电阻值与电阻率的测量(下)详解

测量技术的考虑和提高测量准确度的途径——针对绝缘材料等高阻样品提纲1.对试样和电极的要求1.1.对试样的要求1.2.二电极系统1.3.三电极系统1.4.对电极材料的要求2.影响测量准确度的因素和提高测量准确度的途径2.1.气候条件的影响和确定2.2.工作条件—电压、时间的影响和确定2.3.环境条件—漏电流及外来干扰电势的影响1.对试样和电极的要求1.1.对试样的要求GB1410-78规定了试样尺寸，圆形平板试样，直径为φ100mm或φ50mm，方形平板试样为100×100mm2或50×50mm2，管状试样为长100mm或50mm，试样一般不小于3个。1.对试样和电极的要求1.1.对试样的要求如果不是按照国标严格制备的样品，那么一般的制备原则是：试样尺寸应选择的大一些，以便安装电极，同时克服材料不均匀性的影响。1.对试样和电极的要求1.2.二电极系统测量总电流，无法区分IV和IS，故而测到的是总电阻。特点：简单，方便，用于要求不高的场合。考虑到试样的不均匀性，为了使测得的数值真正反映材料的实际特性，电极的面积应大一些。1.对试样和电极的要求1.3.三电极系统为了克服二电极系统无法区分IV和IS的缺点，需采用三电极测量系统。在二电极系统上增加了保护电极，各电极尺寸也有国标。1测量电极2保护电极3待测样品4高压电极在测量体电阻时，用测量电极(1)和高压电极(4)，保护电极(2)接地；在测量面电阻时，用测量电极(1)和保护电极(2)，高压电极(4)接地。由于有了保护电极，三电极系统在测量体电阻率时，消除了面电导的影响；而测量面电阻率时又消除了体电导的影响。1.对试样和电极的要求1.3.三电极系统（电极尺寸）电极尺寸的选择，应使得测量电极间的电场尽可能均匀。对于平板试样，应使保护电极与测量电极间的间隙均匀，且尽可能的小，使测量电极边缘的电场不均匀性减小。保护电极的宽度至少应两倍于样品的厚度。测量电极的尺寸要远大于样品的厚度。高压电极应比保护电极内半径大2h。可参见相关的国家标准。1.对试样和电极的要求1.3.三电极系统（测量装置，绝缘）应用三电极系统测量时，测量装置通常是一个有二个绝缘出线端的金属匣，样品放在其中。匣子本身与保护电极相连。如果线路上的保护电极接地，则匣接地。测量电极和高压电极均应用屏蔽线接入测量电路。当测量线路要求高压电极接地时，则金属匣必须对地绝缘，并且为了消除感应电压的影响，应把它放在接地屏内。对于测量电路，此时测量电极的引线必须有双重屏蔽。1测量电极2保护电极3待测样品4高压电极管形电极平板电极1.对试样和电极的要求1.4.对电极材料的要求电极与样品表面有良好的接触，其间没有空气间隙、气泡、空气夹层，否则构成双层介质。电极与材料在试验条件下不起变化（如蒸发、氧化等），而且不影响被测介质的性能，更不能与介质起化学反应。电极与试样有良好的导电性；制作容易、安装方便、工作安全。1.对试样和电极的要求1.4.对电极材料的要求常用电极有块状金属电极结构简单，使用方便，但是与试样接触不良。金属箔电极与实验接触良好，适于不吸油的试样。表面致密无孔洞，无法对试样进行正常化处理。银漆多孔，试样内部的潮气容易扩散出去，适合研究材料绝缘电阻与温（湿）度关系。常用的电极材料喷涂或真空蒸发金属电极与银漆特性相似导电橡皮电极接触良好，适合潮湿环境测试，易氧化，不能用于高温测量。石墨电极接触良好，制作方便，可用于高温测量，不能用于易吸水或吸油的试样。导电液体电极（水银电极）接触良好，水银有毒，不能用于连续测量和高温测量场合。2.影响测量准确度的因素和提高测量准确度的途径2.1.气候条件的影响和确定同样的材料在不同的温度、湿度下测得的结果也是不相同的。因此必须在规定的温度和湿度条件下进行测试。如果偏离此条件，必须进行校正。2.1.气候条件的影响和确定正常化处理（预处理）定义：是为了消除试样在试验前条件与测试条件不一致而造成性能的差异，而对试样进行预处理的过程。