一種用于壓力傳感器的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

O 引言

　　在微電子器件領(lǐng)域，針對(duì)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(duì)SiC器件的研究仍有許多問(wèn)題亟待解決。在國(guó)內(nèi)，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(jī)械、化學(xué)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(dāng)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(cè)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(bǔ)償，提高壓力傳感器的測(cè)量精度。這樣就克服了在大溫度范圍難以補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。本文對(duì)這個(gè)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(xiàn)性、干擾多、時(shí)變等特點(diǎn)。

1 硬件系統(tǒng)

　　用放置在腔體內(nèi)的溫度傳感器測(cè)量恒溫箱內(nèi)的溫度，產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后輸出反饋信號(hào)，再用單片機(jī)進(jìn)行采樣，由液晶顯示恒溫箱內(nèi)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(jī)為STCl25408AD，自帶A／D轉(zhuǎn)換、EPROM功能，內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路(外部晶振20 MHz以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路)，ISP(在系統(tǒng)可編程)／IAP(在應(yīng)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(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(gè)具有自平衡能力的對(duì)象，可用一階慣性環(huán)節(jié)描述溫控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。
   

　　式中：K為對(duì)象的靜增益；t’為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)。

　　目前工程上常用的方法是對(duì)過(guò)程對(duì)象施加階躍輸入信號(hào)，測(cè)取過(guò)程對(duì)象的階躍響應(yīng)，然后由階躍響應(yīng)曲線(xiàn)確定過(guò)程的近似傳遞函數(shù)。具體用科恩-庫(kù)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(duì)象上升曲線(xiàn)為O．28△C時(shí)的時(shí)間(單位：min)；t0．632為對(duì)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(tǒng)的控制模型仿真及實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。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(gè)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

溫度控制系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(shí)際情況完全相同，但它的結(jié)果還是具有指導(dǎo)意義的。

　　在實(shí)際測(cè)試中前10 min每30 s采樣一次，后10 min每200 s采樣一次，測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

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

　　圖4為80℃時(shí)系統(tǒng)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)際測(cè)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(jìn)行的。

　　4 結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了一種用于壓力傳感器的溫度控制系統(tǒng)，針對(duì)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(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(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，從而可以提高測(cè)量精度，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)相印證，本方案是可行的。