CN101140251A

CN101140251A - 一种测试导电高分子复合材料阻温特性的装置

Info

Publication number: CN101140251A
Application number: CNA2007100188947A
Authority: CN
Inventors: 季铁正; 孔德鹏; 焦剑
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2008-03-12

Abstract

本发明公开了一种测试导电高分子复合材料阻温特性的装置，包括程序控温仪、高精度电压表、高精度电流表、恒压电源、试样装载及加热装置以及计算机。其中，试样置于试样装载及加热装置中，程序控温仪和试样装载及加热装置连接，对试样的温度进行控制；恒压电源、高精度电流表和试样的电极连接构成电流闭合回路；高精度电压表连接于试样两端或电源两端测量电压值；计算机同时与程序控温仪、高精度电压表、高精度电流表连接，实时采集并记录各仪器的测量值，绘制实时曲线。本发明操作、使用方便，自动化程度高，测试开始后无需人值守，节省人力，提高了温度控制和测量的准确性，增大了测量范围。

Description

一种测试导电高分子复合材料阻温特性的装置

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其是一种材料阻温特性的测试装置。

背景技术

复合型导电高分子材料多由导电填料(最常用的为炭黑)和聚合物共混而成，它们已在抗静电和电磁屏蔽等领域得到广泛应用。其中具有特殊功能的导电高分子复合材料，比如电阻率正温系数效应(PTC)材料、新型传感器和隐身材料等一直是人们研究的重点。这类特殊功能材料的基本原理是利用由导电填料形成的导电网络对外界环境(如温度，应力变力，或特定化学物质的浓度等等)的变化所作出的响应(表现为电阻率的变化)来起到控制或传感作用。如已作为过载保护元件在通讯和微电子领域得到广泛应用的高分子PTC材料，是利用电阻率随温度变化所产生的开关效应来对电路过载进行有效的保护，这种开关效应就是一种阻温特性。

传统的测量导电高分子复合材料的阻温特性一般采用人工描点法。即把导电高分子复合材料样品置于以一个恒温槽或手动调压的加热炉中，逐步升高温度，待某一温度平衡后，记下相应的温度和测得的电阻值，直至测完一组阻温值。然后将该组阻温值逐点描绘在单对数坐标纸上。这种方法劳动强度大、精度差、误差大、效率低，并且由于选取的点离散性大，无法显示出阻温特性曲线的细节变化。据国内资料显示，《传感技术学报》第18卷第2期《PTCR阻温特性曲线实验室用测试系统》一文介绍了一种实验室用阻温特性测试装置，其中电阻测试原理是采用分压电路，将样品和分压电阻(标准电阻)R_S串连后连接到稳压电源，稳压电源提供比较稳定的电压V₀(设定在约1V，可测)，同时测量标准电阻两端的电压V_S，在测试系统回路中存在如下关系：

\frac{V_{S}}{R_{S}} = \frac{V_{0} - V_{S}}{R_{PTC}}

因此

R_{PTC} = \frac{V_{0} - V_{S}}{V_{S}} \times R_{S}

式中R_PTC是样品的电阻值。在该装置测试过程中需要根据样品的阻值变化对标准电阻进行手动调整，使样品和标准电阻的阻值保持在同一数量级，这样为测试带来不便。另外，该装置的温度控制采用热电偶作为传感器，误差较大。《武汉理工大学学报》第23卷第7期《PTC阻温特性测试仪的研制》也介绍了一种阻温特性测试装置，该装置应用FLUKE45型自动换档仪表测量0Ω～10⁸Ω的电阻值，通过计算机对测量温度值和设定温度值的对比控制可控硅，从而调节加热炉内的温度。以上两种装置均存在测量范围窄(0Ω～10⁸Ω)、只能设定一种升温速率、自动化程度不高等不足。

发明内容

为了克服现有技术测量范围窄、只能设定一种升温速率、自动化程度不高的不足，本发明提供了一种导电高分子复合材料阻温特性测试装置，该装置测量范围宽、多段程序控温、自动化程度高，测量开始后无需人值守。本装置可以方便、准确地(远程)监测和记录导电高分子复合材料在升温和降温过程中的电阻率细节变化，为导电高分子复合材料阻温特性的研究提供更加快捷、可靠的数据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括程序控温仪、高精度电压表、高精度电流表、恒压电源、试样装载及加热装置以及计算机。其中，试样置于试样装载及加热装置中，程序控温仪和试样装载及加热装置连接，对试样的温度进行控制；恒压电源、高精度电流表和试样的电极连接构成电流闭合回路；高精度电压表连接于试样两端或电源两端测量电压值；计算机同时与程序控温仪、高精度电压表、高精度电流表连接，实时采集并记录各仪器的测量值，绘制实时曲线。

