陶瓷材料体积电阻率测定仪

ZST-121陶瓷材料体积电阻率测定仪

一、实验目的

通过测试电阻率，了解陶瓷材料的导电特性，以便正确地认识、改进与使用该材料；了解ZST-121超高值绝缘电阻率测试仪(简称高阻仪)的基本原理，掌握使用高阻仪测定陶瓷材料的体积电阻，表面电阻和绝缘电阻的方法；了解影响测试结果的因素。

二、实验仪器

1 ．ZST-121 型陶瓷材料体积电阻率测定仪简介

ZST-121 型电阻仪是一种直流式的超高电阻计和微电流两用仪器。仪器的最高量限 1017 Ω 电阻值和 10-14A微电流。

适用于科研、工厂、学校、对绝缘材料、电工产品、电子设备以及元件的绝缘电阻测 量和高阻兆欧电阻的测量，也可用于微电流测量。

2 ．技术指标

（1 ） 工作电源：  电压 ~220V    频率 50Hz    消耗功率： 15W

（2 ） 测试电压及测试范围：

1 ． 高电阻的测试电压：

（1 ）  电压共分五档： 10 、100 、250 、500 、1000V

（2 ）  电压偏差：不大于 5%

（3 ）  电压稳定度：不大于 0.2%

2 ． 高电阻测量：

（1 ）测量范围： 1 × 106 ~ 1 × 1017    Ω共分八档

3 ． 微电流测量

（1 ）测量范围： 1 × 10-5 ~ 1 × 10-14A共分八档

（2 ）电流极性： “+”或 “- ”

（3 ）仪器的零点漂移：

一起在稳定的工作电压及无信号输入时（输入短路）；通电一小时后，在 8  小时 内零点漂移不大于全标尺 4%    。

（4 ）仪器的时间响应：小于 30 秒

（4 ） 仪器可连续工作 8 小时

三、测试电路原理：

仪器作为高电阻测量时其主要原理如图所示， 测试时， 被测试样与高阻抗直流放大器的输入电阻串联并跨接于直流高压测试电源上（由直流高压发生器产生）。高阻抗直流放大器将其输入电阻 上的分压讯号经放大输出至指示仪表，由指示仪表直接读出被测绝缘电阻值。

仪器作为微电流测量时， 仅利用高阻抗直流放大器， 将被测微电流讯号进行放大， 由指示仪表 直接读出。

式中：

U 一测试电源输出电压；

Rx一试样电阻；

Ri一微电流放大器的等效输入阻抗。

电路结构：主要由下列五部分组成

1 ． 直流高压测试电源： 10 、100 、250 、500 、1000V  五档。

2 ． 测试放电装置(包括输入短路开关)：将具有电容性较大的试样在测试前后进行充电和放电， 以减少介质吸收电流及电容充电时，电流对仪器的冲击和保障操作人员的安全。

3 ． 高阻抗直流放大器：将被测微电流讯号放大后输入至指示仪表。

4 ． 指示仪表：作为被测绝缘电阻和微电流的指示。

5 ． 电源：供给仪器各部分工作电源。

高阻仪应满足下列要求：

(a)测量误差小于 20％；

(b)零点漂移每小时不应大子全量程的 4％；

(c)输入接线的绝缘电阻应大于仪器输入电阻的 100 倍；

(d)测试电路应有良好的屏蔽。

三、计算公式：

π—3.1416；

D2一保护电极的内径 (cm)；

D1一测量电极的直径 (cn)；

1n 一自然对数。

四、测试步骤：

一、准备工作

1 ．接通电源前的准备工作：

（1 ）检查电源联系是否正确

（2 ）测试电压选择开关置于放电位置，测试电压旋钮放在低档（ 10V 挡）。

（3 ）倍率旋钮放在低量程上

(4)将电表“+”、“一”极性开关放在“+”的一边。

（5 ）输入短路开关应放在短路位置，使放大器输入端短路。

（6 ）电表机械零点处于零出。

2 ．接通电源及预热

将电源开关打开，预热 15 分钟。（若用高倍率挡时应预热 1 小时）

(1)将仪器连接线接好，操作仪器，使高阻表处于备用状态。 仪器的连接：

(1)调整“调零”旋钮，使电表指针在“0”点。 (对欧姆刻度来说就是“∞”点)

