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1、第一章 绪论1.1 引言仪器仪表是人类对物资世界的信息进行测量、控制及有效利用的根本手段和设备，是信息产业的源头和重要组成局部。仪器仪表的开展水平是国家科技水平和综合国力的重要标志之一。测试仪器仪表从单台、单功能向智能式测试仪器或称虚拟仪器、柔性仪器和系统开展是一个新的重要开展方向，他是计算机硬件、软件、总线技术、测试技术与仪器技术密切结合的产物1。当前，我国在智能式系列测试仪器与智能系列自动化测试系统的研究与产业化方面均有重大进展。PTCR( Positive Temperature Coefficient Resistance)是指正温度系数热敏电阻，其显著特性是随着温度的升高其阻值陡然增
2、大，运用此特性可应用于温度控制、过流过热保护等场合2。PTCR性能包括:电阻-温度，电流-时间、电压-电流特性，电阻-频率特性等。由于PTCR所具有的特殊功能，己在许多领域得到广泛应用。为了能更好地了解和使用PTCR，对PTCR的电特性进行测试是必要的。1.2 PTCR的根本概念及应用为了能更好地设计PTCR综合性能测试系统，必须对PTCR根本特性有深入的了解，从分析PTCR的根本概念入手，分析研究PTCR的特性。1.2.1 PTCR的根本概念热敏电阻是开发早、种类多、开展较成熟的敏感元器件。热敏电阻由半导体陶瓷材料或者有机材料组成，利用的原理为温度引起的电阻变化。目前得到普遍使用的PTCR按
3、材料可以分为陶瓷PTCR和有机PTCR，有机PTCR有价格低、常温电阻小等优点，陶瓷PTCR有重复性好的特点，两种PTCR各有优缺点.两种PTC电阻有着不同的PTC效应机理3。陶瓷PTC电阻：陶瓷PTCR的PTC效应是由陶瓷基体中的晶界层产生，而晶粒本身并没有PTC效应。其PTC效应的强度、常温电阻值的大小和基体中的晶粒大小、种类等都有一定的关系。有机PTC电阻：一般认为是有机基体中掺杂的导电粒子聚集形成导电链，随着温度的升高导致导电链的断裂或导电粒子扩散从而使有机PTC电阻的电阻变大，特别在有机晶体的熔融点附近，导电链的状况急剧变化导致有机PTCR的电阻值也急剧上升显现出强烈的PTC效应。其
4、PTC效应的强度、常温电阻的大小和填充的碳粒的含量、大小、外表积以及在基体内的分布情况等都有关系。1.2.2 PTCR的主要参数1额定零功率电阻零功率电阻，是指在某一温度下测量PTC热敏电阻值时，加在PTC热敏电阻上的功耗极低，低到因其功耗引起的PTC热敏电阻的阻值变化可以忽略不计。额定零功率电阻指环境温度25条件下测得的零功率电阻值。2最小电阻指PTC热敏电阻可以具有的最小的零功率电阻值。3居里温度对于PTC热敏电阻的应用来说,电阻值开始陡峭地增高时的温度是重要的，我们将其定义为居里温度。4温度系数PTC热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化。温度系数越大，PTC热敏电阻对温度
5、变化的反响越灵敏。5外表温度外表温度是指当PTC热敏电阻在规定的电压下并且与周围环境间处于热平衡状态已达较长时间时,PTC热敏电阻外表的温度。6动作电流流过PTC热敏电阻的电流，足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度,这样的电流称为动作电流。动作电流的最小值称为最小动作电流。7动作时间环境25条件下，给PTC热敏电阻加一个起始电流(保证是动作电流)，通过PTC热敏电阻的电流降低到起始电流的50%时经历的时间就是动作时间。8不动作电流流过PTC热敏电阻的电流，缺乏以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度，这样的电流称为不动作电流。不动作电流的最大值称为最大不动作电流。9最大电流最大电流是指PTC
