气体传感器PID脉宽恒温控制电路设计

1、气体传感器pid脉宽恒温控制电路设计在式气体中，气敏芯体对温度十分敏感，在囫囵工作环境温度波动范围内温度噪声通常会彻低掩盖气体浓度输出的有效信号。另外气体传感器大多利用化学反应性质测量气体浓度，化学性质通常与温度有关，为了获得最佳响应特性，敏感芯体通常需要工作在特定温度，因而为气敏芯体提供恒定的工作温度环境显得十分故意义。在设计理论里实现恒温控制的方式有无数，传感器的特别应用打算了低功耗、高精度、高牢靠性的分立实现计划十分适合。pid脉宽控制恒温模拟电路具有十分好的控温精度，同时元器件容易且具有牢靠的失效率参数，风险可控，十分适合航天产品的设计要求。2 电路框图传感器芯体上面集成了测温电阻与加

2、热电阻，测温电阻能实时监测传感器芯体的当前温度，且反馈到控制电路的输入端，作为温度误差信号的一个输入端，形成闭环控制。电路框图1 所示，测温电路把当前芯体温度值转化为值，该值是一个微弱信号值，必需经过高信噪比前置放大电路放大到合适的电压输出值，再经过系统放大，然后输送给pid 环节举行控制输出，控制输出产生宽度可调脉冲信号驱动加热电路，给传感器芯体加热。传感器当前温度与设定温度温差值越大，误差电压信号越大，经过pid 控制输出脉宽开通时光越长，加热功率越大，反之亦然，从而实现了恒温控制。图1 恒温控制电路框图3.1 温度与加热功率传感器芯体温度与加载在芯体上的正热能与负热能大小有关。若传感器芯

3、体温度维持在环境温度以上，则传感器芯体加载的正热能来自电能，由焦耳定律可以知道若给定电阻r 上加热为i，加热时光为t，那么有i2 * r* t 的电能转换成热能; 而传感器芯体加载的负热能可以是传感器芯体与周围环境的温度差而产生的热对流及热传导带来的热能转移。这种正热能与负热能对温度的影响体现为传感器芯体的加热功率与制冷功率，它们共同打算了传感器芯体的稳定温度。假设传感器芯体工作环境温度为25，传感器芯体气体浓度响应最佳温度为80，因热传导和热对流损失的负热能为某个可测量值且保持恒定，那么该点环境下芯体温度只与加热功率有关。如上所述，给芯体合适电流，那芯体就可以维持设定点温度，若环境温度上下波

4、动，芯体加热与制冷的功率随温度发生变幻，要使芯体继续维持在设定点温度，只需要调整芯体上电流的大小。在25环境下，实际测得加热功率与芯体温度的关系2 所示，加热功率为0.45w 时芯体即可稳定工作在设定温度80。3.2 温度测量为了越发精确地测量敏感芯体温度场的温度，在氢敏芯体上集成了一个测温电阻与一个加热电阻。测温电阻、加热电阻和氢敏电阻版图设计经过温度场实现最佳耦合。因而测温电阻能真切反映氢敏电阻当前工作温度。测温电阻材料采纳高纯铂电阻镀膜而成，实际测试的测温电阻温度特性3 所示，从图中可以看出测温电阻具有良好的温度线性关系。该测温电阻的温度系数由于采纳薄膜沉积工艺制备，温度系数没有标准pt

5、100 大，但并不影响用法。图2 芯体加热功率与温度曲线图3 测温电阻阻值随温度变幻曲线电阻经过测温电桥检测，输出反映温度的电压信号。这个信号在控制区域十分微弱，为了提高温度测量精度，采纳四线制检测电路，削减测温铂电阻引线长度与铂电阻通电电流对温度测量的影响。3.3 温度控制环路通常温度系统是大惯性系统，具有较大的滞后性，往往需要具有超前调整的微分环节。气体传感器芯体体积很小，无论是加热还是制冷，芯体对温度都有迅速响应，采纳比例积分控制就可以获得不错的效果。3.3.1 比例环节比例环节具有迅速调整能力，比例系数越大静差越小，过大简单震荡。电路4 所示，其增益为 - rp1 /rp2，实验测试比

6、例系数为- 4 时控制效果较好。3.3.2 积分环节积分环节可以消退系统静差，当系统有稳态误差时，积分环节的输出会持续增大使得控制作用加强，从而减小稳态误差。积分系数越小，积分作用越显然，控制精度越高。积分电路5 所示，其增益为 1 /ri1 * ci1 * s，其中s 为拉式算子。经调节时光常数ri1ci1为4.7s 比较合适。采纳 通断控制模式，能最大化利用加热功率。在导通眨眼，加热电压彻低加载在加热电阻上，电流峰值会比较大，因此需要控制加热电阻合适的阻值。另外pwm 控制存在彻低导通的状况，虽然在本电路应用中不会带来坏的影响，但是为了调节最大加热功率以达到控制最大加热温度的目的，在pid

7、 输出环节采纳稳压，控制pid 输出电压的幅度，保证pwm 能够输出一定宽度的死区。3.3.3 微分电路微分环境对输入迅速变幻的状况具有较大的反应输出，能提高控温系统对环境温度波动的迅速响应能力。微分环节具有超前调整的作用，详细电路6 所示。图6 微分电路3.3.4 pwm 产生电路pwm 电路采纳容易分立器件搭建，详细电路7 所示，主要构成有产生限阈值翻转波形，然后经过积分电路充放电产生标准锯齿波，锯齿波在与pid 环节输出电压比较，产生脉宽随温度误差调节的波形，该波形输出给驱动加热电路。图7 pwm 电路4 试验结果样机举行了稳定动态过程的短时光测试和稳定点长时光测试。短时光测试样机温度曲线8 所示，其中可以看出样机到达温度设定点90% 的时光十分短，也许为120s，整体控温精度在0.15以内。当环境温度波动时控温点会随着扰动，很快就能回到设定的温度值，动态响应十分快.图8 控温稳定过程样机控温效果稳定点长时光监测曲线9 所示，从该图可知整体控温精度在0.15以内越发显然，解释样机电路控温点不会随时光飘移，也不随环境缓慢变幻的温度波动漂移。图9