专利名称：Ptc热敏电阻零功率电压效应自动测试系统的制作方法
技术领域：
本发明属于热敏电阻测试技术，具体涉及一种PTC热敏电阻零功率电压效应自动测试系统，它适用于正温度系数热敏电阻(PTCR)的零功率电压效应和零功率伏安特性的测试使用。
在PTCR实行零功率测试的前提下，测得的电压-电流特性称为零功率伏安特性。根据此要求，PTCR的零功率伏安特性测试必须严格要求在零功率下进行，为此，必须使用脉冲电源。其脉冲宽度的选择应考虑保证测试在零功率下进行，且要求测试达到一定精度。对于零功率的要求，脉冲宽度愈窄愈好，但精度要求脉冲宽度不能太窄，可以控制在5ms左右。对脉冲电源要求其输出阻抗低，输出幅值稳定。特别是对于居里点以前的测试，由于试样阻抗低，测试电源阻抗太大会造成较大的测试误差。
现有的零功率伏安特性测试方法有示波器法和峰值检测法(见周东祥，潘晓光.电子元件与材料测试技术.第1版.哈尔滨黑龙江科学技术出版社，1989年，1～73.)。由

图1可以看到，上述两种方法采用的脉冲电源均为在直流稳压电源的基础上加脉冲放电开关组成，具体说明如下1.可调脉冲电源可调变压器将输入的交流220V变压成所需电压。整流后的脉冲直动电压经电容器滤波成直流，供脉冲开关S用。开关S在控制信号的作用，向被测PTCR提供所需的有一定功率的脉冲电压。由于电源工作在脉冲状态，而且脉冲时间较短(为保证零功率阻值测量，测量脉宽应小于5ms)。电压高、瞬间电流大，要实现稳压需要大容量的滤波电容C，因此测试装置体积大，价格也不菲。
2.脉冲电压、电流测量电路脉冲电压、电流测试方法如前述有示波器法和峰值检测法。示波器法操作复杂，精度低。峰值检测法精度高，但存在稳压困难、对脉冲功率开关要求高等缺点。
目前，正温度系数热敏电阻(PTCR)的零功率电压效应自动测试系统装置在国内外尚属空白。
本发明的一种PTC热敏电阻零功率电压效应自动测试系统，包括程控变压器和整流电路，其特征在于程控变压器的输出电压经整流电路整流后，经过脉宽调制电路和同步电路调制整形，形成交流半波脉冲加压于被测PTCR上；计算机经控制总线控制开关矩阵，实现程控变压器副方组合式调压，形成可调电压；电流增益支路和电压增益支路由计算机通过接口模块、控制总线和开关矩阵实现自动档位切换；数据采集模块分两路同步采样上述的电压增益支路和电流增益支路，得到测试电压和电流的采样值，并通过接口模块送入计算机进行数据分析处理；保护、报警模块与数据采集模块相连，并通过接口模块送入计算机报警；计算机通过控温装置控制、采集和反馈电炉内的温度，实现待测PTCR的升温和保温。
本发明采用交流半波脉冲替代短时直流脉冲。由于交流半波脉冲的上升和下降是按正弦规律变化的，其瞬时上升率和下降率相比矩形脉冲低得多，故对高压脉冲开关器件的开关速度要求低得多；此外，简化了脉冲电源，不再需要大容量、高耐压的稳压电容滤波器。具体分析如下根据有关理论，低重复频率，短时脉冲测量功率的估计Ps≤δ1000αT(mW).....(1-1)]]>式中δ为试样的耗散系数(mW/℃)，αT为温度系数(％/℃)，1/1000是零功率测量要求，即采用引起阻值变化不超过0.1％的测量功率。则脉冲测试压Vs为Vs=PsR·tT.......(1-2)]]>式中t为脉冲宽度，T为周期，Ps为测量功率，Vs为脉冲幅值，R为试样阻值。采用交流半波脉冲代替直流脉冲，设直流脉冲幅值为Um，周期2T1，交流峰值Um，周期2T2。PTCR通电时，其温升是所施加功率对时间的函数。则直流脉冲Q1=∫0T1Um2R(t)dt=Um2R0·T1.......(1-3)]]>交流半波脉冲Q2=∫0T2Um2R(t)sinωtdt=Um2R0·T22......(1-4)]]>由Q1＝Q2，则T2＝2T1。上述表明，在PTCR试样上施加峰值为Um，2T1脉宽的交流半波脉冲，相当于施加同样峰值Um，脉宽T1的直流脉冲。正基于此，本发明采用交流半波脉冲替代直流短时脉冲，来测试PTCR的电压效应。交流半波脉冲发生过程如图2所示。
