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浙江工业大学硕士学位论文 p t c 启动器综合参数测试方法的研究及实现 摘要 p t c 启动器的主要特性除包括p t c 热敏材料的电阻温度特性，电压电流特性以 及热特性之外，还包括了其在实际应用中的特性参数，如恢复时间、动作时间、静 态功耗、破坏电阻和常温电阻几个方面，其中对电阻温度特性，电压电流特性以及 热特性等特性的测量和测试系统已经很常见了，且测试的技术和工艺都在不断的完 善中，这是因为在p t c 热敏电阻材料研究领域的需要，促使了对其测试技术的完善 和研究。而对p t c 启动器的主要性能参数的测量和测试目前鲜有出现。随着压缩机 技术的发展和新型控制方法及理论的出现，p t c 启动器作为压缩机启动过程中不可 缺少的元器件，对它在应用领域所关心的参数的测量显得越来越重要，并且对于其 理论研究也具有重要得实际意义，同时也与材料的应用密切相关。本论文是从p t c 启动器参数的测试方法出发，以p t c 启动的参数测试技术为研究内容，论述了p t c 启动器参数测试中所涉及测量物理量的测试原理及测试方法，并对p t c 启动器综合 参数测试系统的构成形式作了描述。通过采用计算机控制数据采集卡，结合计算机 自动化测试技术，论述了p t c 综合参数测试系统的硬件和软件的设计方案及实现。 本测试系统使用了多抽头变压器和组合电阻的设计，并对其控制提出了独特的 方法和算法，并讨论和应用了适宜于本测试系统参数信号特点的软件抗干扰算法。 论文分模块讲述了主要软硬件模块的设计思想和实现方法。在控制优化上也作了许 多研究和试验，最终完成了整个测试系统的设计工作，并在企业中得以应用。 本文根据测试系统所提供的测试结果，结合m a t l a b 软件对测试的数据进行分析， 主要从测试数据的一致性及误差分析来鉴定测试系统的运行稳定性，数据采集的准 确性及程序的容错性是否达到要求。并对不同型号的p t c 启动器动作时间之间、恢 复时间之间、静态功耗之间及常温电阻间的数据进行比较，以得到影响p t c 综合参 数的电学因素。以上方面内容对于p t c 启动器特性测试方法及分析机理有一定的指 导意义。 关键词：p t c 启动器，动作电流，数据采集，自动化测试，数据分析 浙江 ：业大学硕十学位论文 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no nt h et e s t m e t h o do ft h ec o m p r e h e n s i v ep a r a m e t e r o fp t cs t a r t e r a b s t r a c t p t cs t a r t e rma d d i t i o nt ot h em a i nf e a t u r e si n c l u d ep t ct h e r m i s t o rm a t e r i a l r e s i s t a n c e t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ev o l t a g e c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e r m a l p r o p e r t i e s ，b u ta l s oi n c l u d e di nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ， s u c ha sr e c o v e r yt i m e ，o p e r a t i n gt i m e ，t h es t a t i cp o w e rc o n s u m p t i o n ，d a m a g er e s i s t a n c e a n dt e m p e r a t u r er e s i s t a n c eo fs e v e r a la s p e c t s ，i nw h i c ht h er e s i s t a n c e - t e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ev o l t a g e c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e r m a lp r o p e r t i e sa n do t h e r c h a r a c t e r i s t i c so ft h em e a s u r e m e n ta n dt e s ts y s t e mh a sb e e nv e r yc o m m o n ，a n dt e s t t e c h n o l o g i e sa n dt e c h n i q u e sa r ec o n s t a n t l yi m p r o v i n g ，t h i sb e c a u s et h ep t ct h e r m i s t o r m a t e r i a l