一种热敏电阻电压效应测试电路及系统

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，更具体地，涉及一种热敏电阻电压效应测试电路及系统。

背景技术

钛酸钡基热敏陶瓷具有显著的正电阻温度特性，即Positive TemperatureCoefficient效应(以下简称PTC效应)，这类PTC正温度系数加热元件，具有无明火、升温快、自控恒温、寿命长等优点。基于PTC效应的电阻为正温度系数热敏电阻，即PositiveTemperature Coefficient of Resistance(以下简称PTCR)，目前PTCR已被广泛应用于通讯、家电、交通等众多领域，尤其是当前新能源汽车发展迅速，各大资本角逐这一新市场，PTCR是新能源汽车中不可或缺的电子材料。除了应用于汽车空调设备中外，在发动机和启动过程中也有广泛的应用，因此对PTCR的性能也有了更高的要求。

PTC热敏陶瓷电阻或PTCR元件具有显著的电压效应。PTCR元件的电压效应是指外电场作用下，晶界势垒发生倾斜的现象。在宏观上表现为材料电阻率(一般指居里点以上的测量值)随外加电压的提高而降低。电压效应对PTCR元件的工作有着较大的负面影响，尤其是高电压下，如若不能将这种影响限定在可控范围，将导致设备性能不稳定甚至损坏。如今新能源汽车的快速发展，对能耐受高电压的PTCR元件需求激增，所以高耐压的PTCR电压效应的测试设备有着重要研究意义

现有的PTC热敏陶瓷电阻的电压效应测试系统，如专利“PTC热敏电阻零功率电压效应自动测试系统”(公开号：CN1477402A)采用的是直接测量PTCR的电阻，测试端口读取测量数据采用的是示波器，读取数据不直接、速度不够快，切换通道速度较慢，效率低；并且，测电流时，电流波动很大，读数精度低；同时，示波器法操作复杂，测试系统比较复杂；自绕线圈制作的隔离变压器采用的是交流半波脉冲电压源，电压源的体积庞大、精度不高。更重要的是，输出脉冲为交流半波，电压并不稳定，且输出的脉冲还是较宽，持续时间长，测量时，PTCR电阻上仍会发热，使得采用这种方法并不能真正意义上实现零功率测量。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种热敏电阻电压效应测试电路及系统，其目的在于提升热敏电阻电压效应的测试效率及精度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种热敏电阻电压效应测试电路，包括：脉冲电压源、采样电阻、两个IGBT、单片机及峰值电压表；

所述脉冲电压源及采样电阻与待测PTCR陶瓷电阻形成串联回路；所述待测PTCR陶瓷电阻和采样电阻的一端分别与两个IGBT的G极相连，另一端分别与峰值电压表的负极相连；所述峰值电压表的正极分别与两个IGBT的C极相连；所述单片机分别与两个IGBT的E极相连，用于控制两个IGBT的导通和断开。

进一步地，所述脉冲电压源包括：

交流电源，用于输出220V交流电压；

桥式整流电路，用于将220V交流电压整流为220V直流电压；

DC-DC变换器，用于将220V直流电压变换为可调直流电压；

四级Marx脉冲形成电路，用于将可调直流电压储能后生成脉冲直流电压输出到负载；

控制电路，用于对DC-DC变换器和四级Marx脉冲进行稳压控制；

辅助电源，用于对所述控制电路供电。

进一步地，所述脉冲电压源输出的脉冲电压为50-1000V。

进一步地，所述脉冲电压源输出的脉冲宽度小于5ms。

进一步地，所述采样电阻为阻值可变电阻。

进一步地，所述单片机还与所述采样电阻连接，用于控制所述采样电阻阻值的变化。

进一步地，所述待测PTCR陶瓷电阻和采样电阻上的分压比为100:1。

进一步地，所述辅助电源与所述交流电源连接，用于将220V交流电压转变为12V直流电压对所述控制电路供电。

按照本发明的另一个方面，提供了一种热敏电阻电压效应测试系统，包括：单片机、温控表、电炉、计算机及第一方面任意一项所述的电路；

所述单片机用于控制所述脉冲电压源输出设定的脉冲电压，同时控制所述温控表调节所述电炉内的温度；所述温控表用于在设定的脉冲电压下给所述电炉多次定量升温；所述待测PTCR陶瓷电阻位于所述电炉中，通过第一方面任意一项所述的电路测量所述待测PTCR陶瓷电阻和采样电阻的电压，并将所述电压输出到所述计算机；所述计算机依据所述电压以及所述采样电阻的阻值计算出所述待测PTCR陶瓷电阻的阻值，并根据所述阻值、温度、脉冲电压绘制所述待测PTCR陶瓷电阻的电压效应曲线。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明通过使待测PTCR陶瓷电阻和采样电阻与脉冲电压源串联，通过单片机控制两个IGBT的通断分别测量待测PTCR陶瓷电阻和采样电阻的电压，根据这两路电压以及采样电阻的阻值，可以间接得到待测PTCR陶瓷电阻的阻值。相比现有技术中直接测量需要分别测量电压和电流，存在示波器的通道切换较慢，测试效率低，并且由于电流波动较大，通过示波器读数，数据读取误差大，影响最终的测试精度的问题，本发明通过单片机快速控制IGBT的通断，在极短时间内切换实现，且峰值电压表可以立刻测得两个电阻的电压，测试速度快，并且通过峰值电压表得到的测量数据更精确。

