電阻值與電阻率的測(cè)量(下)

1、 測(cè)量技術(shù)的考慮和提高測(cè)量準(zhǔn)確度的途徑針對(duì)絕緣材料等高阻樣品針對(duì)絕緣材料等高阻樣品提綱v1. 對(duì)試樣和電極的要求v1.1.對(duì)試樣的要求v1.2.二電極系統(tǒng)v1.3.三電極系統(tǒng)v1.4.對(duì)電極材料的要求v2. 影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素和提高測(cè)量準(zhǔn)確度的途徑v2.1.氣候條件的影響和確定v2.2.工作條件電壓、時(shí)間的影響和確定v2.3.環(huán)境條件漏電流及外來(lái)干擾電勢(shì)的影響1.對(duì)試樣和電極的要求1.1.對(duì)試樣的要求vGB1410-78規(guī)定了試樣尺寸，v圓形平板試樣，直徑為100mm或50mm，v方形平板試樣為100100mm2或5050mm2，v管狀試樣為長(zhǎng)100mm或50mm，v試樣一般不小于3個(gè)。1.

2、對(duì)試樣和電極的要求1.1.對(duì)試樣的要求v如果不是按照國(guó)標(biāo)嚴(yán)格制備的樣品，那么一般的制備原則是：試樣尺寸應(yīng)選擇的大一些，以便安裝電極，同時(shí)克服材料不均勻性的影響。1. 對(duì)試樣和電極的要求1.2.二電極系統(tǒng)v測(cè)量總電流，無(wú)法區(qū)分IV和IS，故而測(cè)到的是總電阻。v特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，方便，用于要求不高的場(chǎng)合。v考慮到試樣的不均勻性，為了使測(cè)得的數(shù)值真正反映材料的實(shí)際特性，電極的面積應(yīng)大一些。1. 對(duì)試樣和電極的要求1.3.三電極系統(tǒng)v為了克服二電極系統(tǒng)無(wú)法區(qū)分IV和IS的缺點(diǎn)， 需采用三電極測(cè)量系統(tǒng)。v在二電極系統(tǒng)上增加了保護(hù)電極，各電極尺寸也有國(guó)標(biāo)。v1 測(cè)量電極v2 保護(hù)電極v3 待測(cè)樣品v4 高壓電極

3、v在測(cè)量體電阻時(shí)，用測(cè)量電極(1)和高壓電極(4)，保護(hù)電極(2)接地；在測(cè)量面電阻時(shí)，用測(cè)量電極(1)和保護(hù)電極(2)，高壓電極(4)接地。v由于有了保護(hù)電極，三電極系統(tǒng)在測(cè)量體電阻率時(shí)，消除了面電導(dǎo)的影響；而測(cè)量面電阻率時(shí)又消除了體電導(dǎo)的影響。1. 對(duì)試樣和電極的要求1.3.三電極系統(tǒng)（電極尺寸）v電極尺寸的選擇，應(yīng)使得測(cè)量電極間的電場(chǎng)盡可能均勻。v對(duì)于平板試樣，應(yīng)使保護(hù)電極與測(cè)量電極間的間隙均勻，且盡可能的小，使測(cè)量電極邊緣的電場(chǎng)不均勻性減小。v保護(hù)電極的寬度至少應(yīng)兩倍于樣品的厚度。v測(cè)量電極的尺寸要遠(yuǎn)大于樣品的厚度。v高壓電極應(yīng)比保護(hù)電極內(nèi)半徑大2h 。v可參見(jiàn)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。1. 對(duì)

4、試樣和電極的要求1.3.三電極系統(tǒng)（測(cè)量裝置，絕緣）v應(yīng)用三電極系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，測(cè)量裝置通常是一個(gè)有二個(gè)絕緣出線端的金屬匣，樣品放在其中。v匣子本身與保護(hù)電極相連。v如果線路上的保護(hù)電極接地，則匣接地。測(cè)量電極和高壓電極均應(yīng)用屏蔽線接入測(cè)量電路。v當(dāng)測(cè)量線路要求高壓電極接地時(shí)，則金屬匣必須對(duì)地絕緣，并且為了消除感應(yīng)電壓的影響，應(yīng)把它放在接地屏內(nèi)。對(duì)于測(cè)量電路，此時(shí)測(cè)量電極的引線必須有雙重屏蔽。v1 測(cè)量電極v2 保護(hù)電極v3 待測(cè)樣品v4 高壓電極管形電極平板電極1. 對(duì)試樣和電極的要求1.4.對(duì)電極材料的要求電極與樣品表面有良好的接觸，其間沒(méi)有空氣間隙、氣泡、空氣夾層，否則構(gòu)成雙層介質(zhì)。v電極與

