1 导言
在半导体电阻式气体传感器中，气敏芯体对温度十分灵敏，在整个作业环境温度动摇范围内温度噪声一般会彻底掩盖气体浓度输出的有用信号。别的气体传感器大多运用化学反响性质丈量气体浓度，化学性质一般与温度有关，为了取得最佳呼应特性，灵敏芯体一般需求作业在特定温度，因而为气敏芯体供给安稳的作业温度环境显得十分有意义。
在电路规划理论里完成恒温操控的方法有许多，传感器的特别运用决议了低功耗、高精度、高牢靠性的分立模仿电路完成计划十分适宜。PID脉宽操控恒温模仿电路具有十分好的控温精度，一起元器材简略且具有牢靠的失功率参数，危险可控，十分适宜航天产品的规划要求。
2 电路框图
传感器芯体上面集成了测温电阻与加热电阻，测温电阻能实时监测传感器芯体的当时温度，且反响到操控电路的输入端，作为温度差错信号的一个输入端，构成闭环操控。
电路框图如图1 所示，测温电路把当时芯体温度值转化为电压值，该值是一个弱小信号值，有必要通过高信噪比前置扩大电路放 大到适宜的电压输出值，再通过体系扩大，然后输送给PID 环节进行操控输出，操控输出发生宽度可调脉冲信号驱动加热电路，给传感器芯体加热。传感器当时温度与设定温度温差值越大，差错电压信号越大，通过PID 操控输出脉宽注册时刻越长，加热功率越大，反之亦然，然后完成了恒温操控。
2.1 温度与加热功率
传感器芯体温度与加载在芯体上的正热能与负热能巨细有关。若传感器芯体温度保持在环境温度以上，则传感器芯体加载的正热能来自电能，由焦耳定律能够知道若给定电阻R 上加热电流为I，加热时刻为T，那么有I2 * R* T 的电能转换成热能; 而传感器芯体加载的负热能能够是传感器芯体与周围环境的温度差而发生的热对流及热传导带来的热能搬运。这种正热能与负热能对温度的影响体现为传感器芯体的 加热功率与制冷功率，它们一起决议了传感器芯体的安稳温度。假定传感器芯体作业环境温度为25℃，传感器芯体气体浓度呼应最佳温度为80℃，因热传导和热 对流丢失的负热能为某个可丈量值且坚持安稳，那么该点环境下芯体温度只与加热功率有关。如上所述，给芯体适宜电流，那芯体就能够保持设定点温度，若环境温 度上下动摇，芯体加热与制冷的功率随温度发生改变，要使芯体继续保持在设定点温度，只需求调理芯体上电流的巨细。在25℃环境下，实践测得加热功率与芯体 温度的联系如图2 所示，加热功率为0.45W 时芯体即可安稳作业在设定温度80℃。
2.2 温度丈量
为 了愈加精确地丈量灵敏芯体温度场的温度，在氢敏芯体上集成了一个测温电阻与一个加热电阻。测温电阻、加热电阻和氢敏电阻地图规划通过温度场仿真完成最佳耦 合。因而测温电阻能实在反映氢敏电阻当时作业温度。测温电阻资料选用高纯铂电阻镀膜而成，实践测验的测温电阻温度特性如图3 所示，从图中能够看出测温电阻具有杰出的温度线性联系。该测温电阻的温度系数由于选用薄膜堆积工艺制备，温度系数没有规范PT100 大，但并不影响运用。
电阻通过测温电桥检测，输出反映温度的电压信号。这个信号在操控区域十分弱小，为了进步温度丈量精度，选用四线制检测电路，削减测温铂电阻引线长度与铂电阻通电电流对温度丈量的影响。
2.3 温度操控环路
一般温度体系是大惯性体系，具有较大的滞后性，往往需求具有超前调理的微分环节。气体传感器芯体体积很小，无论是加热仍是制冷，芯体对温度都有快速呼应，选用份额积分操控就能够取得不错的作用。
2.3.1 份额环节
份额环节具有快速调理才能，份额系数越大静差越小，过大简略震动。电路如图4 所示，其增益为 – RP1 /RP2，试验测验份额系数为- 4 时操控作用较好。
2.3.2 积分环节
积 分环节能够消除体系静差，当体系有稳态差错时，积分环节的输出会继续增大使得操控作用加强，然后减小稳态差错。积分系数越小，积分作用越显着，操控精度越 高。积分电路如图5 所示，其增益为－ 1 /RI1 * CI1 * S，其间S 为拉式算子。经调整时刻常数RI1CI1为4.7s 比较适宜。
选用PWM 通断操控形式，能最大化运用加热功率。在导通瞬间，加热电压彻底加载在加热电阻上，电流峰值会比较大，因而需求操控加热电阻适宜的阻值。别的PWM 操控存在彻底导通的状况，虽然在本电路运用中不会带来坏的影响，可是为了调整最大加热功率以抵达操控最大加热温度的意图，在PID 输出环节选用稳压二极管，操控PID 输出电压的起伏，确保PWM 能够输出必定宽度的死区。
2.3.3 微分电路
微分环境对输入快速改变的状况具有较大的反响输出，能进步控温体系对环境温度动摇的快速呼应才能。微分环节具有超前调理的作用，详细电路如图6 所示。
2.3.4 PWM 发生电路
PWM 电路选用简略分立器材建立，详细电路如图7 所示，首要构成有比较器发生限阈值翻转波形，然后通过积分电路充放电发生规范锯齿波，锯齿波在与PID 环节输出电压比较，发生脉宽随温度差错调整的波形，该波形输出给驱动加热电路。
3 试验成果
样 机进行了安稳动态进程的短时刻测验和安稳点长时刻测验。短时刻测验样机温度曲线如图8 所示，其间能够看出样机抵达温度设定点90% 的时刻十分短，大约为120s，全体控温精度在0.15℃以内。当环境温度动摇时控温点会跟着扰动，很快就能回到设定的温度值，动态呼应十分快。
样机控温作用安稳点长时刻监测曲线如图9 所示，从该图可知全体控温精度在0.15℃以内愈加显着，阐明样机电路控温点不会随时刻飘移，也不随环境缓慢改变的温度动摇漂移。
4 结束语
PID 脉宽温度操控电路，所用元器材较少，调理简略，操控精度能够抵达±0.15℃，彻底满意气体传感器运用需求。在可行性、牢靠性、安全性方面特别适宜航天产品的需求，可在气体传感器中运用推行。
