热敏电阻高温特性测试系统

郝永德，赵欣腾，赵书明

(1.华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074；2.河北安吉宏业机械股份公司 河北泊头 062105)

0 引言

现阶段，对于高温段的温度测量传感器以热电偶为主，价格昂贵，而热敏电阻等应用于中低温段，高温段还处于研究阶段，所以对高温热敏电阻的研究开发具有很大现实意义；在高温热敏电阻开发过程中，需要经过不断测试验证，而当前研究热敏电阻比较领先的科研院所，用于热敏电阻测试仪器处于中低温段[1]，无法满足高温下测试性能；由于在热电炉升温加热过程中，电阻炉内部会产生强大的电磁场，而样片通过夹具在电阻炉内部测试，测试中会受到强烈的电磁干扰，产生寄生效应[2]，使夹具中有电子流动，在大电阻测量时必须考虑这种效应，否则对测量结果影响较大，而目前对于这个问题没有相关的解决方案；以解决这些问题为出发点，开发了该测试系统，可以满足开发人员在研究高温(室温～1 000 ℃)热敏电阻过程中的测试或者对热敏电阻成品性能的检测需求。

1 系统设计方案

根据系统功能划分为系统图1所示的各个模块。工作流程为通过上位机软件初始化温度采集控制模块，使热电炉按照既定方式工作，并实时反馈到上位机，当系统到达并稳定在特定的温度点时，开始进行阻值采集，可通过软件控制多路选择模块同时测量多个样片；若进行阻温测试，热电炉每次上升到特定温度点，循环控制测试电阻阻值，直至到达最高温度点；若进行高温老化测试，热电炉到达指定老化温度，每间隔指定时间，测试电阻值，记录阻值变化趋势。

图1 系统框图

1．1硬件设计

多路选择模块由单片机和外围电路组成，通过串口与单片机通信，根据接收到数据控制I/O口相应位输出变化电平，控制译码器、反相器，最终经过驱动芯片驱动相应的继电器闭合，每个继电器控制测量一路样片；温度采集控制基于PID模糊控制算法[6]，通过具有高精度的S型型号为WRP-100热电偶作为温度传感器，其测温范围为0～1 800 ℃，通过型号为WRN-230温度变送器对热电偶mV级的电压信号放大，经由数据采集卡NI USB-6009进行A/D采样传送到上位机[3]，根据采集到数据产生控制信号控制SSR固态继电器控制热电炉工作，实时反馈调节[4]，其中SSR继电器为工业级金曼顿H375ZK型，完全能够满足系统需求；热敏电阻随温度变化的范围较大，采用福禄克8846A型万用表进行阻值测量，量程可达1 GΩ，可通过自带串口或LAN口以特定协议与上位机通信，测量端通过多路选择模块控制采样。

1．2软件实现

系统软件部分基于LabVIEW软件设计，根据功能划分各个模块；由流程图2所示，程序执行开始，先进行功能选择，后进行仪表参数初始化设置；若进行阻温测试，上位机循环检测炉内温度，若到达指定温度点，保温特定时间，测量温度点对应阻值，绘制阻温特性曲线，若到达最高温度点到达则测试结束，否则进入下一轮循环；若进行老化测试，设置升温速率、老化时间、老化温度点[1]，到达指定温度点后，系统每间隔特定时间测试样片阻值，直至结束。

图2 软件流程图

2 测试过程中出现问题及解决方案

在实际测试过程中，由于自动控制过程中会出现温度过冲或者温度波动现象，并且在大的交流电情况下，会存在一定电磁干扰，所以在测试过程中要充分考虑这些因素，否则不但会使测量误差加大，严重会导致控制功能紊乱，针对这些问题进行以下重要理论分析。

2．1电磁干扰

在测试过程中，测试环境比较恶劣，在热电炉内部，由于电阻丝中通过外加220 V高压产生的大电流，功率达到3 000 W，使热电炉内部产生强磁场[2]，磁场会产生感生电场，由于测量夹具本身的寄生效应，会影响电子移动，如图3所示为合适的等效电磁干扰电路模型。

图3 电磁干扰模型

图3中所示R1、R2为电阻丝，施加交流大电压产生大电流从而使电阻炉升温，电阻丝本身由于绕线方式等会产生引线电感L，交流打压使炉体内产生变化电场，并且在大电流下通过L会使电阻炉内部产生强大电磁场，R为通过阻值采集电路进行测量的热敏电阻，l为热敏电阻测量引线上引线电感，理想状态下测量电路与升温电路无电路连通，但由于交流电场会在电阻丝与测量引线间产生寄生电容C，并且L与l之间由于交变磁场产生耦合电感M.根据电容电路电流公式：

(1)

以及互感公式：

(2)

式中：Δi为寄生电容感生电流；Δul为寄生电感感生电压；L为测试线路寄生电感；M为耦合互感。

可分析得到，电容C两端在电场变化比较大的情况下，电容由于充放电，会在测量电路产生感应电流，并且由于互感以及变化强磁场的存在，通过分析Ul，电感l中虽然自身变化电流不大，l(dil/dt)项比较小，但M(dil/dt)产生比较大感生电动势，从而影响阻值采集电路进行精密的测试。

