非标准化传感器信号调理的一种新方法
0 引 言
对于具有标准化分度号的传感器，目前，市场上一般有与之对应的标准化信号调理电路。由于这些标准化信号调理电路是标准设计、批量生产的，因此，其可靠性高，价格一般也较为合理。但具有标准化分度号的传感器在整个传感器家族中却仅占少数。当人们在研制某些测量系统的过程中不得不选用非标准化传感器时，一般需要设计、制作相应的信号调理电路。由于任何电子产品的成熟都需要一个可靠性增长过程，如果所研制的测量系统生产批量不是太大，则信号调理电路的可靠性、稳定性难以保证，势必影响整个测量系统的可靠性、稳定性。由于目前测量系统一般都具备数据处理功能，如果能够对某些非标准化传感器，选用与其特性尽量接近的标准化信号调理电路对其进行信号调理，而将其差异通过数据处理软件进行相应补偿，则可在保证测量精度的前提下有效简化测量系统的硬件，缩短开发周期，提高系统的可靠性、稳定性。在研制低成本聚合酶链式反应(polymerase chain reaction，PCR)芯片测量与控制系统的过程中成功实现了上述设想。
1 利用印刷电路板工艺制作的非标准化温度传感器
PCR是一种体外模拟自然DNA复制过程的核酸扩增技术。随着微机电系统技术的兴起，一类微反应器一集成微反应槽PCR芯片使进行PCR的设备平台面临革命性的变革。但是，PCR芯片在进军市场的过程中却遇到了较大的困难，主要原因之一是芯片成本居高不下。为此，本文作者设计了一种结构简化、低成本的PCR芯片，同时，提出了一种新型测控方案，该方案能够对120只芯片进行温度控制。为实现该方案，需要在芯片阵列上方覆盖一张柔性印刷电路板(printed circuit board，PCB)，柔性PCB板与120只PCR芯片靠弹性力均匀接触。利用PCB板铜箔具有一定阻值，且该阻值与温度有确切对应关系的原理在柔性PCB板上制作120个微加热及传感单元，微加热及传感单元与PCR芯片长、宽几何尺寸相同。整个系统由一台工业控制计算机通过相应接口板卡控制。每个微加热及传感单元如图1所示。
图1所示传感元件的测温原理与标准化铜电阻类似。标准化铜电阻由纯度为99.99％的铜丝制成，电阻温度系数一般为(4.26～4.35)×10-3／℃，并近似线性，使用范围为-50～150℃。我国现行的铜电阻温度传感器分度号为Cu50，Cu100，100℃时的阻值与0℃时的阻值的比值为1.428±0.002。标准化铜电阻温度传感器在0～100℃的范围内，其温度与阻值的关系可用下式表示
Rt=R0(1+αt)， (1)
式中R0，Rt分别为0℃和t℃时的阻值；α为标准化铜电阻温度传感器的电阻温度系数，α=4.33×10-3／℃。
但在上述柔性PCB板上不可能制作标准化的铜电阻温度传感器，其原因一是在28mm×28mm面积的PCB板上制作0℃时阻值为50 Ω或100 Ω的电阻几乎不可能。目前，国内制作PCB板的设备所能加工的最细线宽为50μm，最薄的铜箔为5μm，但采用过薄的铜箔易造成加热器、传感器断丝，为保证可靠性，特将铜箔厚度取为35μm，线宽取为55μm，在与芯片对等而积的PCB板上只能安排25 Ω左右的铜电阻。事实上，所制作的传感元件在0℃时的阻值约为16.7 Ω，加热元件阻值约为8.3 Ω；二是制作PCB板所用敷铜板上铜箔的纯度达不到标准化铜电阻所规定的纯度。因此，不能直接使用针对标准化铜电阻而生产的信号调理电路。如何将PCB板上电阻总值为十几个欧姆、每摄氏度变化所对应的电阻变化在百分之几欧姆的电信号输入到计算机内，并按符合要求的精度转换为温度值，成为必须解决的一个难点问题。
2 非标准化铜电阻温度传感器的信号调理
