對(duì)于具有標(biāo)準(zhǔn)化分度號(hào)的傳感器，目前，市場(chǎng)上一般有與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)調(diào)理電路。由于這些標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)調(diào)理電路是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、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(biāo)準(zhǔn)化分度號(hào)的傳感器在整個(gè)傳感器家族中卻僅占少數(shù)。當(dāng)人們?cè)谘兄颇承y(cè)量系統(tǒng)的過(guò)程中不得不選用非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器時(shí)，一般需要設(shè)計(jì)、制作相應(yīng)的信號(hào)調(diào)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(zhǎng)過(guò)程，如果所研制的測(cè)量系統(tǒng)生產(chǎn)批量不是太大，則信號(hào)調(diào)理電路的可靠性、穩(wěn)定性難以保證，勢(shì)必影響整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。由于目前測(cè)量系統(tǒng)一般都具備數(shù)據(jù)處理功能，如果能夠?qū)δ承┓菢?biāo)準(zhǔn)化傳感器，選用與其特性盡量接近的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，而將其差異通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，則可在保證測(cè)量精度的前提下有效簡(jiǎn)化測(cè)量系統(tǒng)的硬件，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。在研制低成本聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(polymerasechainreaction，PCR)芯片測(cè)量與控制系統(tǒng)的過(guò)程中成功實(shí)現(xiàn)了上述設(shè)想。
1利用印刷電路板工藝制作的非標(biāo)準(zhǔn)化溫度傳感器
PCR是一種體外模擬自然DNA復(fù)制過(guò)程的核酸擴(kuò)增技術(shù)。隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的興起，一類(lèi)微反應(yīng)器一集成微反應(yīng)槽PCR芯片使進(jìn)行PCR的設(shè)備平臺(tái)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(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、低成本的PCR芯片，同時(shí)，提出了一種新型測(cè)控方案，該方案能夠?qū)?20只芯片進(jìn)行溫度控制。為實(shí)現(xiàn)該方案，需要在芯片陣列上方覆蓋一張柔性印刷電路板(printedcircuitboard，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(duì)應(yīng)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(zhǎng)、寬幾何尺寸相同。整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通過(guò)相應(yīng)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(cè)溫原理與標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻類(lèi)似。標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻由純度為99.99%的銅絲制成，電阻溫度系數(shù)一般為(4.26～4.35)×10-3/℃，并近似線性，使用范圍為-50～150℃。我國(guó)現(xiàn)行的銅電阻溫度傳感器分度號(hào)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(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器在0～100℃的范圍內(nèi)，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(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器的電阻溫度系數(shù)，α=4.33×10-3/℃。
但在上述柔性PCB板上不可能制作標(biāo)準(zhǔn)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50Ω或100Ω的電阻幾乎不可能。目前，國(guó)內(nèi)制作PCB板的設(shè)備所能加工的最細(xì)線寬為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，線寬取為55μm，在與芯片對(duì)等而積的PCB板上只能安排25Ω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16.7Ω，加熱元件阻值約為8.3Ω;二是制作PCB板所用敷銅板上銅箔的純度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻所規(guī)定的純度。因此，不能直接使用針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻而生產(chǎn)的信號(hào)調(diào)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(duì)應(yīng)的電阻變化在百分之幾歐姆的電信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)，并按符合要求的精度轉(zhuǎn)換為溫度值，成為必須解決的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。
2非標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器的信號(hào)調(diào)理
