ZST-121陶瓷材料體積電阻率測定儀

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

通過測試電阻率，了解陶瓷材料的導(dǎo)電特性，以便正確地認(rèn)識(shí)、改進(jìn)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(jié)果的因素。

二、實(shí)驗(yàn)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(jì)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(xué)校、對(duì)絕緣材料、電工產(chǎn)品、電子設(shè)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(shù)指標(biāo)

（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(wěn)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(diǎn)漂移：

一起在穩(wěn)定的工作電壓及無信號(hào)輸入時(shí)（輸入短路）；通電一小時(shí)后，在 8  小時(shí) 內(nèi)零點(diǎn)漂移不大于全標(biāo)尺 4%    。

（4 ）儀器的時(shí)間響應(yīng)：小于 30 秒

（4 ） 儀器可連續(xù)工作 8 小時(shí)

三、測試電路原理：

儀器作為高電阻測量時(shí)其主要原理如圖所示， 測試時(shí)， 被測試樣與高阻抗直流放大器的輸入電阻串聯(lián)并跨接于直流高壓測試電源上（由直流高壓發(fā)生器產(chǎn)生）。高阻抗直流放大器將其輸入電阻 上的分壓訊號(hào)經(jīng)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(shí)， 僅利用高阻抗直流放大器， 將被測微電流訊號(hào)進(jìn)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(jié)構(gòu)：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(guān))：將具有電容性較大的試樣在測試前后進(jìn)行充電和放電， 以減少介質(zhì)吸收電流及電容充電時(shí)，電流對(duì)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(hào)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(yīng)滿足下列要求：

(a)測量誤差小于 20％；

(b)零點(diǎn)漂移每小時(shí)不應(yīng)大子全量程的 4％；

(c)輸入接線的絕緣電阻應(yīng)大于儀器輸入電阻的 100 倍；

(d)測試電路應(yīng)有良好的屏蔽。

三、計(jì)算公式：

π—3.1416；

D2一保護(hù)電極的內(nèi)徑 (cm)；

D1一測量電極的直徑 (cn)；

1n 一自然對(duì)數(shù)。

四、測試步驟：

一、準(zhǔn)備工作

1 ．接通電源前的準(zhǔn)備工作：

（1 ）檢查電源聯(lián)系是否正確

（2 ）測試電壓選擇開關(guān)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(guān)放在“+"的一邊。

（5 ）輸入短路開關(guān)應(yīng)放在短路位置，使放大器輸入端短路。

（6 ）電表機(jī)械零點(diǎn)處于零出。

2 ．接通電源及預(yù)熱

將電源開關(guān)打開，預(yù)熱 15 分鐘。（若用高倍率擋時(shí)應(yīng)預(yù)熱 1 小時(shí)）

(1)將儀器連接線接好，操作儀器，使高阻表處于備用狀態(tài)。 儀器的連接：

(1)調(diào)整“調(diào)零"旋鈕，使電表指針在“0"點(diǎn)。 (對(duì)歐姆刻度來說就是“∞"點(diǎn))

(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(cè) 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(cè)的測試電壓接線柱上（紅色）。(此時(shí)高阻儀面板上的“放電一測試"開關(guān)應(yīng)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(dāng)試樣末加壓時(shí)，應(yīng)在儀器上沒有明顯的指示值)的三個(gè) 電極引線分別接于電極箱內(nèi)相應(yīng)的三個(gè)接線柱上，關(guān)閉電極箱蓋。

三、測量體積電阻值 Rv：

（a ）將 Rv 、Rs 轉(zhuǎn)換開關(guān)旋至 Rv 處。

(b)將電壓選擇開關(guān)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(shù)量級(jí)時(shí)，倍率應(yīng)從低次方開始選擇。 )

(c)將“放電、測試"開關(guān)放在“測試"位置，檢查電壓應(yīng)選擇的位置，打   開輸入短路開關(guān)(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(shù)完畢，將“倍率"打回“ 10-1 "檔。

四、測量表面電阻值 Rs：

(a)將 Rv 、Rs 轉(zhuǎn)換開關(guān)旋至 Rs 處。

(b)將電壓選擇開關(guān)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(shù)量級(jí)時(shí)，倍率應(yīng)從低次方開始選擇。 )

