非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器的信號(hào)調(diào)理的一種新方法

2013-10-16 16:41 來源:電子信息網(wǎng) 作者:洛小辰

對于具有標(biāo)準(zhǔn)化分度號(hào)的傳感器,目前,市場上一般有與之對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)調(diào)理電路。由于這些標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)調(diào)理電路是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、批量生產(chǎn)的,因此,其可靠性高,價(jià)格一般也較為合理。但具有標(biāo)準(zhǔn)化分度號(hào)的傳感器在整個(gè)傳感器家族中卻僅占少數(shù)。當(dāng)人們在研制某些測量系統(tǒng)的過程中不得不選用非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器時(shí),一般需要設(shè)計(jì)、制作相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。由于任何電子產(chǎn)品的成熟都需要一個(gè)可靠性增長過程,如果所研制的測量系統(tǒng)生產(chǎn)批量不是太大,則信號(hào)調(diào)理電路的可靠性、穩(wěn)定性難以保證,勢必影響整個(gè)測量系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。由于目前測量系統(tǒng)一般都具備數(shù)據(jù)處理功能,如果能夠?qū)δ承┓菢?biāo)準(zhǔn)化傳感器,選用與其特性盡量接近的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)調(diào)理電路對其進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,而將其差異通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償,則可在保證測量精度的前提下有效簡化測量系統(tǒng)的硬件,縮短開發(fā)周期,提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。在研制低成本聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerasechainreaction,PCR)芯片測量與控制系統(tǒng)的過程中成功實(shí)現(xiàn)了上述設(shè)想。

1利用印刷電路板工藝制作的非標(biāo)準(zhǔn)化溫度傳感器

PCR是一種體外模擬自然DNA復(fù)制過程的核酸擴(kuò)增技術(shù)。隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的興起,一類微反應(yīng)器一集成微反應(yīng)槽PCR芯片使進(jìn)行PCR的設(shè)備平臺(tái)面臨革命性的變革。但是,PCR芯片在進(jìn)軍市場的過程中卻遇到了較大的困難,主要原因之一是芯片成本居高不下。為此,本文作者設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡化、低成本的PCR芯片,同時(shí),提出了一種新型測控方案,該方案能夠?qū)?20只芯片進(jìn)行溫度控制。為實(shí)現(xiàn)該方案,需要在芯片陣列上方覆蓋一張柔性印刷電路板(printedcircuitboard,PCB),柔性PCB板與120只PCR芯片靠彈性力均勻接觸。利用PCB板銅箔具有一定阻值,且該阻值與溫度有確切對應(yīng)關(guān)系的原理在柔性PCB板上制作120個(gè)微加熱及傳感單元,微加熱及傳感單元與PCR芯片長、寬幾何尺寸相同。整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過相應(yīng)接口板卡控制。每個(gè)微加熱及傳感單元如圖1所示。

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圖1所示傳感元件的測溫原理與標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻類似。標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻由純度為99.99%的銅絲制成,電阻溫度系數(shù)一般為(4.26~4.35)×10-3/℃,并近似線性,使用范圍為-50~150℃。我國現(xiàn)行的銅電阻溫度傳感器分度號(hào)為Cu50,Cu100,100℃時(shí)的阻值與0℃時(shí)的阻值的比值為1.428±0.002。標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器在0~100℃的范圍內(nèi),其溫度與阻值的關(guān)系可用下式表示

Rt=R0(1+αt),(1)

式中R0,Rt分別為0℃和t℃時(shí)的阻值;α為標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器的電阻溫度系數(shù),α=4.33×10-3/℃。

但在上述柔性PCB板上不可能制作標(biāo)準(zhǔn)化的銅電阻溫度傳感器,其原因一是在28mm×28mm面積的PCB板上制作0℃時(shí)阻值為50Ω或100Ω的電阻幾乎不可能。目前,國內(nèi)制作PCB板的設(shè)備所能加工的最細(xì)線寬為50μm,最薄的銅箔為5μm,但采用過薄的銅箔易造成加熱器、傳感器斷絲,為保證可靠性,特將銅箔厚度取為35μm,線寬取為55μm,在與芯片對等而積的PCB板上只能安排25Ω左右的銅電阻。事實(shí)上,所制作的傳感元件在0℃時(shí)的阻值約為16.7Ω,加熱元件阻值約為8.3Ω;二是制作PCB板所用敷銅板上銅箔的純度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻所規(guī)定的純度。因此,不能直接使用針對標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻而生產(chǎn)的信號(hào)調(diào)理電路。如何將PCB板上電阻總值為十幾個(gè)歐姆、每攝氏度變化所對應(yīng)的電阻變化在百分之幾歐姆的電信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi),并按符合要求的精度轉(zhuǎn)換為溫度值,成為必須解決的一個(gè)難點(diǎn)問題。

