專利名稱：正溫度系數(shù)熱敏電阻零功率電壓效應(yīng)自動測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于熱敏電阻測試技術(shù)，具體涉及一種PTC熱敏電阻零功率電壓效應(yīng)自動測試系統(tǒng)，它適用于正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTCR)的零功率電壓效應(yīng)和零功率伏安特性的測試使用。
背景技術(shù)：
PTCR的電壓效應(yīng)，是指在外電場作用下，晶界勢壘發(fā)生傾斜的現(xiàn)象。在宏觀上表現(xiàn)為材料電阻率(一般指居里點(diǎn)以上的測量值)隨外加電壓的提高而降低。因而研究電壓效應(yīng)亦為研究PTC效應(yīng)的重要內(nèi)容之一。
在PTCR實(shí)行零功率測試的前提下，測得的電壓—電流特性稱為零功率伏安特性。根據(jù)此要求，PTCR的零功率伏安特性測試必須嚴(yán)格要求在零功率下進(jìn)行，為此，必須使用脈沖電源。其脈沖寬度的選擇應(yīng)考慮保證測試在零功率下進(jìn)行，且要求測試達(dá)到一定精度。對于零功率的要求，脈沖寬度愈窄愈好，但精度要求脈沖寬度不能太窄，可以控制在5ms左右。對脈沖電源要求其輸出阻抗低，輸出幅值穩(wěn)定。特別是對于居里點(diǎn)以前的測試，由于試樣阻抗低，測試電源阻抗太大會造成較大的測試誤差。
現(xiàn)有的零功率伏安特性測試方法有示波器法和峰值檢測法(見周東祥，潘曉光.電子元件與材料測試技術(shù).第1版.哈爾濱黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1989年，1～73.)。由圖1可以看到，上述兩種方法采用的脈沖電源均為在直流穩(wěn)壓電源的基礎(chǔ)上加脈沖放電開關(guān)組成，具體說明如下1.可調(diào)脈沖電源可調(diào)變壓器將輸入的交流220V變壓成所需電壓。整流后的脈沖直動電壓經(jīng)電容器濾波成直流，供脈沖開關(guān)S用。開關(guān)S在控制信號的作用，向被測PTCR提供所需的有一定功率的脈沖電壓。由于電源工作在脈沖狀態(tài)，而且脈沖時間較短(為保證零功率阻值測量，測量脈寬應(yīng)小于5ms)。電壓高、瞬間電流大，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓需要大容量的濾波電容C，因此測試裝置體積大，價格也不菲。
2.脈沖電壓、電流測量電路脈沖電壓、電流測試方法如前述有示波器法和峰值檢測法。示波器法操作復(fù)雜，精度低。峰值檢測法精度高，但存在穩(wěn)壓困難、對脈沖功率開關(guān)要求高等缺點(diǎn)。
目前，正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTCR)的零功率電壓效應(yīng)自動測試系統(tǒng)裝置在國內(nèi)外尚屬空白。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種正溫度系數(shù)熱敏電阻零功率電壓效應(yīng)自動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡化了脈沖電源，省去了大容量、高耐壓的穩(wěn)壓電容濾波器，并且對高壓脈沖開關(guān)器件的開關(guān)速度要求低得多。
本實(shí)用新型的一種正溫度系數(shù)熱敏電阻零功率電壓效應(yīng)自動測試系統(tǒng)，包括程控變壓器和整流電路，其特征在于程控變壓器的輸出電壓經(jīng)整流電路整流后，經(jīng)過脈寬調(diào)制電路和同步電路調(diào)制整形，形成交流半波脈沖加壓于被測正溫度系數(shù)熱敏電阻上；計算機(jī)經(jīng)控制總線控制開關(guān)矩陣，實(shí)現(xiàn)程控變壓器副方組合式調(diào)壓，形成可調(diào)電壓；電流增益支路和電壓增益支路由計算機(jī)通過接口模塊、控制總線和開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)自動檔位切換；數(shù)據(jù)采集模塊分兩路同步采樣上述的電壓增益支路和電流增益支路，得到測試電壓和電流的采樣值，并通過接口模塊送入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理；保護(hù)、報警模塊與數(shù)據(jù)采集模塊相連，并通過接口模塊送入計算機(jī)報警；計算機(jī)通過控溫裝置控制、采集和反饋電爐內(nèi)的溫度，實(shí)現(xiàn)待測正溫度系數(shù)熱敏電阻的升溫和保溫。
