氣體傳感器脈寬恒溫控制電路設計

董克冰，曹勇全，張建國，程文進，景 濤，楊成佳

（1.中國電子科技集團公司第四十八研究所，長沙410111；2.中國航天員科研訓練中心，北京100094）

氣體傳感器脈寬恒溫控制電路設計

董克冰1，曹勇全1，張建國1，程文進1，景 濤1，楊成佳2

（1.中國電子科技集團公司第四十八研究所，長沙410111；2.中國航天員科研訓練中心，北京100094）

針對薄膜氣體傳感器敏感芯體的氣體溫度特性，設計了一種實用的脈寬恒溫控制電路。采用經典PID控制模式，自適應調節加熱功率，滿足高溫高濕的環境要求。樣機器件全部采用有失效率指標的高等級質量國產元件，可靠性完全可估。樣機對啟動電流、最高溫度等最壞情況做了特別設計，同時為了有效降低失效率，對有效工作模式做了規定以適合高可靠性、低風險的航天應用要求。實驗數據表明氫氣傳感器控溫電路精度可達0.15℃，可滿足傳感器精度要求。

經典PID控制；脈寬調制；溫度控制；氣體傳感器

1 引 言

在半導體電阻式氣體傳感器中，氣敏芯體對溫度非常敏感［1］，在整個工作環境溫度波動范圍內溫度噪聲通常會完全掩蓋氣體濃度輸出的有效信號。另外氣體傳感器大多利用化學反應性質測量氣體濃度，化學性質通常與溫度有關，為了獲得最佳響應特性，敏感芯體通常需要工作在特定溫度，因而為氣敏芯體提供恒定的工作溫度環境顯得非常有意義。

在電路設計理論里實現恒溫控制的方式有很多，傳感器的特殊應用決定了低功耗、高精度、高可靠性的分立模擬電路實現方案非常適合。PID脈寬控制恒溫模擬電路具有非常好的控溫精度，同時元器件簡單且具有可靠的失效率參數，風險可控，非常適合航天產品的設計要求。

2 電路框圖

傳感器芯體上面集成了測溫電阻與加熱電阻，測溫電阻能實時監測傳感器芯體的當前溫度，且反饋到控制電路的輸入端，作為溫度誤差信號的一個輸入端，形成閉環控制。

電路框圖如圖1所示，測溫電路把當前芯體溫度值轉化為電壓值，該值是一個微弱信號值，必須經過高信噪比前置放大電路放大到合適的電壓輸出值，再經過系統放大，然后輸送給PID環節進行控制輸出，控制輸出產生寬度可調脈沖信號驅動加熱電路，給傳感器芯體加熱。傳感器當前溫度與設定溫度溫差值越大，誤差電壓信號越大，經過PID控制輸出脈寬開通時間越長，加熱功率越大，反之亦然，從而實現了恒溫控制。

圖1 恒溫控制電路框圖

3 系統控制設計

3.1 溫度與加熱功率

傳感器芯體溫度與加載在芯體上的正熱能與負熱能大小有關。若傳感器芯體溫度維持在環境溫度以上，則傳感器芯體加載的正熱能來自電能，由焦耳定律可以知道若給定電阻R上加熱電流為I，加熱時間為T，那么有I2*R*T的電能轉換成熱能；而傳感器芯體加載的負熱能可以是傳感器芯體與周圍環境的溫度差而產生的熱對流及熱傳導帶來的熱能轉移。這種正熱能與負熱能對溫度的影響體現為傳感器芯體的加熱功率與制冷功率，它們共同決定了傳感器芯體的穩定溫度。假設傳感器芯體工作環境溫度為25℃，傳感器芯體氣體濃度響應最佳溫度為80℃，因熱傳導和熱對流損失的負熱能為某個可測量值且保持恒定，那么該點環境下芯體溫度只與加熱功率有關。如上所述，給芯體合適電流，那芯體就可以維持設定點溫度，若環境溫度上下波動，芯體加熱與制冷的功率隨溫度發生變化，要使芯體繼續維持在設定點溫度，只需要調節芯體上電流的大小。在25℃環境下，實際測得加熱功率與芯體溫度的關系如圖2所示，加熱功率為0.45W時芯體即可穩定工作在設定溫度80℃。

3.2 溫度測量

為了更加準確地測量敏感芯體溫度場的溫度，在氫敏芯體上集成了一個測溫電阻與一個加熱電阻。測溫電阻、加熱電阻和氫敏電阻版圖設計經過溫度場仿真實現最佳耦合。因而測溫電阻能真實反映氫敏電阻當前工作溫度。測溫電阻材料采用高純鉑電阻鍍膜而成，實際測試的測溫電阻溫度特性如圖3所示，從圖中可以看出測溫電阻具有良好的溫度線性關系。該測溫電阻的溫度系數因為采用薄膜沉積工藝制備，溫度系數沒有標準PT100大，但并不影響使用。