2.1.气候条件的影响和确定条件处理条件处理，为了考核材料能够耐受温度、湿度等各种因素影响的程度，或者测定材料在特定条件下的某种性能和变化规律，在试验前，将试样置于规定温度和湿度的大气中或完全浸泡在水（或其它液体）中，放置规定时间的处理。我国规定的常态实验：温度为20±5℃，相对湿度为65±5%2.2.工作条件—电压、时间的影响和确定加电压后，试样中存在传导电流、充电电流（干扰）、吸收电流（干扰）。充电电流在闭合电源后的很短时间就降为零。吸收电流与待测绝缘介质材料特性有关，且随时间逐渐减小，最后接近于零。稳定电流稳定电流作电流时间曲线，在电流稳定后再测量。实际中，一般材料在加电1分钟左右，电流趋于稳定。通常规定，加电压1分钟后，再进行测量。试验电压对于完整的理想绝缘介质材料，试验电压的大小与其绝缘电阻值无关。实际材料总不可避免的存在杂质和缺陷，使所测得的绝缘电阻值随所加电压的增加而降低。所以，对于每种材料都要规定测试电压的大小。残余电荷与静电由于电解质的极化特性，在直流电场中介质与电极的分界面上将积聚有极化电荷，而在电极上相应地增加了自由电荷。当外电场去除后，极化电荷逐渐消失，电极上的电荷随极化电荷的消失而缓慢减少。实例：若试样先测体积电阻后立刻测表面电阻时，由于极化电荷的影响，可能使测得的表面电阻偏大，甚至高阻计指针反偏。残余电荷与静电绝缘介质材料在制造、加工和测试等过程中还可能产生静电，影响测量的准确性。因此，在测量时为消除极化电荷和静电的影响，试样要彻底放电。2.影响测量准确度的因素和提高测量准确度的途径2.3.环境条件—漏电流及外来干扰电势外来电势按来源和性质可分为：外界强电场的干扰、接触电势、热电势、电解电势。测量前应首先检查有无外来电势的影响。检查有无外来电势的一般方法观察试样在施加电压前以及去除电压后指示器有无偏转来确定。如有偏转，说明存在外来电势的影响。当偏转不大，可改变施加电源电压极性（正、反向），测量两次取平均值。若外来干扰电势很大，须找出其原因，并设法消除。2.3.环境条件外界强电场的干扰在超高阻测量时的影响比较显著。原理：通过杂散电磁耦合或者静电感应方式，在测量回路中产生附加杂散电流，影响测量准确度。例子：比如用“高阻计法”测电阻，本来电流就很小，再经放大，附加电流的影响就很大了。对策：在测量回路对外电场感应敏感的地方，如测量电极引线、分流器及检流计等都应有良好的屏蔽，以减弱外电场的影响。2.3.环境条件接触电势和热电势接触电势产生在元件连接处以及不同金属接触处（如测量端的短路开关），由于逸出功不同而产生接触电势。热电势在温度很高时，由于热的不均匀性，在检流计、分流器等低阻回路中，将产生热电势（或温差电势）造成检流计零点漂移。通常热电势很小，接触电势可以通过改善接头来消除。2.3.环境条件电解电势在潮湿环境下或试样表面不清洁场合下，由于直流电场电解作用将在测量电极和保护电极之间产生，它可能达到较大的数值。对策：使试样表面保持清洁，并置于干燥大气中来减弱这种影响。2.3.环境条件漏电流测量线路的漏电流主要是各元件、开关、电极支架和检流计接线的绝缘电阻不高而形成分路作用，这些漏电流流经检流计将造成测量误差。漏电流I1表示通过测量回路处于高压端各元件到测量端的漏电流；I2表示从测量端到接地端的漏电流。漏电流I1存在，将使测得试样的电阻值偏小；而I2存在，将使得测量电阻值偏大。要减小I1，则必须提高R1，即提高高压端各绝缘支撑的绝缘电阻。但是，这受到限制，特别是测量高绝缘电阻的试样很难满足。高绝缘电阻测试时抑制漏电流的措施保护技术的原理：只有通过检流计的漏电流才能影响测量结果。将产生漏电流I1的所有高压部分的元件放在具有金属夹层的双层绝缘体上，金属夹层接地。绝缘电阻测试时抑制漏电流的措施在绝缘电阻测试中，必须检查有无漏电流存在。