[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

权利要求书

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R_w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R_s的传递；柔性热膜剪应力微传感器(4)的工作电阻值R_w与由AD实时采集得到的测量电阻值R_s构成电阻偏差r_s(k)，比较电阻偏差r_s(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r_s(k)小于等于阈值M时，表示系统处于稳定状态；

当电阻偏差r_s(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，当的定义域为(0，∞)时，f[r_s(k)]所对应的值域为(0，1)；其中，当时，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；

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AB；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。