一种恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A closed loop feedback control system of constant temperature hot film shear stress Microsensor

The invention discloses the design of a closed loop feedback control system for a constant temperature type hot film shear stress micro sensor, belonging to the field of sensor measuring instruments. The technical scheme adopted by the invention comprises the hardware circuit design and algorithm design of a closed-loop feedback control system of a hot film shear stress micro-sensor. The hardware circuit consists of fixed resistance 1, flexible hot film shear stress micro sensor 4, analog operational amplifier 6, instrument operational amplifier 7, analog multiplier 8, microcontroller 9 and low noise amplifier 10. Algorithm design includes threshold setting, integral part design and proportional link design. The closed-loop feedback control system of the constant temperature type hot film shear stress micro-sensor is proposed. The measuring error caused by the lead resistance of the hot film shear stress micro-sensor is greatly reduced and the calibration difficulty of the hot film shear stress micro-sensor in the actual application process is reduced by the design form of the resistance value of the sensor measured by four-wire system. At the same time, through the dynamic real-time adjustment of the algorithm in microcontroller 9, it avoids the problem that the traditional design scheme can not work properly because of the self-excited state when the flow velocity changes in a large range.

【技术实现步骤摘要】
一种恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统一、
本专利技术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、
技术介绍
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。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。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。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、
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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，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。本专利技术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<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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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。四、附图说明(附图在文字中的引用说明)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；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；图3本专利技术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；图4模拟乘法器8引脚示意图；图5本专利技术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；图6f[rs(k)]与的函数曲线五、具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。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。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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术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...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：马炳和，张浩，王璇甫，苑伟政，姜澄宇，邓进军，罗剑，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61