基于压力传感器的温度控制系统设计

2012-09-14 15:39:46来源: 互联网

O 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 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STCl25408AD,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。硬件结构框图如图1所示。

  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。

  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:

  式中:△M为系统阶跃输入;△C为系统的输出响应;t0o.28为对象上升曲线为O.28△C时的时间(单位:min);t0.632为对象上升曲线为O.632△C时的时间(单位:min);从而求得K=O.96,t’=747 s。所以恒温箱模型为:

  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。

  使用该模糊控制器在Simulink中构建整个控制系统,如图2所示。

 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460s,稳态误差ess=O,超调量σ%=O。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。

  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。

  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。

关键字:压力  传感器  温度控制

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0914/article_16816.html
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