sr e s e a r c hi nt h ef i e l dn e e dt op r o m o t et h ei m p r o v e m e n to ft h e i r t e s t i n g t e c h n i q u e sa n dr e s e a r c h t h ep t cs t a r t e rf o rt h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h e m e a s u r e m e n ta n dt e s t i n gi s c u r r e n t l yr a r e l ya p p e a r w “ht h ec o m p r e s s o rt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ta n dn e wc o n t r o lm e t h o d sa n dt h ee m e r g e n c eo ft h et h e o r y , p t cs t a r t e r c o m p r e s s o rs t a r t u pp r o c e s sa si n d i s p e n s a b l ec o m p o n e n t s ，i t sa p p l i c a t i o na r e a so fi n t e r e s t i nt h em e a s u r e m e n to ft h ep a r a m e t e r sb e c o m ei n c r e a s i n g l y i m p o r t a n t ，a n d f o rt h e t h e o r e t i c a ls t u d ya l s oh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ew a sa l s oc l o s e l ya s s o c i a t e d w i t ht h ea p p l i c a t i o nm a t e r i a l s t h i sp a p e rs t a r t sf r o mt h ep t ct e s tm e t h o dp a r a m e t e r s s t a r t i n gp o i n tt o s t a r tp t ct e c h n o l o g yt os t u d yt h ep a r a m e t e r so ft h et e s tc o n t e n t ， d i s c u s s e st h ep t cs t a r t e rt e s tp a r a m e t e r sm e a s u r e dp h y s i c a lq u a n t i t i e si n v o l v e di nt h et e s t p r i n c i p l ea n dt e s tm e t h o d s a n di n t e g r a t e dp a r a m e t e r sp t c s t a r t e rc o n s t i t u t eaf o r mo ft h e t e s ts y s t e mw a sd e s c r i b e d t h r o u g ht h eu s eo fc o m p u t e r - c o n t r o l l e dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d , c o m b i n e dw i t hc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a u t o m a t e dt e s t i n g , d i s c u s s e st h ep t ci n t e g r a t e d p a r a m e t r i ct e s ts y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n t h i st e s ts y s t e mu s e sac o m b i n a t i o no fr e s i s t a n c ea n dm u l t i - t a pt r a n s f o r m e rd e s i g n ， a n di t sc o n t r o lp r e s e n t su n i q u em e t h o d sa n da l g o r i t h m s ，a n dd i s c u s sa n da p p l yt h e a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s i nt h et e s ts y s t e mi n t e r f e r e n c es i g