本實(shí)用新型采用交流半波脈沖替代短時直流脈沖。由于交流半波脈沖的上升和下降是按正弦規(guī)律變化的，其瞬時上升率和下降率相比矩形脈沖低得多，故對高壓脈沖開關(guān)器件的開關(guān)速度要求低得多；此外，簡化了脈沖電源，不再需要大容量、高耐壓的穩(wěn)壓電容濾波器。具體分析如下根據(jù)有關(guān)理論，低重復(fù)頻率，短時脈沖測量功率的估計Ps≤δ1000αT(mW)---(1-1)]]>式中δ為試樣的耗散系數(shù)(mW/℃)，αT為溫度系數(shù)(％/℃)，1/1000是零功率測量要求，即采用引起阻值變化不超過0.1％的測量功率。則脈沖測試壓VS為Vs=PsR·tT---(1-2)]]>式中t為脈沖寬度，T為周期，Ps為測量功率，Vs為脈沖幅值，R為試樣阻值。采用交流半波脈沖代替直流脈沖，設(shè)直流脈沖幅值為Um，周期2T1，交流峰值Um，周期2T2。PTCR通電時，其溫升是所施加功率對時間的函數(shù)。則直流脈沖Q1=∫0T1Um2R(t)dt=Um2R0·T1---(1-3)]]>交流半波脈沖Q2=∫0T2Um2R(t)sinωtdt=Um2R0·T22---(1-4)]]>由Q1＝Q2，則T2＝2T1。上述表明，在PTCR試樣上施加峰值為Um，2T1脈寬的交流半波脈沖，相當(dāng)于施加同樣峰值Um，脈寬T1的直流脈沖。正基于此，本實(shí)用新型采用交流半波脈沖替代直流短時脈沖，來測試PTCR的電壓效應(yīng)。交流半波脈沖發(fā)生過程如圖2所示。
總之，本實(shí)用新型提出利用交流半波脈沖替代常規(guī)直流短時脈沖，實(shí)現(xiàn)PTCR零功率伏安特性測試。同時提供一種自動測試系統(tǒng)，能自動完成BaTiO3陶瓷正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTCR)的零功率電壓效應(yīng)和零功率伏安特性的測試工作。


圖1為現(xiàn)有的零功率伏安特性的測試裝置示意圖；圖2為本實(shí)用新型的交流半波脈沖發(fā)生示意圖；圖3為本實(shí)用新型提供的測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為應(yīng)用本實(shí)用新型系統(tǒng)繪制的時間曲線圖；圖5為應(yīng)用本實(shí)用新型系統(tǒng)繪制的阻—伏曲線圖；圖6為應(yīng)用本實(shí)用新型系統(tǒng)繪制的阻—溫曲線圖。
具體實(shí)施方式
如圖3所示，本系統(tǒng)采用單總線控制技術(shù)、串行A/D器件，和上位PC機(jī)并行口直接相連，實(shí)現(xiàn)了通信、控制一體化。下面以實(shí)例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
(1)交流室電220V分兩路接入，一路輸入整流調(diào)壓模塊整流、調(diào)壓后分三路向系統(tǒng)電路板供電；(2)另一路接入程控變壓器2原方，變壓器副方繞組按8421編碼規(guī)則分別組合成個、十、百位電壓。在多抽頭變壓器輸出后，可變電壓的輸出采用多抽頭的組合方式。計算機(jī)輸出地址碼，經(jīng)控制總線4控制開關(guān)矩陣3，實(shí)現(xiàn)副方組合式調(diào)壓，形成可調(diào)電壓范圍2～600V；(3)該輸出電壓經(jīng)整流電路15整流后(如采用大功率二極管)，再由脈寬調(diào)制電路6和同步電路12調(diào)制整形。脈寬調(diào)制電路6由大功率脈沖開關(guān)IGBT及其驅(qū)動保護(hù)電路共同構(gòu)成，通過控制IGBT的開通和關(guān)斷時間，來調(diào)制整流后的交流半波寬度，形成交流半波脈沖；同步電路12由整形電路74HC14、鑒相電路74HC04、光隔6N136共同構(gòu)成，對交流半波進(jìn)行同步調(diào)制后，形成附圖2中交流半波脈沖。