6、热敏电阻最高的电流承受能力。超过最大电流时PTC热敏电阻将会失效。10剩余电流剩余电流是在最大工作电压下，热平衡状态下的电流。11最大工作电压最大工作电压是指在规定的环境温度下，允许持续地保持在PTC热敏电阻上最高的电压。对同一产品而言,环境温度越高，最大工作电压值越低。12额定电压额定电压是在最大工作电压Vmax以下的供电电压。13击穿电压击穿电压是指PTC热敏电阻最高的电压承受能力.PTC热敏电阻在击穿电压以上时将会击穿失效。1.2.3 PTCR的特性介绍电阻-温度特性：由于a度的升高导致PTCR内部结构或状态的变化，在PTCR材料的居里点附近变化特别明显。根据电阻一温度曲线变化速度的不同
7、，PTCR电阻可以分为缓变型和突变型。其中突变型根据居里点的不同又可以分为低居里点突变型和高居里点突变型如图1-1。根据其特性的不同.应用的场合也不同。利用PTCR的此特性可以用作过热、过流保护器件。图1-1 PTC热敏电阻的阻温特性电流-时间特性：其电流随时间呈指数形式衰减，衰减系数与电阻温度系数成正比，与外加电压、PTCR的热容、元件的形状和大小均有关系。利用PTCR的此特性可以用作消磁电阻。如图1-2图1-2 PTC热敏电阻的电流时间特性电压-电流特性：包括零功率伏一安特性、静态伏一安特性等。通过静态伏一安特性我们可以知道PTCR在工作状况下的情况，也有利于我们确定PTCR的工作点和适用
8、条件。如图1-3图1-3 PTC热敏电阻的不同温度下的伏安特性电阻-频率特性：PTCR的电阻率不仅和外加的电压大小有关，同时还与所加电压的频率有关。每加一次电压PTC电阻就有一定的变化，合格的PTC电阻的变化范围为15。1.2.4 PTCR的典型应用利用热敏电阻器的阻温特性，可以制成温度开关，以实现对马达、变压器、大功率晶体管等电路的过热保护4。这种热敏电阻多采用突变型的，并且要求有低的电阻率(以便减少对负载的影响)、大的温度系数以保证良好的开关特性)及高耐压特性(以提高产品的可靠性)。PTC过电流保护元件可使用的应用范畴包括:冰箱、空调等家电的保护、 电池、热水器、微波炉、电暖器、工业仪表、
9、运载火箭、人造卫星、飞机坦克、食品加工、扬声器、医疗仪器、粮食仓库、火灾报警、汽车水箱、电机 、摩托车、电子、通信(包括程控 交换机)等。另外PTC元件的其他应用如下：1用作恒温加热PTC热敏电阻具有恒温作用,当PTC发热元件通电时,温度较低,此时电阻小,功率很大,能迅速加热,温度逐渐上升到居里温度时,由电阻2温度曲线可知, 电阻急剧增大,可达37个数量级(103107倍)。此时在恒压作用下通过元件的电流那么减小, 相应元件温度亦降低,于是电阻值减小。而这时,由于电阻的减小又导致通过热敏电阻元件的电流增大,元件温度升高,电阻增大,从而使电流又开始减小。这样,通过重复上述过程,元件本身就起到了自
10、动调节温度的作用。因为PTC元件具有自然寿命长、自动恒温、无明火、高可靠性、节能效果显著等特点。2用作自动开关利用PTC 热敏电阻的电流-时间特性,可将其用作启动开关使用,如压缩机电机的启动电路、无触点继电器等。在压缩机启动电路中,因PTC元件结构简单,无运动零件,无噪声,可靠性好,对电压波动的适应性强,对压缩机的匹配范围广,寿命长,启动时间短,工作平安,因此逐步取代了电流型重力式启动继电器。3用作电机或电器设备的保护器电机损坏的原因,经常是超负荷、断相或者电机的传动局部发生机械故障,造成电机绕组发热,温度升高到超过电机的最高允许温度。可见, 各种原因最终归结为发热,因此可以利用对温度变化高灵
