基于电桥式氢气敏感探头的温控系统设计

刘卓元, 宋旭彤, 孙云娜, 丁桂甫

(上海交通大学 微米/纳米加工技术重点实验室,上海 200240)

0 引 言

氢气是一种理想的二次能源,储量丰富,制备过程简单。同时,氢气作为工业原料在石油化工、电子冶金、食品加工、航空航天等领域都有广泛应用。由于氢气无色无味且易燃易爆,因此,在其生产、运输、存储和使用过程中,安全、快速和灵敏的测得当前环境中氢气实时体积分数变得十分必要。随着微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术的发展,各式各样高精度、高集成、快响应的氢传感系统应运而生[1]。

本文的敏感探头具有自主知识产权,在氢气测试环境中其敏感电阻阻值会发生变化,通电后此变化通过电桥输出电压差。但此种方式不能直接反映氢气体积分数、器件局部温度的实际变化情况,在实验条件下二者的反馈分别需要借助专业的体积分数检测设备和红外测温仪,不够直观高效。又因为本文探头基于玻璃基底制作,导热性差,通电后由于电流的焦耳热效应温度持续升高且不稳定,无法保持在最佳工作温度点附近。因此，系统在探头的基础上进行多功能附加,不仅可以显示测量点处氢气体积分数和敏感探头温度,还可以对整个系统进行温度控制,使其更贴合产品使用实际。

设计的探头以Pd-Ni合金电桥为氢气体积分数敏感执行结构,其右侧集成了Pt电阻用于实现测温、加热两种功能。系统采用双路比例—积分—微分(proportional-integral-differential,PID)算法,分别实现制冷半导体、Pt电阻输出功率控制,以维持温度平衡。该算法控制精度高,工作后迅速将系统调整至最佳温度点,使探头灵敏度最佳。系统将氢气敏感探头、单片机及复位电路、电源电路、信号放大及AD转换电路、温度控制电路、有机发光二极管(OLED)显示屏等模块集成在一起,成功实现了既定的系统功能。

1 电桥式氢气敏感探头设计

系统的氢气敏感探头,由敏感单元和电桥电路引线、电极同步制作而成,采用甩胶、光刻、溅射、剥离等基本MEMS工艺。这种探头由玻璃基底、金引线及电极、Pd-Ni合金敏感电阻和Pt电阻器组成。

1.1 Pd-Ni合金电桥

Pd-Ni合金敏感电阻对氢气体积分数敏感且对氢气具有高选择性。4只电阻器组成惠斯通电桥结构,其中R2,R3表面覆盖了一层光刻胶,隔绝与氢气的接触；以保证外界环境中的氢气体积分数发生变化时,此电桥中只有R1，R4电阻阻值发生变化,这样当给电桥通电时,方便将电阻变化放大为电压变化。

1.2 Pt电阻

Pt电阻因其测量范围大、耐氧化和稳定性好等优点被广泛用于温度测量。需要指出的是将Pt与Pd-Ni的间距尽可能缩小,以使两者温度差小到可以忽略不计,即Pt的温度等于整个传感系统的温度。由于系统上电后温度无反馈机制,因此，Pt电阻的存在就是为了增加一个能够直接反映整个系统温度变化的机制,用其阻值变化反映整个系统的温度变化[2]。

1.3 氢气敏感探头结构

图1为此探头完整的器件图和敏感结构放大图,其中R1～R4为Pd-Ni电阻,R5为Pt电阻；矩形部分1～4为Pd-Ni合金电阻的4个引脚,矩形5,6为Pt电阻的两个引脚。

图1 探头结构

1.4 标定结果

对Pt电阻直接标定线性度为0.844 5,经过对样片的热处理后[3],线性度达1.001 1,如图2(a)所示。通过单片机对Pt电阻阻值进行读取,经过A/D转换后,在OLED屏上直接显示温度；同理,由于敏感探头输出电压和氢气体积分数之间为单调函数关系,对二者间的数量关系进行标定后同样可显示氢气体积分数。不同氢气体积分数下探头的电压输出曲线如图2(b)所示。当输出电压和氢气体积分数间满足四次多项式关系时,相关系数R2达0.999,满足拟合效果。

图2 标定结果

2 温度控制系统

2.1 硬件电路设计

为了实现温度控制和氢气体积分数、温度的实时反馈,设计了一个控制显示电路。控制显示电路主要由单片机及复位电路、电源电路、信号放大及A/D转换电路、温度控制电路、OLED显示屏等模块组成。

整个电路工作框图如图3所示。左侧为电源电路部分：12 V电源为5 V基准稳压模块供电,产生一个稳定的5 V,使之为信号放大电路、Pt电阻供电；同时12 V为制冷、制热驱动和制冷半导体供电。5 V基准电压经过一个3.3V低压降稳压器(LDO)为单片机供电。右侧为整个电路系统之间的协作关系：单片机分别通过读取Pd-Ni合金电阻、Pt电阻信息实现信号采集,再经过信号放大、A/D转换将其变为氢气体积分数、温度信息,单片机再控制OLED显示其数值。根据实际温度和设定温度的比较,单片机输出脉冲宽度调制(PWM)信号分别控制制冷和制热驱动,使制冷半导体和Pt电阻开始工作[4]。

