一種用于壓力傳感器的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

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)取得了較大進展，而在MEMS領(lǐng)域針對SiC器件的研究仍有許多問題亟待解決。在國內(nèi)，SiC MEMS的研究非常少，因而進行SiC高溫MEMS壓力傳感器的研究具有開創(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來制作壓力傳感器，能夠克服Si器件高溫下電學、機械、化學性能下降的缺陷，穩(wěn)定工作于高溫環(huán)境，具有光明的應(yīng)用前景。

　　然而當外界溫度較大時，壓力傳感器受溫度影響精度不高，會產(chǎn)生零點漂移等問題，從而增大測量誤差。于是嘗試加工一個腔體，把壓力傳感器和溫度傳感器放置在里面形成一個小的封閉腔體，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?shù)膯栴}。本文對這個溫度控制系統(tǒng)提出了解決方案，采用了PID參數(shù)自整定控制，模糊控制屬于智能控制方法，它與PID控制結(jié)合，具有適應(yīng)溫控系統(tǒng)非線性、干擾多、時變等特點。

1 硬件系統(tǒng)

　　用放置在腔體內(nèi)的溫度傳感器測量恒溫箱內(nèi)的溫度，產(chǎn)生的信號經(jīng)過放大后輸出反饋信號，再用單片機進行采樣，由液晶顯示恒溫箱內(nèi)的溫度，并通過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(zhuǎn)換、EPROM功能，內(nèi)部集成MAX810專用復位電路(外部晶振20 MHz以下時，可省外部復位電路)，ISP(在系統(tǒng)可編程)／IAP(在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器可通過串口(P3．0／P3．1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的控制模型

　　電加熱裝置是一個具有自平衡能力的對象，可用一階慣性環(huán)節(jié)描述溫控對象的數(shù)學模型。
   

　　式中：K為對象的靜增益；t’為對象的時間常數(shù)。

　　目前工程上常用的方法是對過程對象施加階躍輸入信號，測取過程對象的階躍響應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線確定過程的近似傳遞函數(shù)。具體用科恩-庫恩(cohen-coon)公式確定近似傳遞函數(shù)。

　　cohn-coon公式如下：
   

　　式中：△M為系統(tǒng)階躍輸入；△C為系統(tǒng)的輸出響應(yīng)；t0o．28為對象上升曲線為O．28△C時的時間(單位：min)；t0．632為對象上升曲線為O．632△C時的時間(單位：min)；從而求得K=O．96，t’=747 s。所以恒溫箱模型為：
   

3 系統(tǒng)的控制模型仿真及實驗結(jié)果

　　純PID控制有較大超調(diào)量；而純模糊控制由于自身結(jié)構(gòu)的原因又不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差較大。所以，考慮把它們兩者相結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。本論文采用參數(shù)模糊自整PID控制。

　　使用該模糊控制器在Simulink中構(gòu)建整個控制系統(tǒng)，如圖2所示。

溫度控制系統(tǒng)對應(yīng)仿真結(jié)果如圖3所示。從上面的仿真結(jié)果表明：調(diào)節(jié)時間ts約為460s，穩(wěn)態(tài)誤差ess=O，超調(diào)量σ％=O。雖然仿真環(huán)境不可能與實際情況完全相同，但它的結(jié)果還是具有指導意義的。

　　在實際測試中前10 min每30 s采樣一次，后10 min每200 s采樣一次，測得實驗結(jié)果如表1所示。

　　用Matlab軟件處理表1中的測試數(shù)據(jù)，繪制成變化趨勢圖，如圖4所示。

　　圖4為80℃時系統(tǒng)測得的實驗結(jié)果，由實驗結(jié)果表明，在實際測量中仍然有較小的超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差，但是基本接近仿真結(jié)果，不能排除一些干擾因素。仿真畢竟是在理想的環(huán)境下進行的。

　　4 結(jié)語
    本文設(shè)計了一種用于壓力傳感器的溫度控制系統(tǒng)，針對壓力傳感器在高溫下易產(chǎn)生零點漂移等問題，加工了恒溫封閉腔體，把壓力傳感器置入其中，通過控制系統(tǒng)控制腔體內(nèi)的溫度，解決了高溫壓力傳感器大溫度范圍難以補償?shù)膯栴}，從而可以提高測量精度，通過仿真和實驗相印證，本方案是可行的。