【正文】 PTCR壽命特性測試儀器設(shè)計第一章 緒論 引言儀器儀表是人類對物資世界的信息進行測量、控制及有效利用的基本手段和設(shè)備，是信息產(chǎn)業(yè)的源頭和重要組成部分。儀器儀表的發(fā)展水平是國家科技水平和綜合國力的重要標志之一。測試儀器儀表從單臺、單功能向智能式測試儀器（或稱虛擬儀器、柔性儀器）和系統(tǒng)發(fā)展是一個新的重要發(fā)展方向，他是計算機硬件、軟件、總線技術(shù)、測試技術(shù)與儀器技術(shù)密切結(jié)合的產(chǎn)物[1]。當前，我國在智能式系列測試儀器與智能系列自動化測試系統(tǒng)的研究與產(chǎn)業(yè)化方面均有重大進展。PTCR( Positive Temperature Coefficient Resistance)是指正溫度系數(shù)熱敏電阻，其顯著特性是隨著溫度的升高其阻值陡然增大，運用此特性可應(yīng)用于溫度控制、過流過熱保護等場合[2]。PTCR性能包括:電阻溫度，電流時間、電壓電流特性，電阻頻率特性等。由于PTCR所具有的特殊功能，己在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為了能更好地了解和使用PTCR，對PTCR的電特性進行測試是必要的。 PTCR的基本概念及應(yīng)用為了能更好地設(shè)計PTCR綜合性能測試系統(tǒng)，必須對PTCR基本特性有深入的了解，從分析PTCR的基本概念入手，分析研究PTCR的特性。 PTCR的基本概念熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻由半導體陶瓷材料或者有機材料組成，利用的原理為溫度引起的電阻變化。目前得到普遍使用的PTCR按材料可以分為陶瓷PTCR和有機PTCR，有機PTCR有價格低、常溫電阻小等優(yōu)點，陶瓷PTCR有重復(fù)性好的特點，兩種PTCR各有優(yōu)缺點.兩種PTC電阻有著不同的PTC效應(yīng)機理[3]。陶瓷PTC電阻：陶瓷PTCR的PTC效應(yīng)是由陶瓷基體中的晶界層產(chǎn)生，而晶粒本身并沒有PTC效應(yīng)。其PTC效應(yīng)的強度、常溫電阻值的大小和基體中的晶粒大小、種類等都有一定的關(guān)系。有機PTC電阻：一般認為是有機基體中摻雜的導電粒子聚集形成導電鏈，隨著溫度的升高導致導電鏈的斷裂或?qū)щ娏Ｗ訑U散從而使有機PTC電阻的電阻變大，特別在有機晶體的熔融點附近，導電鏈的狀況急劇變化導致有機PTCR的電阻值也急劇上升顯現(xiàn)出強烈的PTC效應(yīng)。其PTC效應(yīng)的強度、常溫電阻的大小和填充的碳粒的含量、大小、表面積以及在基體內(nèi)的分布情況等都有關(guān)系。 PTCR的主要參數(shù)（1）額定零功率電阻零功率電阻，是指在某一溫度下測量PTC熱敏電阻值時，加在PTC熱敏電阻上的功耗極低，低到因其功耗引起的PTC熱敏電阻的阻值變化可以忽略不計。額定零功率電阻指環(huán)境溫度25℃條件下測得的零功率電阻值。（2）最小電阻指PTC熱敏電阻可以具有的最小的零功率電阻值。（3）居里溫度對于PTC熱敏電阻的應(yīng)用來說,電阻值開始陡峭地增高時的溫度是重要的，我們將其定義為居里溫度。（4）溫度系數(shù)PTC熱敏電阻的溫度系數(shù)定義為溫度變化導致的電阻的相對變化。溫度系數(shù)越大，PTC熱敏電阻對溫度變化的反應(yīng)越靈敏。（5）表面溫度表面溫度是指當PTC熱敏電阻在規(guī)定的電壓下并且與周圍環(huán)境間處于熱平衡狀態(tài)已達較長時間時,PTC熱敏電阻表面的溫度。（6）動作電流流過PTC熱敏電阻的電流，足以使PTC熱敏電阻自熱溫升超過居里溫度,這樣的電流稱為動作電流。動作電流的最小值稱為最小動作電流。