通过交流模型分析，在交流大电流的情况下，在电阻丝、测量夹具、阻值测试模块之间产生微小电流，从而影响阻值测量的准确性；在实际的实验过程中，对于NTC热敏电阻，低温段阻值非常大，可能超过1 GΩ，但是如果对电磁干扰不加处理，测量引线上会出现微弱的电流，测量的电阻可能会减小至几百MΩ，虽然对于电阻较小时影响很小，但在电阻较大时测试会使测量结果减小一个数量级，导致在大电阻下测量结果不正确。

电磁干扰的可以通过两种方法解决：一是采用适当的抗干扰电路[2]，对电磁信号进行屏蔽，或者是滤除；二是通过软件优化，采用适当的算法以避开强大干扰；该系统采用软件的方法，先控制恒温一定时间，通过软件控制停止电炉丝加热，停止加热期间热电炉内不存在电磁场产生，此时进行快速阻值采集，有效避开干扰效应。

2．2PID模糊控制

在工控领域，对于温度等的闭环反馈控制通常基于成熟的PID控制技术[3，5]，从比例(P)、微分(I)、积分(D)3个参数进行自动控制，与比例Kp、积分Ki和微分Kd系数密切相关，由被控对象图4为PID控制系统框图。

图4 PID控制系统框图

PID控制系统根据给定值r(t)与输出值c(t)确定偏差函数e(t)：

e(t)=r(t)-c(t)

(3)

对偏差函数进行比例、微分、积分变换后，得到作用于被控对象的控制函数及传递函数：

(4)

(5)

式中：kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。

比例单元成比例显示偏差信号e(t)，并通过控制器产生作用减小偏差；积分单元通过调整时间常数Ti，来调节消除静差，提高系统的无差度；而微分时间Td的增加有利于加快系统的响应，减小超调量，增加稳定性。

系统采用LabVIEW自带PID工具包(PID Toolkit)[6]，带有PID控制以及模糊控制函数，能够很好的确定各个整定参数，并且具有良好的人机交互操作界面，进行仿真以及搭建自动控制系统。

2．3耐高温夹具

一般低温段阻温测试，应用一般的耐低温夹具即可，在较长时间不会产生过氧化现象；但是该系统涉及到在高温段进行测试，系统需要能够在高温段长时间稳定测试，这就需要夹具在高温下不易氧化，且与样片稳定接触，否则由于夹具的氧化会使与样片接触点阻值上升，影响测试结果，造成误差甚至错误；方案中，夹具基于镍铬合金材料设计，镍铬合金具有耐高温、不易氧化的优点，片状镍铬硅合金电极片夹持样片，通过耐高温陶瓷固件将电极片固定，通过镍铬硅合金导线引出热电炉，可完全达到测试需求。

3 测试结果分析

搭建好系统后，进行阻温特性和老化特性测试，测试前，连接并设置好各通信端口，测试结束后，测试数据以图形方式显示，并将具体数据以文本方式存储到计算机系统中。

图5分别为NTC电阻的阻温特性和老化特性测试结果，通过图形和数据分析可知，该NTC电阻在室温～800 ℃范围内有比较好的阻温特性曲线，在500 ℃温度点进行老化测试，室温时的样本点阻值很高，起初恒温在高温后，热敏电阻阻值由于材料原因产生些许波动，恒温控制一段时间后，测试得到阻值渐趋稳定；对于高温老化测试，在测试长时间后，可以看出测量样片有比较好的老化性能，阻值波动幅值很小，随着时间的推移，阻值略有波动，说明长时间高温对样片略有影响。

图5 阻温特性测试曲线

图6 老化特性曲线

4 结束语

对于热敏电阻测试，普通测试系统没有考虑电磁干扰、高温氧化等因素，导致测试精度低，无法耐高温等缺点，该系统充分考虑了这个问题，在高温高压下测量大电阻时，在夹具防氧化、耐高温和防电磁干扰方面做了充分考虑；在测试精度方面，一方面采用精度较高的仪表进行应用，另一方面，在充分考虑热电炉自身特性的基础上，通过合适控制算法控制适时升温、保温、采集等操作，以及耐高温的镍铬合金夹具，保证了采集数据的准确性；该系统已经被开发人员用于测试测量工作，在精度、稳定性方面完全可以满足要求。

参考文献：

[1]吴剑锋，李建清，胡志坤．PTCR综合性能测试系统的研制．传感技术学报，2004．6(2)：261-264．

[2]吴继东．微机控制电阻炉的干扰抑制方法．电炉，1989(1)：13-15．

[3]严中红，郭文娟，罗堪．基于LabVIEW的电阻炉温度控制系统设计．重庆理工大学学报，2012，26(4)：71-75．

[4]潘帅，杨平．用于继电反馈自整定的 PID参数整定公式．机电一体化，2009(10)：59-61．

[5]李扬，谢晖，陈侃．基于LabVIEW的PID控制系统设计与实现．中国测试技术，2008．34(3)：74-76．

[6]金志强，包启亮．一种基于LabVIEW的PID控制器设计的方法．微计算机信息，2005(6)：1-2．

作者简介：郝永德(1960—)，教授，硕士，研究方向为电子技术及应用、敏感材料与技术。E-mail ydh901@sina．com

赵欣腾(1989—)，硕士研究生，研究方向为仪器仪表、嵌入式。E-mail：zhaoxinteng@gmail．com