图3 电路工作框图

图4为信号放大及A/D转换电路。其中，1,2号引脚用来接入Pd-Ni合金电桥电阻的信号变化,然后和R4,R5,R6共同组成惠斯通电桥,采用仪表放大器AD8226对桥间电压进行放大,通过R7和C2组成低通滤波器,将电压输入AD处理器进行转换,依据传感器输出电压和氢气体积分数的数量关系,计算后得到采样的氢气体积分数值。通过定值电阻R3和可调电阻PR1调节仪表放大器增益,使输出电压在理想的测量范围[5]。同理,3,4号引脚用来接入Pt电阻的信号变化,将电压输入AD处理器进行转换,依据Pt电阻值和温度的数量关系,计算得到采样的温度值。

图4 信号放大及A/D转换电路

该系统所用处理器为ST公司的STM32F103C8T6单片机,CPU采用ARM架构的32位Cortex-M3内核,时钟频率为72 MHz,自带12位A/D转换器和PWM发生器。

2.2 Pt的两种功能

系统中Pt电阻兼具两种功能。由单片机控制Pt在不同时序下的功能转变：前5个时钟周期信号进行温度检测,当上升沿来临时,分别去读取Pt电阻温度信号,取平均并实时显示；第6个时钟周期,Pt切换为加热功能,此种工作状态维持5个周期。当第7个上升沿来临时,单片机对上一个周期测得的温度值和设定值进行比对,若实际温度高于设定值时,单片机驱动制冷半导体工作,使之降温,持续4个时钟周期,结束时切换成温度检测功能,再次比对,循环工作至实际温度与设定温度相等；若实际温度低于设定值时,单片机发出信号至固态继电器,使Pt切换至加热功能,升温持续4个时钟周期,结束时转换回温度检测功能,继续比对,循环工作至实际温度与设定温度相等。

当实际温度与设定温度相等时,单片机读取氢传感器电桥的输出信号,实时显示氢气体积分数；同时读取Pt电阻温度信号,达到温度的同步实时显示。整个温度控制过程如图5所示。

图5 温度控制系统工作流程

2.3 双路PID控制算法

本文将经典PID控制算法分别写入两路,一路驱动制冷半导体工作,用于当实际温度高于设定温度的降温；一路驱动Pt热电阻工作,用于当实际温度低于设定温度的升温。双路PID的工作逻辑流程如图6所示。

图6 双路PID工作逻辑流程

经典PID算法公式为

其中，Kp为比例系数,它的作用是加快系统响应速度,减小控制量偏差,但易产生静态误差,控制精度低；Ti为积分系数,它的作用是只要偏差存在,就不断地对偏差进行积分,并反映在调节力度上。即减小静态情况下的误差,让受控物理量尽可能接近目标值；Td为微分系数,它的作用是让被控制的物理量“变化速度”趋于0,使系统超调量减小,稳定性增加,动态误差减小。但其系数过大会引入干扰、增大对系统的冲击风险,过小则会使调节周期过长,效果不显著。因此，三个环节之间需要相互配合,选取合理的控制器参数以达到良好的控制效果[6]。

2.4 系统集成

温度控制系统由氢气敏感探头、制冷半导体、铜管和散热片组成。将探头通过导热胶黏贴于制冷半导体上表面,并通过金丝压焊,将器件的PAD与PCB电路相连,如图7所示。其中制冷半导体本质上是一个热传递的工具：利用特种半导体材料构成的P-N结,形成热电偶对,产生珀尔帖效应[7]。当有电流通过时,上下表面之间就会产生热量转移,热量就会从上表面转移到下表面,从而产生温差形成冷热端。当冷热端达到一定温差时就会达到一个平衡点,此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度,可以采取散热等方式降低热端的温度来实现。铜管和散热片的作用都是为了增强散热,以实现和工作环境快速的热交换。

图7 温度控制系统结构

3 实验结果与分析

印刷电路板(PCB)制作完成后,经过I2C总线调试,实验条件下,系统正常显示温度、氢气体积分数。对系统施加1.5 V的输入电压,通过双路PID算法控制氢传感器的温度,使系统稳定在最佳工作温度点。室温25 ℃环境下,系统响应曲线如图8所示。上电后响应迅速,经过10 s上升略微超调后,15 s即达到稳态45 ℃,超调量约为2.5 ℃；稳态最高温度为45.06 ℃,最低温度为44.97 ℃,最高温度与最低温度差值为0.09 ℃,稳态误差小于0.1 ℃。

图8 温度响应曲线

将上述系统置于氢气体积分数测试环境中,通入1 000×10-6体积分数的氢气,每隔10 s记录一次氢气体积分数示数。分别在无温控和加温控条件下,对单个器件进行测试,其输出信号变化如图9所示。可以发现,在无温控条件下,氢气体积分数会随着温度的漂移而产生波动,精度较低；而加入温控模块的氢气传感器系统输出信号的响应比较稳定,基本在理论水平1 000×10-6上下变化。

图9 温控对传感器输出信号的影响

4 结 论

本文设计了一种快速、高效和多功能的氢气传感系统,不仅能够实时显示测试点处氢气体积分数和传感探头温度示数,还能够使系统温度保持在最佳工作温度点。该系统采用双路PID温度控制算法,温度稳态误差小于0.1 ℃,约15 s即达到稳态,响应速度快。使用该系统对电桥式氢气敏感探头进行温度控制后,器件温度和传感器输出信号稳定性得到了提高。