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)機械股份公司 河北泊頭 062105)

0 引言

現(xiàn)階段，對于高溫段的溫度測量傳感器以熱電偶為主，價格昂貴，而熱敏電阻等應(yīng)用于中低溫段，高溫段還處于研究階段，所以對高溫熱敏電阻的研究開發(fā)具有很大現(xiàn)實意義；在高溫熱敏電阻開發(fā)過程中，需要經(jīng)過不斷測試驗證，而當前研究熱敏電阻比較領(lǐng)先的科研院所，用于熱敏電阻測試儀器處于中低溫段[1]，無法滿足高溫下測試性能；由于在熱電爐升溫加熱過程中，電阻爐內(nèi)部會產(chǎn)生強大的電磁場，而樣片通過夾具在電阻爐內(nèi)部測試，測試中會受到強烈的電磁干擾，產(chǎn)生寄生效應(yīng)[2]，使夾具中有電子流動，在大電阻測量時必須考慮這種效應(yīng)，否則對測量結(jié)果影響較大，而目前對于這個問題沒有相關(guān)的解決方案；以解決這些問題為出發(fā)點，開發(fā)了該測試系統(tǒng)，可以滿足開發(fā)人員在研究高溫(室溫～1 000 ℃)熱敏電阻過程中的測試或者對熱敏電阻成品性能的檢測需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)系統(tǒng)功能劃分為系統(tǒng)圖1所示的各個模塊。工作流程為通過上位機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，并實時反饋到上位機，當系統(tǒng)到達并穩(wěn)定在特定的溫度點時，開始進行阻值采集，可通過軟件控制多路選擇模塊同時測量多個樣片；若進行阻溫測試，熱電爐每次上升到特定溫度點，循環(huán)控制測試電阻阻值，直至到達最高溫度點；若進行高溫老化測試，熱電爐到達指定老化溫度，每間隔指定時間，測試電阻值，記錄阻值變化趨勢。

圖1 系統(tǒng)框圖

1．1硬件設(shè)計

多路選擇模塊由單片機和外圍電路組成，通過串口與單片機通信，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)過驅(qū)動芯片驅(qū)動相應(yīng)的繼電器閉合，每個繼電器控制測量一路樣片；溫度采集控制基于PID模糊控制算法[6]，通過具有高精度的S型型號為WRP-100熱電偶作為溫度傳感器，其測溫范圍為0～1 800 ℃，通過型號為WRN-230溫度變送器對熱電偶mV級的電壓信號放大，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6009進行A/D采樣傳送到上位機[3]，根據(jù)采集到數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制信號控制SSR固態(tài)繼電器控制熱電爐工作，實時反饋調(diào)節(jié)[4]，其中SSR繼電器為工業(yè)級金曼頓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型萬用表進行阻值測量，量程可達1 GΩ，可通過自帶串口或LAN口以特定協(xié)議與上位機通信，測量端通過多路選擇模塊控制采樣。

1．2軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件部分基于LabVIEW軟件設(shè)計，根據(jù)功能劃分各個模塊；由流程圖2所示，程序執(zhí)行開始，先進行功能選擇，后進行儀表參數(shù)初始化設(shè)置；若進行阻溫測試，上位機循環(huán)檢測爐內(nèi)溫度，若到達指定溫度點，保溫特定時間，測量溫度點對應(yīng)阻值，繪制阻溫特性曲線，若到達最高溫度點到達則測試結(jié)束，否則進入下一輪循環(huán)；若進行老化測試，設(shè)置升溫速率、老化時間、老化溫度點[1]，到達指定溫度點后，系統(tǒng)每間隔特定時間測試樣片阻值，直至結(jié)束。

圖2 軟件流程圖

2 測試過程中出現(xiàn)問題及解決方案

在實際測試過程中，由于自動控制過程中會出現(xiàn)溫度過沖或者溫度波動現(xiàn)象，并且在大的交流電情況下，會存在一定電磁干擾，所以在測試過程中要充分考慮這些因素，否則不但會使測量誤差加大，嚴重會導(dǎo)致控制功能紊亂，針對這些問題進行以下重要理論分析。

2．1電磁干擾

在測試過程中，測試環(huán)境比較惡劣，在熱電爐內(nèi)部，由于電阻絲中通過外加220 V高壓產(chǎn)生的大電流，功率達到3 000 W，使熱電爐內(nèi)部產(chǎn)生強磁場[2]，磁場會產(chǎn)生感生電場，由于測量夾具本身的寄生效應(yīng)，會影響電子移動，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產(chǎn)生引線電感L，交流打壓使爐體內(nèi)產(chǎn)生變化電場，并且在大電流下通過L會使電阻爐內(nèi)部產(chǎn)生強大電磁場，R為通過阻值采集電路進行測量的熱敏電阻，l為熱敏電阻測量引線上引線電感，理想狀態(tài)下測量電路與升溫電路無電路連通，但由于交流電場會在電阻絲與測量引線間產(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兩端在電場變化比較大的情況下，電容由于充放電，會在測量電路產(chǎn)生感應(yīng)電流，并且由于互感以及變化強磁場的存在，通過分析Ul，電感l(wèi)中雖然自身變化電流不大，l(dil/dt)項比較小，但M(dil/dt)產(chǎn)生比較大感生電動勢，從而影響阻值采集電路進行精密的測試。

