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ZST-121陶瓷材料體積電阻率測定儀

一、實驗目的

通過測試電阻率，了解陶瓷材料的導電特性，以便正確地認識、改進與使用該材料；了解ZST-121超高值絕緣電阻率測試儀(簡稱高阻儀)的基本原理，掌握使用高阻儀測定陶瓷材料的體積電阻，表面電阻和絕緣電阻的方法；了解影響測試結果的因素。

二、實驗儀器

1 ．ZST-121 型陶瓷材料體積電阻率測定儀簡介

ZST-121 型電阻儀是一種直流式的超高電阻計和微電流兩用儀器。儀器的最高量限 1017 Ω 電阻值和 10-14A微電流。

適用于科研、工廠、學校、對絕緣材料、電工產品、電子設備以及元件的絕緣電阻測 量和高阻兆歐電阻的測量，也可用于微電流測量。

2 ．技術指標

（1 ） 工作電源：  電壓 ~220V    頻率 50Hz    消耗功率： 15W

（2 ） 測試電壓及測試范圍：

1 ． 高電阻的測試電壓：

（1 ）  電壓共分五檔： 10 、100 、250 、500 、1000V

（2 ）  電壓偏差：不大于 5%

（3 ）  電壓穩定度：不大于 0.2%

2 ． 高電阻測量：

（1 ）測量范圍： 1 × 106 ~ 1 × 1017    Ω共分八檔

3 ． 微電流測量

（1 ）測量范圍： 1 × 10-5 ~ 1 × 10-14A共分八檔

（2 ）電流極性： “+"或 “- "

（3 ）儀器的零點漂移：

一起在穩定的工作電壓及無信號輸入時（輸入短路）；通電一小時后，在 8  小時 內零點漂移不大于全標尺 4%    。

（4 ）儀器的時間響應：小于 30 秒

（4 ） 儀器可連續工作 8 小時

三、測試電路原理：

儀器作為高電阻測量時其主要原理如圖所示， 測試時， 被測試樣與高阻抗直流放大器的輸入電阻串聯并跨接于直流高壓測試電源上（由直流高壓發生器產生）。高阻抗直流放大器將其輸入電阻 上的分壓訊號經放大輸出至指示儀表，由指示儀表直接讀出被測絕緣電阻值。

儀器作為微電流測量時， 僅利用高阻抗直流放大器， 將被測微電流訊號進行放大， 由指示儀表 直接讀出。

式中：

U 一測試電源輸出電壓；

Rx一試樣電阻；

Ri一微電流放大器的等效輸入阻抗。

電路結構：主要由下列五部分組成

1 ． 直流高壓測試電源： 10 、100 、250 、500 、1000V  五檔。

2 ． 測試放電裝置(包括輸入短路開關)：將具有電容性較大的試樣在測試前后進行充電和放電， 以減少介質吸收電流及電容充電時，電流對儀器的沖擊和保障操作人員的安全。

3 ． 高阻抗直流放大器：將被測微電流訊號放大后輸入至指示儀表。

4 ． 指示儀表：作為被測絕緣電阻和微電流的指示。

5 ． 電源：供給儀器各部分工作電源。

高阻儀應滿足下列要求：

(a)測量誤差小于 20％；

(b)零點漂移每小時不應大子全量程的 4％；

(c)輸入接線的絕緣電阻應大于儀器輸入電阻的 100 倍；

(d)測試電路應有良好的屏蔽。

三、計算公式：

π—3.1416；

D2一保護電極的內徑 (cm)；

D1一測量電極的直徑 (cn)；

1n 一自然對數。

四、測試步驟：

一、準備工作

1 ．接通電源前的準備工作：

（1 ）檢查電源聯系是否正確

（2 ）測試電壓選擇開關置于放電位置，測試電壓旋鈕放在低檔（ 10V 擋）。

（3 ）倍率旋鈕放在低量程上

(4)將電表“+"、“一"極性開關放在“+"的一邊。

（5 ）輸入短路開關應放在短路位置，使放大器輸入端短路。

（6 ）電表機械零點處于零出。

2 ．接通電源及預熱

將電源開關打開，預熱 15 分鐘。（若用高倍率擋時應預熱 1 小時）

(1)將儀器連接線接好，操作儀器，使高阻表處于備用狀態。 儀器的連接：

(1)調整“調零"旋鈕，使電表指針在“0"點。 (對歐姆刻度來說就是“∞"點)

