制热和自馈温融合型传感器的研制

刘 磊，胡校林，柯 愉，余昊泉，刘 冰，魏 群，李 丹，黎步银

(1.湖北中烟工业有限责任公司，湖北武汉 430040；2.华中科技大学，湖北武汉 430074)

0 引言

从20世纪60年代开始，各种不同用途的PTCR元件不断涌现，在家用电器、工业电子设备等领域都有它的身影[1]。韩秋菊[2]把PTC电加热器应用到空调器上，在冬季恶劣环境下，PTC作为电辅热装置，保证了空调能够提供正常的制热量。王新树等[3]设计了纯电动汽车的空调PTC加热器，降低了低温工况下整车的能耗，提高了续航里程。叶明等[4]利用PTC研究一种加热策略，使电动汽车在低温环境下的充电时间大大减少，提升了用户体验。程文龙[5]建立了一套电加热主动控温系统，对比了PTC热敏电阻和普通电阻的热控性能，得出了PTC在自控温和自适应能力上更有优势。程奕昕等[6]利用PTC加热元件，建立了PID控温算法的实验系统，研究了PID控温下的PTC加热元件的高精度控温特性。

从以上的研究中可以看出，缺少一种制热和自馈温一体化的装置，它既有很高的将电能转化为热能的能力，又能很简易地反映出自身的温度，达到执行器件与传感器件相融合的目的。因此，本文在制备低压低阻PTCR的基础上，充分利用它的阻-温特性，结合非线性校正算法，将之整合成为一个整体，最终研制出一种制热和自馈温型的传感器。

1 PTCR的特性

PTCR指的是施主掺杂的BaTiO3陶瓷，在温度超过某一特定数值时，电阻随温度变化而急剧上升，把这种特性称之为热敏电阻的PTCR的温度特性。采用常规陶瓷制备工艺[7]制备出高温低阻PTCR电阻，可以适应锂电池作为供电电源，为了使用低压电源，就需要PTCR的阻值较小。图1为所研制样品的阻温特性曲线图，样品的居里温度为260 ℃，室温阻值1～3 Ω，图2为其静态伏安特性曲线。其最大电流为1.4 A，对应电压为1.45 V。当电压超过1.5 V时，它处于完全工作状态。可见，该PTCR电阻在1.5 V的工作电压下能正常发热，为PTCR的低压应用奠定了基础。

图1 阻温特性曲线

图2 伏安特性曲线

当PTCR元件两端施加一定电压，自热温升使之进入阻值跃变温区时，电阻体表面温度将保持一定值[1]。即该温度只与材料的居里温度及元件所加电压有关，而基本与环境温度无关。利用这一特性就可以设计制备出不同定温的发热元件。

PTCR元件定温发热特性的作用原理可用式(1)简单说明。

(1)

式中：δ为耗散系数；P为耗散功率；T为平衡温度；Ta为环境温度；R为温度T时的阻值；U为外加电压。

可以得出，当U、δ、T都为定值时，如果电阻实际温度小于平衡温度T时，为了达到平衡，电阻值R就会减小，耗散功率就会增大，使电阻温度上升。相反地，如果电阻实际温度大于平衡温度T时，为了平衡，电阻值R会随之增大，耗散功率就会减小，促使电阻温度下降。由此可见，当作用于PTCR某一电压时，元件温度便可自动地稳定在定值，即能自动恒温。

可以推断出PTCR元件对电源纹波基本没有要求。因为当电源电压波动造成发热功率的增大达到不平衡状态时，元件的电阻就会增大，发热功率就开始减小，其阻值也跟着减小，反之同理。如果用镍铬丝作为发热元件时，其发热量与电源电压的平方成正比，故电源电压的变化对发热量影响比较大。由电压电流特性图和依据温度与阻值的关系，就可以计算出PTCR的工作温度。

2 制热性能

PTCR的动作时间tA[8]表示从初始加电电流下降到某电流值所用的时间。为了更公正、合理地与其他加热器件进行比较，引入了加热上升时间参数来评估，它表示在室温(25 ℃)时，加热单元空载条件下，到达某一平衡温度所需要的时间。PTCR片和某加热芯的加热上升曲线如图3所示。从图3可以看出PTCR片的温度上升速度更快，温度上升时间为25 s，而某加热芯的温度上升时间为40 s，加热时间缩短了60%。同时，PTCR能够更快地进入稳态工作温度状态。