通過交流模型分析，在交流大電流的情況下，在電阻絲、測量夾具、阻值測試模塊之間產(chǎn)生微小電流，從而影響阻值測量的準確性；在實際的實驗過程中，對于NTC熱敏電阻，低溫段阻值非常大，可能超過1 GΩ，但是如果對電磁干擾不加處理，測量引線上會出現(xiàn)微弱的電流，測量的電阻可能會減小至幾百MΩ，雖然對于電阻較小時影響很小，但在電阻較大時測試會使測量結(jié)果減小一個數(shù)量級，導(dǎo)致在大電阻下測量結(jié)果不正確。

電磁干擾的可以通過兩種方法解決：一是采用適當?shù)目垢蓴_電路[2]，對電磁信號進行屏蔽，或者是濾除；二是通過軟件優(yōu)化，采用適當?shù)乃惴ㄒ员荛_強大干擾；該系統(tǒng)采用軟件的方法，先控制恒溫一定時間，通過軟件控制停止電爐絲加熱，停止加熱期間熱電爐內(nèi)不存在電磁場產(chǎn)生，此時進行快速阻值采集，有效避開干擾效應(yīng)。

2．2PID模糊控制

在工控領(lǐng)域，對于溫度等的閉環(huán)反饋控制通常基于成熟的PID控制技術(shù)[3，5]，從比例(P)、微分(I)、積分(D)3個參數(shù)進行自動控制，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)

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

(4)

(5)

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

比例單元成比例顯示偏差信號e(t)，并通過控制器產(chǎn)生作用減小偏差；積分單元通過調(diào)整時間常數(shù)Ti，來調(diào)節(jié)消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度；而微分時間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整定參數(shù)，并且具有良好的人機交互操作界面，進行仿真以及搭建自動控制系統(tǒng)。

2．3耐高溫夾具

一般低溫段阻溫測試，應(yīng)用一般的耐低溫夾具即可，在較長時間不會產(chǎn)生過氧化現(xiàn)象；但是該系統(tǒng)涉及到在高溫段進行測試，系統(tǒng)需要能夠在高溫段長時間穩(wěn)定測試，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使與樣片接觸點阻值上升，影響測試結(jié)果，造成誤差甚至錯誤；方案中，夾具基于鎳鉻合金材料設(shè)計，鎳鉻合金具有耐高溫、不易氧化的優(yōu)點，片狀鎳鉻硅合金電極片夾持樣片，通過耐高溫陶瓷固件將電極片固定，通過鎳鉻硅合金導(dǎo)線引出熱電爐，可完全達到測試需求。

3 測試結(jié)果分析

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

圖5分別為NTC電阻的阻溫特性和老化特性測試結(jié)果，通過圖形和數(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 ℃溫度點進行老化測試，室溫時的樣本點阻值很高，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，恒溫控制一段時間后，測試得到阻值漸趨穩(wěn)定；對于高溫老化測試，在測試長時間后，可以看出測量樣片有比較好的老化性能，阻值波動幅值很小，隨著時間的推移，阻值略有波動，說明長時間高溫對樣片略有影響。

圖5 阻溫特性測試曲線

圖6 老化特性曲線

4 結(jié)束語

對于熱敏電阻測試，普通測試系統(tǒng)沒有考慮電磁干擾、高溫氧化等因素，導(dǎo)致測試精度低，無法耐高溫等缺點，該系統(tǒng)充分考慮了這個問題，在高溫高壓下測量大電阻時，在夾具防氧化、耐高溫和防電磁干擾方面做了充分考慮；在測試精度方面，一方面采用精度較高的儀表進行應(yīng)用，另一方面，在充分考慮熱電爐自身特性的基礎(chǔ)上，通過合適控制算法控制適時升溫、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)的準確性；該系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)人員用于測試測量工作，在精度、穩(wěn)定性方面完全可以滿足要求。

參考文獻：

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[6]金志強，包啟亮．一種基于LabVIEW的PID控制器設(shè)計的方法．微計算機信息，2005(6)：1-2．

作者簡介：郝永德(1960—)，教授，碩士，研究方向為電子技術(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，研究方向為儀器儀表、嵌入式。E-mail：zhaoxinteng@gmail．com