熱敏電阻高溫特性測(cè)試系統(tǒng)

郝永德，趙欣騰，趙書明

(1.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢 430074；2.河北安吉宏業(yè)機(jī)械股份公司 河北泊頭 062105)

0 引言

現(xiàn)階段，對(duì)于高溫段的溫度測(cè)量傳感器以熱電偶為主，價(jià)格昂貴，而熱敏電阻等應(yīng)用于中低溫段，高溫段還處于研究階段，所以對(duì)高溫?zé)崦綦娮璧难芯块_(kāi)發(fā)具有很大現(xiàn)實(shí)意義；在高溫?zé)崦綦娮栝_(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)不斷測(cè)試驗(yàn)證，而當(dāng)前研究熱敏電阻比較領(lǐng)先的科研院所，用于熱敏電阻測(cè)試儀器處于中低溫段[1]，無(wú)法滿足高溫下測(cè)試性能；由于在熱電爐升溫加熱過(guò)程中，電阻爐內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，而樣片通過(guò)夾具在電阻爐內(nèi)部測(cè)試，測(cè)試中會(huì)受到強(qiáng)烈的電磁干擾，產(chǎn)生寄生效應(yīng)[2]，使夾具中有電子流動(dòng)，在大電阻測(cè)量時(shí)必須考慮這種效應(yīng)，否則對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，而目前對(duì)于這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有相關(guān)的解決方案；以解決這些問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了該測(cè)試系統(tǒng)，可以滿足開(kāi)發(fā)人員在研究高溫(室溫～1 000 ℃)熱敏電阻過(guò)程中的測(cè)試或者對(duì)熱敏電阻成品性能的檢測(cè)需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)系統(tǒng)功能劃分為系統(tǒng)圖1所示的各個(gè)模塊。工作流程為通過(guò)上位機(jī)軟件初始化溫度采集控制模塊，使熱電爐按照既定方式工作，并實(shí)時(shí)反饋到上位機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)并穩(wěn)定在特定的溫度點(diǎn)時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行阻值采集，可通過(guò)軟件控制多路選擇模塊同時(shí)測(cè)量多個(gè)樣片；若進(jìn)行阻溫測(cè)試，熱電爐每次上升到特定溫度點(diǎn)，循環(huán)控制測(cè)試電阻阻值，直至到達(dá)最高溫度點(diǎn)；若進(jìn)行高溫老化測(cè)試，熱電爐到達(dá)指定老化溫度，每間隔指定時(shí)間，測(cè)試電阻值，記錄阻值變化趨勢(shì)。

圖1 系統(tǒng)框圖

1．1硬件設(shè)計(jì)

多路選擇模塊由單片機(jī)和外圍電路組成，通過(guò)串口與單片機(jī)通信，根據(jù)接收到數(shù)據(jù)控制I/O口相應(yīng)位輸出變化電平，控制譯碼器、反相器，最終經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器閉合，每個(gè)繼電器控制測(cè)量一路樣片；溫度采集控制基于PID模糊控制算法[6]，通過(guò)具有高精度的S型型號(hào)為WRP-100熱電偶作為溫度傳感器，其測(cè)溫范圍為0～1 800 ℃，通過(guò)型號(hào)為WRN-230溫度變送器對(duì)熱電偶mV級(jí)的電壓信號(hào)放大，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6009進(jìn)行A/D采樣傳送到上位機(jī)[3]，根據(jù)采集到數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制信號(hào)控制SSR固態(tài)繼電器控制熱電爐工作，實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)[4]，其中SSR繼電器為工業(yè)級(jí)金曼頓H375ZK型，完全能夠滿足系統(tǒng)需求；熱敏電阻隨溫度變化的范圍較大，采用福祿克8846A型萬(wàn)用表進(jìn)行阻值測(cè)量，量程可達(dá)1 GΩ，可通過(guò)自帶串口或LAN口以特定協(xié)議與上位機(jī)通信，測(cè)量端通過(guò)多路選擇模塊控制采樣。

1．2軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件部分基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)功能劃分各個(gè)模塊；由流程圖2所示，程序執(zhí)行開(kāi)始，先進(jìn)行功能選擇，后進(jìn)行儀表參數(shù)初始化設(shè)置；若進(jìn)行阻溫測(cè)試，上位機(jī)循環(huán)檢測(cè)爐內(nèi)溫度，若到達(dá)指定溫度點(diǎn)，保溫特定時(shí)間，測(cè)量溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)阻值，繪制阻溫特性曲線，若到達(dá)最高溫度點(diǎn)到達(dá)則測(cè)試結(jié)束，否則進(jìn)入下一輪循環(huán)；若進(jìn)行老化測(cè)試，設(shè)置升溫速率、老化時(shí)間、老化溫度點(diǎn)[1]，到達(dá)指定溫度點(diǎn)后，系統(tǒng)每間隔特定時(shí)間測(cè)試樣片阻值，直至結(jié)束。