(2)将电缆线一端接在高阻仪面板上的输入插座中，另一端接至电极箱一侧 的测量插座中并旋紧固定套。

（3 ）将测试电源线一端接在高阻仪面板上的测试电压接线柱Rx上（红色），另一端接至电 极箱一侧的测试电压接线柱上（红色）。(此时高阻仪面板上的“放电一测试”开关应置于“放 电位置”。 )

（4 ）将接线地线一端接至高阻仪面板上的接地端钮上，另一端接到电极箱的接地端钮上， 然后一并接地。

二、测试样品的连接

将充分放电及干燥处理的试样(即当试样末加压时，应在仪器上没有明显的指示值)的三个 电极引线分别接于电极箱内相应的三个接线柱上，关闭电极箱盖。

三、测量体积电阻值 Rv：

（a ）将 Rv 、Rs 转换开关旋至 Rv 处。

(b)将电压选择开关置于所需要的测试电压位置上，将“倍率选择”旋钮选 至所需的位置。 (在不了解测试值的数量级时，倍率应从低次方开始选择。 )

(c)将“放电、测试”开关放在“测试”位置，检查电压应选择的位置，打   开输入短路开关(即按钮抬起来)，读取加上测试电压 1 分钟，指示电表显示的电 阻值。读数完毕，将“倍率”打回“ 10-1 ”档。

四、测量表面电阻值 Rs：

(a)将 Rv 、Rs 转换开关旋至 Rs 处。

(b)将电压选择开关置于所需要的测试电压位置上，将“倍率选择”旋至所 需要的位置。   (在不了解测试值的数量级时，倍率应从低次方开始选择。 )

(c)将“放电、测试”开关放在“测试”位置，检查应选择的位置，打开输   入短路开关(即按钮抬起来)，读取加上测试电压 1 分钟时，指示电表显示的电阻 值。读数完毕，将“倍率”打回“ 10-1 ”档。

(d)接入短路开关，将“放电、测试”开关打回到“放电”位置。更换试样，

重复以上操作，待全部试样测量完毕后，切除电源，除去各种连接线，按要求整理、 

五、数据及处理：

(1)将测得的数据填入下列表格的相应格中．

(2)用所得的测试数据分别计算各试样的体积电阻率ρV ，及表面电阻率ρS， 将计算结果填入下表的相应格内．

(3)根掂所做实验试分析产生误差的原因，及采取哪些缩小误差的措施。

(4)对实验中出现的一些问题进行讨论。

五、实验思考题：

l．电导率与电阻率的相互关系如何？

2 ．影响材料电导率的因素有哪些？

3 、材料电性能的主要测量方法有哪些？

4 、 进行材料电阻系数的测定有何实际意义？

5 、如何区分导体、半导体和绝缘体？                                                       6 、简单介绍测定时间、温度、湿度、测定电压、接触电极材料、间 隙 宽度和测试回路中标准电 阻对测定的影响。

六、背景知识

测量材料电阻的方法很多，有高阻（>106Ω ）测量和低阻（<10-2Ω ）测量。根据材 料的电阻大小不同， 采用的测量方法各异， 包括： 惠斯顿单电桥法、双电桥测量法、电

位差计测量和直流四探针法。它们主要测量材料的电阻率。以下重点介绍低电阻(<106Ω) 的测量方法。

1 、惠斯顿（Huiston ）单电桥法

惠斯顿单电桥测量原理图见图 3-21 。图中 CD 之间串联一检流计 G ，Rp 为调节桥路 电流的滑线电阻器， 当 C 、D 两点同电位时， 通过检流计 G 的电流为零。 RN  、R1 、R2