n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s o f t w a r ea l g o r i t h m p a p e rd e s c r i b e st h em a j o rh a r d w a r ea n ds o f t w a r es u b m o d u l em o d u l e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n i nt h ec o n t r o lo p t i m i z a t i o ni sa l s om a d e al o to fr e s e a r c h a n dt e s t i n g ，t h ef m a lc o m p l e t i o no ft h ee n t i r et e s ts y s t e md e s i g n ，a n dw a sa p p l i e di nt h e e n t e r p r i s e 1 1 i a n a l y z et h et e s td a t a , m a i n l yf r o mt h ec o n s i s t e n c yo ft e s td a t aa n de r r o ra j l a l y s i s t o i d e n t i f yt h et e s to p e r a t i o no ft h es y s t e ms t a b i l i t y , a c c u r a c ya n dd a t ac o l l e c t i o np r o c e d u r e s t b rf a u l tt o l e r a n c el sm e e ta d v a n c e dr e q u i r e m e n t s a n dd i f f e r e n tt y p e so fp t c s t a r t e r 叩e a t m gt i m eb e t w e e nt h er e c o v e r yt i m eb e t w e e nt h es t a t i c p o w e rc o n s u m p t i o na n d t e m p e r a t w er e s i s t a n c eb e t w e e nt h ec o m p a r i s o no fd a t ab e t w e e n , t og e tt h ep t c s y n t h e s i s p a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h ee l e c t r i c a lf a c t o r s f o rt h ea b o v ea s p e c t so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f p t cs t a r t e rt e s tm e t h o d sa n d a n a l y s i so f t h em e c h a n i s mh a ss o m es i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：p t cs t a r t e r ，a c t i o nc u r r e n t ，d a t ac o l l e c t i o n ，a u t o m a t e d t e s t i n g d a t a a n a l y s i s i v 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 随着生活水平的不断提高，普通百姓对家用电器的需求不断上升，制冷电器的 发展也十分迅速。制冷压缩机是制冷设备的核心部件，p t c 启动器是其工作启动时 的重要部件其性能的好坏直接关系到压缩机能否正常工作。所以实时测试并在制冷 压缩机的工作状态下测定启动器的特性，了解其在压缩机工作状态下的能耗，对提 高制冷设备的工作效率具有非常重要的促进作用。为了提高其运行的可靠性和能效 比，对压缩机启动器的性能提出了较高的要求。因此对制冷压缩机启动器性能的检 测的是一个亟待解决的问题，尤其是检测其动态特性。 目前，国内外p t c 热敏电阻的测试装置比较多，针对的主要是p t c 热敏电阻 和p t c 热敏电阻的材料的测试，为的是更好的开发材料和拓展p t c 材料的用途【l 】。 针对制冷压缩机用的p t c 保护器的动态特性测试还没有出现比较标准的、系统的测 试系统，能找到除了上述的针对p t c 材料的测试设备之外，制冷压缩机p t c 启动 器的性能测试台也只局限于简单的测试一些参数的测试设备，如常温电阻、恢复时 间等，而且存在测试精度低，测试方法不完善等问题【2 】。 采用计算机测试技术能实现自动完成p t c 启动器特性参数测试的全部控制、 采集等过程，对测试数据处理及曲线和测试报表的打印输出，同时记录和保存全部 特性参数 3 1 1 4 。