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

(d)接入短路開關(guān)，將“放電、測試"開關(guān)打回到“放電"位置。更換試樣，

重復(fù)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(shù)據(jù)及處理：

(1)將測得的數(shù)據(jù)填入下列表格的相應(yīng)格中．

(2)用所得的測試數(shù)據(jù)分別計(jì)算各試樣的體積電阻率ρV ，及表面電阻率ρS， 將計(jì)算結(jié)果填入下表的相應(yīng)格內(nèi)．

(3)根掂所做實(shí)驗(yàn)試分析產(chǎn)生誤差的原因，及采取哪些縮小誤差的措施。

(4)對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行討論。

五、實(shí)驗(yàn)思考題：

l．電導(dǎo)率與電阻率的相互關(guān)系如何？

2 ．影響材料電導(dǎo)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(jìn)行材料電阻系數(shù)的測定有何實(shí)際意義？

5 、如何區(qū)分導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體？                                                       6 、簡單介紹測定時(shí)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(biāo)準(zhǔn)電 阻對(duì)測定的影響。

六、背景知識(shí)

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(jù)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(jì)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(diǎn)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(lián)一檢流計(jì) G ，Rp 為調(diào)節(jié)橋路 電流的滑線電阻器， 當(dāng) C 、D 兩點(diǎn)同電位時(shí)， 通過檢流計(jì) G 的電流為零。 RN  、R1 、R2

的電阻均已知，被測電阻 Rx 的計(jì)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(shí)際并非真正的被測電阻， 測出的電阻包括A 、B兩點(diǎn)的導(dǎo)線電 阻和接觸電阻。當(dāng)測量低電阻時(shí)， 由于結(jié)構(gòu)和接觸電阻無法消除， 靈敏度不高、測量數(shù)

值偏差較大， 只有當(dāng)被測電阻相對(duì)于導(dǎo)線電阻和接觸電阻相當(dāng)大時(shí)， 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(yīng)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(shí)，待測電阻Rx和標(biāo)準(zhǔn)電阻RN  相互串連后，串入一有恒電流的回路 中。將可調(diào)電阻R1R2R3R4組成電橋四臂， 并與Rx 、RN 并連； 在其間B 、D點(diǎn)連接檢流計(jì) G ，那么測量電阻Rx歸結(jié)為調(diào)節(jié)R1R2R3R4 電阻使電橋達(dá)到平衡， 則檢流計(jì)為零（G=0）， 即VD=VB

為了使上式簡化， 在設(shè)計(jì)電橋時(shí)， 使R1 =R3，R2=R4 ，并將它們的阻值設(shè)計(jì)的比較大， 而

導(dǎo)線的電阻足夠小（選用短粗的導(dǎo)線）， 這樣使  ? 趨向于零， 則附加項(xiàng)趨近于零，

上式近似為：

R  =  R1  R  =  R3  R

R          R

當(dāng)檢流計(jì)為零時(shí)，從電橋上讀出R1   、，R2 ，而RN        為已知的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)注意：連接Rx 、RN 的銅導(dǎo)線盡量粗而短，測量盡可能快。

3 ．電位差計(jì)法

電位差計(jì)法廣泛應(yīng)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(jì)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(chǔ)。電位差計(jì)的工作 原理圖見圖 3.-23 ，電位差計(jì)測量原理圖見圖 3.-24

3.-23 電位差計(jì)的工作原理圖             3.-24 電位差計(jì)測量原理圖

電位差計(jì)測量電阻的原理：當(dāng)一恒定電流通過試樣和標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí)，測定試樣和標(biāo)準(zhǔn) 電阻兩端的電壓降Vx和VN ，RN 已知，通過下式計(jì)算出Rx

電位差計(jì)法優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)線（引線）電阻不影響電位差計(jì)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(dǎo)體材料或超導(dǎo)體等的低電阻率的測量。他具有設(shè)備簡 單、操作方便，測量較精確等優(yōu)點(diǎn)。常用于半導(dǎo)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(dāng)電流通過時(shí)，樣品各點(diǎn)將有電位 差，同時(shí)用高阻靜電計(jì)、電子毫伏計(jì)測出 2 、3 探針間的電位差 V23 ，由下式可直接計(jì) 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(guān)的測量的系數(shù)，稱為探針系數(shù)。 單位：（cm）；I 是探針通入的電流。

當(dāng)被測樣品的幾何尺寸相對(duì)于探針間距大的多時(shí)，即把樣品看成半無限大，探針間

距足夠小時(shí)，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(huì)使樣品 發(fā)熱， 引起電阻率改變， 使測量誤差變大。測量時(shí)， 四探針也可不排成一條直線， 可以 排成矩形或四方形。