圖2 軟件流程圖

2 測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題及解決方案

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，由于自動(dòng)控制過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)溫度過(guò)沖或者溫度波動(dòng)現(xiàn)象，并且在大的交流電情況下，會(huì)存在一定電磁干擾，所以在測(cè)試過(guò)程中要充分考慮這些因素，否則不但會(huì)使測(cè)量誤差加大，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致控制功能紊亂，針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行以下重要理論分析。

2．1電磁干擾

在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試環(huán)境比較惡劣，在熱電爐內(nèi)部，由于電阻絲中通過(guò)外加220 V高壓產(chǎn)生的大電流，功率達(dá)到3 000 W，使熱電爐內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)[2]，磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，由于測(cè)量夾具本身的寄生效應(yīng)，會(huì)影響電子移動(dòng)，如圖3所示為合適的等效電磁干擾電路模型。

圖3 電磁干擾模型

圖3中所示R1、R2為電阻絲，施加交流大電壓產(chǎn)生大電流從而使電阻爐升溫，電阻絲本身由于繞線方式等會(huì)產(chǎn)生引線電感L，交流打壓使?fàn)t體內(nèi)產(chǎn)生變化電場(chǎng)，并且在大電流下通過(guò)L會(huì)使電阻爐內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)大電磁場(chǎng)，R為通過(guò)阻值采集電路進(jìn)行測(cè)量的熱敏電阻，l為熱敏電阻測(cè)量引線上引線電感，理想狀態(tài)下測(cè)量電路與升溫電路無(wú)電路連通，但由于交流電場(chǎng)會(huì)在電阻絲與測(cè)量引線間產(chǎn)生寄生電容C，并且L與l之間由于交變磁場(chǎng)產(chǎn)生耦合電感M.根據(jù)電容電路電流公式：

(1)

以及互感公式：

(2)

式中：Δi為寄生電容感生電流；Δul為寄生電感感生電壓；L為測(cè)試線路寄生電感；M為耦合互感。

可分析得到，電容C兩端在電場(chǎng)變化比較大的情況下，電容由于充放電，會(huì)在測(cè)量電路產(chǎn)生感應(yīng)電流，并且由于互感以及變化強(qiáng)磁場(chǎng)的存在，通過(guò)分析Ul，電感l(wèi)中雖然自身變化電流不大，l(dil/dt)項(xiàng)比較小，但M(dil/dt)產(chǎn)生比較大感生電動(dòng)勢(shì)，從而影響阻值采集電路進(jìn)行精密的測(cè)試。

通過(guò)交流模型分析，在交流大電流的情況下，在電阻絲、測(cè)量夾具、阻值測(cè)試模塊之間產(chǎn)生微小電流，從而影響阻值測(cè)量的準(zhǔn)確性；在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于NTC熱敏電阻，低溫段阻值非常大，可能超過(guò)1 GΩ，但是如果對(duì)電磁干擾不加處理，測(cè)量引線上會(huì)出現(xiàn)微弱的電流，測(cè)量的電阻可能會(huì)減小至幾百M(fèi)Ω，雖然對(duì)于電阻較小時(shí)影響很小，但在電阻較大時(shí)測(cè)試會(huì)使測(cè)量結(jié)果減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致在大電阻下測(cè)量結(jié)果不正確。

電磁干擾的可以通過(guò)兩種方法解決：一是采用適當(dāng)?shù)目垢蓴_電路[2]，對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行屏蔽，或者是濾除；二是通過(guò)軟件優(yōu)化，采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄒ员荛_(kāi)強(qiáng)大干擾；該系統(tǒng)采用軟件的方法，先控制恒溫一定時(shí)間，通過(guò)軟件控制停止電爐絲加熱，停止加熱期間熱電爐內(nèi)不存在電磁場(chǎng)產(chǎn)生，此時(shí)進(jìn)行快速阻值采集，有效避開(kāi)干擾效應(yīng)。

2．2PID模糊控制

在工控領(lǐng)域，對(duì)于溫度等的閉環(huán)反饋控制通?；诔墒斓腜ID控制技術(shù)[3，5]，從比例(P)、微分(I)、積分(D)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，與比例Kp、積分Ki和微分Kd系數(shù)密切相關(guān)，由被控對(duì)象圖4為PID控制系統(tǒng)框圖。