5、材料在試驗(yàn)條件下不起變化（如蒸發(fā)、氧化等），而且不影響被測(cè)介質(zhì)的性能，更不能與介質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)。v電極與試樣有良好的導(dǎo)電性；v制作容易、安裝方便、工作安全。1. 對(duì)試樣和電極的要求1.4.對(duì)電極材料的要求常用電極有v塊狀金屬電極 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但是與試樣接觸不良。v金屬箔電極 與實(shí)驗(yàn)接觸良好，適于不吸油的試樣。表面致密無(wú)孔洞，無(wú)法對(duì)試樣進(jìn)行正?；幚怼銀漆 多孔，試樣內(nèi)部的潮氣容易擴(kuò)散出去，適合研究材料絕緣電阻與溫（濕）度關(guān)系。常用的電極材料v噴涂或真空蒸發(fā)金屬電極 與銀漆特性相似v導(dǎo)電橡皮電極 接觸良好，適合潮濕環(huán)境測(cè)試，易氧化，不能用于高溫測(cè)量。v石墨電極 接觸良好，制作方便，可用于

6、高溫測(cè)量，不能用于易吸水或吸油的試樣。v導(dǎo)電液體電極（水銀電極） 接觸良好，水銀有毒，不能用于連續(xù)測(cè)量和高溫測(cè)量場(chǎng)合。2. 影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素和提高測(cè)量準(zhǔn)確度的途徑2.1.氣候條件的影響和確定v同樣的材料在不同的溫度、濕度下測(cè)得的結(jié)果也是不相同的。v因此必須在規(guī)定的溫度和濕度條件下進(jìn)行測(cè)試。v如果偏離此條件，必須進(jìn)行校正。2.1.氣候條件的影響和確定正?；幚恚A(yù)處理）v定義：是為了消除試樣在試驗(yàn)前條件與測(cè)試條件不一致而造成性能的差異，而對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理的過(guò)程。2.1.氣候條件的影響和確定條件處理v條件處理，為了考核材料能夠耐受溫度、濕度等各種因素影響的程度，或者測(cè)定材料在特定條件下的某種性

7、能和變化規(guī)律，在試驗(yàn)前，將試樣置于規(guī)定溫度和濕度的大氣中或完全浸泡在水（或其它液體）中，放置規(guī)定時(shí)間的處理。v我國(guó)規(guī)定的常態(tài)實(shí)驗(yàn)：溫度為205 ，相對(duì)濕度為65 5% 2.2.工作條件電壓、時(shí)間的影響和確定v加電壓后，試樣中存在傳導(dǎo)電流、充電電流（干擾） 、吸收電流（干擾） 。v充電電流在閉合電源后的很短時(shí)間就降為零。v吸收電流與待測(cè)絕緣介質(zhì)材料特性有關(guān)，且隨時(shí)間逐漸減小，最后接近于零。穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流v作電流時(shí)間曲線，在電流穩(wěn)定后再測(cè)量。v實(shí)際中，一般材料在加電1分鐘左右，電流趨于穩(wěn)定。v通常規(guī)定，加電壓1分鐘后，再進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)電壓v對(duì)于完整的理想絕緣介質(zhì)材料，試驗(yàn)電壓的大小與其絕緣電阻值

8、無(wú)關(guān)。v實(shí)際材料總不可避免的存在雜質(zhì)和缺陷，使所測(cè)得的絕緣電阻值隨所加電壓的增加而降低。v所以，對(duì)于每種材料都要規(guī)定測(cè)試電壓的大小。殘余電荷與靜電v由于電解質(zhì)的極化特性，在直流電場(chǎng)中介質(zhì)與電極的分界面上將積聚有極化電荷，而在電極上相應(yīng)地增加了自由電荷。v當(dāng)外電場(chǎng)去除后，極化電荷逐漸消失，電極上的電荷隨極化電荷的消失而緩慢減少。v實(shí)例：若試樣先測(cè)體積電阻后立刻測(cè)表面電阻時(shí)，由于極化電荷的影響，可能使測(cè)得的表面電阻偏大，甚至高阻計(jì)指針?lè)雌?。殘余電荷與靜電v絕緣介質(zhì)材料在制造、加工和測(cè)試等過(guò)程中還可能產(chǎn)生靜電，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。v因此，在測(cè)量時(shí)為消除極化電荷和靜電的影響，試樣要徹底放電。2. 影響測(cè)

