基于電橋式氫氣敏感探頭的溫控系統設計

劉卓元, 宋旭彤, 孫云娜, 丁桂甫

(上海交通大學 微米/納米加工技術重點實驗室,上海 200240)

0 引 言

氫氣是一種理想的二次能源,儲量豐富,制備過程簡單。同時,氫氣作為工業原料在石油化工、電子冶金、食品加工、航空航天等領域都有廣泛應用。由于氫氣無色無味且易燃易爆,因此,在其生產、運輸、存儲和使用過程中,安全、快速和靈敏的測得當前環境中氫氣實時體積分數變得十分必要。隨著微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術的發展,各式各樣高精度、高集成、快響應的氫傳感系統應運而生[1]。

本文的敏感探頭具有自主知識產權,在氫氣測試環境中其敏感電阻阻值會發生變化,通電后此變化通過電橋輸出電壓差。但此種方式不能直接反映氫氣體積分數、器件局部溫度的實際變化情況,在實驗條件下二者的反饋分別需要借助專業的體積分數檢測設備和紅外測溫儀,不夠直觀高效。又因為本文探頭基于玻璃基底制作,導熱性差,通電后由于電流的焦耳熱效應溫度持續升高且不穩定,無法保持在最佳工作溫度點附近。因此，系統在探頭的基礎上進行多功能附加,不僅可以顯示測量點處氫氣體積分數和敏感探頭溫度,還可以對整個系統進行溫度控制,使其更貼合產品使用實際。

設計的探頭以Pd-Ni合金電橋為氫氣體積分數敏感執行結構,其右側集成了Pt電阻用于實現測溫、加熱兩種功能。系統采用雙路比例—積分—微分(proportional-integral-differential,PID)算法,分別實現制冷半導體、Pt電阻輸出功率控制,以維持溫度平衡。該算法控制精度高,工作后迅速將系統調整至最佳溫度點,使探頭靈敏度最佳。系統將氫氣敏感探頭、單片機及復位電路、電源電路、信號放大及AD轉換電路、溫度控制電路、有機發光二極管(OLED)顯示屏等模塊集成在一起,成功實現了既定的系統功能。

1 電橋式氫氣敏感探頭設計

系統的氫氣敏感探頭,由敏感單元和電橋電路引線、電極同步制作而成,采用甩膠、光刻、濺射、剝離等基本MEMS工藝。這種探頭由玻璃基底、金引線及電極、Pd-Ni合金敏感電阻和Pt電阻器組成。

1.1 Pd-Ni合金電橋

Pd-Ni合金敏感電阻對氫氣體積分數敏感且對氫氣具有高選擇性。4只電阻器組成惠斯通電橋結構,其中R2,R3表面覆蓋了一層光刻膠,隔絕與氫氣的接觸；以保證外界環境中的氫氣體積分數發生變化時,此電橋中只有R1，R4電阻阻值發生變化,這樣當給電橋通電時,方便將電阻變化放大為電壓變化。

1.2 Pt電阻

Pt電阻因其測量范圍大、耐氧化和穩定性好等優點被廣泛用于溫度測量。需要指出的是將Pt與Pd-Ni的間距盡可能縮小,以使兩者溫度差小到可以忽略不計,即Pt的溫度等于整個傳感系統的溫度。由于系統上電后溫度無反饋機制,因此，Pt電阻的存在就是為了增加一個能夠直接反映整個系統溫度變化的機制,用其阻值變化反映整個系統的溫度變化[2]。

1.3 氫氣敏感探頭結構

圖1為此探頭完整的器件圖和敏感結構放大圖,其中R1～R4為Pd-Ni電阻,R5為Pt電阻；矩形部分1～4為Pd-Ni合金電阻的4個引腳,矩形5,6為Pt電阻的兩個引腳。

圖1 探頭結構

1.4 標定結果

對Pt電阻直接標定線性度為0.844 5,經過對樣片的熱處理后[3],線性度達1.001 1,如圖2(a)所示。通過單片機對Pt電阻阻值進行讀取,經過A/D轉換后,在OLED屏上直接顯示溫度；同理,由于敏感探頭輸出電壓和氫氣體積分數之間為單調函數關系,對二者間的數量關系進行標定后同樣可顯示氫氣體積分數。不同氫氣體積分數下探頭的電壓輸出曲線如圖2(b)所示。當輸出電壓和氫氣體積分數間滿足四次多項式關系時,相關系數R2達0.999,滿足擬合效果。

圖2 標定結果

2 溫度控制系統

2.1 硬件電路設計

為了實現溫度控制和氫氣體積分數、溫度的實時反饋,設計了一個控制顯示電路。控制顯示電路主要由單片機及復位電路、電源電路、信號放大及A/D轉換電路、溫度控制電路、OLED顯示屏等模塊組成。

整個電路工作框圖如圖3所示。左側為電源電路部分：12 V電源為5 V基準穩壓模塊供電,產生一個穩定的5 V,使之為信號放大電路、Pt電阻供電；同時12 V為制冷、制熱驅動和制冷半導體供電。5 V基準電壓經過一個3.3V低壓降穩壓器(LDO)為單片機供電。右側為整個電路系統之間的協作關系：單片機分別通過讀取Pd-Ni合金電阻、Pt電阻信息實現信號采集,再經過信號放大、A/D轉換將其變為氫氣體積分數、溫度信息,單片機再控制OLED顯示其數值。根據實際溫度和設定溫度的比較,單片機輸出脈沖寬度調制(PWM)信號分別控制制冷和制熱驅動,使制冷半導體和Pt電阻開始工作[4]。

