一种用于压力传感器的温度控制系统设计

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。