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气体传感器PID脉宽恒温控制电路设计

董克冰?? 曹勇全?? 张建国?? 程文进?? 景涛?? 杨成佳?? 中国电子科技集团公司第四十八研究所 微处理机?? 2015年06月25日 ?? 收藏4
1 引言

在半导体电阻式气体传感器中,气敏芯体对温度非常敏感,在整个工作环境温度波动范围内温度噪声通常会完全掩盖气体浓度输出的有效信号。另外气体传感器大多利用化学反应性质测量气体浓度,化学性质通常与温度有关,为了获得最佳响应特性,敏感芯体通常需要工作在特定温度,因而为气敏芯体提供恒定的工作温度环境显得非常有意义。

在电路设计理论里实现恒温控制的方式有很多,传感器的特殊应用决定了低功耗、高精度、高可靠性的分立模拟电路实现方案非常适合。PID脉宽控制恒温模拟电路具有非常好的控温精度,同时元器件简单且具有可靠的失效率参数,风险可控,非常适合航天产品的设计要求。

2 电路框图

传感器芯体上面集成了测温电阻与加热电阻,测温电阻能实时监测传感器芯体的当前温度,且反馈到控制电路的输入端,作为温度误差信号的一个输入端,形成闭环控制。

电路框图如图1 所示,测温电路把当前芯体温度值转化为电压值,该值是一个微弱信号值,必须经过高信噪比前置放大电路放大到合适的电压输出值,再经过系统放大,然后输送给PID 环节进行控制输出,控制输出产生宽度可调脉冲信号驱动加热电路,给传感器芯体加热。传感器当前温度与设定温度温差值越大,误差电压信号越大,经过PID 控制输出脉宽开通时间越长,加热功率越大,反之亦然,从而实现了恒温控制。

图1 恒温控制电路框图
图1 恒温控制电路框图

3.1 温度与加热功率

传感器芯体温度与加载在芯体上的正热能与负热能大小有关。若传感器芯体温度维持在环境温度以上,则传感器芯体加载的正热能来自电能,由焦耳定律可以知道若给定电阻R 上加热电流为I,加热时间为T,那么有I2 * R* T 的电能转换成热能; 而传感器芯体加载的负热能可以是传感器芯体与周围环境的温度差而产生的热对流及热传导带来的热能转移。这种正热能与负热能对温度的影响体现为传感器芯体的加热功率与制冷功率,它们共同决定了传感器芯体的稳定温度。假设传感器芯体工作环境温度为25℃,传感器芯体气体浓度响应最佳温度为80℃,因热传导和热对流损失的负热能为某个可测量值且保持恒定,那么该点环境下芯体温度只与加热功率有关。如上所述,给芯体合适电流,那芯体就可以维持设定点温度,若环境温度上下波动,芯体加热与制冷的功率随温度发生变化,要使芯体继续维持在设定点温度,只需要调节芯体上电流的大小。在25℃环境下,实际测得加热功率与芯体温度的关系如图2 所示,加热功率为0.45W 时芯体即可稳定工作在设定温度80℃。

3.2 温度测量

为了更加准确地测量敏感芯体温度场的温度,在氢敏芯体上集成了一个测温电阻与一个加热电阻。测温电阻、加热电阻和氢敏电阻版图设计经过温度场仿真实现最佳耦合。因而测温电阻能真实反映氢敏电阻当前工作温度。测温电阻材料采用高纯铂电阻镀膜而成,实际测试的测温电阻温度特性如图3 所示,从图中可以看出测温电阻具有良好的温度线性关系。该测温电阻的温度系数因为采用薄膜沉积工艺制备,温度系数没有标准PT100 大,但并不影响使用。

图2 芯体加热功率与温度曲线
图2 芯体加热功率与温度曲线

图3 测温电阻阻值随温度变化曲线
图3 测温电阻阻值随温度变化曲线

电阻经过测温电桥检测,输出反映温度的电压信号。这个信号在控制区域非常微弱,为了提高温度测量精度,采用四线制检测电路,减少测温铂电阻引线长度与铂电阻通电电流对温度测量的影响。

下一页:温度控制环路


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温度控制? 传感器? 放大电路?

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