研究p t c 启动器综合参数测试方法并完成测试系统的设计，不仅能 为p t c 启动器的性能研究和应用工作提供参考数据支持，而且这也将填补p t c 启 动器参数自动化测试领域的空白。 1 2 课题的研究现状 1 2 1p t c 热敏电阻测试技术及其发展概况 在p t c 材料方面的检测设备比较普遍，从采用人工描点法到先进的计算机自动 化测试设备。人工描点法较传统也比较容易实现，即把p t c 放在一个手动调压的加 热炉中，逐步升高温度，待某一温度平衡后，测量p t c 的电阻值，并记下相应的温 第1 罩绪论 度，直至测完一组阻温值【5 1 。然后将该组阻温值逐点描绘在单对数坐标纸上。这种 方法精度差、误差大、效率低、劳动强度大。 由于p t c 在室温下电阻值最小的只有数欧姆，而在高温时电阻值高达1 0 0 m 欧 姆以上，阻值的变化范围跨越7 - - 8 个数量级【6 】。这正是p t c 阻温曲线的特点，也 是现代计算机测试中电阻测量部分才能解决的难题。另外，温度是两个重要参数之 一，如何保证温度控制和测量的准确性也是p t c 测试系统需要解决的关键问题【7 】【8 】。 现在随着各种各样的测量技术和仪器的兴起，p t c 元件的广泛应用，一方面促 进了p t c 元件产业化的发展，另一方面也对p t c 元件自身的可靠性提出了更高的 要求【9 】。由于p t c 热敏电阻元件对生产工艺的条件非常敏感，材料和工艺的复杂因 素影响了p t c 热敏电阻元件的电参数，即使在同一生产工艺条件下，热敏电阻元 件的常温电阻值参数离散性也会很大 1 0 】。为了确保只有合格产品进入下道工序，必 须在产品出厂之前对其性能进行测试并分选。 1 2 2p i e 热敏电阻器的发展过程 p t c 材料是一种温度敏感性的导电材料，p t c ( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 即正温度系数，是指材料电阻率随自身温度升高而增大的一种特性。通常人们所称 的p t c 材料是特指具有非线性p t c 效应的材料，即材料的电阻率在某一定的温度 范围内时基本保持不变或仅有很小的变化，而当温度达到材料的特定转变点温度( 居 里温度) 附近时，材料的电阻率会在几度或几十度狭窄的温度范围内发生突变，电阻 率迅速增大1 0 3 1 0 , 9 数量级【6 】o 目前使用的p t c 材料主要分为陶瓷基p t c 材料和高分子基p t c 材料两种类 型。陶瓷基p t c 材料在1 9 5 5 年由荷兰菲利浦公司的h e r m a n 最早发现并公开报 道的，经贝尔实验室和日本村田制作所于1 9 6 1 年实用化，现在仍是以b a t i 0 3 基和 v 3 0 3 基为主 】。高分子基p t c 复合材料是以有机聚合物( 大多数为结晶聚合物如聚 乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯和聚环氧乙烷等) 为基体，掺入炭黑、石墨或金属粉、金 属氧化物等导电填料，经过特殊设计，采用分散复合、层积复合以及形成表面导电 膜等方式而制得的一种多相复合高分子导电体。前者起骨架与填料载体的作用，后 者起电流通道的作用，受热时聚合物膨胀，碳链断裂形成高阻。它最先由f r y d m a n 在1 9 4 8 年首先发现，但当时没有引起人们的重视。直到1 9 6 6 年k o h l e r 报道了聚 乙烯一炭黑复合材料具有p t c 特性后，才引起人们的广泛关注，工业化高分子基p t c 2 浙江工业大学硕士学位论文 复合材料是2 0 世纪8 0 年代初由美国首先开发成功的。虽然高聚物基的p t c 材料准 变温度低一些，但其成本低及易加工成型，可设计性好等特点是陶瓷基材料所不可 代替的。 1 3p t c 启动嚣工作原理及其特性 1 3 1p t o 启动器特性 p t c 启动器的核心部件是p t c 热敏电阻，所以p t c 启动器的特性基本上与p t c 热敏电阻器所具有的特性是一致的。p t c 热敏电阻的三大特性：阻温特性、伏安特 性和热特性一直备受科研人员的关注，对这三大特性的测量主要包括对电压、电流、 电阻、温度、压力、频率等工业标准的物理量测量。图1 1 所示为p t c 启动器，图 中圆片为p t c 热敏电阻。 参嚼叠 ， 舒 图1 1p t c 启动器 p t c 启动器是p t c 热敏电阻器的一项应用，在参数测试中除了上面所述的三大 重要特性参数以外还有与之具体应用要求相关的一些特性参数，如常温电阻，动作 时间，静态功耗，恢复时间和破坏电阻等，本文主要研究的是p t c 启动器在应用上 的一些参数的测量与实验工作。图1 2 是p t c 启动器的阻温特性曲线，它基本上与 p t c 热敏电阻的阻温特性曲线是一致的。 第1 章绪论 5 ：o1 0 0 1 5 02 0 02 5 0 温度( ) 图1 2p t c 启动器的阻温特性曲线 p t c 启动器的动作时间的测量是建立在对p t c 启动器电流时间特性测量的基 础上的，由于p t c 启动器的动作时间一般比较短暂，从几百毫秒到几秒钟不等，而 这段时间里，p t c 启动器的电阻变化却是从几十欧姆级到兆欧级甚至量级更大。图 1 3 所示为p t c 启动器的电流时间特性，电流为有效值表示。 