的电阻均已知，被测电阻 Rx 的计算为：

图 3-21 惠斯顿单电桥测量原理图

在上面的测量中Rx实际并非真正的被测电阻， 测出的电阻包括A 、B两点的导线电 阻和接触电阻。当测量低电阻时， 由于结构和接触电阻无法消除， 灵敏度不高、测量数

值偏差较大， 只有当被测电阻相对于导线电阻和接触电阻相当大时， Rx才接近于 RN 。

因此惠斯顿单电桥的测量很少用于测量金属电阻，其测量电阻范围通常在在 10∼ 106Ω。

2 、 双电桥法

双电桥法是目前测量金属室温电阻应用*的方法， 用于测量低电阻（ 102∼ 10-6Ω）。

双电桥测量原理图见 3-22

3-22    双电桥测量原理图

双电桥法测量时，待测电阻Rx和标准电阻RN  相互串连后，串入一有恒电流的回路 中。将可调电阻R1R2R3R4组成电桥四臂， 并与Rx 、RN 并连； 在其间B 、D点连接检流计 G ，那么测量电阻Rx归结为调节R1R2R3R4 电阻使电桥达到平衡， 则检流计为零（G=0）， 即VD=VB

为了使上式简化， 在设计电桥时， 使R1 =R3，R2=R4 ，并将它们的阻值设计的比较大， 而

导线的电阻足够小（选用短粗的导线）， 这样使  − 趋向于零， 则附加项趋近于零，

上式近似为：

R  =  R1  R  =  R3  R

R          R

当检流计为零时，从电桥上读出R1   、，R2 ，而RN        为已知的标准电阻，用上式可求出 Rx值。

用双电桥测量电阻可测量 100∼ 10-6Ω 的电阻，测量精度为 0.2%。

在测量中应注意：连接Rx 、RN 的铜导线尽量粗而短，测量尽可能快。

3 ．电位差计法

电位差计法广泛应用于金属合金的电阻测量，可测量试样的高温和低温电阻，还可 以测试电位差、电流和电阻，它的精度比双电桥法精度高。可以测量 10-7 的微小电势。 电位差计是以被测电位差与仪器电阻的已知电压降平衡的原理为基础。电位差计的工作 原理图见图 3.-23 ，电位差计测量原理图见图 3.-24

3.-23 电位差计的工作原理图             3.-24 电位差计测量原理图

电位差计测量电阻的原理：当一恒定电流通过试样和标准电阻时，测定试样和标准 电阻两端的电压降Vx和VN ，RN 已知，通过下式计算出Rx

电位差计法优点：导线（引线）电阻不影响电位差计的电势Vx 、VN ，的测量，而 双电桥法由于引线较长和接触电阻很难消除， 所以在测金属电阻随温度变化， 不够精确。

4 ． 直流四探针法

直流四探针法主要用于半导体材料或超导体等的低电阻率的测量。他具有设备简 单、操作方便，测量较精确等优点。常用于半导体单晶硅掺杂的电阻率测量。图 3-25 为四探针法的测量线路原理图及其接线探针排列。

图 3-25 四探针法的测量线路原理图

如图 3-251 、2 、3 、4 四根金属探针彼此相距 1mm ，排在一条直线上，要求四根探 针与样品表面接触良好。由 1 、4 探针通入小电流，当电流通过时，样品各点将有电位 差，同时用高阻静电计、电子毫伏计测出 2 、3 探针间的电位差 V23 ，由下式可直接计 算出样品的电阻率：

ρ = C 

C 是与被测样品的几何尺寸及探针间距有关的测量的系数，称为探针系数。 单位：（cm）；I 是探针通入的电流。

当被测样品的几何尺寸相对于探针间距大的多时，即把样品看成半无限大，探针间

距足够小时，则电阻率为：

式中 S 是等距离四探针两针间的间距； 电流 I 的选择很重要， 如果电流过大， 会使样品 发热， 引起电阻率改变， 使测量误差变大。测量时， 四探针也可不排成一条直线， 可以 排成矩形或四方形。