圖2 芯體加熱功率與溫度曲線

圖3 測溫電阻阻值隨溫度變化曲線

電阻經過測溫電橋檢測，輸出反映溫度的電壓信號。這個信號在控制區域非常微弱，為了提高溫度測量精度，采用四線制檢測電路，減少測溫鉑電阻引線長度與鉑電阻通電電流對溫度測量的影響。

3.3 溫度控制環路［2］

通常溫度系統是大慣性系統，具有較大的滯后性，往往需要具有超前調節的微分環節。氣體傳感器芯體體積很小，無論是加熱還是制冷，芯體對溫度都有快速響應，采用比例積分［3］控制就可以獲得不錯的效果。

3.3.1 比例環節

比例環節具有快速調節能力，比例系數越大靜差越小，過大容易震蕩。電路如圖4所示，其增益為－RP1/RP2，試驗測試比例系數為－4時控制效果較好。

3.3.2 積分環節

積分環節可以消除系統靜差，當系統有穩態誤差時，積分環節的輸出會持續增大使得控制作用加強，從而減小穩態誤差。積分系數越小，積分作用越明顯，控制精度越高。積分電路如圖5所示，其增益為－1/RI1*CI1*S，其中S為拉式算子。經調整時間常數RI1CI1為4.7s比較合適。

圖4 比例電路

圖5 積分電路

3.3.3 微分電路

微分環境對輸入快速變化的情況具有較大的反應輸出，能提高控溫系統對環境溫度波動的快速響應能力。微分環節具有超前調節的作用，具體電路如圖6所示。

圖6 微分電路

3.3.4 PWM產生電路

PWM電路［4］采用簡單分立器件搭建，具體電路如圖7所示，主要構成有比較器產生限閾值翻轉波形，然后經過積分電路充放電產生標準鋸齒波，鋸齒波在與PID環節輸出電壓比較，產生脈寬隨溫度誤差調整的波形，該波形輸出給驅動加熱電路。

圖7 PWM電路

采用PWM通斷控制模式，能最大化利用加熱功率。在導通瞬間，加熱電壓完全加載在加熱電阻上，電流峰值會比較大，因此需要控制加熱電阻合適的阻值。另外PWM控制存在完全導通的情況，雖然在本電路應用中不會帶來壞的影響，但是為了調整最大加熱功率以達到控制最大加熱溫度的目的，在PID輸出環節采用穩壓二極管，控制PID輸出電壓的幅度，保證PWM能夠輸出一定寬度的死區。

4 實驗結果

樣機進行了穩定動態過程的短時間測試和穩定點長時間測試。短時間測試樣機溫度曲線如圖8所示，其中可以看出樣機到達溫度設定點90%的時間非常短，大概為120s，整體控溫精度在0.15℃以內。當環境溫度波動時控溫點會隨著擾動，很快就能回到設定的溫度值，動態響應非?？?。

圖8 控溫穩定過程

樣機控溫效果穩定點長時間監測曲線如圖9所示，從該圖可知整體控溫精度在0.15℃以內更加明顯，說明樣機電路控溫點不會隨時間飄移，也不隨環境緩慢變化的溫度波動漂移。

5 結束語

PID脈寬溫度控制電路，所用元器件較少，調節簡單，控制精度可以達到±0.15℃，完全滿足氣體傳感器應用需求。在可行性、可靠性、安全性方面特別適合航天產品的需求，可在氣體傳感器中應用推廣。

圖9 長時間穩定性

［1］ RaviPrakash Jayaraman.Thin film hydrogen sensors：a materials processing approach［D］.Pennsylvania.Pennsylvania State University，2002.

［2］ 李寶仁，張理，杜經民.基于模糊控制的氣體溫度控制系統的研究［J］.液壓與氣動，2005（7）：1－3.

［3］ 胡壽松.自動控制原理［M］.北京：科學出版社，2007.

［4］ 童詩白.模擬電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2007.

Design on Pulse－W idth PID Tem perature Control in Gas Sensor

Dong Kebing1，Cao Yongquan1，Zhang Jianguo1，ChengWenjin1，Jing Tao1，Yang Chengjia2
（1.The48th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Changsha 410111，China；2.Astronaut Center of China，Beijing 100094，China）

A practical temperature control circuit is designed especially for gas sensor according to properties of the thin sensitive core films.The classical PID controlmode is adapted to adjust the heating power and meet the environmental requirements of high temperature and high humidity.All domestic components have failure rate，so the reliability of the prototype can be estimated.The prototype is especially designed for the worst situations of starting current and maximum temperature.The prototype is also recommended for the normal work mode to reduce the failure rate.The experiments data show that the hydrogen sensor temperature control circuit precision can reach 0.15 degrees，which meets the requirement of the hydrogen sensor.

PID；PWM；Temperature control；Gas sensor

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.01.021

TN7

B

1002－2279（2015）01－0076－03

董克冰（1982－），男，湖南衡東人，碩士研究生，主研方向：微系統與自動控制技術研究。

2014－05－04