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一種用于壓力傳感器的溫度控制系統設計

放大字體  縮小字體 發布日期:2014-10-21     來源:[標簽:出處]     作者:[標簽:作者]     瀏覽次數:150
核心提示:

  O 引言

  在微電子器件領域,針對SiC器件的研究較多,已經取得了較大進展,而在MEMS領域針對SiC器件的研究仍有許多問題亟待解決。在國內,SiC MEMS的研究非常少,因而進行SiC高溫MEMS壓力傳感器的研究具有開創意義。碳化硅(SiC)具有優良的耐高溫,抗腐蝕,抗輻射性能,因而使用SiC來制作壓力傳感器,能夠克服Si器件高溫下電學、機械、化學性能下降的缺陷,穩定工作于高溫環境,具有光明的應用前景。

  然而當外界溫度較大時,壓力傳感器受溫度影響精度不高,會產生零點漂移等問題,從而增大測量誤差。于是嘗試加工一個腔體,把壓力傳感器和溫度傳感器放置在里面形成一個小的封閉腔體,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補償,提高壓力傳感器的測量精度。這樣就克服了在大溫度范圍難以補償的問題。本文對這個溫度控制系統提出了解決方案,采用了PID參數自整定控制,模糊控制屬于智能控制方法,它與PID控制結合,具有適應溫控系統非線性、干擾多、時變等特點。

  1 硬件系統

  用放置在腔體內的溫度傳感器測量恒溫箱內的溫度,產生的信號經過放大后輸出反饋信號,再用單片機進行采樣,由液晶顯示恒溫箱內的溫度,并通過溫度控制算法控制加熱裝置。所使用的單片機為STCl25408AD,自帶A/D轉換、EPROM功能,內部集成MAX810專用復位電路(外部晶振20 MHz以下時,可省外部復位電路),ISP(在系統可編程)/IAP(在應用可編程),無需專用編程器可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序,數秒即可完成一片。硬件結構框圖如圖1所示。

  2 系統的控制模型

  電加熱裝置是一個具有自平衡能力的對象,可用一階慣性環節描述溫控對象的數學模型。

  式中:K為對象的靜增益;t’為對象的時間常數。

  目前工程上常用的方法是對過程對象施加階躍輸入信號,測取過程對象的階躍響應,然后由階躍響應曲線確定過程的近似傳遞函數。具體用科恩-庫恩(cohen-coon)公式確定近似傳遞函數。

  cohn-coon公式如下:

  式中:△M為系統階躍輸入;△C為系統的輸出響應;t0o.28為對象上升曲線為O.28△C時的時間(單位:min);t0.632為對象上升曲線為O.632△C時的時間(單位:min);從而求得K=O.96,t’=747 s。所以恒溫箱模型為:

  3 系統的控制模型仿真及實驗結果

  純PID控制有較大超調量;而純模糊控制由于自身結構的原因又不能消除穩態誤差,穩態誤差較大。所以,考慮把它們兩者相結合,實現優勢互補。本論文采用參數模糊自整PID控制。

  使用該模糊控制器在Simulink中構建整個控制系統,如圖2所示。

[$page]  溫度控制系統對應仿真結果如圖3所示。從上面的仿真結果表明:調節時間ts約為460s,穩態誤差ess=O,超調量σ%=O。雖然仿真環境不可能與實際情況完全相同,但它的結果還是具有指導意義的。

  在實際測試中前10 min每30 s采樣一次,后10 min每200 s采樣一次,測得實驗結果如表1所示。

  用Matlab軟件處理表1中的測試數據,繪制成變化趨勢圖,如圖4所示。

  圖4為80℃時系統測得的實驗結果,由實驗結果表明,在實際測量中仍然有較小的超調量和穩態誤差,但是基本接近仿真結果,不能排除一些干擾因素。仿真畢竟是在理想的環境下進行的。

  4 結語

  本文設計了一種用于壓力傳感器的溫度控制系統,針對壓力傳感器在高溫下易產生零點漂移等問題,加工了恒溫封

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