在研究过程中曾经按常规思路专门设计了非标准化铜电阻温度传感器的信号调理电路。将每10个芯片所对应的10只铜电阻传感器串联，公用一个集成恒流源激励，将每个电阻的高电位端对直流信号地的电压经5倍放大后引致商品化的A／D转换接口板。计算机在完成A／D转换后，首先，对相串联的2个相邻电阻所对应的数字量进行计算，使运算结果为某个铜电阻两端电压所对应的数字量。经预先的静态标定，获得这类数字量与温度的对应关系，然后，将这种关系编制成相应软件，从而完成温度检测。这种方案理论上是科学的，在实验室里也做通了实验，检测精度也符合要求。但实验电路可靠性差、稳定性差。究其原因是自制电路的模拟部分过于复杂，计有12个恒流源、120个放大器，且要求这120个放大器具有一致的放大倍数，这在实验室的手工制作工艺条件下是难以保证的。为克服上述工艺和设备困难，经反复研究，获得了下述方案。
柔性印刷电路板绝大多数采用压延铜箔，其铜纯度为99.9％，高于普通印刷电路板所用的电解铜箔(纯度为99.8％)，但仍低于标准化铜电阻所要求的纯度，因此，采用柔性印刷电路板制作的铜电阻温度传感器为非标准化传感器。尽管如此，对于固定型号的柔性印刷电路板来说，铜箔纯度是相对稳定的，在其上制作的电阻式温度传感器的瓦换性、重复性、稳定性都能够得到保证，其电阻温度特性与标准化铜电阻的差异主要由铜材料纯度的差异决定，体现为具有特定规律的系统误差，这种系统误差规律可通过标定与校准实验提取。换言之，虽然在柔性印刷电路板上制作的铜电阻不是标准化的铜电阻温度传感器，但由于它们之间的误差属于系统误差，因此，仍然可以借助针对标准化铜电阻所生产的信号调理电路和计算机接口电路，只不过需要通过软件补偿它们之间的差异。为此，采用如下方案：将每个PCB板上的铜电阻温度传感器外申一只固定电阻器，该固定电阻器的阻值与温度无关，其串联后的阻值在0℃时为50Ω，接入标准化的铜电阻接口板，该板选用智能热电阻信号输入板IPC5457，它能够直接插入PC总线工业控制计算机的扩展槽内。每块IPC5457能够完成16路标准化铜电阻信号的数据采集与处理，将电阻信号转换为温度值。由于传感器是非标准化的铜电阻，因此，在工业控制计算机内编制相应补偿软件，以补偿因传感器的非标准化所带来的系统误差。
非标准化铜电阻温度传感器与标准化铜电阻温度传感器的差异体现在2个方面，其一是0℃所对应的电阻R0值不同，亦即零点不同；其二是电阻温度系数α不同，亦即灵敏度不同。设制作在PCB板上的非标准化的铜电阻特性为
式中Rt1，R01分别为制作在PCB板上的非标准化的铜电阻传感器在0℃和t℃时的阻值；α1为其电阻温度系数。将其与一个高精度固定电阻器串联，固定电阻器的阻值按串联后0℃时总电阻为50Ω的原则取值，不妨设所串联电阻阻值为R，此串联支路直接联IPC5457。于是，当所测温度为t时，此支路的阻值R″t为
设按标准化分度号设计的IPC5457将R″t转换为温度t″
式(7)即为PCB板非标准化传感器配标准化信号调理电路的校正算法。只要预知非标准化传感器的零点R01和灵敏度α1，将上述算法编制程序作为系统应用软件的子程序，计算机即可根据IPC5457的测得值计算出被测温度，达到了采用成熟的、商品化的标准化热电阻输入板采集非标准化热电阻输出信号的目的，简化了系统硬件，相应提高了系统的可靠性和稳定性。
为了获取非标准化传感器的零点R01和灵敏度α1，需进行标定实验。标定实验在恒温水槽中进行，水槽温度用标准水银温度计测量，传感器阻值用电桥测量，其标定结果为R01=16.67 Ω，α1=4.27 x10-3／℃。
3 结论
以低成本PCR芯片阵列控制系统所需的制作在PCB板上的非标准化热电阻为例，介绍了非标准化传感器与标准化传感器信号调理电路的匹配方法。这种匹配方法的实质是通过软件来补偿非标准化传感器与标准化传感器之间的差异。只要非标准化传感器具备足够的重复性，匹配精度就能够得到保证。上述方法也可推广到其他非标准化分度的传感器的信号调理。当测量系统的生产批量不是很大或研制时间特别紧张时，采用该方法有一定优势。