总之，本发明提出利用交流半波脉冲替代常规直流短时脉冲，实现PTCR零功率伏安特性测试。同时提供一种自动测试系统，能自动完成BaTiO3陶瓷正温度系数热敏电阻(PTCR)的零功率电压效应和零功率伏安特性的测试工作。
如图3所示，本系统采用单总线控制技术、串行A/D器件，和上位PC机并行口直接相连，实现了通信、控制一体化。下面以实例对本发明作进一步的说明。
(1)交流室电220V分两路接入，一路输入整流调压模块整流、调压后分三路向系统电路板供电；(2)另一路接入程控变压器2原方，变压器副方绕组按8421编码规则分别组合成个、十、百位电压。在多抽头变压器输出后，可变电压的输出采用多抽头的组合方式。计算机输出地址码，经控制总线4控制开关矩阵3，实现副方组合式调压，形成可调电压范围2～600V；(3)该输出电压经整流电路15整流后(如采用大功率二极管)，再由脉宽调制电路6和同步电路12调制整形。脉宽调制电路6由大功率脉冲开关IGBT及其驱动保护电路共同构成，通过控制IGBT的开通和关断时间，来调制整流后的交流半波宽度，形成交流半波脉冲；同步电路12由整形电路74HC14、鉴相电路74HC04、光隔6N136共同构成，对交流半波进行同步调制后，形成附图2中交流半波脉冲。
(4)测试回路中，由交流半波脉冲、采样支路(分为电流增益支路7、电压增益支路8)和待测PTCR12构成。电流增益支路7中，由取样电阻、增益芯片PGA103和分压继电器共同调节电流增益；电压增益支路8中，由分压电阻和分压继电器共同调节电压增益；(5)两采样支路由计算机通过接口模块11、控制总线4、开关矩阵3来实现自动档位切换。接口模块11由计算机串口、并口和光隔6N136构成；控制总线4由单总线编译码芯片HT12E/D构成；开关矩阵3由多个继电器按照8421编码规则组合构成；(6)数据采集模块9采用两路串行高速A/D-MAX186同步采样上述的电压增益支路和电流增益支路的电压、电流信号，得到测试电压和电流的采样值，并通过接口模块11送入计算机13进行数据分析处理；(7)保护、报警模块10由分压电阻、运算放大器TL081和可调电位器共同构成，将采样值和系统设定值进行比较。若采样值超过系统设定值，则保护、报警模块10动作，切断系统电源，并发送报警信号通过接口模块11送入计算机13报警。
(8)该实施例的控温装置由控温表14和铂电阻15构成。计算机13通过控温表控制工业电炉16，由铂电阻15采样工业电炉16内的温度，将采样值回馈给控温表14，完成和计算机13的通信过程，从而实现待测PTCR17的升温和保温。
上述测试系统样机功能指标如下(1)能完成正温度系数热敏电阻不同电压下(2-600V)，不同温度环境中(室温-300.0℃)，8工位样品电压效应的自动测试；(2)该系统软件基于业界流行平台VC6.0开发，人机交互，界面友好，能进行在线相关测试参数设置，能对测试结果存储，数值处理，显示和打印；(3)能绘制不同电压下的阻-温曲线，不同温度下的阻-压曲线，进行相关电压效应参数的计算，如电压效应系数αv。
电压效应系数αv是指在温度一定的前提下，电压每变化1V，电阻的相对变化率αv=1R∂R∂U......(1-6)]]>由于在系统软件运行R-T界面图中，已给出选定的不同电压下的R-T曲线，故电压效应系数的计算公式可变为αv=1R1R2-R1U2-U1.......(1-7)]]>R1默认值为对应居里温度Tc+50℃时的电阻值，不同电压值(U1、U2)可通过人机对话输入。从而得到相对应的R2。计算后得到电压效应系数αv。
本发明测试系统的使用方法为(1)将待测PTCR置于夹具上，将夹具置于工业电炉中；(2)检查电气部分是否连接完好；(3)打开微机，运行测试程序，在程序主菜单下，选择手/自动测量模式。
1)手动测量模式①设定温度值。
②等待控温表控制电炉升温至设定值，并且温度值稳定。
