传感器论文

压力传感器的温控系统的研究

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摘要:针对压力传感器易受温度影响,产生零点漂移、测量误差增大,从而产生测量误差等问题,本文设计了一种温度控制系统,根据科恩-库恩公式建立了系统的数学模型,采用参数自整定PID控制算法,克服了纯 PID 控制有较大超调量的缺点,从而减少了温度漂移对于测量值的影响，实现了一个温度控制系统。同时利用仿真软件建立系统的仿真模型,通过仿真和测试验证系统满足设计要求。很大程度上补偿了温度所应起的温漂对于测量值影响产生的误差，是压力传感器在高温工作情况下的稳定性的得到极大的提高。

关键字：温度传感器，温漂腔体仿真操作

0 引言

针对我国当对于压力传感器材料的研究的现进成果以及压力传感器技术在我国生产技术，社会生活，军事医学等方面的广泛运用，对于传感器各方面的研究就有极大的意义，同时也为我们研究传感器提供了有力的基础。sic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。

但是界温度较大时,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[1-3]。

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STC125408AD,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。

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[5-8] 。

G(S)=K/(t′S+1) (1)

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:

K= Δ C/ Δ M

t′=1.5(t 0.632 -t 0.28 )

式中:Δ M 为系统阶跃输入;Δ C 为系统的输出响应; t 0.28 为对象上升曲线为0.28Δ C 时的时间(单位:min); t 0.632 为对象上升曲线为0.632Δ C 时的时间(单位:min);从而求得 K =0.96, t′ =747 s。所以恒温箱模型为:

G(S)=0.96/(747S+1) (2)

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[9-10]。

使用该模糊控制器在 Simulink 中构建整个控制系统,

从上面的仿真结果表明:调节时间 ts约为460 s,稳态误差ess=0,超调量 σ %=0。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。

表1 测试结果

时间 /s 温度 /℃时间 /s 温度/℃

0 17.1 360 78.0

30 19.3 390 78.9

60 26.2 420 80.0

90 33.3 450 80.0

120 42.6 480 80.2

150 54.3 510 80.1

180 64.7 540 80.2

210 72.3 570 80.1

240 83.1 600 80.0

270 82.3 800 80.0

300 80.0 1 000 79.9

330 79.1 1 200 80.0

再Matlab软件处理表1中的测试数据,绘制成变化趋势图,

实验结果表明,在实际操作测量中虽然仍然较小的超调量和稳态误差，但误差已基本接近我们的仿真结果，实施演说允许的，本可以忽略不计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,针对高温条件下，压力传感器容易产生的温度漂移等问题,因此通过加工恒温封闭腔体,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。

参考文献

孙凤玲,于海超,王金文,等.硅压阻式压力传感器温度补偿建模与算法研究[ J] .微纳电子技术,2007,44(7):48-50.

覃博彬,赖康生.基于DSP的压力传感器信号采集与温度补偿设计[ J] .中国仪器仪表,2010(4):91-94.

叶丹,齐国生,洪强宁,等.基于单片机的自适应温度控制系统[ J] .传感器技术,2002,21(3):27-30.

[5]徐桂华.硅压阻式压力传感器的温度补偿[ J] .数据采集与处理,1994(3):11-13.

[6]刘大伟,李绪友,郑波祥,等.基于DSP 的多路温度控制系统的设计[ J] .仪表技术与传感器,2004(8):51-52,54.