、 镌 掣 1 0 02 0 0 3 0 04 0 0 1 0 0 02 0 时间( m s ) 图1 3p t c 启动器的电流时间特性曲线 1 3 2p t c 启动器工作原理 p t c 启动器在压缩机启动过程中工作情况如下：压缩机电机接通电源的瞬间， 启动电流同时通过运行绕组和启动绕组，因为这时p t c 的电阻很小，所以流经启动 绕组的启动电流较大，压缩机在启动转矩的作用下启动并由慢到快运转。约在0 3 秒后，p t c 元件因自身焦耳热作用，温度升高，其电阻值急剧增大，因为p t c 元件 串联接入启动绕组，因而电机正常运行时，受p t c 大电阻的限制，启动绕组的电流 很小，近似断开状态，p t c 元件实际起自动开关的作用 1 2 1 。p t c 启动器工作原理如 4 浙江r t 业大学硕士学位论文 图1 - 4 所示。 a c p t c 启动器 图1 4 p t c 启动器工作原理 1 3 3p t c 综合参数自动化测试系统的功能和要求 p t c 启动器的动作时间、恢复时间、静态功耗、破坏电阻以及常温电阻需要通 过在不同的测试项目对样品施加不同的电压来进行测试，电压调节必需符合参数的 测试要求，通过测量电阻值、电流值的变化情况，可以获得包括常温电阻、破坏阻 值、最大电流、动作时间及耗散功率等一系列参数。 测试系统主要由以下主要部分构成： 计算机：计算机作为整个测试系统的核心，它通过通讯接口电路输出控制 信号和指挥外围电路动作进行数据采集、处理、存储和输出。 电源：电源输出电压可调是测试系统必不可少的功能，它必须能提供足够 功率的平稳交流电压，电压的升降能按要求步进调节。 信号采集：信号采集负责采集测试系统所需的控制反馈信号以及一些测试 参数信号，通过a d 转换将模拟信号转换成数字信号，计算机将对这些信 号进行存储、分析、处理和显示。 操作软件：操作软件主要包括控制界面、显示界面及异常处理界面等提供 人机交互的功能；软件还具有数据处理程序，通讯程序和保护程序等。软 件指挥计算机来控制整个测试电路的工作，负责执行测试命令并对采集到 的数据进行处理以及显示输出。 星! 至丝堡 1 4 本课题的主要研究工作 本课题以p t c 启动器为研究对象，通过对其进行动作时间、静态功耗、恢复时 间、破坏电阻及常温电阻的测试和研究p t c 启动器的特性，开发出了综合参数测试 系统并用于实际测试。 本论文共分七章，主要内容如下： 第一章绪论，阐述 p t c 热敏电阻器测试设备的发展现状以及p t c 热敏电阻器 的特性和发展应用情况，从p t c 启动器阻温特性和电流时间特性出发，引出了本论 文研究的核心内容，给出 p t c 启动器综合参数测试系统的主要构成部分。 第二章详细的介绍了综合参数测试系统的中涉及到的动作时间、静态功耗、常 温电阻、破坏电阻及恢复时间的测试原理和方法，从测试方法入手，给出了测试系 统的总体设计方案。 第三章以系统硬件设计为核心，分模块介绍了本系统中各个功能模块的设计思 想，对系统的总线、通讯接口、数据采集、负载电阻、系统电源以及测试系统的可 靠性设计等进行了详细的介绍，给出了相关的硬件结构及电路，这一章节是对测试 系统的硬件设计的概括和总结。 第四章侧重于优化和算法的研究，给出了系统的控制策略优化，采样系统线性 优化处理和最优化拟合算法的实现并提出了一种基于寻址方式的负载电阻控制算法 和一种适于本测试系统的软件抗干扰算法。 第五章是测试系统的软件部分，在这一章里，从系统软件的总体设计分析着手， 分别从系统的工艺和功能需求分析从而明晰软件设计的目标。以需求分析为指导对 系统进行u m l 建模用于指导系统软件模块的开发和设计。完成了通讯系统，数据管 理以及异常处理等软件模块的设计与开发。 第六章是系统调试及结果分析，对设计完成的测试系统从硬件到软件功能进行 调试，以期完善测试系统，同时在系统能稳定的运行后对系统所测得的数据进行分 析，找出测试系统的优缺点。 第七章是对全文进行总结，依据在设计过程中出现的问题以及系统实际运行的 状况，提出系统的不足和有待改进的地方。 根据研究和实际生产的需要，本课题已经完成： 样机功能及技术指标： 2 0 2 1 2 位p t c 启动器不同电压( 0 6 5 0 v ) 下的静态功耗测试，常温电阻测量， 6 浙江工业大学硕士学位论文 静态功耗、动作时间和破坏电阻的测量，并能根据测试结果绘制i - t 特性 曲线，分析p t c 启动器的相关特性参数； 交流电压0 - - - 6 5 0 v 可调，电压控制精度5 v ； 初始值设置完毕后，系统无需人工干预，自动测试，测试完毕后自动关闭 电源并对测量结果进行存储和处理显示： 采用的主要技术方案： 利用电压和电阻的调试实现电流精确控制； 采用p c l - 8 1 3 数据采集卡对电路进行控制和数据采集； 利用d e l p h i 7 0 开发驱动和测量程序。 7 第1 章绪论 一一_ 8 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章p t c 启动器综合参数测试原理及设计方案 2 1p t o 启动器的主要性能参数及测试方法选择 2 1 1 电阻测量方法 p t c 启动器的常温电阻r 是指p t c 启动器在2 5 。