在研究過(guò)程中曾經(jīng)按常規(guī)思路專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了非標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器的信號(hào)調(diào)理電路。將每10個(gè)芯片所對(duì)應(yīng)的10只銅電阻傳感器串聯(lián)，公用一個(gè)集成恒流源激勵(lì)，將每個(gè)電阻的高電位端對(duì)直流信號(hào)地的電壓經(jīng)5倍放大后引致商品化的A/D轉(zhuǎn)換接口板。計(jì)算機(jī)在完成A/D轉(zhuǎn)換后，首先，對(duì)相串聯(lián)的2個(gè)相鄰電阻所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算，使運(yùn)算結(jié)果為某個(gè)銅電阻兩端電壓所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。經(jīng)預(yù)先的靜態(tài)標(biāo)定，獲得這類(lèi)數(shù)字量與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后，將這種關(guān)系編制成相應(yīng)軟件，從而完成溫度檢測(cè)。這種方案理論上是科學(xué)的，在實(shí)驗(yàn)室里也做通了實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)精度也符合要求。但實(shí)驗(yàn)電路可靠性差、穩(wěn)定性差。究其原因是自制電路的模擬部分過(guò)于復(fù)雜，計(jì)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(shù)，這在實(shí)驗(yàn)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(shè)備困難，經(jīng)反復(fù)研究，獲得了下述方案。
柔性印刷電路板絕大多數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化傳感器。盡管如此，對(duì)于固定型號(hào)的柔性印刷電路板來(lái)說(shuō)，銅箔純度是相對(duì)穩(wěn)定的，在其上制作的電阻式溫度傳感器的瓦換性、重復(fù)性、穩(wěn)定性都能夠得到保證，其電阻溫度特性與標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻的差異主要由銅材料純度的差異決定，體現(xiàn)為具有特定規(guī)律的系統(tǒng)誤差，這種系統(tǒng)誤差規(guī)律可通過(guò)標(biāo)定與校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)化的銅電阻溫度傳感器，但由于它們之間的誤差屬于系統(tǒng)誤差，因此，仍然可以借助針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻所生產(chǎn)的信號(hào)調(diào)理電路和計(jì)算機(jī)接口電路，只不過(guò)需要通過(guò)軟件補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)化的銅電阻接口板，該板選用智能熱電阻信號(hào)輸入板IPC5457，它能夠直接插入PC總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展槽內(nèi)。每塊IPC5457能夠完成16路標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與處理，將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度值。由于傳感器是非標(biāo)準(zhǔn)化的銅電阻，因此，在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)編制相應(yīng)補(bǔ)償軟件，以補(bǔ)償因傳感器的非標(biāo)準(zhǔn)化所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。
非標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻溫度傳感器的差異體現(xiàn)在2個(gè)方面，其一是0℃所對(duì)應(yīng)的電阻R0值不同，亦即零點(diǎn)不同;其二是電阻溫度系數(shù)α不同，亦即靈敏度不同。設(shè)制作在PCB板上的非標(biāo)準(zhǔn)化的銅電阻特性為
式中Rt1，R01分別為制作在PCB板上的非標(biāo)準(zhǔn)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(shù)。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(shè)所串聯(lián)電阻阻值為R，此串聯(lián)支路直接聯(lián)IPC5457。于是，當(dāng)所測(cè)溫度為t時(shí)，此支路的阻值R″t為
設(shè)按標(biāo)準(zhǔn)化分度號(hào)設(shè)計(jì)的IPC5457將R″t轉(zhuǎn)換為溫度t″
式(7)即為PCB板非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器配標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)調(diào)理電路的校正算法。只要預(yù)知非標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)應(yīng)用軟件的子程序，計(jì)算機(jī)即可根據(jù)IPC5457的測(cè)得值計(jì)算出被測(cè)溫度，達(dá)到了采用成熟的、商品化的標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻輸入板采集非標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻輸出信號(hào)的目的，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件，相應(yīng)提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
為了獲取非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器的零點(diǎn)R01和靈敏度α1，需進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)在恒溫水槽中進(jìn)行，水槽溫度用標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)測(cè)量，傳感器阻值用電橋測(cè)量，其標(biāo)定結(jié)果為R01=16.67Ω，α1=4.27x10-3/℃。
3結(jié)論
以低成本PCR芯片陣列控制系統(tǒng)所需的制作在PCB板上的非標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻為例，介紹了非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器與標(biāo)準(zhǔn)化傳感器信號(hào)調(diào)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(bǔ)償非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器與標(biāo)準(zhǔn)化傳感器之間的差異。只要非標(biāo)準(zhǔn)化傳感器具備足夠的重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)化分度的傳感器的信號(hào)調(diào)理。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)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(shì)。