对于具有标准化分度号的传感器，目前，市场上一般有与之对应的标准化信号调理电路。由于这些标准化信号调理电路是标准设计、批量生产的，因此，其可靠性高，价格一般也较为合理。但具有标准化分度号的传感器在整个传感器家族中却仅占少数。当人们在研制某些测量系统的过程中不得不选用非标准化传感器时，一般需要设计、制作相应的信号调理电路。由于任何电子产品的成熟都需要一个可靠性增长过程，如果所研制的测量系统生产批量不是太大，则信号调理电路的可靠性、稳定性难以保证，势必影响整个测量系统的可靠性、稳定性。由于目前测量系统一般都具备数据处理功能，如果能够对某些非标准化传感器，选用与其特性尽量接近的标准化信号调理电路对其进行信号调理，而将其差异通过数据处理软件进行相应补偿，则可在保证测量精度的前提下有效简化测量系统的硬件，缩短开发周期，提高系统的可靠性、稳定性。在研制低成本聚合酶链式反应(polymerase chain reaction，PCR)芯片测量与控制系统的过程中成功实现了上述设想。
1 利用印刷电路板工艺制作的非标准化温度传感器
PCR是一种体外模拟自然DNA复制过程的核酸扩增技术。随着微机电系统技术的兴起，一类微反应器一集成微反应槽PCR芯片使进行PCR的设备平台面临革命性的变革。但是，PCR芯片在进军市场的过程中却遇到了较大的困难，主要原因之一是芯片成本居高不下。为此，本文作者设计了一种结构简化、低成本的PCR芯片，同时，提出了一种新型测控方案，该方案能够对120只芯片进行温度控制。为实现该方案，需要在芯片阵列上方覆盖一张柔性印刷电路板(printed circuit board，PCB)，柔性PCB板与120只PCR芯片靠弹性力均匀接触。利用PCB板铜箔具有一定阻值，且该阻值与温度有确切对应关系的原理在柔性PCB板上制作120个微加热及传感单元，微加热及传感单元与PCR芯片长、宽几何尺寸相同。整个系统由一台工业控制计算机通过相应接口板卡控制。每个微加热及传感单元如图1所示。
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图1所示传感元件的测温原理与标准化铜电阻类似。标准化铜电阻由纯度为99.99％的铜丝制成，电阻温度系数一般为(4.26～4.35)×10-3／℃，并近似线性，使用范围为-50～150℃。我国现行的铜电阻温度传感器分度号为Cu50，Cu100，100℃时的阻值与0℃时的阻值的比值为1.428±0.002。标准化铜电阻温度传感器在0～100℃的范围内，其温度与阻值的关系可用下式表示
Rt=R0(1+αt)， (1)
式中R0，Rt分别为0℃和t℃时的阻值；α为标准化铜电阻温度传感器的电阻温度系数，α=4.33×10-3／℃。
但在上述柔性PCB板上不可能制作标准化的铜电阻温度传感器，其原因一是在28mm×28mm面积的PCB板上制作0℃时阻值为50 Ω或100 Ω的电阻几乎不可能。目前，国内制作PCB板的设备所能加工的最细线宽为50μm，最薄的铜箔为5μm，但采用过薄的铜箔易造成加热器、传感器断丝，为保证可靠性，特将铜箔厚度取为35μm，线宽取为55μm，在与芯片对等而积的PCB板上只能安排25 Ω左右的铜电阻。事实上，所制作的传感元件在0℃时的阻值约为16.7 Ω，加热元件阻值约为8.3 Ω；二是制作PCB板所用敷铜板上铜箔的纯度达不到标准化铜电阻所规定的纯度。因此，不能直接使用针对标准化铜电阻而生产的信号调理电路。如何将PCB板上电阻总值为十几个欧姆、每摄氏度变化所对应的电阻变化在百分之几欧姆的电信号输入到计算机内，并按符合要求的精度转换为温度值，成为必须解决的一个难点问题。
