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压力传感器论文压电传感器论文
一种用于压力传感器的温度控制系统设计
摘 要:针对SiC高温MEMS压力传感器易受温度影响,产生零点漂移、测量误差增大等问题,设计了一种温度控制系统,根据科恩-库恩公式建立了系统的数学模型,采用参数自整定PID控制算法,克服了纯 PID 控制有较大超调量的缺点,实现了一个温度控制系统。利用Matlab仿真软件的Similink模块建立系统的仿真模型,通过仿真和测试验证系统满足设计要求。解决了大温度范围下压力传感器难以补偿的问题,使得压力传感器在高温环境下的应用得以实现,提高了压力传感器的稳定性。
　　关键词:MEMS; 压力传感器; 温度控制; 零点漂移
　　Design of Temperature Control System for Pressure Sensors
　　GUO Jiang
　　(College of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)
　　Abstract: A temperature control system for the SiC MEMS pressure sensor is designed as the pressure sensor is susceptible to high temperature, and easy to result in zero drift, and measurement error increase. A mathematical model for the system is established according to Cohen-Coon formula. And finally a temperature control system is achieved with the parameter self-tuning PID control algorithm to overcome the shortcoming of a large overshoot adjustment of pure PID control. The Similink module simulation model was set up by the Matlab Simulation software system. The simulation and testing verifies that the system can meet the design demands. The pressure sensor is hard to be compensated within a large temperature range is solved, with which the application of the pressure sensor in high temperature environments is achieved and the stability of the pressure sensor is improved.
　　Keywords: MEMS; pressure sensor; temperature control; zero drift
　　0 引 言
　　在微电子器件领域,针对SiC器件的研究较多,已经取得了较大进展,而在MEMS领域针对SiC器件的研究仍有许多问题亟待解决。在国内,SiC MEMS的研究非常少,因而进行SiC高温MEMS压力传感器的研究具有开创意义。碳化硅(SiC)具有优良的耐高温,抗腐蚀,抗辐射性能,因而使用SiC来制作压力传感器,能够克服Si器件高温下电学、机械、化学性能下降的缺陷,稳定工作于高温环境,具有光明的应用前景。
　　然而当外界温度较大时,压力传感器受温度影响精度不高,会产生零点漂移等问题,从而增大测量误差。于是尝试加工一个腔体,把压力传感器和温度传感器放置在里面形成一个小的封闭腔体,在外界温度较高或较低的情况下,用加热装置先升温到几十度并维持这一温度,给压力传感器做零点补偿,提高压力传感器的测量精度。这样就克服了在大温度范围难以补偿的问题。本文对这个温度控制系统提出了解决方案,采用了PID参数自整定控制,模糊控制属于智能控制方法,它与 PID 控制结合,具有适应温控系统非线性、干扰多、时变等特点[1-3]。
　　1 硬件系统
　　用放置在腔体内的温度传感器测量恒温箱内的温度,产生的信号经过放大后输出反馈信号,再用单片机进行采样,由液晶显示恒温箱内的温度,并通过温度控制算法控制加热装置。所使用的单片机为STC125408AD,自带A/D转换、EPROM功能,内部集成MAX810专用复位电路(外部晶振20 MHz以下时,可省外部复位电路),ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片[4]。硬件结构框图如图1所示。
　　图1 温度控制系统硬件系统结构框图
　　2 系统的控制模型
　　电加热装置是一个具有自平衡能力的对象,可用一阶惯性环节描述温控对象的数学模型[5-8] 。
　　G(S)=K/(t′S+1) (1)
　　式中:K为对象的静增益;t′为对象的时间常数。
　　目前工程上常用的方法是对过程对象施加阶跃输入信号,测取过程对象的阶跃响应,然后由阶跃响应曲线确定过程的近似传递函数。具体用科恩-库恩(cohen-coon)公式确定近似传递函数。
　　cohn-coon 公式如下:
　　 K=ΔC/ΔM
　　t′=1.5(t0.632-t0.28)
　　式中:ΔM为系统阶跃输入;ΔC为系统的输出响应;t0.28为对象上升曲线为0.28ΔC时的时间(单位:min);t0.632为对象上升曲线为0.632ΔC时的时间(单位:min);从而求得K=0.96,t′=747 s。所以恒温箱模型为:
　　G(S)=0.96/(747S+1) (2)
　　3 系统的控制模型仿真及实验结果
　　纯 PID 控制有较大超调量;而纯模糊控制由于自身结构的原因又不能消除稳态误差,稳态误差较大。所以,考虑把它们两者相结合,实现优势互补。本论文采用参数模糊自整 PID 控制[9-10]。
　　使用该模糊控制器在 Simulink 中构建整个控制系统,如图2所示。
　　图2 参数模糊自整定PID控制系统仿真结构框图
　　温度控制系统对应仿真结果如图3所示。
　　从上面的仿真结果表明:调节时间ts约为460 s,稳态误差ess=0,超调量σ%=0。虽然仿真环境不可能与实际情况完全相同,但它的结果还是具有指导意义的。
　　图3 给定值为80 ℃时温度控制系统的响应曲线
　　在实际测试中前10 min每30 s采样一次,后10 min每200 s采样一次,测得实验结果如表1所示。
　　表1 测试结果
　　时间 /s 温度 /℃ 时间 /s 温度 /℃
0 17.1 360 78.0
　　30 19.3 390 78.9
　　60 26.2 420 80.0
　　90 33.3 450 80.0
　　120 42.6 480 80.2
　　150 54.3 510 80.1
　　180 64.7 540 80.2
　　210 72.3 570 80.1
　　240 83.1 600 80.0
　　270 82.3 800 80.0
　　300 80.0 1 000 79.9
　　330 79.1 1 200 80.0
　　用Matlab软件处理表1中的测试数据,绘制成变化趋势图,如图4所示。
　　图4 80 ℃时温度控制系统的实验结果
　　图4为80 ℃时系统测得的实验结果,由实验结果表明,在实际测量中仍然有较小的超调量和稳态误差,但是基本接近仿真结果,不能排除一些干扰因素。仿真毕竟是在理想的环境下进行的。
　　4 结 语
　　本文设计了一种用于压力传感器的温度控制系统,针对压力传感器在高温下易产生零点漂移等问题,加工了恒温封闭腔体,把压力传感器置入其中,通过控制系统控制腔体内的温度,解决了高温压力传感器大温度范围难以补偿的问题,从而可以提高测量精度,通过仿真和实验相印证,本方案是可行的。
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