(4)測試回路中，由交流半波脈沖、采樣支路(分為電流增益支路7、電壓增益支路8)和待測PTCR12構(gòu)成。電流增益支路7中，由取樣電阻、增益芯片PGA103和分壓繼電器共同調(diào)節(jié)電流增益；電壓增益支路8中，由分壓電阻和分壓繼電器共同調(diào)節(jié)電壓增益；(5)兩采樣支路由計算機(jī)通過接口模塊11、控制總線4、開關(guān)矩陣3來實(shí)現(xiàn)自動檔位切換。接口模塊11由計算機(jī)串口、并口和光隔6N136構(gòu)成；控制總線4由單總線編譯碼芯片HT12E/D構(gòu)成；開關(guān)矩陣3由多個繼電器按照8421編碼規(guī)則組合構(gòu)成；(6)數(shù)據(jù)采集模塊9采用兩路串行高速A/D-MAX186同步采樣上述的電壓增益支路和電流增益支路的電壓、電流信號，得到測試電壓和電流的采樣值，并通過接口模塊11送入計算機(jī)13進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理；(7)保護(hù)、報警模塊10由分壓電阻、運(yùn)算放大器TL081和可調(diào)電位器共同構(gòu)成，將采樣值和系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較。若采樣值超過系統(tǒng)設(shè)定值，則保護(hù)、報警模塊10動作，切斷系統(tǒng)電源，并發(fā)送報警信號通過接口模塊11送入計算機(jī)13報警。
(8)該實(shí)施例的控溫裝置由控溫表14和鉑電阻15構(gòu)成。計算機(jī)13通過控溫表控制工業(yè)電爐16，由鉑電阻15采樣工業(yè)電爐16內(nèi)的溫度，將采樣值回饋給控溫表14，完成和計算機(jī)13的通信過程，從而實(shí)現(xiàn)待測PTCR17的升溫和保溫。
上述測試系統(tǒng)樣機(jī)功能指標(biāo)如下(1)能完成正溫度系數(shù)熱敏電阻不同電壓下(2-600V)，不同溫度環(huán)境中(室溫-300.0℃)，8工位樣品電壓效應(yīng)的自動測試；(2)該系統(tǒng)軟件基于業(yè)界流行平臺VC6.0開發(fā)，人機(jī)交互，界面友好，能進(jìn)行在線相關(guān)測試參數(shù)設(shè)置，能對測試結(jié)果存儲，數(shù)值處理，顯示和打?。?3)能繪制不同電壓下的阻-溫曲線，不同溫度下的阻—壓曲線，進(jìn)行相關(guān)電壓效應(yīng)參數(shù)的計算，如電壓效應(yīng)系數(shù)αv。
電壓效應(yīng)系數(shù)αv是指在溫度一定的前提下，電壓每變化1V，電阻的相對變化率αv=1R∂R∂U---(1-6)]]>由于在系統(tǒng)軟件運(yùn)行R-T界面圖中，已給出選定的不同電壓下的R-T曲線，故電壓效應(yīng)系數(shù)的計算公式可變?yōu)?amp;alpha;v=1R1R2-R1U2-U1---(1-7)]]>R1默認(rèn)值為對應(yīng)居里溫度TC+50℃時的電阻值，不同電壓值(U1、U2)可通過人機(jī)對話輸入。從而得到相對應(yīng)的R2。計算后得到電壓效應(yīng)系數(shù)αv。
本實(shí)用新型測試系統(tǒng)的使用方法為(1)將待測PTCR置于夾具上，將夾具置于工業(yè)電爐中；(2)檢查電氣部分是否連接完好；(3)打開微機(jī)，運(yùn)行測試程序，在程序主菜單下，選擇手/自動測量模式。
1)手動測量模式①設(shè)定溫度值。
②等待控溫表控制電爐升溫至設(shè)定值，并且溫度值穩(wěn)定。
③設(shè)定測試電壓，通道號，測試系統(tǒng)開始工作。完成一路通道同一溫度環(huán)境下，設(shè)定電壓范圍內(nèi)數(shù)個電壓點(diǎn)的PTCR零功率電壓效應(yīng)測試。
④單通道測完后，可重新選擇通道號，電壓范圍，重復(fù)測量。
2)自動測量模式。
①設(shè)定溫度區(qū)間，升溫等待；②自動測量，在溫度區(qū)間內(nèi)依次完成各通道、設(shè)定電壓范圍內(nèi)選定的各電壓點(diǎn)的PTCR零功率電壓效應(yīng)測試；測完，點(diǎn)擊“測量結(jié)束”，關(guān)閉機(jī)柜電源；(4)三大曲線的繪制，包括時間曲線，阻—伏曲線，阻—溫曲線；(5)圖形打印和數(shù)值分析處理；(6)處理完畢，關(guān)機(jī)。
附圖4給出應(yīng)用系統(tǒng)繪制的時間曲線圖；測試方法在環(huán)境溫度60℃，測試電壓300V時，對樣品加壓試驗(yàn)。說明如下(1)半波測試中的水平坐標(biāo)是按相對時間(單位為毫秒)畫的；(2)圖中電阻值是取一定區(qū)間的電壓和電流值相比計算得出。且電壓坐標(biāo)采用(伏)作單位，阻值坐標(biāo)采用(歐)作單位，電流采用(安)作單位。圖中依次標(biāo)出V-t，R-t，I-t的時間曲線。
