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。

权利要求

1.恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统，其特征在于，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；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)，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，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，rs(k)为电

阻偏差，T表示数字采样周期，Ti表示积分因子，f[rs(k)]表示积分系数，采用的形式，F为固定参数，当 的定义域为(0，∞)时，f[rs(k)]所对应的值域为(0，1)；其中，当 时，f[rs(k)]近似为0，即基本无积分作用；当 时，即rs(k)＝0，f[rs(k)]＝1，表示为常规的积分作用；

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rs(k)<10.0时，比例环节参数KP取A；当偏差rs(k)≥10.0时，KP取B，其中A

说明书

一种恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统

一、技术领域

[0001] 本发明涉及一种恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统，属于传感器测量仪器领域。二、背景技术

[0002] 在飞机、舰船等航行器运行过程中，航行器所受到的摩擦阻力占总阻力50％-80％，摩擦阻力影响了航行器的速度、能耗、运载力、机动性等。流体壁面剪应力作为精确表达摩擦阻力，描述流体边界层流动状态的重要参量，其有效测试对飞行器/航行器设计和实验能力的提升有重大意义。

[0003] 作为流体流动测量技术的重要传感器件之一的柔性热膜式剪应力微传感器，具有高时间/空间分辨率、可贴附、高灵敏度和阵列化等特点，具有十分广阔的应用前景。根据其驱动类型不同，热膜微传感器测量系统可分为三类：恒流驱动式、恒压驱动式和恒温驱动式。由于恒温驱动式测量系统的响应速度相比其他驱动式测量系统要快的多，热线/热膜传感器多数采用恒温驱动模式。

[0004] 热膜剪应力微传感器工作的物理基础是热转换。由热平衡原理可知，传感器中敏感单元在电流激励作用下所产生的热量等于敏感单元在表面流体流动作用下所耗散的热量。在恒温驱动模式下，热膜剪应力微传感器需要保持恒定的工作温度，即恒定阻值的状态。参阅图1，反馈控制过程如下：当流体壁面剪应力τ增大时，热膜剪应力微传感器中的热敏单元表面温度降低，实际阻值RS下降，传感器两端的电压ES减小，即电桥两桥臂电压差ΔE增大，经过控制算法调节后，使得Eb增大，随即使通过传感器的电流Is增大，从而达到加热传感器，使传感器阻值RS提高的目的；反之，当流体壁面剪应力τ减小时，热膜剪应力微传感器中的热敏单元表面温度上升，实际阻值RS增大，传感器两端的电压ES增大，即电桥两桥臂电压差ΔE减小，经过控制算法调节后，使得Eb减小，随即使通过传感器的电流Is减小，从而达到使传感器阻值RS下降的目的。

[0005] 目前，恒温式热线/热膜剪应力微传感器测量系统多数以复杂的纯模拟电路设计为主。原理图参阅图2，传统恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制电路由固定电阻1、 2，可调电阻3和柔性热膜剪应力微传感器4构成惠斯通电桥，并将电桥A、B两点接入单向高增益放大器5，输出端与惠斯通电桥构成闭环反馈控制回路，从而实现传感器恒温的工作状态。这种设计及调试方法具有测量精度低、调节参量多、调试过程复杂、大流速变化范围内线路稳定性差和升级换代成本高等缺点。
三、发明内容

[0006] 为了克服传统设计方案调试过程复杂、电阻测量精度较低等缺陷，本发明提供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。

[0007] 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；

[0008] 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。

[0009] 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：

[0010] 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：

[0011] 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；

[0012] 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。

[0013] 调节算法的积分环节采用 的形式。其中，rs(k)为电阻偏差，T表示数字采样周期，Ti表示积分因子，f[rs(k)]表示积分系数，采用的形式，F为固定参数，f[rs(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[rs(k)]所对应的值域为(0，1)。其中，当 ≥5时，f[rs(k)]近似为0，即基本无积分作用。当 时(即rs(k)＝0)，f[rs(k)]＝1，表示为常规的积分作用。

