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對于具有標準化分度號的傳感器，目前，市場(chǎng)上一般有與之對應的標準化信號調理電路。由于這些標準化信號調理電路是標準設計、批量生產(chǎn)的，因此，其可靠性高，價(jià)格一般也較為合理。但具有標準化分度號的傳感器在整個(gè)傳感器家族中卻僅占少數。當人們在研制某些測量系統的過(guò)程中不得不選用非標準化傳感器時(shí)，一般需要設計、制作相應的信號調理電路。由于任何電子產(chǎn)品的成熟都需要一個(gè)可靠性增長(cháng)過(guò)程，如果所研制的測量系統生產(chǎn)批量不是太大，則信號調理電路的可靠性、穩定性難以保證，勢必影響整個(gè)測量系統的可靠性、穩定性。由于目前測量系統一般都具備數據處理功能，如果能夠對某些非標準化傳感器，選用與其特性盡量接近的標準化信號調理電路對其進(jìn)行信號調理，而將其差異通過(guò)數據處理軟件進(jìn)行相應補償，則可在保證測量精度的前提下有效簡(jiǎn)化測量系統的硬件，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高系統的可靠性、穩定性。在研制低成本聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction，PCR)芯片測量與控制系統的過(guò)程中成功實(shí)現了上述設想。 1 利用印刷電路板工藝制作的非標準化溫度傳感器 PCR是一種體外模擬自然DNA復制過(guò)程的核酸擴增技術(shù)。隨著(zhù)微機電系統技術(shù)的興起，一類(lèi)微反應器一集成微反應槽PCR芯片使進(jìn)行PCR的設備平臺面臨革命性的變革。但是，PCR芯片在進(jìn)軍市場(chǎng)的過(guò)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，本文作者設計了一種結構簡(jiǎn)化、低成本的PCR芯片，同時(shí)，提出了一種新型測控方案，該方案能夠對120只芯片進(jìn)行溫度控制。為實(shí)現該方案，需要在芯片陣列上方覆蓋一張柔性印刷電路板(printed circuit board，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(cháng)、寬幾何尺寸相同。整個(gè)系統由一臺工業(yè)控制計算機通過(guò)相應接口板卡控制。每個(gè)微加熱及傳感單元如圖1所示。 圖1所示傳感元件的測溫原理與標準化銅電阻類(lèi)似。標準化銅電阻由純度為99.99%的銅絲制成，電阻溫度系數一般為(4.26～4.35)×10-3/℃，并近似線(xiàn)性，使用范圍為-50～150℃。我國現行的銅電阻溫度傳感器分度號為Cu50，Cu100，100℃時(shí)的阻值與0℃時(shí)的阻值的比值為1.428±0.002。標準化銅電阻溫度傳感器在0～100℃的范圍內，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為標準化銅電阻溫度傳感器的電阻溫度系數，α=4.33×10-3/℃。 但在上述柔性PCB板上不可能制作標準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50 Ω或100 Ω的電阻幾乎不可能。目前，國內制作PCB板的設備所能加工的最細線(xiàn)寬為50μm，最薄的銅箔為5μm，但采用過(guò)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(xiàn)寬取為55μm，在與芯片對等而積的PCB板上只能安排25 Ω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16.7 Ω，加熱元件阻值約為8.3 Ω;二是制作PCB板所用敷銅板上銅箔的純度達不到標準化銅電阻所規定的純度。因此，不能直接使用針對標準化銅電阻而生產(chǎn)的信號調理電路。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的電阻變化在百分之幾歐姆的電信號輸入到計算機內，并按符合要求的精度轉換為溫度值，成為必須解決的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。 2 非標準化銅電阻溫度傳感器的信號調理 在研究過(guò)程中曾經(jīng)按常規思路專(zhuān)門(mén)設計了非標準化銅電阻溫度傳感器的信號調理電路。將每10個(gè)芯片所對應的10只銅電阻傳感器串聯(lián)，公用一個(gè)集成恒流源激勵，將每個(gè)電阻的高電位端對直流信號地的電壓經(jīng)5倍放大后引致商品化的A/D轉換接口板。