“安博appapp下载”气体传感器PID脉宽恒温控制电路设计

1章节　　在半导体电阻式气体传感器中，气敏芯体对温度十分脆弱，在整个工作环境温度波动范围内温度噪声一般来说不会几乎掩饰气体浓度输入的有效地信号。另外气体传感器大多利用化学反应性质测量气体浓度，化学性质一般来说与温度有关，为了获得最佳号召特性，脆弱芯体一般来说必须工作在特定温度，因而为气敏芯体获取恒定的工作温度环境变得十分有意义。

　　在电路设计理论里构建恒温掌控的方式有很多，传感器的类似应用于要求了低功耗、高精度、高可靠性的并存仿真电路构建方案非常适合。PID脉长掌控恒温仿真电路具备十分好的控温精度，同时元器件非常简单且具备可信的失效率参数，风险高效率，非常适合航天产品的设计拒绝。

　　2电路框图　　传感器芯体上面构建了测温电阻与冷却电阻，测温电阻能动态监测传感器芯体的当前温度，且对系统到控制电路的输出末端，作为温度误差信号的一个输出末端，构成闭环控制。　　电路框图如图1右图，测温电路把当前芯体温度值转化成为电压值，该值是一个黯淡信号值，必需经过低信噪比前置缩放电路缩放到适合的电压输入值，再行经过系统缩放，然后运送给PID环节展开掌控输入，掌控输入产生宽度固定式脉冲信号驱动冷却电路，给传感器芯体冷却。传感器当前温度与原作温度温差值越大，误差电压信号越大，经过PID掌控输入脉长通车时间就越宽，冷却功率越大，反之亦然，从而构建了恒温掌控。

　　图1恒温控制电路框图　　3.1温度与冷却功率　　传感器芯体温度与读取在芯体上的于是以热能与负热能大小有关。若传感器芯体温度保持在环境温度以上，则传感器芯体读取的于是以热能来自电能，由焦耳定律可以告诉若等价电阻R上冷却电流为I，冷却时间为T，那么有I2*R*T的电能转换成热能;而传感器芯体读取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给的热能移往。这种于是以热能与负热能对温度的影响反映为传感器芯体的冷却功率与加热器功率，它们联合要求了传感器芯体的平稳温度。

假设传感器芯体工作环境温度为25℃，传感器芯体气体浓度号召最佳温度为80℃，因热传导和热对流损失的负热能为某个可测量值且维持恒定，那么该点环境下芯体温度只与冷却功率有关。如上所述，给芯体适合电流，那芯体就可以保持原作点温度，若环境温度上下波动，芯体冷却与加热器的功率随温度发生变化，要使芯体之后保持在原作点温度，只必须调节芯体上电流的大小。在25℃环境下，实际测得冷却功率与芯体温度的关系如图2右图，冷却功率为0.45W时芯体才可平稳工作在原作温度80℃。

　　3.2温度测量　　为了更为精确地测量脆弱芯体温度场的温度，在氢敏芯体上构建了一个测温电阻与一个冷却电阻。测温电阻、冷却电阻和氢敏电阻版图设计经过温度场建模构建最佳耦合。

因而测温电阻能现实体现氢敏电阻当前工作温度。测温电阻材料使用高纯铂电阻镀膜而出，实际测试的测温电阻温度特性如图3右图，从图中可以显现出测温电阻具备较好的温度线性关系。该测温电阻的温度系数因为使用薄膜沉积工艺制取，温度系数没标准PT100大，但并不影响用于。

　　图2芯体冷却功率与温度曲线　　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，输入体现温度的电压信号。这个信号在掌控区域十分黯淡，为了提升温度测量精度，使用四线制检测电路，增加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。　　3.3温度控制环路　　一般来说温度系统是大惯性系统，具备较小的滞后性，往往必须具备落后调节的微分环节。气体传感器芯体体积较小，无论是冷却还是加热器，芯体对温度都有较慢号召，使用比例积分控制就可以取得不俗的效果。

　　3.3.1比例环节　　比例环节具备较慢调节能力，比例系数越大静差就越小，过大更容易波动。电路如图4右图，其增益为-RP1/RP2，试验测试比例系数为-4时掌控效果较好。　　3.3.2分数环节　　分数环节可以避免系统静差，当系统有稳态误差时，分数环节的输入不会持续减小使得掌控起到强化，从而增大稳态误差。

分数系数就越小，分数起到就越显著，控制精度越高。积分电路如图5右图，其增益为－1/RI1*CI1*S，其中S为拉式算子。经调整时间常数RI1CI1为4.7s较为适合。

　　使用PWM通断掌控模式，能最大化利用冷却功率。在导通瞬间，冷却电压几乎读取在冷却电阻上，电流峰值不会较为大，因此必须掌控冷却电阻适合的阻值。另外PWM掌控不存在几乎导通的情况，虽然在本电路应用于中会带给怕的影响，但是为了调整仅次于冷却功率以超过掌控仅次于冷却温度的目的，在PID输入环节使用稳压二极管，掌控PID输入电压的幅度，确保PWM需要输入一定宽度的死区。

　　3.3.3微分电路　　微分环境对输出较慢变化的情况具备较小的反应输入，能提升控温系统对环境温度波动的较慢号召能力。微分环节具备落后调节的起到，明确电路如图6右图。

　　3.3.4PWM产生电路　　PWM电路使用非常简单分立器件搭起，明确电路如图7右图，主要包含有较为器产生缩阈值旋转波形，然后经过积分电路充放电产生标准锯齿波，锯齿波在与PID环节输入电压较为，产生脉长随温度误差调整的波形，该波形输入给驱动冷却电路。　　图7PWM电路　　4实验结果　　样机展开了平稳动态过程的短时间测试和平稳点长时间测试。

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