基于壓力傳感器的溫度控制系統設計
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O 引言
在微電子器件領(lǐng)域，針對SiC器件的研究較多，已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，而在MEMS領(lǐng)域針對SiC器件的研究仍有許多問(wèn)題亟待解決。在國內，SiC MEMS的研究非常少，因而進(jìn)行SiC高溫MEMS壓力傳感器的研究具有開(kāi)創(chuàng )意義。碳化硅(SiC)具有優(yōu)良的耐高溫，抗腐蝕，抗輻射性能，因而使用SiC來(lái)制作壓力傳感器，能夠克服Si器件高溫下電學(xué)、機械、化學(xué)性能下降的缺陷，穩定工作于高溫環(huán)境，具有光明的應用前景。
然而當外界溫度較大時(shí)，壓力傳感器受溫度影響精度不高，會(huì )產(chǎn)生零點(diǎn)漂移等問(wèn)題，從而增大測量誤差。于是嘗試加工一個(gè)腔體，把壓力傳感器和溫度傳感器放置在里面形成一個(gè)小的封閉腔體，在外界溫度較高或較低的情況下，用加熱裝置先升溫到幾十度并維持這一溫度，給壓力傳感器做零點(diǎn)補償，提高壓力傳感器的測量精度。這樣就克服了在大溫度范圍難以補償的問(wèn)題。本文對這個(gè)溫度控制系統提出了解決方案，采用了PID參數自整定控制，模糊控制屬于智能控制方法，它與PID控制結合，具有適應溫控系統非線(xiàn)性、干擾多、時(shí)變等特點(diǎn)。
1 硬件系統
用放置在腔體內的溫度傳感器測量恒溫箱內的溫度，產(chǎn)生的信號經(jīng)過(guò)放大后輸出反饋信號，再用單片機進(jìn)行采樣，由液晶顯示恒溫箱內的溫度，并通過(guò)溫度控制算法控制加熱裝置。所使用的單片機為STCl25408AD，自帶A／D轉換、EPROM功能，內部集成MAX810專(zhuān)用復位電路(外部晶振20 MHz以下時(shí)，可省外部復位電路)，ISP(在系統可編程)／IAP(在應用可編程)，無(wú)需專(zhuān)用編程器可通過(guò)串口(P3．0／P3．1)直接下載用戶(hù)程序，數秒即可完成一片。硬件結構框圖如圖1所示。
2 系統的控制模型
電加熱裝置是一個(gè)具有自平衡能力的對象，可用一階慣性環(huán)節描述溫控對象的數學(xué)模型。
式中：K為對象的靜增益；t’為對象的時(shí)間常數。
目前工程上常用的方法是對過(guò)程對象施加階躍輸入信號，測取過(guò)程對象的階躍響應，然后由階躍響應曲線(xiàn)確定過(guò)程的近似傳遞函數。具體用科恩-庫恩(cohen-coon)公式確定近似傳遞函數。
cohn-coon公式如下：
式中：△M為系統階躍輸入；△C為系統的輸出響應；t0o．28為對象上升曲線(xiàn)為O．28△C時(shí)的時(shí)間(單位：min)；t0．632為對象上升曲線(xiàn)為O．632△C時(shí)的時(shí)間(單位：min)；從而求得K=O．96，t’=747 s。所以恒溫箱模型為：
3 系統的控制模型仿真及實(shí)驗結果
純PID控制有較大超調量；而純模糊控制由于自身結構的原因又不能消除穩態(tài)誤差，穩態(tài)誤差較大。所以，考慮把它們兩者相結合，實(shí)現優(yōu)勢互補。本論文采用參數模糊自整PID控制。
使用該模糊控制器在Simulink中構建整個(gè)控制系統，如圖2所示。
溫度控制系統對應仿真結果如圖3所示。從上面的仿真結果表明：調節時(shí)間ts約為460s，穩態(tài)誤差ess=O，超調量σ％=O。雖然仿真環(huán)境不可能與實(shí)際情況完全相同，但它的結果還是具有指導意義的。
在實(shí)際測試中前10 min每30 s采樣一次，后10 min每200 s采樣一次，測得實(shí)驗結果如表1所示。
用Matlab軟件處理表1中的測試數據，繪制成變化趨勢圖，如圖4所示。
圖4為80℃時(shí)系統測得的實(shí)驗結果，由實(shí)驗結果表明，在實(shí)際測量中仍然有較小的超調量和穩態(tài)誤差，但是基本接近仿真結果，不能排除一些干擾因素。仿真畢竟是在理想的環(huán)境下進(jìn)行的。
4 結語(yǔ)
本文設計了一種用于壓力傳感器的溫度控制系統，針對壓力傳感器在高溫下易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移等問(wèn)題，加工了恒溫封閉腔體，把壓力傳感器置入其中，通過(guò)控制系統控制腔體內的溫度，解決了高溫壓力傳感器大溫度范圍難以補償的問(wèn)題，從而可以提高測量精度，通過(guò)仿真和實(shí)驗相印證，本方案是可行的。
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