2 非标准化铜电阻温度传感器的信号调理
在研究过程中曾经按常规思路专门设计了非标准化铜电阻温度传感器的信号调理电路。将每10个芯片所对应的10只铜电阻传感器串联，公用一个集成恒流源激励，将每个电阻的高电位端对直流信号地的电压经5倍放大后引致商品化的A／D转换接口板。计算机在完成A／D转换后，首先，对相串联的2个相邻电阻所对应的数字量进行计算，使运算结果为某个铜电阻两端电压所对应的数字量。经预先的静态标定，获得这类数字量与温度的对应关系，然后，将这种关系编制成相应软件，从而完成温度检测。这种方案理论上是科学的，在实验室里也做通了实验，检测精度也符合要求。但实验电路可靠性差、稳定性差。究其原因是自制电路的模拟部分过于复杂，计有12个恒流源、120个放大器，且要求这120个放大器具有一致的放大倍数，这在实验室的手工制作工艺条件下是难以保证的。为克服上述工艺和设备困难，经反复研究，获得了下述方案。
柔性印刷电路板绝大多数采用压延铜箔，其铜纯度为99.9％，高于普通印刷电路板所用的电解铜箔(纯度为99.8％)，但仍低于标准化铜电阻所要求的纯度，因此，采用柔性印刷电路板制作的铜电阻温度传感器为非标准化传感器。尽管如此，对于固定型号的柔性印刷电路板来说，铜箔纯度是相对稳定的，在其上制作的电阻式温度传感器的瓦换性、重复性、稳定性都能够得到保证，其电阻温度特性与标准化铜电阻的差异主要由铜材料纯度的差异决定，体现为具有特定规律的系统误差，这种系统误差规律可通过标定与校准实验提取。换言之，虽然在柔性印刷电路板上制作的铜电阻不是标准化的铜电阻温度传感器，但由于它们之间的误差属于系统误差，因此，仍然可以借助针对标准化铜电阻所生产的信号调理电路和计算机接口电路，只不过需要通过软件补偿它们之间的差异。为此，采用如下方案：将每个PCB板上的铜电阻温度传感器外申一只固定电阻器，该固定电阻器的阻值与温度无关，其串联后的阻值在0℃时为50Ω，接入标准化的铜电阻接口板，该板选用智能热电阻信号输入板IPC5457，它能够直接插入PC总线工业控制计算机的扩展槽内。每块IPC5457能够完成16路标准化铜电阻信号的数据采集与处理，将电阻信号转换为温度值。由于传感器是非标准化的铜电阻，因此，在工业控制计算机内编制相应补偿软件，以补偿因传感器的非标准化所带来的系统误差。
非标准化铜电阻温度传感器与标准化铜电阻温度传感器的差异体现在2个方面，其一是0℃所对应的电阻R0值不同，亦即零点不同；其二是电阻温度系数α不同，亦即灵敏度不同。设制作在PCB板上的非标准化的铜电阻特性为
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式(7)即为PCB板非标准化传感器配标准化信号调理电路的校正算法。只要预知非标准化传感器的零点R01和灵敏度α1，将上述算法编制程序作为系统应用软件的子程序，计算机即可根据IPC5457的测得值计算出被测温度，达到了采用成熟的、商品化的标准化热电阻输入板采集非标准化热电阻输出信号的目的，简化了系统硬件，相应提高了系统的可靠性和稳定性。
为了获取非标准化传感器的零点R01和灵敏度α1，需进行标定实验。标定实验在恒温水槽中进行，水槽温度用标准水银温度计测量，传感器阻值用电桥测量，其标定结果为R01=16.67 Ω，α1=4.27 x10-3／℃。
3 结论
以低成本PCR芯片阵列控制系统所需的制作在PCB板上的非标准化热电阻为例，介绍了非标准化传感器与标准化传感器信号调理电路的匹配方法。这种匹配方法的实质是通过软件来补偿非标准化传感器与标准化传感器之间的差异。只要非标准化传感器具备足够的重复性，匹配精度就能够得到保证。上述方法也可推广到其他非标准化分度的传感器的信号调理。当测量系统的生产批量不是很大或研制时间特别紧张时，采用该方法有一定优势。