制熱和自饋溫融合型傳感器的研制

劉 磊，胡校林，柯 愉，余昊泉，劉 冰，魏 群，李 丹，黎步銀

(1.湖北中煙工業有限責任公司，湖北武漢 430040；2.華中科技大學，湖北武漢 430074)

0 引言

從20世紀60年代開始，各種不同用途的PTCR元件不斷涌現，在家用電器、工業電子設備等領域都有它的身影[1]。韓秋菊[2]把PTC電加熱器應用到空調器上，在冬季惡劣環境下，PTC作為電輔熱裝置，保證了空調能夠提供正常的制熱量。王新樹等[3]設計了純電動汽車的空調PTC加熱器，降低了低溫工況下整車的能耗，提高了續航里程。葉明等[4]利用PTC研究一種加熱策略，使電動汽車在低溫環境下的充電時間大大減少，提升了用戶體驗。程文龍[5]建立了一套電加熱主動控溫系統，對比了PTC熱敏電阻和普通電阻的熱控性能，得出了PTC在自控溫和自適應能力上更有優勢。程奕昕等[6]利用PTC加熱元件，建立了PID控溫算法的實驗系統，研究了PID控溫下的PTC加熱元件的高精度控溫特性。

從以上的研究中可以看出，缺少一種制熱和自饋溫一體化的裝置，它既有很高的將電能轉化為熱能的能力，又能很簡易地反映出自身的溫度，達到執行器件與傳感器件相融合的目的。因此，本文在制備低壓低阻PTCR的基礎上，充分利用它的阻-溫特性，結合非線性校正算法，將之整合成為一個整體，最終研制出一種制熱和自饋溫型的傳感器。

1 PTCR的特性

PTCR指的是施主摻雜的BaTiO3陶瓷，在溫度超過某一特定數值時，電阻隨溫度變化而急劇上升，把這種特性稱之為熱敏電阻的PTCR的溫度特性。采用常規陶瓷制備工藝[7]制備出高溫低阻PTCR電阻，可以適應鋰電池作為供電電源，為了使用低壓電源，就需要PTCR的阻值較小。圖1為所研制樣品的阻溫特性曲線圖，樣品的居里溫度為260 ℃，室溫阻值1～3 Ω，圖2為其靜態伏安特性曲線。其最大電流為1.4 A，對應電壓為1.45 V。當電壓超過1.5 V時，它處于完全工作狀態?？梢?，該PTCR電阻在1.5 V的工作電壓下能正常發熱，為PTCR的低壓應用奠定了基礎。

圖1 阻溫特性曲線

圖2 伏安特性曲線

當PTCR元件兩端施加一定電壓，自熱溫升使之進入阻值躍變溫區時，電阻體表面溫度將保持一定值[1]。即該溫度只與材料的居里溫度及元件所加電壓有關，而基本與環境溫度無關。利用這一特性就可以設計制備出不同定溫的發熱元件。

PTCR元件定溫發熱特性的作用原理可用式(1)簡單說明。

(1)

式中：δ為耗散系數；P為耗散功率；T為平衡溫度；Ta為環境溫度；R為溫度T時的阻值；U為外加電壓。

可以得出，當U、δ、T都為定值時，如果電阻實際溫度小于平衡溫度T時，為了達到平衡，電阻值R就會減小，耗散功率就會增大，使電阻溫度上升。相反地，如果電阻實際溫度大于平衡溫度T時，為了平衡，電阻值R會隨之增大，耗散功率就會減小，促使電阻溫度下降。由此可見，當作用于PTCR某一電壓時，元件溫度便可自動地穩定在定值，即能自動恒溫。

可以推斷出PTCR元件對電源紋波基本沒有要求。因為當電源電壓波動造成發熱功率的增大達到不平衡狀態時，元件的電阻就會增大，發熱功率就開始減小，其阻值也跟著減小，反之同理。如果用鎳鉻絲作為發熱元件時，其發熱量與電源電壓的平方成正比，故電源電壓的變化對發熱量影響比較大。由電壓電流特性圖和依據溫度與阻值的關系，就可以計算出PTCR的工作溫度。

2 制熱性能

PTCR的動作時間tA[8]表示從初始加電電流下降到某電流值所用的時間。為了更公正、合理地與其他加熱器件進行比較，引入了加熱上升時間參數來評估，它表示在室溫(25 ℃)時，加熱單元空載條件下，到達某一平衡溫度所需要的時間。PTCR片和某加熱芯的加熱上升曲線如圖3所示。從圖3可以看出PTCR片的溫度上升速度更快，溫度上升時間為25 s，而某加熱芯的溫度上升時間為40 s，加熱時間縮短了60%。同時，PTCR能夠更快地進入穩態工作溫度狀態。