（7）動作時間環(huán)境25℃條件下，給PTC熱敏電阻加一個起始電流(保證是動作電流)，通過PTC熱敏電阻的電流降低到起始電流的50%時經(jīng)歷的時間就是動作時間。（8）不動作電流流過PTC熱敏電阻的電流，不足以使PTC熱敏電阻自熱溫升超過居里溫度，這樣的電流稱為不動作電流。不動作電流的最大值稱為最大不動作電流。（9）最大電流最大電流是指PTC熱敏電阻最高的電流承受能力。超過最大電流時PTC熱敏電阻將會失效。（10）殘余電流殘余電流是在最大工作電壓下，熱平衡狀態(tài)下的電流。（11）最大工作電壓最大工作電壓是指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，允許持續(xù)地保持在PTC熱敏電阻上最高的電壓。對同一產(chǎn)品而言,環(huán)境溫度越高，最大工作電壓值越低。（12）額定電壓額定電壓是在最大工作電壓Vmax以下的供電電壓。（13）擊穿電壓。 PTCR的特性介紹電阻溫度特性：由于a度的升高導致PTCR內(nèi)部結(jié)構(gòu)或狀態(tài)的變化，在PTCR材料的居里點附近變化特別明顯。根據(jù)電阻一溫度曲線變化速度的不同，PTCR電阻可以分為緩變型和突變型。其中突變型根據(jù)居里點的不同又可以分為低居里點突變型和高居里點突變型（如圖11）。利用PTCR的此特性可以用作過熱、過流保護器件。圖11 PTC熱敏電阻的阻溫特性電流時間特性：其電流隨時間呈指數(shù)形式衰減，衰減系數(shù)與電阻溫度系數(shù)成正比，與外加電壓、PTCR的熱容、元件的形狀和大小均有關(guān)系。利用PTCR的此特性可以用作消磁電阻。（如圖12）圖12 PTC熱敏電阻的電流時間特性電壓電流特性：包括零功率伏一安特性、靜態(tài)伏一安特性等。通過靜態(tài)伏一安特性我們可以知道PTCR在工作狀況下的情況，也有利于我們確定PTCR的工作點和適用條件。（如圖13）圖13 PTC熱敏電阻的不同溫度下的伏安特性電阻頻率特性：PTCR的電阻率不僅和外加的電壓大小有關(guān)，同時還與所加電壓的頻率有關(guān)。每加一次電壓PTC電阻就有一定的變化，合格的PTC電阻的變化范圍為177。15％。 PTCR的典型應(yīng)用利用熱敏電阻器的阻溫特性，可以制成溫度開關(guān)，以實現(xiàn)對馬達、變壓器、大功率晶體管等電路的過熱保護[4]。這種熱敏電阻多采用突變型的，并且要求有低的電阻率(以便減少對負載的影響)、大的溫度系數(shù)〔以保證良好的開關(guān)特性)及高耐壓特性(以提高產(chǎn)品的可靠性)?！TC過電流保護元件可使用的應(yīng)用范疇包括:冰箱、空調(diào)等家電的保護、手機電池、熱水器、微波爐、電暖器、工業(yè)儀表、運載火箭、人造衛(wèi)星、飛機坦克、食品加工、揚聲器、醫(yī)療儀器、糧食倉庫、火災(zāi)報警、汽車水箱、電機 、摩托車、電子、通信(包括程控電話交換機)等。另外PTC元件的其他應(yīng)用如下：（1）用作恒溫加熱PTC熱敏電阻具有恒溫作用,當PTC發(fā)熱元件通電時,溫度較低,此時電阻小,功率很大,能迅速加熱,溫度逐漸上升到居里溫度時,由電阻2溫度曲線可知, 電阻急劇增大,可達3～7個數(shù)量級(103～107倍)。此時在恒壓作用下通過元件的電流則減小, 相應(yīng)元件溫度亦降低,于是電阻值減小。而這時,由于電阻的減小又導致通過熱敏電阻元件的電流增大,元件溫度升高,電阻增大,從而使電流又開始減小。這樣,通過重復(fù)上述過程,元件本身就起到了自動調(diào)節(jié)溫度的作用。因為PTC元件具有自然壽命長、自動恒溫、無明火、高可靠性、節(jié)能效果顯著等特點。（2）用作自動開關(guān)利用PTC 熱敏電阻的電流時間特性,可將其用作啟動開關(guān)使用,如壓縮機電機的啟動電路、無觸點繼電器等。