③设定测试电压，通道号，测试系统开始工作。完成一路通道同一温度环境下，设定电压范围内数个电压点的PTCR零功率电压效应测试。
④单通道测完后，可重新选择通道号，电压范围，重复测量。
2)自动测量模式。
①设定温度区间，升温等待；②自动测量，在温度区间内依次完成各通道、设定电压范围内选定的各电压点的PTCR零功率电压效应测试；测完，点击“测量结束”，关闭机柜电源；(4)三大曲线的绘制，包括时间曲线，阻-伏曲线，阻-温曲线；(5)图形打印和数值分析处理；(6)处理完毕，关机。
附图4给出应用系统绘制的时间曲线图；测试方法在环境温度60℃，测试电压300V时，对样品加压试验。说明如下(1)半波测试中的水平坐标是按相对时间(单位为毫秒)画的；(2)图中电阻值是取一定区间的电压和电流值相比计算得出。且电压坐标采用(伏)作单位，阻值坐标采用(欧)作单位，电流采用(安)作单位。图中依次标出V-t，R-t，I-t的时间曲线。
附图5给出应用系统绘制的阻-伏曲线图；测试方法在环境温度200℃，对样品进行了连续的加压试验，加压范围(20～600伏)。两点说明(1)水平坐标代表测试电压，采用(伏)作单位。垂直坐标代表测得的阻值，采用(千欧)作单位；(2)在图上方给出了电压效应系数aV1～aV9，(e3)表示科学计数法×10-3，同时给出环境温度T值。
附图6给出应用系统绘制的阻-温曲线图；测试方法在环境温度范围(30~200℃)，对样品进行了连续的加压试验，加压范围(2～600伏)。两点说明(1)水平坐标代表环境温度，采用(℃)作单位。垂直坐标代表测得的阻值，采用科学计数法，(欧)作单位；(2)在图上方，给出了V1-V2的电压效应系数aV12和V1-V3的电压效应系数aV13，(e3)表示科学计数法×10-3，同时给出样品的居里温度Tb值；(3)该曲线采用二次函数插值拟合，对数据畸变点予以排除。图中依次给出测试电压为V1为50.0伏、V2为200.0伏、V3为500.0伏，环境温度范围(30--200℃)的阻-温曲线，得到不同条件下的电压效应对比图。
权利要求
1.一种PTC热敏电阻零功率电压效应自动测试系统，包括程控变压器和整流电路，其特征在于程控变压器(2)的输出电压经整流电路(5)整流后，经过脉宽调制电路(6)和同步电路(12)调制整形，形成交流半波脉冲加压于被测PTCR(17)上；计算机(13)经控制总线(4)控制开关矩阵(3)，实现程控变压器(2)副方组合式调压，形成可调电压；电流增益支路(7)和电压增益支路(8)由计算机(13)通过接口模块(11)控制总线(4)和开关矩阵(3)实现自动档位切换；数据采集模块(9)分两路同步采样上述的电压增益支路(7)和电流增益支路(8)，得到测试电压和电流的采样值，并通过接口模块(11)送入计算机(13)进行数据分析处理；保护、报警模块(10)与数据采集模块(9)相连，并通过接口模块(11)送入计算机(13)报警；计算机(13)通过控温装置控制、采集和反馈电炉(16)内的温度，实现待测PTCR(17)的升温和保温。
全文摘要
本发明公开了一种PTC热敏电阻零功率电压效应自动测试系统，程控变压器的输出电压整流后，经调制整形，形成交流半波脉冲加压于PTCR上；计算机对程控变压器、电流增益支路和电压增益支路进行控制，数据采集模块分两路同步采样上述的电压增益支路和电流增益支路，得到测试电压和电流的采样值，并通过接口模块送入计算机进行数据分析处理；计算机通过控温装置控制、采集和反馈电炉内的温度，实现PTCR的升温和保温；该系统还设有保护、报警电路。本发明采用交流半波脉冲替代短时直流脉冲，对高压脉冲开关器件的开关速度要求低得多；此外，简化了脉冲电源，不再需要大容量、高耐压的稳压电容滤波器。
文档编号G01R31/00GK1477402SQ03128279
公开日2004年2月25日 申请日期2003年7月4日 优先权日2003年7月4日
发明者周东祥, 龚树萍, 董浩斌, 王华刚, 黎步银 申请人:华中科技大学