c 时的零功率电阻；破坏电阻 测试指对p t c 启动器短时间施加其最大所承受电压的1 5 倍电压，并置于空气中四 小时后测量其常温电阻r t 的变化率，即墨云鱼1 0 0 。根据上述测试内容及测试 标准的规定，对常温电阻和破坏电阻测试的关键是高精度电阻的测量。 1 伏安法测量电阻 伏安法电阻测量是一种传统的电阻测量技术，它主要是测量出待测电阻两端的 电压v t 和流经待测电阻的电流i r ，根据欧姆定律计算电阻值r 为： r = k l ( 2 - 1 ) 伏安法电阻测量原理如图2 1 所示。 图2 1 伏安法电阻测量原理图 伏安法电阻测量方法较简单，易于实现，但是误差较大，线上电阻，测量用电 压电流仪表等来自于多方面的影响，且无法采用有效的措施减小误差的影响。 2 三线制平衡电桥测阻法 三线制平衡电桥测量电阻的方法普遍应用于热电阻温度传感器的电路设计中， 这种方法可以减小连接导线的线上电阻对测量结果的影响【1 3 】，因此能提高测量精 9 第2 章p t c 启动器综合参数测试原理及设计方案 度。三线制平衡电桥测量电阻法原理如图2 2 所示： 图2 - 2 三线制平衡电桥法测量原理图 图2 2 中r 为待测电阻，墨，是，尼为固定桥臂电阻，v 为基准参考电压，g 为测量仪表。不考虑线上电阻时，电桥输出为： = r ( r l + r ) 一b ( r + r 3 ) ( 2 - 2 ) 令 k = 矿+ b ( 恐+ 坞) 则有计算待测电阻r 的公式为： r = k r l ( 1 一k ) ( 2 3 ) 虽然三线制平衡电桥测量电阻法可以减少线上电阻造成的误差，电桥平衡时， 误差的来源主要是线上或待测电阻的变化，且为使电桥平衡在精度要求较高时对兄 的要求很高，比较难以精确控制。 3 四线制自校正电阻测量法 该测量电阻的方法是利用四线制电阻信号的传输来解决引线误差问题，为电源 设计独立的通路，电阻两端只设计两条回馈电压信号的线路，电压回馈线路不流电 流，所以外接引线上的不存在压降现象，从而有效避免引线上存在电阻对测量产生 误差【8 】。四线制自校正电阻测量原理如图2 3 所示【14 】： 采用四线制测量电阻方法，实现简单，而且可以有效避免测量电路中的线上电 阻造成的误差。该方法测量电阻的误差主要来自于温漂和a d 转换精度引入的误差 影响。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 图2 3 四线制自校正电阻测量原理图 4 电阻测量方法的选择 根据系统多工位设计的需要，测量电路所有工位共用，工位上p t c 启动器电阻 的测量需要通过继电器切换选择接入和接出，所以继电器触点的接触电阻被引入测 量电路不可避免。继电器接触电阻的大小随着继电器使用次数的增加呈现上升趋势， 即接触电阻随着系统使用时间的推移会越来越大，如果不能有效解决，系统的测量 误差将越来越没保证。采用四线制电阻测量技术能有效解决线上电阻和接触电阻带 来的影响，且考虑到系统运行环境温度的变化并不大，所以选用四线制电阻测量技 术可有效保证系统对电阻测量的要求。 1 1 3 电流测量方法 在2 5 。c 时，p t c 启动器在常温下，施加最大工作电压时的稳定工作状态下的消 耗功率( p 刈i ) 。静态功耗测量中关键需要解决的问题是漏电流的测量。漏电流在 半导体材料中普遍存在，p t c 启动器在工作原理中相当于开关的作用，但是它并非 真正意义上的开关，它的开关作用是因为它的阻值很大，兆欧级甚至更高。尽管如 此，p t c 启动器在两端有电压的情况下，漏电流不可避免。静态功耗的测量其关键 第2 孽p t c 启动器综合参数测试原理及设计方案 还是对稳定状态下p t c 漏电流的测量。 此外，对于动作时间的测量同样涉及到电流的测量，动作时间测试中的电流与 静态功耗中的漏电流的特点不同要求也不同，动作时间测试中电流变化速度快，要 求测量响应速度快，量程较宽；漏电流的测量需要满足的是测量精度高，抗干扰能 力强。 1 根据欧姆定律测量 根据欧姆定律，对电流的测量可以间接测量电阻和电压的方法再计算出所需要 测量的电流值，测量原理如图2 4 ( a ) 所示，这种方法实现简单，占用资源较少。 电流i 的测量是通过测量电路中的电阻值r 和电压v ，再根据i = v 瓜计算出电阻。但是 由于p t c 在通电稳定状态下电阻值非常大，这就要求测量电阻的仪表量程很大，仪 表误差是随量程的增大而增大的，所以，采用这种方式不能满足本测试系统的要求。 若采用图2 4 ( b ) 所示接法，图中电阻r 为待测电阻，r 0 为串接的阻值已知的 标准电阻，根据串联电路的特点，要得到i 的值，可以通过测定r 0 的两端电压v 来计 算得到：i = v 0 r 0 。这种测量方式虽然解决了因测量仪表量程过大带来的误差，但 是对于电阻r 0 的选择比较关键，r 0 应尽可能的小，耐压和功率应较大。r 0 过小，电 路总电流的测量越接近原始值，但端电压过小，不利于精确测量，电压表的量程也 不能太小，否则满足不了在线测量的需要。 ( a ) 图2 _ 4 欧姆定律测电流原理图 v 2 霍尔效应电流检测技术 霍尔效应电流检测技术是利用半导体材料的霍尔效应原理实现的电流测量技 术。霍尔效应是指，将一载流体置于磁场中，当有电流流过导体时，在载体平行与 电流和磁场的两侧会产生一个与电流和磁场强度的乘积成正比的电动势【- 5 1 。