(2)將電纜線一端接在高阻儀面板上的輸入插座中，另一端接至電極箱一側 的測量插座中并旋緊固定套。

（3 ）將測試電源線一端接在高阻儀面板上的測試電壓接線柱Rx上（紅色），另一端接至電 極箱一側的測試電壓接線柱上（紅色）。(此時高阻儀面板上的“放電一測試"開關應置于“放 電位置"。 )

（4 ）將接線地線一端接至高阻儀面板上的接地端鈕上，另一端接到電極箱的接地端鈕上， 然后一并接地。

二、測試樣品的連接

將充分放電及干燥處理的試樣(即當試樣末加壓時，應在儀器上沒有明顯的指示值)的三個 電極引線分別接于電極箱內相應的三個接線柱上，關閉電極箱蓋。

三、測量體積電阻值 Rv：

（a ）將 Rv 、Rs 轉換開關旋至 Rv 處。

(b)將電壓選擇開關置于所需要的測試電壓位置上，將“倍率選擇"旋鈕選 至所需的位置。 (在不了解測試值的數量級時，倍率應從低次方開始選擇。 )

(c)將“放電、測試"開關放在“測試"位置，檢查電壓應選擇的位置，打   開輸入短路開關(即按鈕抬起來)，讀取加上測試電壓 1 分鐘，指示電表顯示的電 阻值。讀數完畢，將“倍率"打回“ 10-1 "檔。

四、測量表面電阻值 Rs：

(a)將 Rv 、Rs 轉換開關旋至 Rs 處。

(b)將電壓選擇開關置于所需要的測試電壓位置上，將“倍率選擇"旋至所 需要的位置。   (在不了解測試值的數量級時，倍率應從低次方開始選擇。 )

(c)將“放電、測試"開關放在“測試"位置，檢查應選擇的位置，打開輸   入短路開關(即按鈕抬起來)，讀取加上測試電壓 1 分鐘時，指示電表顯示的電阻 值。讀數完畢，將“倍率"打回“ 10-1 "檔。

(d)接入短路開關，將“放電、測試"開關打回到“放電"位置。更換試樣，

重復以上操作，待全部試樣測量完畢后，切除電源，除去各種連接線，按要求整理、

五、數據及處理：

(1)將測得的數據填入下列表格的相應格中．

(2)用所得的測試數據分別計算各試樣的體積電阻率ρV ，及表面電阻率ρS， 將計算結果填入下表的相應格內．

(3)根掂所做實驗試分析產生誤差的原因，及采取哪些縮小誤差的措施。

(4)對實驗中出現的一些問題進行討論。

五、實驗思考題：

l．電導率與電阻率的相互關系如何？

2 ．影響材料電導率的因素有哪些？

3 、材料電性能的主要測量方法有哪些？

4 、 進行材料電阻系數的測定有何實際意義？

5 、如何區分導體、半導體和絕緣體？                                                       6 、簡單介紹測定時間、溫度、濕度、測定電壓、接觸電極材料、間 隙 寬度和測試回路中標準電 阻對測定的影響。

六、背景知識

測量材料電阻的方法很多，有高阻（>106Ω ）測量和低阻（<10-2Ω ）測量。根據材 料的電阻大小不同， 采用的測量方法各異， 包括： 惠斯頓單電橋法、雙電橋測量法、電

位差計測量和直流四探針法。它們主要測量材料的電阻率。以下重點介紹低電阻(<106Ω) 的測量方法。

1 、惠斯頓（Huiston ）單電橋法

惠斯頓單電橋測量原理圖見圖 3-21 。圖中 CD 之間串聯一檢流計 G ，Rp 為調節橋路 電流的滑線電阻器， 當 C 、D 兩點同電位時， 通過檢流計 G 的電流為零。 RN  、R1 、R2

