[发明专利]一种恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统

摘要

本发明公开了一种恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统的设计，属于传感器测量仪器领域。本发明所采用的技术方案包括：一种热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统的硬件电路设计、算法设计。硬件电路由固定电阻1、柔性热膜剪应力微传感器4、模拟运算放大器6、仪表运算放大器7、模拟乘法器8、微控制器9、低噪声放大器10组成。算法设计包括阈值的设定、积分环节的设计和比例环节的设计。本发明提出的恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统，通过四线制测量传感器电阻值的设计形式，大幅降低了热膜剪应力微传感器的引线电阻所造成的测量误差，降低了热膜剪应力微传感器在实际应用过程中的标定难度；同时，通过微控制器9中算法的动态实时调节，避免了传统设计方案由于流场流速发生大范围变化时进入自激状态而无法正常工作的问题。

主权项

1.本发明所提出的恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统设计主要包括硬件和软件部分；硬件部分由固定电阻1、柔性热膜剪应力微传感器4、模拟运算放大器6、仪表运算放大器7、模拟乘法器8、微控制器9、低噪声放大器10组成，回路示意图参阅图3所示；固定电阻1与热膜剪应力微传感器4构成串联回路，固定电阻1两端的电压经模拟运算放大器6的差分输入端测量后得到输出电压表示为E1：E1＝G1×I×R1；其中，G1是指模拟运算放大器6的增益，I是指流经串联回路的电流，R1是指固定电阻1的阻值；柔性热膜剪应力微传感器4的电压经仪表运算放大器7的差分输入端测量后得到的输出电压表示为E2：E2＝G2×I×R4；其中，G2是指仪表运算放大器7的增益，I是指流经串联回路的电流，R4是指柔性热膜剪应力微传感器4热敏单元的阻值；输出电压E1和输出电压E2经模拟乘法器8，器件引脚图参阅图4所示，计算得到输出电压E3：E3＝E2/E1＝(G2×I×R4)/(G1×I×R1)＝(G2×R4)/(G1×R1)，由此可以看出输出电压E3与柔性热膜剪应力微传感器4的电阻值R4成线性关系；输出电压E3与微控制器9的AD输入引脚相连，微控制器9的DA输出引脚与低噪声放大器10相连并将输出电压反馈到所述柔性热膜剪应力微传感器4，从而形成闭环反馈回路；所述微控制器9的软件部分包括阈值设定、积分环节设计和比例环节设计，参阅图5，具体算法内容如下：上位机通过串口通信将系统对柔性热膜剪应力微传感器4设定的工作电阻值Rw发送给微控制器9，同时模拟乘法器8的输出电压E3经微控制器9中算法处理实现传感器实时电阻Rs的传递；柔性热膜剪应力微传感器4的工作电阻值Rw与由AD实时采集得到的测量电阻值Rs构成电阻偏差rs(k)，比较电阻偏差rs(k)与算法中所设定的阈值M，作为判定采用不同算法的条件：当电阻偏差rs(k)小于等于阈值M时，表示系统处于稳定状态；当电阻偏差rs(k)大于阈值M时，表示系统处于不稳定状态；系统通过微控制器9内置的调节算法进行调控，所述调节算法基于PID原理完成设计；调节算法的积分环节采用的形式；其中，r_s(k)为电阻偏差，T表示数字采样周期，T_i表示积分因子，f[r_s(k)]表示积分系数，采用的形式，F为固定参数，f[r_s(k)]与的函数关系参见图6；由图6可知当的定义域为(0，∞)时，f[r_s(k)]所对应的值域为(0，1)；其中，当≥5时，f[r_s(k)]近似为0，即基本无积分作用；当时(即r_s(k)＝0)，f(r_s(k)]＝1，表示为常规的积分作用；本发明调节算法的比例环节采用分段调节的设计形式；由上述可知，当时系统表现为积分分离状态；因此，当控制偏差r_s(k)<10.0时，比例环节参数K_P取A；当偏差r_s(k)≥10.0时，K_P取B，其中A<B；设计原则是当偏差较小时，减小比例调节速度，以防止系统产生较大的超调量甚至震荡现象；当偏差较大时，增大比例调节速度，以减少系统的响应时间。