(2)进一步地，本发明设计的脉冲电压源，通过四级Marx脉冲形成电路的储能扩充后，能够输出高达1000V的工业化可调方波脉冲电压，且实现50-1000V可调，可调范围大；输出的脉冲宽度小于5ms，不会因为给待测PTCR陶瓷电阻加压导致待测PTCR陶瓷电阻因自身发热使阻值偏离测试预期，能真正意义上实现零功率测量。

(3)作为优选，采样电阻的阻值能够通过单片机控制动态切换阻值，使其能够满足在固定的脉冲电压下，针对不同的温度进行测量时，保证被测的待测PTCR陶瓷电阻上的分压稳定，能够提高测量精度。

(4)本发明的测试系统，测量时，不同脉冲电压的输出、不同测试温度的调节及采样电阻的阻值的切换，均通过单片机自动控制，使得本发明的整个系统可以实现自动化测量，不需要手动调节切换，测试精度高。

总而言之，本发明通过单片机控制两个IGBT的通断，只需要一个峰值电压表就可以测得待测PTCR陶瓷电阻和采样电阻的电压，成本低，且避免了示波器复杂的操作，测试系统比较简单；且能够提升热敏电阻电压效应的测试效率及精度。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图。

图2为本发明的脉冲电压源的结构示意图。

图3为本发明的系统结构示意图。

图4为本发明的测试流程图。

图5为本发明实施例中的PTCR的电压效应曲线图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1-脉冲电压源，2-待测PTCR陶瓷电阻，3-采样电阻，4、5为绝缘栅双极晶体管，6-单片机，7-峰值电压表。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

如图1所示，本发明提供的热敏电阻电压效应测试电路，主要包括：脉冲电压源1、采样电阻3、两个IGBT(即绝缘栅双极晶体管4、5)、单片机6、峰值电压表7；其中，待测PTCR陶瓷电阻2和采样电阻3与脉冲电压源1串联；待测PTCR陶瓷电阻2和采样电阻3的一端分别与两个IGBT的C极相连，另一端分别与峰值电压表7的负极相连；峰值电压表7的正极分别与两个IGBT的E极相连；单片机6分别与两个IGBT的G极相连，用于控制两个IGBT的导通和断开。

工作时，脉冲电压源1发出脉冲电压，经过开关，将该电压加载到待测PTCR陶瓷电阻2和采样电阻3上，单片机6控制其中一个IGBT导通(即单片机与其相连的I/O端口为高电平)，控制另外一个IGBT截止(即单片机与其相连的I/O端口为低电平)，峰值电压表7测量待测PTCR陶瓷电阻2上的电压U

设测试回路的电流为I，则有：

则R

联立公式(1)和公式(2)可得：

由公式(3)可知，读取两个峰值电压表测得的电压幅值，即可求出待测PTCR陶瓷电阻2的阻值。

具体的，如图2所示，本发明中的脉冲电压源1主要包括：交流电源、辅助电源、桥式整流电路、DC-DC变换器、四级Marx脉冲形成电路及控制电路；其中，交流电源用于输出220V交流电压；桥式整流电路用于将220V交流电压整流为220V直流电压；DC-DC变换器用于将220V直流电压变换为10-250V可调直流电压；四级Marx脉冲形成电路用于将10-250V可调直流电压进行储能后生成脉冲直流电压输出到负载；控制电路用于对DC-DC变换器和四级Marx脉冲形成电路进行稳压，使DC-DC变换器和四级Marx脉冲形成电路输出的电压为稳定的电压；辅助电源用于将交流电源输出的220V交流电压转变为12V的直流电压对控制电路中的单片机进行供电。控制电路中，通过单片机对DC-DC变换器和四级Marx脉冲形成电路的输出采样与程序中设定值对比判断，实现对DC-DC变换器及四级Marx脉冲形成电路的稳压输出和四级Marx脉冲形成电路的信号控制。本实施例中，脉冲电压源1可以生成50-1000V的脉冲电压，即能够实现高压的输出。

本发明中的设计的脉冲电压源，极大的简化了现有技术中需要通过体积庞大的变压器整流斩波获得直流电压的电路结构，使输出的方波脉冲宽度在4.2ms左右，不会因为给待测PTCR陶瓷电阻加压导致待测PTCR陶瓷电阻因自身发热使阻值偏离测试预期，可以真正意义上实现零功率测试。并且内部具有稳压结构，使输出更稳定，安全性更有保障，相比现有的固定档位的调节方式，本发明的脉冲电源为无极调控方式，可调范围大，调节方便，智能化明显。并且设计的脉冲电压源的模块集成化，安全性高。进一步地，可以集成智能化仪表盘，使操作更便捷。