圖4為不同電壓下PTCR的加熱曲線圖。從圖4不同電壓下PTCR加熱上升時間來看，電壓越高，響應越快，沖擊電流也會更大，但達到9 V以上時，這種趨勢開始變得不明顯；同時，電壓越高，所能達到的最高溫度也越大，同樣地，達到9 V以上時最高溫度也不再升高。從前面的描述中可以知道，周遭環境的變化對PTCR加熱的加熱上升時間有一定影響，但只要環境狀態穩定了，最終的平衡溫度也基本不變。

圖4 不同電壓下PTCR的加熱曲線圖

從能耗的角度來進一步說明PTCR的性能。給兩種器件都用同樣規格的鋰電池供電，然后間隔式給器件通電、斷電，實驗采用通電3 min后再斷電3 min的方案，斷電過程中器件會自然冷卻。如此循環反復，通過統計使電池電量耗盡時通斷的次數來評價功耗的高低。實驗得出，某加熱芯可以通斷20次，PTCR的樣品可以通斷26次。顯然應用PTCR的能耗更低、更加節能環保，節能達到30%以上。

從圖4的曲線來看，若想小范圍內調節PTCR的最高平衡溫度，可以串聯一個MOS管，調節驅動MOS管的脈沖波形的占空比，即改變加載的平均電壓。此方案屬于擴展功能，在一定的條件下具有很高的性價比。

3 自饋溫處理

3.1 硬件設計

整個電路以ARMCortex-M3為內核的STM32F103T8U6單片機作為主控，在與用戶交互時使用了OLED顯示屏、按鍵、蜂鳴器和LED指示燈，同時主控芯片還對電池、PTCR發熱片、過流保護等進行了管理，硬件結構框圖如圖5所示。

圖5 硬件結構框圖

為了縮減PTCR的動作時間tA，即能較快速地到達預設溫度，通過使用DC-DC升壓電路，將電池電壓升至5 V來給PTCR供電。圖6為過流保護的電路圖，其原理是：當輸入電壓大于電壓檢測器的檢測電壓(2.7 V)時，它輸出高電平，傳導至快開慢關電路，該電路的作用是當高電平來臨時，電路能快速輸出高電平，當輸入由高電平跳變至低電平時，它還能維持一段時間的高電平。輸出的高電平經反相器反相成低電平傳導給與門，則與門輸出低電平，它將使PTCR的供電芯片停止工作，即不再輸出。所以，當過流或短路來臨時，它將迅速關斷輸出，并維持關斷一段時間，后能自動恢復，且可重復觸發。這樣可使單片機對此的采樣頻率大大降低。配合單片機可在硬件觸發時做任意時長的關斷保護或其他響應。

圖6 過流保護電路圖

圖7為過流保護仿真。從仿真結果看，開啟時間為55 μs，關閉時間為150 ms，滿足快開慢關。也就是說，當過流或短路發生時，會持續55 μs，然后關斷，關斷會持續150 ms。

圖7 過流保護仿真

3.2 軟件設計

嵌入式實時操作系統(RTOS)能夠提供調度、維護等功能，可以建立多個任務，這些任務從宏觀上看是并行執行的，但從微觀看，卻是獨立運行的。它資源調度靈活，也可以進行任務間的通信。通過采用時間片輪轉算法來調度，將按鍵、LED、ADC、電池管理、加熱管理和界面刷新分別作為單獨的任務，各任務間的耦合度非常低，有利于分層管理，也有利于更新維護。

由PTCR的阻-溫特性可知，在居里點以上基本上是呈指數型變化的，一般而言要對這種非線性的數據進行處理，包括硬件補償和軟件補償兩類方案[9]。其中硬件補償可通過電阻網絡校正、電路模擬校正等，但是它們的通用性差、精度低且調試難度高；而軟件補償通常來說靈活多變、模擬仿真和調試都比較方便。常用的軟件補償有最小二乘法、查表法和插值法。本文采用了常規的二分查找表，先使用華中科技大學自主研發的ZWX-BC R-T特性測試儀來標記樣片的阻-溫數據，然后將數據導出成單片機可以處理的形式[10]，再在單片機上判斷曲線是處于NTC段還是PTC段，接著將段內的數據按二分查找的方法來得出對應的溫度值[11]。

4 結論

采用PTCR熱敏電阻，研制了既可以作為加熱元件，又可以自饋溫的傳感器。設計的相應硬件和軟件，充分發揮了PTCR的特性。通過對比實驗得出用PTCR作為加熱元件時，加熱上升時間縮短了60%，同時，溫度更快地進入穩態工作溫度狀態，能耗減少了30%。且過流保護電路工作穩定。當PTCR作為自饋溫器件時，運用二分查找法快速得出相應的溫度值。因此PTCR熱敏電阻作為一種制熱和自饋溫的傳感器有很強的實用性。