計算機在完成A/D轉換后，首先，對相串聯(lián)的2個(gè)相鄰電阻所對應的數字量進(jìn)行計算，使運算結果為某個(gè)銅電阻兩端電壓所對應的數字量。經(jīng)預先的靜態(tài)標定，獲得這類(lèi)數字量與溫度的對應關(guān)系，然后，將這種關(guān)系編制成相應軟件，從而完成溫度檢測。這種方案理論上是科學(xué)的，在實(shí)驗室里也做通了實(shí)驗，檢測精度也符合要求。但實(shí)驗電路可靠性差、穩定性差。究其原因是自制電路的模擬部分過(guò)于復雜，計有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，這在實(shí)驗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備困難，經(jīng)反復研究，獲得了下述方案。 柔性印刷電路板絕大多數采用壓延銅箔，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%)，但仍低于標準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準化傳感器。盡管如此，對于固定型號的柔性印刷電路板來(lái)說(shuō)，銅箔純度是相對穩定的，在其上制作的電阻式溫度傳感器的瓦換性、重復性、穩定性都能夠得到保證，其電阻溫度特性與標準化銅電阻的差異主要由銅材料純度的差異決定，體現為具有特定規律的系統誤差，這種系統誤差規律可通過(guò)標定與校準實(shí)驗提取。換言之，雖然在柔性印刷電路板上制作的銅電阻不是標準化的銅電阻溫度傳感器，但由于它們之間的誤差屬于系統誤差，因此，仍然可以借助針對標準化銅電阻所生產(chǎn)的信號調理電路和計算機接口電路，只不過(guò)需要通過(guò)軟件補償它們之間的差異。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(wú)關(guān)，其串聯(lián)后的阻值在0℃時(shí)為50Ω，接入標準化的銅電阻接口板，該板選用智能熱電阻信號輸入板IPC5457，它能夠直接插入PC總線(xiàn)工業(yè)控制計算機的擴展槽內。每塊IPC5457能夠完成16路標準化銅電阻信號的數據采集與處理，將電阻信號轉換為溫度值。由于傳感器是非標準化的銅電阻，因此，在工業(yè)控制計算機內編制相應補償軟件，以補償因傳感器的非標準化所帶來(lái)的系統誤差。 非標準化銅電阻溫度傳感器與標準化銅電阻溫度傳感器的差異體現在2個(gè)方面，其一是0℃所對應的電阻R0值不同，亦即零點(diǎn)不同;其二是電阻溫度系數α不同，亦即靈敏度不同。設制作在PCB板上的非標準化的銅電阻特性為 式中Rt1，R01分別為制作在PCB板上的非標準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。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，不妨設所串聯(lián)電阻阻值為R，此串聯(lián)支路直接聯(lián)IPC5457。于是，當所測溫度為t時(shí)，此支路的阻值R″t為 設按標準化分度號設計的IPC5457將R″t轉換為溫度t″ 式(7)即為PCB板非標準化傳感器配標準化信號調理電路的校正算法。只要預知非標準化傳感器的零點(diǎn)R01和靈敏度α1，將上述算法編制程序作為系統應用軟件的子程序，計算機即可根據IPC5457的測得值計算出被測溫度，達到了采用成熟的、商品化的標準化熱電阻輸入板采集非標準化熱電阻輸出信號的目的，簡(jiǎn)化了系統硬件，相應提高了系統的可靠性和穩定性。 為了獲取非標準化傳感器的零點(diǎn)R01和靈敏度α1，需進(jìn)行標定實(shí)驗。標定實(shí)驗在恒溫水槽中進(jìn)行，水槽溫度用標準水銀溫度計測量，傳感器阻值用電橋測量，其標定結果為R01=16.67 Ω，α1=4.27 x10-3/℃。 3 結論 以低成本PCR芯片陣列控制系統所需的制作在PCB板上的非標準化熱電阻為例，介紹了非標準化傳感器與標準化傳感器信號調理電路的匹配方法。這種匹配方法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)軟件來(lái)補償非標準化傳感器與標準化傳感器之間的差異。只要非標準化傳感器具備足夠的重復性，匹配精度就能夠得到保證。上述方法也可推廣到其他非標準化分度的傳感器的信號調理。當測量系統的生產(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。 |
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