附圖5給出應(yīng)用系統(tǒng)繪制的阻—伏曲線圖；測試方法在環(huán)境溫度200℃，對樣品進(jìn)行了連續(xù)的加壓試驗(yàn)，加壓范圍(20～600伏)。兩點(diǎn)說明(1)水平坐標(biāo)代表測試電壓，采用(伏)作單位。垂直坐標(biāo)代表測得的阻值，采用(千歐)作單位；(2)在圖上方給出了電壓效應(yīng)系數(shù)aV1～aV9，(e3)表示科學(xué)計數(shù)法×10-3，同時給出環(huán)境溫度T值。
附圖6給出應(yīng)用系統(tǒng)繪制的阻—溫曲線圖；測試方法在環(huán)境溫度范圍(30~200℃)，對樣品進(jìn)行了連續(xù)的加壓試驗(yàn)，加壓范圍(2～600伏)。兩點(diǎn)說明(1)水平坐標(biāo)代表環(huán)境溫度，采用(℃)作單位。垂直坐標(biāo)代表測得的阻值，采用科學(xué)計數(shù)法，(歐)作單位；(2)在圖上方，給出了V1-V2的電壓效應(yīng)系數(shù)aV12和V1-V3的電壓效應(yīng)系數(shù)aV13，(e3)表示科學(xué)計數(shù)法×10-3，同時給出樣品的居里溫度Tb值；(3)該曲線采用二次函數(shù)插值擬合，對數(shù)據(jù)畸變點(diǎn)予以排除。圖中依次給出測試電壓為V1為50.0伏、V2為200.0伏、V3為500.0伏，環(huán)境溫度范圍(30--200℃)的阻—溫曲線，得到不同條件下的電壓效應(yīng)對比圖。
權(quán)利要求1.一種正溫度系數(shù)熱敏電阻零功率電壓效應(yīng)自動測試系統(tǒng)，包括程控變壓器和整流電路，其特征在于程控變壓器(2)的輸出電壓經(jīng)整流電路(5)整流后，經(jīng)過脈寬調(diào)制電路(6)和同步電路(12)調(diào)制整形，形成交流半波脈沖加壓于被測正溫度系數(shù)熱敏電阻(17)上；計算機(jī)(13)經(jīng)控制總線(4)控制開關(guān)矩陣(3)，實(shí)現(xiàn)程控變壓器(2)副方組合式調(diào)壓，形成可調(diào)電壓；電流增益支路(7)和電壓增益支路(8)由計算機(jī)(13)通過接口模塊(11)、控制總線(4)和開關(guān)矩陣(3)實(shí)現(xiàn)自動檔位切換；數(shù)據(jù)采集模塊(9)分兩路同步采樣上述的電壓增益支路(7)和電流增益支路(8)，得到測試電壓和電流的采樣值，并通過接口模塊(11)送入計算機(jī)(13)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理；保護(hù)、報警模塊(10)與數(shù)據(jù)采集模塊(9)相連，并通過接口模塊(11)送入計算機(jī)(13)報警；計算機(jī)(13)通過控溫裝置控制、采集和反饋電爐(16)內(nèi)的溫度，實(shí)現(xiàn)待測正溫度系數(shù)熱敏電阻(17)的升溫和保溫。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種正溫度系數(shù)熱敏電阻零功率電壓效應(yīng)自動測試系統(tǒng)，程控變壓器的輸出電壓整流后，經(jīng)調(diào)制整形，形成交流半波脈沖加壓于PTCR上；計算機(jī)對程控變壓器、電流增益支路和電壓增益支路進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)采集模塊分兩路同步采樣上述的電壓增益支路和電流增益支路，得到測試電壓和電流的采樣值，并通過接口模塊送入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理；計算機(jī)通過控溫裝置控制、采集和反饋電爐內(nèi)的溫度，實(shí)現(xiàn)PTCR的升溫和保溫；該系統(tǒng)還設(shè)有保護(hù)、報警電路。本實(shí)用新型采用交流半波脈沖替代短時直流脈沖，對高壓脈沖開關(guān)器件的開關(guān)速度要求低得多；此外，簡化了脈沖電源，不再需要大容量、高耐壓的穩(wěn)壓電容濾波器。
文檔編號G01R31/00GK2641664SQ0325472
公開日2004年9月15日 申請日期2003年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月4日
發(fā)明者周東祥, 龔樹萍, 董浩斌, 王華剛, 黎步銀 申請人:華中科技大學(xué)