所述的试样装载及加热装置采用中空圆柱状外壳，上、下电极均为圆形柱体，由导电金属制成，试样置于上、下电极之间，与上、下电极紧密接触，电极通过绝缘材料固定在外壳上，避免电极与外壳的直接接触，在下电极的中心部位安装热电阻作为传感器，上、下电极周围安装有绝缘陶瓷棒，在陶瓷棒的周围绕有加热电阻丝，在控温仪的控制下按程序调节试样温度，加热电阻丝外围的不锈钢圆筒和外壳之间用玻璃纤维填充构成绝热层，可以防止热量迅速流失，从而保证加热系统的精确度。

所述的试样装载及加热装置也可以采用与程序控温仪连接的鼓风干燥箱，将试样置于合适的夹具上，将其放入到所述鼓风干燥箱进行加热。

程序控温仪采用A级Pt100热电阻做传感器，选用多段(50段或30段)程序控温表，采用双向可控硅移向触发，并配有指针式电流表，便于观察输出电流的大小。

本发明装置的测量范围取决于所选择的仪表量程及最小分辨率。如选

位的毫安电流表、

位的直流电压表和0V～100V可调直流恒压电源，则装置的理论最大测量值为10¹⁰Ω；若直接采用高阻测量仪表测电阻，则测量范围即为高阻仪表的量程。

本发明的有益效果是：本发明操作、使用方便，自动化程度高，测试开始后无需人值守，节省人力。控温仪、电压表、电流表均具有通讯接口，可以方便地与计算机相连，实行数据的实时记录和绘图处理，直观地观察数据变化趋势；还可以通过Internet或局域网实现远程监测，方便夜间连续作业。本发明选用高精度控温仪器和传感器，提高了温度控制和测量的准确性；选用

位毫安表、

位电压表及0V～100V可调直流稳压电源，采用伏安法通过测量电流和电压值计算出电阻率，使测量范围增大到0Ω～10¹⁰Ω。本发明用途广泛，可以测量导电高分子复合材料的阻温特性，也可以测量在不同温度下的电流-电压特性；

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是电阻率测试原理简图。

图2是本发明所述装置的原理简图。

图3是本发明所述控温仪电路原理图；

图中，1-交流电源；2-开关；3-保险管；4-压敏电阻；5-电容；6-双向可控硅；7-人工智能调节器；8-温度传感器；9-水泥电阻；10-指针式电流表；11-保险管；12-试样装载及加热装置。

图4是试样装载及加热装置结构图；

图中，13-电极；14-陶瓷绝缘棒；15-绝缘材料；16-金属外壳；17-固定螺栓；18-试样；19-温度传感器；20-加热电阻丝；21-绝热层。

图5是用本发明装置测试得的商品化高分子PTC元件的阻温特性全图。

图6是图5中虚线方框部分的局部放大图。

具体实施方式

伏安法测电阻的原理如图1所示，为防止电压表和电流表内阻引起的测量误差，在电路中安装转换开关，根据需要选择电流表的内接和外接方式；整个测试装置的原理简图如图2所示，电阻测试装置包括恒压电源、高精度电流表和试样的电极连接构成的电流闭合回路以及连接于试样两端或电源两端的高精度电压表；电阻测试装置从试样上测得电阻值，然后通过RS232通讯接口将数据输送到计算机，已经安装数据采集软件的计算机接受数据并作记录；作为温度测量和控制装置的程序控温仪负责通过试样装载及加热装置调节试样的温度并测量试样附近的温度，然后通过RS232通讯接口将数据输送到计算机，已经安装数据采集软件的计算机接受数据并作记录；为保证所采集电阻(或电压和电流)数据与温度数据的对应，计算机必须同时采集来自不同仪表的数据，并同时记录，绘制实时曲线。

电压表可选用

位或更高精度的数字电压表或数字台式多用表，如ESCORT3140A型、MS8050型仪表。仪表须带有通讯接口，以方便与计算机相连接。

电流表可选用

位或更高精度的数字式台式电流表，如PZ158B型(分辨率为1nA)、Keithley2001型(分辨率为10pA)数字电流表或Keithley 6487型(分辨率为10fA)皮安表。电流表需带有通讯接口，以方便与计算机相连接。

电阻测量装置也可以直接选择宽量程高精度的高阻测试仪器，如Keithley 6487型仪表。

温度控制仪表可选用0.2级(误差为量程的±0.2％)或更高精度等级的程序控制人工智能调节器，如宇电AI-708P型、合世HS-808P型等。调节器须带有通讯接口，以方便与计算机相连接。