9、量準(zhǔn)確度的因素和提高測(cè)量準(zhǔn)確度的途徑2.3. 環(huán)境條件漏電流及外來(lái)干擾電勢(shì) v外來(lái)電勢(shì)按來(lái)源和性質(zhì)可分為：外界強(qiáng)電場(chǎng)的干擾、接觸電勢(shì)、熱電勢(shì)、電解電勢(shì)。v測(cè)量前應(yīng)首先檢查有無(wú)外來(lái)電勢(shì)的影響。檢查有無(wú)外來(lái)電勢(shì)的一般方法v觀察試樣在施加電壓前以及去除電壓后指示器有無(wú)偏轉(zhuǎn)來(lái)確定。v如有偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明存在外來(lái)電勢(shì)的影響。v當(dāng)偏轉(zhuǎn)不大，可改變施加電源電壓極性（正、反向），測(cè)量?jī)纱稳∑骄?。v若外來(lái)干擾電勢(shì)很大，須找出其原因，并設(shè)法消除。2.3. 環(huán)境條件外界強(qiáng)電場(chǎng)的干擾v在超高阻測(cè)量時(shí)的影響比較顯著。v原理：通過(guò)雜散電磁耦合或者靜電感應(yīng)方式，在測(cè)量回路中產(chǎn)生附加雜散電流，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。v例子：比如用“高阻

10、計(jì)法”測(cè)電阻，本來(lái)電流就很小，再經(jīng)放大，附加電流的影響就很大了。v對(duì)策：在測(cè)量回路對(duì)外電場(chǎng)感應(yīng)敏感的地方，如測(cè)量電極引線、分流器及檢流計(jì)等都應(yīng)有良好的屏蔽，以減弱外電場(chǎng)的影響。2.3. 環(huán)境條件接觸電勢(shì)和熱電勢(shì)v接觸電勢(shì) 產(chǎn)生在元件連接處以及不同金屬接觸處（如測(cè)量端的短路開(kāi)關(guān)），由于逸出功不同而產(chǎn)生接觸電勢(shì)。v熱電勢(shì) 在溫度很高時(shí)，由于熱的不均勻性，在檢流計(jì)、分流器等低阻回路中，將產(chǎn)生熱電勢(shì)（或溫差電勢(shì)）造成檢流計(jì)零點(diǎn)漂移。v通常熱電勢(shì)很小，接觸電勢(shì)可以通過(guò)改善接頭來(lái)消除。2.3. 環(huán)境條件電解電勢(shì)v在潮濕環(huán)境下或試樣表面不清潔場(chǎng)合下，由于直流電場(chǎng)電解作用將在測(cè)量電極和保護(hù)電極之間產(chǎn)生，它可能

11、達(dá)到較大的數(shù)值。v對(duì)策：使試樣表面保持清潔，并置于干燥大氣中來(lái)減弱這種影響。2.3. 環(huán)境條件漏電流v測(cè)量線路的漏電流主要是各元件、開(kāi)關(guān)、電極支架和檢流計(jì)接線的絕緣電阻不高而形成分路作用，這些漏電流流經(jīng)檢流計(jì)將造成測(cè)量誤差。漏電流vI1表示通過(guò)測(cè)量回路處于高壓端各元件到測(cè)量端的漏電流；I2表示從測(cè)量端到接地端的漏電流。v漏電流I1存在，將使測(cè)得試樣的電阻值偏?。欢鳬2存在，將使得測(cè)量電阻值偏大。v要減小I1，則必須提高R1，即提高高壓端各絕緣支撐的絕緣電阻。但是，這受到限制，特別是測(cè)量高絕緣電阻的試樣很難滿足。高絕緣電阻測(cè)試時(shí)抑制漏電流的措施v保護(hù)技術(shù)的原理： 只有通過(guò)檢流計(jì)的漏電流才能影響測(cè)