霍尔元 件的传感原理如图2 5 所示【1 6 】。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 图2 5 霍尔元件的传感原理 霍尔电流传感器比较适合稳态下的电流测量，如直流电流的测量，在工业应用 中，遇到几百安培以上的情况下，霍尔电流传感器是首选产品。在交流电流测量中， 霍尔传感器并不能很好的工作，而且测试精度不高，造价比较昂贵。 3 电流互感器 电流互感器原理是依据电磁感应的原理来制造的，电流互感器分为测量级和保 护级两大类【1 7 】。测量级电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次绕组匝数 很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕 组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次回 路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工 作状态接近短路。图2 6 所示为套管型电流互感器原理和结构图。 n 1 r 图2 6 套管型电流互感器原理及结构图 利用电流互感器工作原理设计的电流传感器比较常见，构造也比较简单，如图 2 7 所示。电流直接从穿心孔穿过，内部的构造就是：里面是一个套管型电流互感器， 广r j 第2 覃p t c 眉动器综合参数测试原理及设计方案 按照匝数比的输入输出的比例关系来工作，输出段接一只标准电阻，将测量线圈( 副 线圈) 中的电流转换成电压信号。以2 0 a 的电流传感器为例，电流互感器输入输出 的匝数比为2 0 0 0 ：1 ，电流互感器的输出脚直接接入一个1 0 0 q 的电阻。当输入为2 0 a 时，电流互感器的二次绕组的感应电流就是1 0 r n a 。这样在电阻上产生的电压u = 1 0 0 q 0 0 1 a = l v 。再对这个满量程为交流1 v 通过模拟电路的处理，把交流电压变换为 直流电流输出。 j _ r o 1r v 卞 导线 。、 v t 图2 - 7 电沉互感器测量电流原理图 电流互感器的传感原理简单，精度较高，其变化比仅仅与原副线圈的陋数比有 关，具有较好的温度稳定性和耐久稳定性。， 4 空心线圈 空心线圈是由俄国科学家r o g o w s k i 首先发明的，所以通常也称空心线圈为 r o g o w s k i 线圈。空心线圈的典型结构如图2 8 所示。 图2 8 空心线圈结构图 空心线圈与电流互感器一样，是用来实现对交流电流的检测，但是它们的传感 原理不同，交流互感器的二次输出信号为电流信号，拥有一定的负载承担能力，二 次回路不能开路工作，否则，一次回路中的电流将全部作为激磁电流，产生破坏性 故障。空心线圈的二次回路输出为弱电压信号，基本没有负载承担能力，二次回路 一般处于开路工作状态 1 6 1 1 1 s 1 。 空心线圈不含铁芯，因此不存在磁饱和问题，且具有体积小，质量轻和价格便 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 宜等优点。但是测量精度不高，尤其不适合小电流的测量。 5 电流测量方法的选择 分析测试系统对不同测试项目中电流测量的要求及特点，如本节开始所描述 的那样，在静态功耗测量中需要检测电路中的漏电流，电流的大小很小，测量需要 精度高；动作时间测量中需要检测电路中的电流快速变化，需要测量电流的传感器 响应时间尽可能快。本测试系统选用电流互感器传感器来完成电流的测量工作，互 感器传感器的检测精度较高，响应速度受整顿信号线路的影响，从基本要求上完全 能达到系统测试的要求。电流互感器电流传感器结构简单，使用广泛，电流改进也 比较简便。 1 1 3 时间测量方法 动作时间是指p t c 启动器在2 5 时，p t c 启动器自电流接通时起，到流过启动 器的电流从最大值i s 下降n o 5 1 s 时止的时间。 恢复时间是p t c 元件的一个重要参数。所谓恢复时间一般是指在2 5 2 的 静止空气中，p t c 元件在最大工作电压下的稳定状态断电时起到阻值下降到室温阻 值的2 倍时止的时间【1 9 】。从电路启动工作的角度来看，恢复时间越短越好。在某 些场合，还需考虑保护元件的恢复时问和热保护器的复位时间匹配。 时间的测量方法应用在测试系统中一般有单独设计时钟计时电路和由软件实现 系统时间读取两种方式。 1 时钟计时电路 单独设计时钟计时电路采用较多也是技术比较成熟的单片机时钟电路。具有代 表性的单片机时钟电路为m c s 5 1 时钟电路，它有内部时钟方式和外部时钟方式两 种。两种方式均能实现精度比较高的计时电路，根据所选用的石英晶体振荡器频率 的不同，时钟周期也不同。用单片机来设计时钟计时电路实现u s 级、1 1 s 级的时钟分 辨率并不困难。图2 7 所示为m s c 5 1 内部时钟和外部时钟方式电路【2 0 】。其中图2 9 ( a ) 为内部时钟方式的电路，图2 9 ( b ) 为外部时钟方式的电路。 第2 章p t c 启动器综合参数测试原理及设计方案 ( a ) 外部时 钟信号 v c c ( b ) 图2 9m c s 5 1 时钟方式电路 2 软件读取系统时间 软件读取系统时间的方法也能完成精度较高的计时工作，相对于硬件设计的时 钟电路计时方式来说，精度要低。