程序控温仪的电路原理如图3所示。本发明选用AI708P型人工智能调节器7，此调节器带有RS485接口，通过RS485-RS232接口转换器将其转换为RS232接口，然后与计算机相连接。采用双向可控硅移相触发电路，可控硅选用10A～50A双向可控硅6，用一个6Ω8W的水泥电阻9和一个0.22μF/400V的瓷片电容5串联组成阻容吸收回路，然后和一个14K471压敏电阻4一起并联到双向可控硅的A1和A2极，双向可控硅6的A1极串联量程为5A～10A的指针式电流表10和试样装载及加热装置12后通过开关2连接到200V～240V交流电源1，双向可控硅6的A2极一侧通过5～15A保险管11和开关连接到200V～240V交流电源1，另一侧连接到人工智能调节器7第11脚的可控硅控制输出端，双向可控硅的控制极G连接到人工智能调节器7第12脚的可控硅控制输出端。人工智能调节器7第1、2脚的电源输入端通过0.5A保险管11和开关2连接到200V～240V交流电源1。人工智能调节器7第18、19脚连接精度为0.2级(误差为量程的±0.2％)的热电阻Pt100作为温度传感器。上述元器件也可在满足使用条件的前提下选择其它型号。

试样装载及加热装置如图4所示，采用中空圆柱状金属外壳16，外壳16上下端通过固定螺栓17连接；上下电极13为直径3cm～4cm的圆形柱体，由不锈钢或黄铜制成，电极13通过螺纹固定在绝缘材料15上，避免其与外壳16的接触，在下电极的中心部位安装热电阻Pt100作为温度传感器19，电极13周围装6根绝缘陶瓷棒14，在陶瓷棒14的周围绕有加热电阻丝20，在程序控温仪的控制下按程序调节试样温度，加热电阻丝20外围的不锈钢圆筒和外壳之间用玻璃纤维填充构成绝热层21，可以防止热量迅速流失，从而保证加热系统的精确度。

试样根据需要制成直径与电极相同的圆片或对角线与电极直径相同的正方形片，厚度为1mm～2mm，在试样上下两表面涂有导电胶，避免接触电阻带来的误差。

数据采集软件采用Visual Basic6.0程序语言开发，具体代码可根据各仪表的通讯协议进行编写，能够将各数据采集到计算机并保存到文件即可，绘图可用Origin、Sigmaplot等软件进行，也可以根据需要对软件做进一步开发。

远程控制需要通过远程控制软件通过网络实现，如可以用Windows自带的远程控制终端功能、腾讯的远程协助或Pcanywhere软件。远程控制可以达到异地检测和记录的目的，方便实验室测试操作的长期进行。

计算机配置处理器在奔腾III以上，内存大于64M，操作系统为Windows。计算机通过RS232接口分别与电流表、电压表和程序控温仪连接，若计算机的RS232接口数目不够，可以用USB-RS232接口转换器进行转换。

Claims

1.一种测试导电高分子复合材料阻温特性的装置，包括程序控温仪、高精度电压表、高精度电流表、恒压电源、试样装载及加热装置以及计算机，其特征在于：试样置于试样装载及加热装置中，程序控温仪和试样装载及加热装置连接，对试样的温度进行控制；恒压电源、高精度电流表和试样的电极连接构成电流闭合回路；高精度电压表连接于试样两端或电源两端测量电压值；计算机同时与程序控温仪、高精度电压表、高精度电流表连接。

2.根据利用权利要求1所述的一种测试导电高分子复合材料阻温特性的装置，其特征在于：所述的试样装载及加热装置采用中空圆柱状外壳，上、下电极均为圆形柱体，由导电金属制成，试样置于上、下电极之间，与上、下电极紧密接触，电极通过绝缘材料固定在外壳上，在下电极的中心部位安装热电阻作为传感器，上、下电极周围安装有绝缘陶瓷棒，在陶瓷棒的周围绕有加热电阻丝，加热电阻丝外围的不锈钢圆筒和外壳之间用玻璃纤维填充构成绝热层。

3.根据利用权利要求1所述的一种测试导电高分子复合材料阻温特性的装置，其特征在于：所述的试样装载及加热装置也可以采用与程序控温仪连接的鼓风干燥箱，将试样置于合适的夹具上，将其放入到所述鼓风干燥箱进行加热。

4.根据利用权利要求1所述的一种测试导电高分子复合材料阻温特性的装置，其特征在于：程序控温仪采用A级Pt100热电阻做传感器，选用多段程序控温表，采用双向可控硅移向触发，并配有指针式电流表。