12、量結(jié)果。 將產(chǎn)生漏電流I1的所有高壓部分的元件放在具有金屬夾層的雙層絕緣體上，金屬夾層接地。絕緣電阻測(cè)試時(shí)抑制漏電流的措施v在絕緣電阻測(cè)試中，必須檢查有無(wú)漏電流存在。v檢查方法： 斷開(kāi)試樣測(cè)量端與分流器的連線，加上電源，合上所有開(kāi)關(guān)，逐步增大檢流計(jì)靈敏度，視指示器有無(wú)偏置； 如有偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明有漏電流通過(guò)指示儀器，必須找出原因并加以消除； 檢流計(jì)無(wú)偏轉(zhuǎn)時(shí)才能進(jìn)行正式測(cè)量。絕緣材料絕緣電阻的測(cè)量方法v標(biāo)準(zhǔn)的演變：vGB 1410-2006 （ 2006-06-01 至今）v固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗(yàn)方法固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗(yàn)方法 vGB 1410-1989 （1990-0

13、1-01 2006-06-01 ）v固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗(yàn)方法固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗(yàn)方法 vGB 1410-78 （更早）v固體電工絕緣材料絕緣電阻、體積電阻系數(shù)和表面電阻系數(shù)固體電工絕緣材料絕緣電阻、體積電阻系數(shù)和表面電阻系數(shù)試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)截圖標(biāo)準(zhǔn)截圖標(biāo)準(zhǔn)截圖標(biāo)準(zhǔn)截圖電阻器等效參數(shù)的測(cè)量結(jié)構(gòu)：v電阻器里的電阻線有一定的電感，螺旋圈與圈之間又有電容，故實(shí)際的電阻器有電抗。v一些電阻是圓柱形的，上面鍍有金屬膜和碳膜，刻上螺旋形槽，展開(kāi)后就是一根線，也有電抗。電阻器等效參數(shù)的測(cè)量v頻率不太高時(shí)（比如工頻與音頻） 的等效參數(shù)與測(cè)量方法；v高頻時(shí)的等效參數(shù)與測(cè)量方

14、法。電路：v電阻器在交流工作情況下，不再是一個(gè)純電阻，而是一個(gè)阻抗。v它由直流電阻R、電阻基本結(jié)構(gòu)的電感和引線電感L，以及電阻器本身的電容C0構(gòu)成。v這些參數(shù)實(shí)際上是分布參數(shù)。1頻率不太高時(shí)電路：v當(dāng)工作頻率不高時(shí)，可以用電阻的時(shí)間常數(shù) 來(lái)表示。v通常用電阻器的時(shí)間常數(shù)來(lái)表征它在工頻和音頻（20Hz-20KHz）的交流特性。v由圖1-42可得總的阻抗，當(dāng)頻率不很高時(shí)，可簡(jiǎn)化為v當(dāng)0時(shí)，電阻器呈感性，稱為感性電阻器；v當(dāng)0時(shí)，電阻器呈容性，稱為容性電阻器；v一般來(lái)說(shuō)，高阻值的電阻，C0貢獻(xiàn)大，可認(rèn)為0，可略去C0。v測(cè)R和，相當(dāng)于測(cè)阻抗的實(shí)部和虛部，只能用交流方法。測(cè)量方法 v交流電橋法（以電橋

15、替代法為例）v數(shù)字式交流測(cè)量法（是自動(dòng)平衡式交流電阻測(cè)量?jī)x的基本機(jī)理）v示波器觀察法（以繞線電阻為例）電橋替代法v電橋平衡條件34214231RRRR電橋法測(cè)試步驟v步驟一，將開(kāi)關(guān)K置于位置1，R2是與被測(cè)電阻差不多相等且時(shí)間常數(shù)為已知的標(biāo)準(zhǔn)電阻（R2、2），調(diào)節(jié)R3、C4使電橋平衡，v步驟二，將開(kāi)關(guān)K置于位置2，被測(cè)電阻接入電橋，調(diào)節(jié)R3、C4使電橋重新平衡，此時(shí)R3、C4的讀數(shù)為R3、C4，電橋法測(cè)試33332,，因此則因?yàn)镽RRRx)(4442CCRx電橋法測(cè)試v交流電橋法選用電阻的要求：應(yīng)為時(shí)間常數(shù)很小的感性電阻器，且并聯(lián)補(bǔ)償電容以使時(shí)間常數(shù)接近于零，呈現(xiàn)純阻抗。 表1-4（共六種電橋