圖3 電路工作框圖

圖4為信號放大及A/D轉換電路。其中，1,2號引腳用來接入Pd-Ni合金電橋電阻的信號變化,然后和R4,R5,R6共同組成惠斯通電橋,采用儀表放大器AD8226對橋間電壓進行放大,通過R7和C2組成低通濾波器,將電壓輸入AD處理器進行轉換,依據傳感器輸出電壓和氫氣體積分數的數量關系,計算后得到采樣的氫氣體積分數值。通過定值電阻R3和可調電阻PR1調節儀表放大器增益,使輸出電壓在理想的測量范圍[5]。同理,3,4號引腳用來接入Pt電阻的信號變化,將電壓輸入AD處理器進行轉換,依據Pt電阻值和溫度的數量關系,計算得到采樣的溫度值。

圖4 信號放大及A/D轉換電路

該系統所用處理器為ST公司的STM32F103C8T6單片機,CPU采用ARM架構的32位Cortex-M3內核,時鐘頻率為72 MHz,自帶12位A/D轉換器和PWM發生器。

2.2 Pt的兩種功能

系統中Pt電阻兼具兩種功能。由單片機控制Pt在不同時序下的功能轉變：前5個時鐘周期信號進行溫度檢測,當上升沿來臨時,分別去讀取Pt電阻溫度信號,取平均并實時顯示；第6個時鐘周期,Pt切換為加熱功能,此種工作狀態維持5個周期。當第7個上升沿來臨時,單片機對上一個周期測得的溫度值和設定值進行比對,若實際溫度高于設定值時,單片機驅動制冷半導體工作,使之降溫,持續4個時鐘周期,結束時切換成溫度檢測功能,再次比對,循環工作至實際溫度與設定溫度相等；若實際溫度低于設定值時,單片機發出信號至固態繼電器,使Pt切換至加熱功能,升溫持續4個時鐘周期,結束時轉換回溫度檢測功能,繼續比對,循環工作至實際溫度與設定溫度相等。

當實際溫度與設定溫度相等時,單片機讀取氫傳感器電橋的輸出信號,實時顯示氫氣體積分數；同時讀取Pt電阻溫度信號,達到溫度的同步實時顯示。整個溫度控制過程如圖5所示。

圖5 溫度控制系統工作流程

2.3 雙路PID控制算法

本文將經典PID控制算法分別寫入兩路,一路驅動制冷半導體工作,用于當實際溫度高于設定溫度的降溫；一路驅動Pt熱電阻工作,用于當實際溫度低于設定溫度的升溫。雙路PID的工作邏輯流程如圖6所示。

圖6 雙路PID工作邏輯流程

經典PID算法公式為

其中，Kp為比例系數,它的作用是加快系統響應速度,減小控制量偏差,但易產生靜態誤差,控制精度低；Ti為積分系數,它的作用是只要偏差存在,就不斷地對偏差進行積分,并反映在調節力度上。即減小靜態情況下的誤差,讓受控物理量盡可能接近目標值；Td為微分系數,它的作用是讓被控制的物理量“變化速度”趨于0,使系統超調量減小,穩定性增加,動態誤差減小。但其系數過大會引入干擾、增大對系統的沖擊風險,過小則會使調節周期過長,效果不顯著。因此，三個環節之間需要相互配合,選取合理的控制器參數以達到良好的控制效果[6]。

2.4 系統集成

溫度控制系統由氫氣敏感探頭、制冷半導體、銅管和散熱片組成。將探頭通過導熱膠黏貼于制冷半導體上表面,并通過金絲壓焊,將器件的PAD與PCB電路相連,如圖7所示。其中制冷半導體本質上是一個熱傳遞的工具：利用特種半導體材料構成的P-N結,形成熱電偶對,產生珀爾帖效應[7]。當有電流通過時,上下表面之間就會產生熱量轉移,熱量就會從上表面轉移到下表面,從而產生溫差形成冷熱端。當冷熱端達到一定溫差時就會達到一個平衡點,此時冷熱端的溫度就不會繼續發生變化。為了達到更低的溫度,可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來實現。銅管和散熱片的作用都是為了增強散熱,以實現和工作環境快速的熱交換。

圖7 溫度控制系統結構

3 實驗結果與分析

印刷電路板(PCB)制作完成后,經過I2C總線調試,實驗條件下,系統正常顯示溫度、氫氣體積分數。對系統施加1.5 V的輸入電壓,通過雙路PID算法控制氫傳感器的溫度,使系統穩定在最佳工作溫度點。室溫25 ℃環境下,系統響應曲線如圖8所示。上電后響應迅速,經過10 s上升略微超調后,15 s即達到穩態45 ℃,超調量約為2.5 ℃；穩態最高溫度為45.06 ℃,最低溫度為44.97 ℃,最高溫度與最低溫度差值為0.09 ℃,穩態誤差小于0.1 ℃。

圖8 溫度響應曲線

將上述系統置于氫氣體積分數測試環境中,通入1 000×10-6體積分數的氫氣,每隔10 s記錄一次氫氣體積分數示數。分別在無溫控和加溫控條件下,對單個器件進行測試,其輸出信號變化如圖9所示。可以發現,在無溫控條件下,氫氣體積分數會隨著溫度的漂移而產生波動,精度較低；而加入溫控模塊的氫氣傳感器系統輸出信號的響應比較穩定,基本在理論水平1 000×10-6上下變化。

圖9 溫控對傳感器輸出信號的影響

4 結 論

本文設計了一種快速、高效和多功能的氫氣傳感系統,不僅能夠實時顯示測試點處氫氣體積分數和傳感探頭溫度示數,還能夠使系統溫度保持在最佳工作溫度點。該系統采用雙路PID溫度控制算法,溫度穩態誤差小于0.1 ℃,約15 s即達到穩態,響應速度快。使用該系統對電橋式氫氣敏感探頭進行溫度控制后,器件溫度和傳感器輸出信號穩定性得到了提高。