具体的，本实施例中，通过安捷伦的示波器采集脉冲源信号，采集探头规格为耐2KV高压100倍信号放大。得出的结果如图所示，脉冲电压源1输出为单脉冲，采集到的脉冲电压脉宽为4.2ms左右，可以满足零功率测试需求；脉冲的上升沿和下降沿均不超过50μs；带负载时，脉冲压降约为7％，空载脉冲稳压效果经调教后可达到1％以内，表明本发明中的脉冲电压源的电压输出稳定，且是直流脉冲。

作为优选，本发明中，采样电阻3的阻值能够通过单片机控制动态切换阻值。在固定的脉冲电压下，测量PTCR陶瓷电阻的温阻特性时，需要根据PTCR陶瓷电阻的阻值来切换采样电阻的大小，使其能够满足在固定的脉冲电压下，针对不同的温度进行测量时，采样电阻始终只分取小额电压，让加载到待测PTCR陶瓷电阻2上的电压近似等于设定的脉冲电压，保证被测的待测PTCR陶瓷电阻2上的分压稳定，能够提高测量精度。这是由于被测的PTCR陶瓷电阻不同于一般的电阻，其阻值R

进一步地，针对现有设备使用示波器来读取数据稳定性较差，可读性不高，并且测量不稳定的弊端，本发明中使用的峰值电压表达到了读取数据准确，读取速度快，数据易与计算机交互处理的效果，使得本发明的测量结果精度更高；本发明实施例中，峰值电压表在5ms时间内测量出了待测PTCR陶瓷电阻2和采样电阻3上电压。同时，避免了用普通的电压表测量要做延时保持电路，效率极大提升，设备简化且测量速度也非常快，可与脉冲源的速度匹配，而且整个测量都是自动化的过程。现有技术中，由于脉冲源的稳压困难、脉冲功率、切换控制达不到，因而无法使用峰值电压表进行测量，而本发明设计的脉冲电压源则可以实现稳定的脉冲电压的输出，脉冲电压可高达1000V，同时，采用单片机控制两个IGBT，单片机由内部定时器编程控制在极短时间内通过输出高低电平来控制IGBT的通断切换控制，开关切换控制速度快。具有这样优势的脉冲电压源、单片机控制两个IGBT快速通断，并与峰值电压表配合，实现了，数据读取、测量的精准，也可以避免因示波器切换通道速度过慢而导致的一路电压值捕捉不到的情况。

本发明通过设计的脉冲直流电压源与峰值电压表配合，简化了测试电路，使整个系统简洁而便利。

如图3所示，为本发明提供的测试系统，包括上述的热敏电阻电压效应测试电路、计算机、单片机、温控表及电炉；其中，PTCR陶瓷电阻位于电炉中进行电学测量，电炉具有保温的作用。

单片机用于控制脉冲电压源1输出设定的脉冲电压，同时控制温控表调节电炉内的温度；温控表用于在设定的脉冲电压给电炉多次定量升温，同时将每次测量的温度数据反馈给计算机，待测PTCR陶瓷电阻2位于电炉中进行电学测量，测量值通过峰值电压表读取；峰值电压表读取的待测PTCR陶瓷电阻2和采样电阻3的两个电压数据输出到计算机中，计算机用于根据峰值电压表读取的电压数据以及采样电阻3的阻值计算出待测PTCR陶瓷电阻2的阻值，同时还用于发出电平信号使单片机控制脉冲电压源1输出周期性的脉冲电压。最后获取待测PTCR陶瓷电阻在该设定的脉冲电压下，不同温度对应的的电压效应情况。

改变设定的脉冲电压源1的电压值，重复上述步骤，由计算机分析得出待测PTCR陶瓷电阻的电压效应图，该电压效应图同时反映了待测PTCR陶瓷电阻的阻值随外加电压和温度的变化关系。

如图4所示，具体的测量过程为：系统上电，设置温控参数和测试电压，即先在设定的脉冲电压下，进行多次不同温度测量；先将炉温升至T

改变设定的脉冲电压源1的电压值，重复上述步骤，由计算机分析得出待测PTCR陶瓷电阻的电压效应图形。

本实施例中，设定的脉冲电压分别为1.5V、200V、400V。在每个设定的脉冲电压下，分别测试25℃～300℃下的阻温特性曲线，实验得到的V-R-T曲线如图5所示，从图中可以看到，在同一温度点，随着加载的电压增大，待测PTCR陶瓷电阻的阻值呈明显下降的趋势，在居里温度点之后电阻随着温度的升高明显增大，即待测PTCR陶瓷电阻存在明显的电压效应，且电压效应在居里温度点以上更为明显。根据PTCR电压效应的有关理论，说明本发明的系统能够完整的测量待测PTCR陶瓷电阻的电压效应曲线，符合设计要求。

需要说明的是，由于电炉本身性能的影响，本实施例无法测试更高电压及更高温度下的待测PTCR陶瓷电阻的热敏特性，理论上，本发明设定的脉冲电压可以高达1000V。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。