16、）中的電橋分為三類：v第一類，調(diào)R和C；v第二類，調(diào)兩個(gè)R；v第三類，調(diào)兩個(gè)C；v表1-4給出了電橋類型、平衡條件、可調(diào)元件、時(shí)間常數(shù)。數(shù)字式交流測(cè)量法（自動(dòng)平衡式交流電阻測(cè)量?jī)x）v利用變換器原理把被測(cè)電阻變換成電壓，結(jié)合鑒相原理，從而可通過(guò)測(cè)量電壓來(lái)確定電阻，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式交流電阻測(cè)量方案。v利用鑒相器取出Es的同相分量UR和正交分量UX，從而可得到待測(cè)阻抗的實(shí)部和虛部。+=+XXXXSSinRXSXXSSRjXRXUEjEUUR RjXRR自動(dòng)平衡式交流電阻測(cè)量?jī)xv根據(jù)圖1-44所示原理，采用電子自動(dòng)平衡方式，自動(dòng)讀出被測(cè)電阻的Rx和x，其測(cè)量線路如圖1-45所示。示波器觀察法v針對(duì)線繞電阻器

17、時(shí)間常數(shù)的測(cè)試v原理：由于電阻器本身存在的分布電感和電容，當(dāng)一矩形脈沖電壓作用在電阻器上時(shí)，將使脈沖前后產(chǎn)生一瞬變過(guò)程，這一過(guò)程的長(zhǎng)短，限制了電阻器可使用的脈沖重復(fù)頻率和脈沖寬度。可用時(shí)間常數(shù)來(lái)表示電阻器脈沖前（后）沿的影響程度。v線繞電阻器時(shí)間常數(shù)的定義：從脈沖電壓前沿10%上升到63.2%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。v測(cè)試電路，分為感性和容性電抗。vG為脈沖信號(hào)源；RX為被測(cè)電阻器；R為無(wú)電抗電阻器；S為示波器。2高頻情況 電阻器在高頻使用時(shí)，表現(xiàn)為一個(gè)分布參數(shù)。包括：v電阻器導(dǎo)電體單位長(zhǎng)度上的分布電阻R、分布電感L、分布電容C；v引出線之間的集總電容CL；引出線的電感；v電阻器導(dǎo)電體和引出線與接地物體

18、之間的雜散電容。電阻器的高頻等效電路。長(zhǎng)度等于電阻器工作長(zhǎng)度的一半，且末端短路的等效傳輸線來(lái)表示。v上述分布參數(shù)很難精確計(jì)算。v電阻器單位長(zhǎng)度上的分布電容C的大小與電阻器的外形結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，而且與絕緣基體和保護(hù)涂層的介電系數(shù)有關(guān)，因此電阻器的高頻參數(shù)都用實(shí)驗(yàn)方法加以確定。v對(duì)于非線繞電阻器，分布電容和分布電感的相對(duì)作用與電阻值的大小是有關(guān)的。根據(jù)阻值的高低，可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的等效電路。v對(duì)于線繞電阻器，因分布電感和分布電容的影響均較大，通常用圖1-53來(lái)近似。高阻電阻器低阻電阻器v一般來(lái)講，電阻器的上述各高頻參數(shù)，都可等效為高頻等效電阻Rf和并聯(lián)等效電容CRf。v也可用高頻等效電阻Rf與直流電阻

19、值R0的比值Rf/R0來(lái)表征。Q表法測(cè)量電阻器高頻參數(shù)v電阻器高頻參數(shù)常用諧振法測(cè)量，目前最常采用Q表法。v關(guān)于Q表的工作原理和測(cè)試方法，將在第二章作詳細(xì)介紹。v對(duì)于高阻值的電阻器，采用Q表測(cè)電容的并聯(lián)替代法測(cè)試。v將電阻器并聯(lián)在調(diào)諧電容上，利用不接和接入電阻器兩次調(diào)諧，分別可得諧振時(shí)的電容和品質(zhì)因素C1、Q1和C2、Q2，利用諧振關(guān)系可得：12121211CQQQQRCCCfRfv對(duì)于低阻值的電阻器，采用Q表測(cè)電容的串聯(lián)替代法測(cè)試。v將被測(cè)電阻器與回路電感L串聯(lián)，然后利用不接和接入電阻器兩次調(diào)諧，分別可得諧振時(shí)的電容和品質(zhì)因素C1、Q1和C2、Q2，利用諧振關(guān)系可得電阻器的串聯(lián)等效電阻和串聯(lián)等效電容。v式（1-57）和（1-58）v根據(jù)電工串并聯(lián)轉(zhuǎn)換公式，可得電阻器的并聯(lián)等效電阻和并聯(lián)等效電容。v式（1-59）和（1-60）本章基本要求 （1）電阻與電阻率的概念 注意到元器件與材料的不同； 材料中有表面電阻和體積電阻之分； 云母等特殊 材料有沿層電阻與