在w i n d o w s 系统下，可以利用软件调用系统的应 用程序库( w i n d o w s a p i 函数) 来读取系统的时钟信息用以计时。 如调用q u e r y p e r f o r m a n c e f r e q u e n c y ( i n t 6 4 ) 获取系统的高性能频率计数器在一 毫秒内的震荡次数；调用q u e r y p e r f o r m a n c e c o u n t e r ( i n t 6 4 ) 获取函数调用时系统的 高性能频率计数器的计数值，将前后两次调用的计数值的差除以计数器在1 m s 内的 振荡次数，便可实现毫秒级精度的计时。 3 时间测量方法的选取 根据测试系统对测量时间的精确要求，同时考虑到动作时间和恢复时间计时中 电流测量响应时间及p t c 启动器常温下电阻恢复速度较慢等因素的影响，采用软件 方式计时。软件计时不仅可以满足系统对时间测量的要求，而且无需因单独设计硬 件时钟电路增加通讯接口对系统资源造成负担甚至影响系统的稳定性。 2 2测试系统的总体设计 基于上文中的分析，p t c 启动器综合参数测试系统共分为： 1 ) 参数测量模块，参数测量模块通过i s a 总线技术在计算机的指挥下完成各 个工位测试项目中所需检测的参数数据，其主要由数据采集，i o 控制和测 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 量设备及电路组成； 2 ) 控制模块是实现计算机对测试条件调整进行一些继电器和接触器的控制， 如电源的通断、电压大小调节，负载电阻选择等任务； 3 ) 显示模块的功能是为完成测试过程中电参数电压、电流的显示而设计的， 这样大大方便用户对系统的监视，直观地反映系统内部的情况； 4 ) 数据处理模块依靠数据库技术对测试系统所有采集的数据进行存储、处理 和输出打印，为后续分析提供数据支持。 p t c 启动器综合参数测试系统的总体设计框架如图2 1 0 所示。 图2 1 0 系统总体设计框图 1 7 一 第2 章p t c 启动器综合参数测试原理及设计方案 二二= 二二= 二二_ = ： 1 8 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章系统硬件设计 3 1系统硬件的总体设计 3 1 1 系统硬件的设计方案 本系统以测试p t c 启动器的相关性能参数动作时间、常温电阻、静态功 耗、恢复时间和破坏电阻为测量对象，以工业控制计算机为核心并结合数据采集卡、 i s a 总线、集成控制模块、p c l 7 3 0 i o 控制卡及继电器等硬件设备建立了一个p t c 启动器综合参数的自动测试系统，实现对多个不同型号的p t c 启动器进行自动、 准确且快速的测试。硬件设备是系统工作的基础，负责完成数据采集、数据测量和 相关设备的控制等功能。 工控机机通过r s 2 3 2 转r s 4 8 5 接口与l e d 电参数显示板进行连接并实现对其 电压和电流的实时显示；p c 机通过i s a 总线控带i j p c l - 7 3 0 i o 控制卡对可程程电源 ( 多抽头变压器) 的控制，并输出用户指定的或测试所需要的电压；p c l 7 3 0 卡通 过继电器控制实现负载电阻的调节，以满足测试所需的电流设定要求；使用一块研 华的高速数据采集卡p c l - 8 1 3 采集上电测试时的电压、电流及电阻等参数数值变 化，电压上升时间则由软件根据采集到的电压波形数据，进行计算求取。利用i o 控 制卡的输出通道依次输出开关量，控制与待测p t c 启动器串联的继电器的通断， 以实现p t c 启动器接入测试主电路的切换。该测试方案的系统结构，如图3 - i 所 示。 1 9 第3 章系统硬件设计 3 1 2 系统硬件的总体框图 图3 1 系统硬件总体框图 本系统的硬件设备，主要包括：高速数据采集卡及接口总线部分、可控电源模 块、l e d 显示板、隔离数字i o 卡、继电器板、接触器及计算机。电气控制布局如 图3 1 0 所示。 3 2 接口总线部分 1 r s 2 3 2 串口总线 2 1 2 2 1 r s 2 3 2 串口总线是一种提供计算机和设备进行串行通讯的总线接口。r s 2 3 2 通讯速度较慢，通讯机制是数据按位依次传送，每位数据的传送都会占据比较固定 的时长。虽然传输的速度比较慢，但是串行通讯所占用的系统资源较少，非常适合 系统间信息交互量不大且对发送和接收响应速度需求不高的场合进行通讯。r s 2 3 2 串口通讯普遍应用于计算机与外设之间的远距离通讯，在测量仪器仪表领域的应用 依旧十分广泛。 r s 2 3 2 的连机器根据针数的不同分为d b 2 5 、d b l 5 和d b 9 三种类型，其中9 针和 2 5 针的连接器比较常见。r s 一2 3 2 的连接器有d t e 数据终端设备和d c e 数据通讯设备 2 0 浙江工业大学硕士学位论文 两种配对使用，习惯上很多工程人员称d t e 为“公接头”而称d c e 为“母接头”。串 行通讯的信号比较简单，一般分为基本数据传送信号和调制解调器信号。其中，基 本数据传送信号包括数据