图4为不同电压下PTCR的加热曲线图。从图4不同电压下PTCR加热上升时间来看，电压越高，响应越快，冲击电流也会更大，但达到9 V以上时，这种趋势开始变得不明显；同时，电压越高，所能达到的最高温度也越大，同样地，达到9 V以上时最高温度也不再升高。从前面的描述中可以知道，周遭环境的变化对PTCR加热的加热上升时间有一定影响，但只要环境状态稳定了，最终的平衡温度也基本不变。

图4 不同电压下PTCR的加热曲线图

从能耗的角度来进一步说明PTCR的性能。给两种器件都用同样规格的锂电池供电，然后间隔式给器件通电、断电，实验采用通电3 min后再断电3 min的方案，断电过程中器件会自然冷却。如此循环反复，通过统计使电池电量耗尽时通断的次数来评价功耗的高低。实验得出，某加热芯可以通断20次，PTCR的样品可以通断26次。显然应用PTCR的能耗更低、更加节能环保，节能达到30%以上。

从图4的曲线来看，若想小范围内调节PTCR的最高平衡温度，可以串联一个MOS管，调节驱动MOS管的脉冲波形的占空比，即改变加载的平均电压。此方案属于扩展功能，在一定的条件下具有很高的性价比。

3 自馈温处理

3.1 硬件设计

整个电路以ARMCortex-M3为内核的STM32F103T8U6单片机作为主控，在与用户交互时使用了OLED显示屏、按键、蜂鸣器和LED指示灯，同时主控芯片还对电池、PTCR发热片、过流保护等进行了管理，硬件结构框图如图5所示。

图5 硬件结构框图

为了缩减PTCR的动作时间tA，即能较快速地到达预设温度，通过使用DC-DC升压电路，将电池电压升至5 V来给PTCR供电。图6为过流保护的电路图，其原理是：当输入电压大于电压检测器的检测电压(2.7 V)时，它输出高电平，传导至快开慢关电路，该电路的作用是当高电平来临时，电路能快速输出高电平，当输入由高电平跳变至低电平时，它还能维持一段时间的高电平。输出的高电平经反相器反相成低电平传导给与门，则与门输出低电平，它将使PTCR的供电芯片停止工作，即不再输出。所以，当过流或短路来临时，它将迅速关断输出，并维持关断一段时间，后能自动恢复，且可重复触发。这样可使单片机对此的采样频率大大降低。配合单片机可在硬件触发时做任意时长的关断保护或其他响应。

图6 过流保护电路图

图7为过流保护仿真。从仿真结果看，开启时间为55 μs，关闭时间为150 ms，满足快开慢关。也就是说，当过流或短路发生时，会持续55 μs，然后关断，关断会持续150 ms。

图7 过流保护仿真

3.2 软件设计

嵌入式实时操作系统(RTOS)能够提供调度、维护等功能，可以建立多个任务，这些任务从宏观上看是并行执行的，但从微观看，却是独立运行的。它资源调度灵活，也可以进行任务间的通信。通过采用时间片轮转算法来调度，将按键、LED、ADC、电池管理、加热管理和界面刷新分别作为单独的任务，各任务间的耦合度非常低，有利于分层管理，也有利于更新维护。

由PTCR的阻-温特性可知，在居里点以上基本上是呈指数型变化的，一般而言要对这种非线性的数据进行处理，包括硬件补偿和软件补偿两类方案[9]。其中硬件补偿可通过电阻网络校正、电路模拟校正等，但是它们的通用性差、精度低且调试难度高；而软件补偿通常来说灵活多变、模拟仿真和调试都比较方便。常用的软件补偿有最小二乘法、查表法和插值法。本文采用了常规的二分查找表，先使用华中科技大学自主研发的ZWX-BC R-T特性测试仪来标记样片的阻-温数据，然后将数据导出成单片机可以处理的形式[10]，再在单片机上判断曲线是处于NTC段还是PTC段，接着将段内的数据按二分查找的方法来得出对应的温度值[11]。

4 结论

采用PTCR热敏电阻，研制了既可以作为加热元件，又可以自馈温的传感器。设计的相应硬件和软件，充分发挥了PTCR的特性。通过对比实验得出用PTCR作为加热元件时，加热上升时间缩短了60%，同时，温度更快地进入稳态工作温度状态，能耗减少了30%。且过流保护电路工作稳定。当PTCR作为自馈温器件时，运用二分查找法快速得出相应的温度值。因此PTCR热敏电阻作为一种制热和自馈温的传感器有很强的实用性。