检查方法：断开试样测量端与分流器的连线，加上电源，合上所有开关，逐步增大检流计灵敏度，视指示器有无偏置；如有偏转，说明有漏电流通过指示仪器，必须找出原因并加以消除；检流计无偏转时才能进行正式测量。绝缘材料绝缘电阻的测量方法标准的演变：GB1410-2006（2006-06-01——至今）固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法GB1410-1989（1990-01-01——2006-06-01）固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法GB1410-78（更早）固体电工绝缘材料绝缘电阻、体积电阻系数和表面电阻系数试验方法标准截图标准截图标准截图标准截图电阻器等效参数的测量结构：电阻器里的电阻线有一定的电感，螺旋圈与圈之间又有电容，故实际的电阻器有电抗。一些电阻是圆柱形的，上面镀有金属膜和碳膜，刻上螺旋形槽，展开后就是一根线，也有电抗。电阻器等效参数的测量频率不太高时（比如工频与音频）的等效参数与测量方法；高频时的等效参数与测量方法。电路：电阻器在交流工作情况下，不再是一个纯电阻，而是一个阻抗。它由直流电阻R、电阻基本结构的电感和引线电感L，以及电阻器本身的电容C0构成。这些参数实际上是分布参数。1频率不太高时电路：当工作频率不高时，可以用电阻的时间常数来表示。通常用电阻器的时间常数来表征它在工频和音频（~20Hz-20KHz）的交流特性。由图1-42可得总的阻抗，当频率不很高时，可简化为当τ0时，电阻器呈感性，称为感性电阻器；当τ0时，电阻器呈容性，称为容性电阻器；一般来说，高阻值的电阻，C0贡献大，可认为τ0，可略去L；低阻值的电阻，L贡献大，τ0，可略去C0。测R和τ，相当于测阻抗的实部和虚部，只能用交流方法。测量方法交流电桥法（以电桥替代法为例）数字式交流测量法（是自动平衡式交流电阻测量仪的基本机理）示波器观察法（以绕线电阻为例）电桥替代法电桥平衡条件34214231RRRR电桥法测试步骤步骤一，将开关K置于位置1，R2是与被测电阻差不多相等且时间常数为已知的标准电阻（R2、τ2），调节R3、C4使电桥平衡，步骤二，将开关K置于位置2，被测电阻接入电桥，调节R3、C4使电桥重新平衡，此时R3、C4的读数为R’3、C’4，电桥法测试33332,，因此则因为RRRRx)(4442CCRx电桥法测试交流电桥法选用电阻的要求：应为时间常数很小的感性电阻器，且并联补偿电容以使时间常数接近于零，呈现纯阻抗。表1-4（共六种电桥）中的电桥分为三类：第一类，调R和C；第二类，调两个R；第三类，调两个C；表1-4给出了电桥类型、平衡条件、可调元件、时间常数。数字式交流测量法（自动平衡式交流电阻测量仪）利用变换器原理把被测电阻变换成电压，结合鉴相原理，从而可通过测量电压来确定电阻，实现数字式交流电阻测量方案。利用鉴相器取出Es的同相分量UR和正交分量UX，从而可得到待测阻抗的实部和虚部。+==++XXXXSSinRXSXXSSRjXRXUEjEUURRjXRR自动平衡式交流电阻测量仪根据图1-44所示原理，采用电子自动平衡方式，自动读出被测电阻的Rx和τx，其测量线路如图1-45所示。示波器观察法针对线绕电阻器时间常数的测试原理：由于电阻器本身存在的分布电感和电容，当一矩形脉冲电压作用在电阻器上时，将使脉冲前后产生一瞬变过程，这一过程的长短，限制了电阻器可使用的脉冲重复频率和脉冲宽度。可用时间常数τ来表示电阻器脉冲前（后）沿的影响程度。线绕电阻器时间常数的定义：从脉冲电压前沿10%上升到63.2%所对应的时间。测试电路，分为感性和容性电抗。G为脉冲信号源；RX为被测电阻器；R为无电抗电阻器；S为示波器。2高频情况电阻器在高频使用时，表现为一个分布参数。包括：电阻器导电体单位长度上的分布电阻R’、分布电感L’、分