常溫PTC熱控材料及其熱控方法研究.pdf

1、熱控系統(tǒng)是保障儀器設(shè)備正常工作的重要組成部分。隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，某些精密設(shè)備對(duì)于其工作環(huán)境的控溫精度、熱控分系統(tǒng)的重量提出了更高的要求，而現(xiàn)有的熱控手段已經(jīng)越來(lái)越難以滿足這種需求。因此，探索新的熱控方法具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。電加熱主動(dòng)熱控是高精度熱控的常用手段之一，采用PTC（正溫度系數(shù)）熱敏材料取代目前普遍使用的普通電阻，有可能實(shí)現(xiàn)溫度的自適應(yīng)控制以減少熱控系統(tǒng)的重量，并可以進(jìn)一步提高控溫精度。但目前的PTC材料居里溫度普遍較高

2、，對(duì)PTC材料控溫的研究和應(yīng)用主要局限于高溫領(lǐng)域，這對(duì)于大多數(shù)在常溫段工作的儀器設(shè)備而言是不合適的;此外，由于PTC材料與普通電阻的特性具有很大差異，使得PTC材料的主動(dòng)控溫方法也不同于常規(guī)電阻。因此，本文在對(duì)適合于常溫?zé)峥氐男滦蚉TC材料的制備方法和PTC性質(zhì)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，對(duì)PTC材料的自適應(yīng)控溫特性以及高精度控溫的方法和理論進(jìn)行了深入研究。
　　本文首先對(duì)新型常溫高分子基PTC材料和陶瓷基PTC材料的制備方法進(jìn)行了研究。通

3、過(guò)大量對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在高分子基PTC材料中加入少量炭黑可以大大降低其低溫電阻率，據(jù)此，確定了石蠟/LDPE/炭黑為主要組分的高分子基PTC材料的制備方案，給出了高分子基常溫PTC材料各組分的最佳比例和制備方法，測(cè)試結(jié)果表明，在PTC強(qiáng)度變化不大的情況下，其低溫電阻率得到了有效降低。此外，還制備出鈦酸鋇基陶瓷常溫PTC材料，其PTC強(qiáng)度約為1.4，但低溫電阻率較高，研究發(fā)現(xiàn)一些實(shí)驗(yàn)條件控制不到位是制約陶瓷基常溫PTC材料性能進(jìn)一步提升的主

4、要原因，但該研究成果也為今后制備出性質(zhì)更好的常溫PTC材料奠定了基礎(chǔ)。綜合上述分析，由于制備的高分子基常溫PTC材料具有更高的PTC強(qiáng)度、更低的低溫電阻率，本文將研制的高分子基常溫PTC材料作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)。
　　針對(duì)所研制的幾種典型高分子基常溫PTC材料的阻溫性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)定和表征，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)果表明共混基質(zhì)中石蠟的純度對(duì)PTC材料的阻溫性質(zhì)有重要影響，采用正十八烷和正二十烷，其溫度系數(shù)相較于工業(yè)石蠟增大1個(gè)量級(jí)左右

5、(1.57/℃，2.06/℃，0.21/℃)。通過(guò)熱循環(huán)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)約15次循環(huán)后，該材料的PTC強(qiáng)度略有下降，之后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，這表明該P(yáng)TC材料具有較好PTC性質(zhì)及穩(wěn)定性。
　　基于新型常溫居里點(diǎn)PTC材料，對(duì)其自適應(yīng)控溫特性及機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。所謂PTC自適應(yīng)溫控，是指當(dāng)被控溫度超過(guò)居里點(diǎn)時(shí)，由于電阻急劇上升導(dǎo)致加熱功率急劇下降，從而使系統(tǒng)在不采用任何控溫方法下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)控溫。本文分別建立了PTC材料自適應(yīng)控

6、溫實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和理論模型，研究發(fā)現(xiàn):相較于普通電阻，PTC材料具有較強(qiáng)的自適應(yīng)控溫能力;PTC材料的溫度系數(shù)越大，受控部件的平衡溫度波動(dòng)越小，自適應(yīng)溫控能力越強(qiáng);在初始加熱功率不超過(guò)失效功率條件下，初始加熱功率對(duì)自適應(yīng)溫控性能也有重要影響，初始加熱功率越大，自適應(yīng)控溫的穩(wěn)定性越好。該研究成果為常溫居里點(diǎn)PTC材料的自適應(yīng)溫控奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　基于新型常溫PTC材料的阻溫特性，提出了PID算法的比例、積分、微分系數(shù)的優(yōu)化方法，

7、得出了一種適用于PTC材料高精度溫控的PID新算法，并對(duì)PTC材料高精度溫控特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)與普通電阻高精度溫控進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn):開(kāi)關(guān)溫控下PTC材料較普通電阻能獲得更高的控溫精度，最高控溫精度可達(dá)±0.01℃;采用本文所提出的PID算法，可以有效減小PTC材料的控溫超調(diào)，但PTC材料的溫度調(diào)節(jié)過(guò)程變得更為緩慢;給出了PID控制器KP、T1、TD三參數(shù)的范圍分別為5-10、15-30、0.1-10時(shí)，此時(shí)PTC材料PI

8、D控溫超調(diào)小、控溫精度高，其最高控溫精度可達(dá)±0.001K且基本消除控溫超調(diào);溫度系數(shù)越高，PTC材料對(duì)其PID溫控性能提升越明顯。該研究成果對(duì)常溫領(lǐng)域的高精度溫控具有重要價(jià)值。
　　本文進(jìn)一步研究通過(guò)外部手段來(lái)強(qiáng)化PTC材料控溫特性的可能性，設(shè)計(jì)出一種應(yīng)用于PTC電阻溫控的優(yōu)化電路，利用放大電路等效地將PTC材料的溫度系數(shù)放大。在對(duì)該方案進(jìn)行了初步理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)優(yōu)化電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真、制作，并用于了實(shí)際控溫實(shí)驗(yàn)。理論分析

9、發(fā)現(xiàn)，該方案可以有效提高PTC材料的溫度系數(shù);在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于PTC電阻加熱過(guò)快及乘法器芯片增益過(guò)小等問(wèn)題，導(dǎo)致負(fù)載電阻的電壓過(guò)小而無(wú)法有效加熱。本文針對(duì)上述問(wèn)題提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。該研究為基于外部?jī)?yōu)化電路的PTC材料溫控方案提供了經(jīng)驗(yàn)和思路。
　　高精度溫控的一個(gè)主要目的是抑制由于溫度變化所導(dǎo)致的形變對(duì)儀器性能的影響。為了研究熱控精度對(duì)形變的影響，本文最后設(shè)計(jì)并研制了一套具有40個(gè)溫度通道及60個(gè)形變通道的溫度-熱形變測(cè)