溫系統對環(huán)境溫度波動(dòng)的快速響應能力。微分環(huán)節具有超前調節的作用，具體電路如圖6 所示。

　　2.3.4 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，主要構成有比較器產(chǎn)生限閾值翻轉波形，然后經(jīng)過(guò)積分電路充放電產(chǎn)生標準鋸齒波，鋸齒波在與PID 環(huán)節輸出電壓比較，產(chǎn)生脈寬隨溫度誤差調整的波形，該波形輸出給驅動(dòng)加熱電路。

　　3 實(shí)驗結果

　　樣 機進(jìn)行了穩定動(dòng)態(tài)過(guò)程的短時(shí)間測試和穩定點(diǎn)長(cháng)時(shí)間測試。短時(shí)間測試樣機溫度曲線(xiàn)如圖8 所示，其中可以看出樣機到達溫度設定點(diǎn)90% 的時(shí)間非常短，大概為120s，整體控溫精度在0.15℃以?xún)?。當環(huán)境溫度波動(dòng)時(shí)控溫點(diǎn)會(huì )隨著(zhù)擾動(dòng)，很快就能回到設定的溫度值，動(dòng)態(tài)響應非?？?。

　　樣機控溫效果穩定點(diǎn)長(cháng)時(shí)間監測曲線(xiàn)如圖9 所示，從該圖可知整體控溫精度在0.15℃以?xún)雀用黠@，說(shuō)明樣機電路控溫點(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。

　　4 結束語(yǔ)

　　PID 脈寬溫度控制電路，所用元器件較少，調節簡(jiǎn)單，控制精度可以達到±0.15℃，完全滿(mǎn)足氣體傳感器應用需求。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用推廣。