的電阻均已知，被測電阻 Rx 的計算為：

圖 3-21 惠斯頓單電橋測量原理圖

在上面的測量中Rx實際并非真正的被測電阻， 測出的電阻包括A 、B兩點的導線電 阻和接觸電阻。當測量低電阻時， 由于結構和接觸電阻無法消除， 靈敏度不高、測量數

值偏差較大， 只有當被測電阻相對于導線電阻和接觸電阻相當大時， Rx才接近于 RN 。

因此惠斯頓單電橋的測量很少用于測量金屬電阻，其測量電阻范圍通常在在 10～ 106Ω。

2 、 雙電橋法

雙電橋法是目前測量金屬室溫電阻應用*的方法， 用于測量低電阻（ 102～ 10-6Ω）。

雙電橋測量原理圖見 3-22

3-22    雙電橋測量原理圖

雙電橋法測量時，待測電阻Rx和標準電阻RN  相互串連后，串入一有恒電流的回路 中。將可調電阻R1R2R3R4組成電橋四臂， 并與Rx 、RN 并連； 在其間B 、D點連接檢流計 G ，那么測量電阻Rx歸結為調節R1R2R3R4 電阻使電橋達到平衡， 則檢流計為零（G=0）， 即VD=VB

為了使上式簡化， 在設計電橋時， 使R1 =R3，R2=R4 ，并將它們的阻值設計的比較大， 而

導線的電阻足夠?。ㄟx用短粗的導線）， 這樣使 ? 趨向于零， 則附加項趨近于零，

上式近似為：

R  = R1 R  = R3 R

R          R

當檢流計為零時，從電橋上讀出R1   、，R2 ，而RN        為已知的標準電阻，用上式可求出 Rx值。

用雙電橋測量電阻可測量 100～ 10-6Ω 的電阻，測量精度為 0.2%。

在測量中應注意：連接Rx 、RN 的銅導線盡量粗而短，測量盡可能快。

3 ．電位差計法

電位差計法廣泛應用于金屬合金的電阻測量，可測量試樣的高溫和低溫電阻，還可 以測試電位差、電流和電阻，它的精度比雙電橋法精度高。可以測量 10-7 的微小電勢。 電位差計是以被測電位差與儀器電阻的已知電壓降平衡的原理為基礎。電位差計的工作 原理圖見圖 3.-23 ，電位差計測量原理圖見圖 3.-24

3.-23 電位差計的工作原理圖             3.-24 電位差計測量原理圖

電位差計測量電阻的原理：當一恒定電流通過試樣和標準電阻時，測定試樣和標準 電阻兩端的電壓降Vx和VN ，RN 已知，通過下式計算出Rx

電位差計法優點：導線（引線）電阻不影響電位差計的電勢Vx 、VN ，的測量，而 雙電橋法由于引線較長和接觸電阻很難消除， 所以在測金屬電阻隨溫度變化， 不夠精確。

4 ． 直流四探針法

直流四探針法主要用于半導體材料或超導體等的低電阻率的測量。他具有設備簡 單、操作方便，測量較精確等優點。常用于半導體單晶硅摻雜的電阻率測量。圖 3-25 為四探針法的測量線路原理圖及其接線探針排列。

圖 3-25 四探針法的測量線路原理圖

如圖 3-251 、2 、3 、4 四根金屬探針彼此相距 1mm ，排在一條直線上，要求四根探 針與樣品表面接觸良好。由 1 、4 探針通入小電流，當電流通過時，樣品各點將有電位 差，同時用高阻靜電計、電子毫伏計測出 2 、3 探針間的電位差 V23 ，由下式可直接計 算出樣品的電阻率：

ρ = C

C 是與被測樣品的幾何尺寸及探針間距有關的測量的系數，稱為探針系數。 單位：（cm）；I 是探針通入的電流。

當被測樣品的幾何尺寸相對于探針間距大的多時，即把樣品看成半無限大，探針間

距足夠小時，則電阻率為：

式中 S 是等距離四探針兩針間的間距； 電流 I 的選擇很重要， 如果電流過大， 會使樣品 發熱， 引起電阻率改變， 使測量誤差變大。測量時， 四探針也可不排成一條直線， 可以 排成矩形或四方形。