11、敏度的PTC 热敏电阻作过热保护元件,采用开关型的正温度系数的PTC热敏电阻更好。因为这种PTC 热敏电阻的电阻2温度特性在居里温度以下时,电阻值随温度变化小,超过这一温度时阻值急剧上升,具有开关的特性, 更适用于作保护电器。1.3 PTCR特性测试仪器的开展现状关于PTCR特性测试设备可分为两局部，一是测试PTCR材料本身的，二是对PTCR性能 的测试。对前者材料科学有许多专门测试设备.在此我们不加以论述。本文所研究的PTCR测试设备指的是PTCR产品特性测试仪器或者是PTCR材料封装成PTCR器件特性测试设备。随着PTCR应用领域的扩大，国内出现了许多PTCR生产的厂家，为了能生产出合格产
12、品，必须进行产品性能测试。PTC热敏电阻由于自己特殊的性质，在40多年的开展中，取得了广泛的应用，特别是近年来，随着彩电、电冰箱等家用电器的普及，对PTCR需求量猛增。热敏电阻是开发早、种类多、开展较成熟的敏感元器件。热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，利用的原理是温度引起的电阻变化。因此可以测量电导来推算出温度的上下。PTCR的寿命就决定产品的的使用期限。因此，PTCR的寿命特性测试是生产过程中不可或缺的一局部。目前，由于缺乏优良性能价格比的PTCR性能专用测试设备，大局部生产厂家采用人工测试方法.通常采用普通高精度万用表进行电阻测量，普通温度计对一些温度点进行阻温特性测试这些传统方法，测量时间长
13、而且需要人工直接参与5。费时，精度也不高。特别是在进行动作特性和不动作特性测试时，还需要配备其他辅助设备进行相应特性测试，这样提高了测试设备的投入。由于PTCR的电特性比拟复杂，采用普通仪器设备进行测试比拟烦琐，速度很慢且不利于进行准确的测量，或者测试时需要大量人工进行参与，在进行少量的测试时这种方法是可以采用的。但随着市场需求的扩大.对产品质量要求相应提高。采用原始的通用仪器设备测试方法已不能满足要求，这就要求我们研制专用PTCR测试设备，力求节省人力财力资源，提高测试精度和速度。众所周知，PTC元件在通电瞬间，电阻值很小，从而有较大的电流通过，在温度超过元件的居里点后，电阻急剧上升，电流也
14、随之减小，然后渐渐稳定。寿命测试仪就是利用电阻这一特性。1.4 小结本章节详细介绍了PTCR的开展现状以及PTCR的几种根本特性和应用状况。介绍了此次课题设计的重要性和必要性。第二章 PTCR寿命特性测试仪根本原理2.1 PTCR工作原理PTC热敏电阻(正温度系数热敏电阻)是一种具温度敏感性的半导体电阻，一旦超过一定的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高几乎是呈阶跃式的增高。PTC热敏电阻本体温度的变化可以由流过PTC热敏电阻的电流来获得，也可以由外界输入热量或者这二者的叠加来获得。 陶瓷材料通常用作高电阻的优良绝缘体，而陶瓷PTC热敏电阻是以钛酸钡为基，掺杂其它的多晶陶瓷材料制造的，
15、具有较低的电阻及半导特性。通过有目的的掺杂一种化学价较高的材料作为晶体的点阵元来到达的：在晶格中钡离子或钛酸盐离子的一局部被较高价的离子所替代,因而得到了一定数量产生导电性的自由电子。对于PTC热敏电阻效应,也就是电阻值阶跃增高的原因，在于材料组织是由许多小的微晶构成的，在晶粒的界面上，即所谓的晶粒边界(晶界)上形成势垒，阻碍电子越界进入到相邻区域中去，因此而产生高的电阻。这种效应在温度低时被抵消：在晶界上高的介电常数和自发的极化强度在低温时阻碍了势垒的形成并使电子可以自由地流动。而这种效应在高温时，介电常数和极化强度大幅度地降低，导致势垒及电阻大幅度地增高，呈现出强烈的PTC效应。2.2 PTCR寿命特性测试仪主要技术指标该测试仪各项技术指标及参数如下：环境条件：工作温度范围 -1040仪器电源：市电(220VAC 5060Hz)冲击电流：0.510A冲击次数工作周期数：105可设定样品工位数：10个限流电阻RL： 9样品顺序通电、断电时间间隔：0.5秒、1.0秒、2.0秒、4.0秒通、断电压时间：均为99小时范围内可调节顺序加电压指示：绿色LED产品检测不合格指示：红色LED2.3 测试仪的根本原理由于PTCR热敏电阻的热开关特性，
