1 引言

　　在半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器中，氣敏芯體對溫度非常敏感，在整個工作環(huán)境溫度波動范圍內(nèi)溫度噪聲通常會完全掩蓋氣體濃度輸出的有效信號。另外氣體傳感器大多利用化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)測量氣體濃度，化學(xué)性質(zhì)通常與溫度有關(guān)，為了獲得最佳響應(yīng)特性，敏感芯體通常需要工作在特定溫度，因而為氣敏芯體提供恒定的工作溫度環(huán)境顯得非常有意義。

　　在電路設(shè)計理論里實現(xiàn)恒溫控制的方式有很多，傳感器的特殊應(yīng)用決定了低功耗、高精度、高可靠性的分立模擬電路實現(xiàn)方案非常適合。PID脈寬控制恒溫模擬電路具有非常好的控溫精度，同時元器件簡單且具有可靠的失效率參數(shù)，風(fēng)險可控，非常適合航天產(chǎn)品的設(shè)計要求。

　　2 電路框圖

　　傳感器芯體上面集成了測溫電阻與加熱電阻，測溫電阻能實時監(jiān)測傳感器芯體的當(dāng)前溫度，且反饋到控制電路的輸入端，作為溫度誤差信號的一個輸入端，形成閉環(huán)控制。

　　電路框圖如圖1 所示，測溫電路把當(dāng)前芯體溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值，該值是一個微弱信號值，必須經(jīng)過高信噪比前置放大電路放 大到合適的電壓輸出值，再經(jīng)過系統(tǒng)放大，然后輸送給PID 環(huán)節(jié)進行控制輸出，控制輸出產(chǎn)生寬度可調(diào)脈沖信號驅(qū)動加熱電路，給傳感器芯體加熱。傳感器當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度溫差值越大，誤差電壓信號越大，經(jīng)過PID 控制輸出脈寬開通時間越長，加熱功率越大，反之亦然，從而實現(xiàn)了恒溫控制。

　　2.1 溫度與加熱功率

　　傳感器芯體溫度與加載在芯體上的正熱能與負熱能大小有關(guān)。若傳感器芯體溫度維持在環(huán)境溫度以上，則傳感器芯體加載的正熱能來自電能，由焦耳定律可以知道若給定電阻R 上加熱電流為I，加熱時間為T，那么有I2 * R* T 的電能轉(zhuǎn)換成熱能； 而傳感器芯體加載的負熱能可以是傳感器芯體與周圍環(huán)境的溫度差而產(chǎn)生的熱對流及熱傳導(dǎo)帶來的熱能轉(zhuǎn)移。這種正熱能與負熱能對溫度的影響體現(xiàn)為傳感器芯體的 加熱功率與制冷功率，它們共同決定了傳感器芯體的穩(wěn)定溫度。假設(shè)傳感器芯體工作環(huán)境溫度為25℃，傳感器芯體氣體濃度響應(yīng)最佳溫度為80℃，因熱傳導(dǎo)和熱 對流損失的負熱能為某個可測量值且保持恒定，那么該點環(huán)境下芯體溫度只與加熱功率有關(guān)。如上所述，給芯體合適電流，那芯體就可以維持設(shè)定點溫度，若環(huán)境溫 度上下波動，芯體加熱與制冷的功率隨溫度發(fā)生變化，要使芯體繼續(xù)維持在設(shè)定點溫度，只需要調(diào)節(jié)芯體上電流的大小。在25℃環(huán)境下，實際測得加熱功率與芯體 溫度的關(guān)系如圖2 所示，加熱功率為0.45W 時芯體即可穩(wěn)定工作在設(shè)定溫度80℃。