2非標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器的信號(hào)調(diào)理

在研究過程中曾經(jīng)按常規(guī)思路專門設(shè)計(jì)了非標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器的信號(hào)調(diào)理電路。將每10個(gè)芯片所對應(yīng)的10只銅電阻傳感器串聯(lián),公用一個(gè)集成恒流源激勵(lì),將每個(gè)電阻的高電位端對直流信號(hào)地的電壓經(jīng)5倍放大后引致商品化的A/D轉(zhuǎn)換接口板。計(jì)算機(jī)在完成A/D轉(zhuǎn)換后,首先,對相串聯(lián)的2個(gè)相鄰電阻所對應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算,使運(yùn)算結(jié)果為某個(gè)銅電阻兩端電壓所對應(yīng)的數(shù)字量。經(jīng)預(yù)先的靜態(tài)標(biāo)定,獲得這類數(shù)字量與溫度的對應(yīng)關(guān)系,然后,將這種關(guān)系編制成相應(yīng)軟件,從而完成溫度檢測。這種方案理論上是科學(xué)的,在實(shí)驗(yàn)室里也做通了實(shí)驗(yàn),檢測精度也符合要求。但實(shí)驗(yàn)電路可靠性差、穩(wěn)定性差。究其原因是自制電路的模擬部分過于復(fù)雜,計(jì)有12個(gè)恒流源、120個(gè)放大器,且要求這120個(gè)放大器具有一致的放大倍數(shù),這在實(shí)驗(yàn)室的手工制作工藝條件下是難以保證的。為克服上述工藝和設(shè)備困難,經(jīng)反復(fù)研究,獲得了下述方案。

柔性印刷電路板絕大多數(shù)采用壓延銅箔,其銅純度為99.9%,高于普通印刷電路板所用的電解銅箔(純度為99.8%),但仍低于標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻所要求的純度,因此,采用柔性印刷電路板制作的銅電阻溫度傳感器為非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器。盡管如此,對于固定型號(hào)的柔性印刷電路板來說,銅箔純度是相對穩(wěn)定的,在其上制作的電阻式溫度傳感器的瓦換性、重復(fù)性、穩(wěn)定性都能夠得到保證,其電阻溫度特性與標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻的差異主要由銅材料純度的差異決定,體現(xiàn)為具有特定規(guī)律的系統(tǒng)誤差,這種系統(tǒng)誤差規(guī)律可通過標(biāo)定與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)提取。換言之,雖然在柔性印刷電路板上制作的銅電阻不是標(biāo)準(zhǔn)化的銅電阻溫度傳感器,但由于它們之間的誤差屬于系統(tǒng)誤差,因此,仍然可以借助針對標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻所生產(chǎn)的信號(hào)調(diào)理電路和計(jì)算機(jī)接口電路,只不過需要通過軟件補(bǔ)償它們之間的差異。為此,采用如下方案:將每個(gè)PCB板上的銅電阻溫度傳感器外申一只固定電阻器,該固定電阻器的阻值與溫度無關(guān),其串聯(lián)后的阻值在0℃時(shí)為50Ω,接入標(biāo)準(zhǔn)化的銅電阻接口板,該板選用智能熱電阻信號(hào)輸入板IPC5457,它能夠直接插入PC總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展槽內(nèi)。每塊IPC5457能夠完成16路標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與處理,將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度值。由于傳感器是非標(biāo)準(zhǔn)化的銅電阻,因此,在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)編制相應(yīng)補(bǔ)償軟件,以補(bǔ)償因傳感器的非標(biāo)準(zhǔn)化所帶來的系統(tǒng)誤差。

非標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器的差異體現(xiàn)在2個(gè)方面,其一是0℃所對應(yīng)的電阻R0值不同,亦即零點(diǎn)不同;其二是電阻溫度系數(shù)α不同,亦即靈敏度不同。設(shè)制作在PCB板上的非標(biāo)準(zhǔn)化的銅電阻特性為

式中Rt1,R01分別為制作在PCB板上的非標(biāo)準(zhǔn)化的銅電阻傳感器在0℃和t℃時(shí)的阻值;α1為其電阻溫度系數(shù)。將其與一個(gè)高精度固定電阻器串聯(lián),固定電阻器的阻值按串聯(lián)后0℃時(shí)總電阻為50Ω的原則取值,不妨設(shè)所串聯(lián)電阻阻值為R,此串聯(lián)支路直接聯(lián)IPC5457。于是,當(dāng)所測溫度為t時(shí),此支路的阻值R″t為

設(shè)按標(biāo)準(zhǔn)化分度號(hào)設(shè)計(jì)的IPC5457將R″t轉(zhuǎn)換為溫度t″

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式(7)即為PCB板非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器配標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)調(diào)理電路的校正算法。只要預(yù)知非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器的零點(diǎn)R01和靈敏度α1,將上述算法編制程序作為系統(tǒng)應(yīng)用軟件的子程序,計(jì)算機(jī)即可根據(jù)IPC5457的測得值計(jì)算出被測溫度,達(dá)到了采用成熟的、商品化的標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻輸入板采集非標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻輸出信號(hào)的目的,簡化了系統(tǒng)硬件,相應(yīng)提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

為了獲取非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器的零點(diǎn)R01和靈敏度α1,需進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)在恒溫水槽中進(jìn)行,水槽溫度用標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)測量,傳感器阻值用電橋測量,其標(biāo)定結(jié)果為R01=16.67Ω,α1=4.27x10-3/℃。

3結(jié)論

以低成本PCR芯片陣列控制系統(tǒng)所需的制作在PCB板上的非標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻為例,介紹了非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器與標(biāo)準(zhǔn)化傳感器信號(hào)調(diào)理電路的匹配方法。這種匹配方法的實(shí)質(zhì)是通過軟件來補(bǔ)償非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器與標(biāo)準(zhǔn)化傳感器之間的差異。只要非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器具備足夠的重復(fù)性,匹配精度就能夠得到保證。上述方法也可推廣到其他非標(biāo)準(zhǔn)化分度的傳感器的信號(hào)調(diào)理。當(dāng)測量系統(tǒng)的生產(chǎn)批量不是很大或研制時(shí)間特別緊張時(shí),采用該方法有一定優(yōu)勢。

傳感器 信號(hào)調(diào)理

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