[0014] 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rs(k)<10.0时，比例环节参数KP取A；当偏差rs(k)≥10.0时，KP取B，其中A

[0015] 本发明的有益效果是：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。

[0016] 四、附图说明(附图在文字中的引用说明)

[0017] 图1恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统的反馈控制过程；

[0018] 图2传统恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制回路的电路原理图；

[0019] 图3本发明提出的恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈回路电路示意图；

[0020] 图4模拟乘法器8引脚示意图；

[0021] 图5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的软件设计；

[0022] 图6 f[rs(k)]与 的函数曲线。五、具体实施方式

[0023] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细完善的描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0024] 本申请实施例提供了一种有关恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统的设计，包括硬件部分和软件部分。

[0025] 参阅图3，本实施例中恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈回路，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，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等于10，表示模拟运算放大器6的增益；I是指流经串联回路的电流；R1等于10Ω，表示固定电阻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等于1.99，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。运用反函数型运算电路的基本原理，将模拟乘法器8应用于除法电路的设计。参见图4，模拟乘法器8满足 的关系，其中X1＝E1，W＝E2，Z
＝X2＝Y2＝0，可得Y1＝0.199×R4。模拟乘法器8的Y2引脚与微控制器9的AD引脚相连，微控制器 9的DA引脚与低噪声放大器10相连，其输出引脚与固定电阻1相连构成闭环反馈控制回路。

[0026] 本实施例中提出的恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统的微控制器9采用的型号是STM32F103VET6，该芯片采用8MHz的无源晶振作为高速外部时钟， 32.768kHz的无源晶振作为低速外部时钟。将系统主频时钟频率配置为72MHz，ADC的时钟频率配置为10MHz。之后完成串口、ADC和DAC的初始化常规配置。

[0027] 本发明实施例中微控制器9的软件部分调节算法的设计包括阈值的设定，积分环节的设计和比例环节的设计。

[0028] 控制算法流程如下：上位机通过串口通信将系统对传感器设定的工作电阻值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。工作电阻Rw与实时电阻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，作为判定采用不同算法的前提。

[0029] 由于STM32F103VET6为12位分辨率，其最小量化单位为1个LSB(Least Significant Bit)。为保证对传感器的控制精度，本发明实施例中设定阈值为1个LSB，即当电阻偏差rs(k)的绝对值小于等于1个LSB时，表示系统为稳定状态；当电阻偏差rs(k)的绝对值大于1个LSB时，表示系统为不稳定状态，需要进行相关的调节。

[0030] 本发明实施例中调节算法的积分环节采用 的形式。其中，T表示数字采样周期，Ti表示积分因子，f[rs(k)]表示积分系数，采用的形式，F为固定参数，f[rs(k)]与 的关系参见图6。可知当 的
定义域为(0,∞)时，f[rs(k)]所对应的值域为(0,1)。当 时，f[rs(k)]近似为0，即基本无积分作用。当 时(即rs(k)＝0)，f[rs(k)]＝1，表示为完全积分作用。由于本发明实施例采用STM32F103VET6芯片作为控制芯片，且传感器单位温度变化所引起的电阻变化量约为0.04Ω，因此本发明实施例中将F的初始值设置为 2.0。

[0031] 本发明实施例中比例环节采用分段调节的设计，由上述可知，当 时为积分分离状态。因此，当偏差rs(k)<10.0时，KP取1.0。当偏差rs(k)≥10.0时，KP取5.0。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。

[0032] 当外界壁面剪应力τ输入时，热膜式剪应力微传感器的阻值发生变化，即由仪表运算放大器7所测得的传感器输出电压E1发生变化，模拟乘法器8的Y2引脚的输出电压E3随之发生变化。经微控制器9的算法调节，从而引起固定电阻1与热膜剪应力微传感器4所构成的串联回路上的驱动电流I发生变化，实现对热膜剪应力微传感器 4电阻值的改变，从而达到本系统恒温模式的实现。