圖4 PID控制系統(tǒng)框圖

PID控制系統(tǒng)根據(jù)給定值r(t)與輸出值c(t)確定偏差函數(shù)e(t)：

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

(3)

對(duì)偏差函數(shù)進(jìn)行比例、微分、積分變換后，得到作用于被控對(duì)象的控制函數(shù)及傳遞函數(shù)：

(4)

(5)

式中：kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

比例單元成比例顯示偏差信號(hào)e(t)，并通過(guò)控制器產(chǎn)生作用減小偏差；積分單元通過(guò)調(diào)整時(shí)間常數(shù)Ti，來(lái)調(diào)節(jié)消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度；而微分時(shí)間Td的增加有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)，減小超調(diào)量，增加穩(wěn)定性。

系統(tǒng)采用LabVIEW自帶PID工具包(PID Toolkit)[6]，帶有PID控制以及模糊控制函數(shù)，能夠很好的確定各個(gè)整定參數(shù)，并且具有良好的人機(jī)交互操作界面，進(jìn)行仿真以及搭建自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2．3耐高溫夾具

一般低溫段阻溫測(cè)試，應(yīng)用一般的耐低溫夾具即可，在較長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)產(chǎn)生過(guò)氧化現(xiàn)象；但是該系統(tǒng)涉及到在高溫段進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)需要能夠在高溫段長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定測(cè)試，這就需要夾具在高溫下不易氧化，且與樣片穩(wěn)定接觸，否則由于夾具的氧化會(huì)使與樣片接觸點(diǎn)阻值上升，影響測(cè)試結(jié)果，造成誤差甚至錯(cuò)誤；方案中，夾具基于鎳鉻合金材料設(shè)計(jì)，鎳鉻合金具有耐高溫、不易氧化的優(yōu)點(diǎn)，片狀鎳鉻硅合金電極片夾持樣片，通過(guò)耐高溫陶瓷固件將電極片固定，通過(guò)鎳鉻硅合金導(dǎo)線引出熱電爐，可完全達(dá)到測(cè)試需求。

3 測(cè)試結(jié)果分析

搭建好系統(tǒng)后，進(jìn)行阻溫特性和老化特性測(cè)試，測(cè)試前，連接并設(shè)置好各通信端口，測(cè)試結(jié)束后，測(cè)試數(shù)據(jù)以圖形方式顯示，并將具體數(shù)據(jù)以文本方式存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。

圖5分別為NTC電阻的阻溫特性和老化特性測(cè)試結(jié)果，通過(guò)圖形和數(shù)據(jù)分析可知，該NTC電阻在室溫～800 ℃范圍內(nèi)有比較好的阻溫特性曲線，在500 ℃溫度點(diǎn)進(jìn)行老化測(cè)試，室溫時(shí)的樣本點(diǎn)阻值很高，起初恒溫在高溫后，熱敏電阻阻值由于材料原因產(chǎn)生些許波動(dòng)，恒溫控制一段時(shí)間后，測(cè)試得到阻值漸趨穩(wěn)定；對(duì)于高溫老化測(cè)試，在測(cè)試長(zhǎng)時(shí)間后，可以看出測(cè)量樣片有比較好的老化性能，阻值波動(dòng)幅值很小，隨著時(shí)間的推移，阻值略有波動(dòng)，說(shuō)明長(zhǎng)時(shí)間高溫對(duì)樣片略有影響。

圖5 阻溫特性測(cè)試曲線

圖6 老化特性曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于熱敏電阻測(cè)試，普通測(cè)試系統(tǒng)沒(méi)有考慮電磁干擾、高溫氧化等因素，導(dǎo)致測(cè)試精度低，無(wú)法耐高溫等缺點(diǎn)，該系統(tǒng)充分考慮了這個(gè)問(wèn)題，在高溫高壓下測(cè)量大電阻時(shí)，在夾具防氧化、耐高溫和防電磁干擾方面做了充分考慮；在測(cè)試精度方面，一方面采用精度較高的儀表進(jìn)行應(yīng)用，另一方面，在充分考慮熱電爐自身特性的基礎(chǔ)上，通過(guò)合適控制算法控制適時(shí)升溫、保溫、采集等操作，以及耐高溫的鎳鉻合金夾具，保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；該系統(tǒng)已經(jīng)被開(kāi)發(fā)人員用于測(cè)試測(cè)量工作，在精度、穩(wěn)定性方面完全可以滿足要求。

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作者簡(jiǎn)介：郝永德(1960—)，教授，碩士，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)及應(yīng)用、敏感材料與技術(shù)。E-mail ydh901@sina．com

趙欣騰(1989—)，碩士研究生，研究方向?yàn)閮x器儀表、嵌入式。E-mail：zhaoxinteng@gmail．com