一种热敏电阻环境试验方法及装置

技术领域

本发明涉及热敏电阻技术领域，具体领域为一种热敏电阻环境试验方法及装置。

背景技术

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，热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器和负温度系数热敏电阻器。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件，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，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，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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热敏电阻环境试验方法及装置，以解决上述背景技术中提出的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，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，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的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种热敏电阻环境试验方法：包括如下步骤：

第一步：通过上位机控制模块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控制模块；

第二步：当系统到达并稳定在特定的温度点时，开始进行阻值采集，可通过上位机控制模块控制多路选择模块同时测量多个样片；

第三步：若进行阻温测试，热电炉每次上升到特定温度点，通过阻值测量模块循环控制测试电阻阻值，直至到达最高温度点；

第四步：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，通过阻值测量模块测试电阻值，记录阻值变化趋势。

一种热敏电阻环境试验装置，所述装置包括上位机控制模块，所述上位机控制模块的输出端单向电连接于温度采集控制模块的输入端，所述温度采集控制模块的输出端单向电连接于热电炉的输入端，所述上位机控制模块的输出端单向电连接于多路选择模块的输入端，所述多路选择模块的输出端单向电连接于所述热电炉的输入端，所述上位机控制模块的输出端单向电连接于阻值测量模块的输入端，所述阻值测量模块的输出端单向电连接于所述多路选择模块的输入端。

优选的，所述上位机控制模块的系统软件部分基于LabVIEW软件设计，根据功能划分各个模块。

优选的，所述温度采集控制模块基于PID模糊控制算法，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0～1800℃，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NIUSB－6009进行A/D采样传送到所述上位机控制模块，根据采集到数据产生控制信号控制SSR固态继电器控制所述热电炉工作，实时反馈调节。

优选的，所述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。

优选的，所述阻值测量模块采用福禄克8846A型万用表，所述阻值测量模块的阻值量程最高为1GΩ。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种热敏电阻环境试验方法及装置充分考虑了对于热敏电阻测试，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，本发明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，在精度、稳定性方面完全可以满足要求。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的电磁干扰模型示意图；

图3为本发明的PID控制系统框图。

图中：1-上位机控制模块、2-温度采集控制模块、3-热电炉、4-多路选择模块、5-阻值测量模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种热敏电阻环境试验方法：包括如下步骤：

第一步：通过上位机控制模块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控制模块；

第二步：当系统到达并稳定在特定的温度点时，开始进行阻值采集，可通过上位机控制模块控制多路选择模块同时测量多个样片；

第三步：若进行阻温测试，热电炉每次上升到特定温度点，通过阻值测量模块循环控制测试电阻阻值，直至到达最高温度点；

第四步：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，通过阻值测量模块测试电阻值，记录阻值变化趋势。

一种热敏电阻环境试验装置，装置包括上位机控制模块1，上位机控制模块1的系统软件部分基于LabVIEW软件设计，根据功能划分各个模块，步骤流程如下，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，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，上位机控制模块1的输出端单向电连接于温度采集控制模块2的输入端，温度采集控制模块2的输出端单向电连接于热电炉3的输入端，上位机控制模块1的输出端单向电连接于多路选择模块4的输入端，多路选择模块4的输出端单向电连接于热电炉3的输入端，上位机控制模块1的输出端单向电连接于阻值测量模块5的输入端，阻值测量模块5的输出端单向电连接于多路选择模块4的输入端，测量端通过多路选择模块4控制采样，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，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220V高压产生的大电流，功率达到3000W，使热电炉内部产生强磁场，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，图2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：

Δi＝Cdu/dt

以及互感公式：

Δu

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U

e(t)＝r(t)－c(t)

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：

G(s)＝U(s)/E(s)＝kp(1+1/Tis+Tds)

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)，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，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3，可完全达到测试需求，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。

具体而言，上位机控制模块1的系统软件部分基于LabVIEW软件设计，根据功能划分各个模块。

具体而言，温度采集控制模块2基于PID模糊控制算法，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0～1800℃，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NIUSB－6009进行A/D采样传送到上位机控制模块1，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3工作，实时反馈调节，其中SSR继电器为工业级金曼顿H375ZK型。

具体而言，多路选择模块4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。

具体而言，阻值测量模块5采用福禄克8846A型万用表，阻值测量模块5的阻值量程最高为1GΩ，可通过自带串口或LAN口以特定协议与上位机通信。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。