在壓縮機啟動電路中,因PTC元件結(jié)構(gòu)簡單,無運動零件,無噪聲,可靠性好,對電壓波動的適應(yīng)性強,對壓縮機的匹配范圍廣,壽命長,啟動時間短,工作安全,因此逐步取代了電流型重力式啟動繼電器。（3）用作電機或電器設(shè)備的保護器電機損壞的原因,經(jīng)常是超負荷、斷相或者電機的傳動部分發(fā)生機械故障,造成電機繞組發(fā)熱,溫度升高到超過電機的最高允許溫度?？梢? 各種原因最終歸結(jié)為發(fā)熱,因此可以利用對溫度變化高靈敏度的PTC 熱敏電阻作過熱保護元件,采用開關(guān)型的正溫度系數(shù)的PTC熱敏電阻更好。因為這種PTC 熱敏電阻的電阻2溫度特性在居里溫度以下時,電阻值隨溫度變化小,超過這一溫度時阻值急劇上升,具有開關(guān)的特性, 更適用于作保護電器。 PTCR特性測試儀器的發(fā)展現(xiàn)狀關(guān)于PTCR特性測試設(shè)備可分為兩部分，一是測試PTCR材料本身的，二是對PTCR性能 的測試。本文所研究的PTCR測試設(shè)備指的是PTCR產(chǎn)品特性測試儀器或者是PTCR材料封裝成PTCR器件特性測試設(shè)備。隨著PTCR應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，國內(nèi)出現(xiàn)了許多PTCR生產(chǎn)的廠家，為了能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，必須進行產(chǎn)品性能測試。PTC熱敏電阻由于自己特殊的性質(zhì)，在40多年的發(fā)展中，取得了廣泛的應(yīng)用，特別是近年來，隨著彩電、電冰箱等家用電器的普及，對PTCR需求量猛增。熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件。熱敏電阻由半導體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起的電阻變化。因此可以測量電導來推算出溫度的高低。PTCR的壽命就決定產(chǎn)品的的使用期限。因此，PTCR的壽命特性測試是生產(chǎn)過程中不可或缺的一部分。目前，由于缺乏優(yōu)良性能價格比的PTCR性能專用測試設(shè)備，普通溫度計對一些溫度點進行阻溫特性測試這些傳統(tǒng)方法，測量時間長而且需要人工直接參與[5]。費時，精度也不高。特別是在進行動作特性和不動作特性測試時，還需要配備其他輔助設(shè)備進行相應(yīng)特性測試，這樣提高了測試設(shè)備的投入。由于PTCR的電特性比較復(fù)雜，采用普通儀器設(shè)備進行測試比較煩瑣，速度很慢且不利于進行準確的測量，或者測試時需要大量人工進行參與，在進行少量的測試時這種方法是可以采用的。采用原始的通用儀器設(shè)備測試方法已不能滿足要求，這就要求我們研制專用PTCR測試設(shè)備，力求節(jié)省人力財力資源，提高測試精度和速度。眾所周知，PTC元件在通電瞬間，電阻值很小，從而有較大的電流通過，在溫度超過元件的居里點后，電阻急劇上升，電流也隨之減小，然后漸漸穩(wěn)定。壽命測試儀就是利用電阻這一特性。 小結(jié)本章節(jié)詳細介紹了PTCR的發(fā)展現(xiàn)狀以及PTCR的幾種基本特性和應(yīng)用狀況。介紹了此次課題設(shè)計的重要性和必要性。第二章 PTCR壽命特性測試儀基本原理 PTCR工作原理PTC熱敏電阻(正溫度系數(shù)熱敏電阻)是一種具溫度敏感性的半導體電阻，一旦超過一定的溫度(居里溫度)時，它的電阻值隨著溫度的升高幾乎是呈階躍式的增高。PTC熱敏電阻本體溫度的變化可以由流過PTC熱敏電阻的電流來獲得，也可以由外界輸入熱量或者這二者的疊加來獲得。 陶瓷材料通常用作高電阻的優(yōu)良絕緣體，而陶