CN104749439A - 一种粉末冶金烧结合金样品电导率测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉末冶金烧结合金样品电导率测量系统及方法，包括：步骤1，按照切割线，沿中心轴方向切割合金样品，从而将合金样品等效为长条状样品；步骤2，将切割后合金样品两端分别置于测试台的横U型导电夹头内，并采用压紧件压紧横U型导电夹头；步骤3，接通直流数字电阻测试仪开关读取电阻值，根据横U型导电夹头电阻获得切割后合金样品电阻，根据等效样品的长度和横截面积，获得合金样品电导率。本发明应用范围广，可测量铁磁性材料和非铁磁性材料的电导率，也可测试极薄金属材料，从而避免了极高频率导致的高额成本；测量准确性高，成本低，易操作。

Description

一种粉末冶金烧结合金样品电导率测量系统及方法

技术领域

本发明涉及合金电导率测量技术领域，尤其涉及一种粉末冶金烧结合金样品电导率测量系统及方法。

背景技术

材料电导率是表示物质传输电流能力强弱的测量值。当施加电压于导体两端时，电荷载子会呈现朝某方向流动的行为，因而产生电流。根据欧姆定律，电导率σ定义为电流密度J和电场强度强度E的比率，即J＝σE，电阻率ρ是电导率σ的倒数，即σ＝1/ρ。

现有技术中，用来测量样品电导率的仪器有四探针电阻仪和涡流电导仪。所谓四探针，就是用规定针间距的四根金属探针同时压在被测样品表面，见图1，利用恒流源给探针a和d通以小电流，然后用高输入阻抗的静电计、电位差计、电子毫伏计或数字电压表测量探针b和c间的电压，最后计算样品电阻率ρ＝CV_bc/I，其中，C为四探针的修正系数，单位：厘米，C的大小取决于四探针的排列方法和针距，当探针的位置和间距确定，修正系数C即为常数；V_bc为探针b和c间的电压，单位：伏特；I为通过样品的电流，单位：安培。四探针电阻仪测量电导率的准确性与样本的样式和材质有很大关系，其局限性在于探针较细，因此接触电阻较大，接触电阻级别有时相当于甚至大于被测样品电阻率，测量小电阻样品时会产生很大误差。因此四探针电阻仪主要运用于测量较大电阻半导体(如单晶硅材料等)的电导率或者薄层电阻。

涡流电导仪测量电导率是基于涡流检测原理，是依据电工行业的工件导电率要求而专门设计的、用来测量有色金属电导率的无损检测仪器。当导电体靠近变化着的磁场或导体作切割磁力线运动时，由电磁感应定律可知，导电体内必然会感生出呈涡状流动的电流，即所谓涡流。当检测线圈靠近被检工件时，其表面出现电磁涡流，该涡流同时产生一个与原磁场方向相反的磁场，并部分抵消原磁场，导致检测线圈电阻和电感分量变化。这种反作用的大小与材料表面和近表面的导电率有关。通过涡流电导仪可直接检测出非铁磁性导电材料的电导率。

当前，国内数字便携式涡流电导仪分为半自动和机械式，半自动即手动旋钮校准、数字显示，如厦门鑫博特型号D60K和D500K的涡流电导仪；机械式即手动旋钮校准、指针显示，如厦门第二仪器厂型号FQ7501的涡流电导仪。涡流电导仪价格相对较为昂贵，最便宜的价格都在万元以上，且测量精度有较大误差，需要进行校准和补偿进行比对。目前涡流电导仪常用的工作频率包括60KHz和500KHz两种，60KHz为航空工业电导率测试标准，500KHz则用于测量薄板材料电导率值，例如国外SMP10、Sigmatest2.069、Autosigma3000、以及国内Sigma2008B型均有这两种频率档。

用涡流电导仪测量电导率主要有两个问题：一是只能测非铁磁性材料电导率，不能测铁磁性材料电导率，应用范围受到很大限制；二是难以测量极薄金属片电导率，如果想要测量极薄金属片电导率，需要更高的工作频率。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种测量准确性高、应用范围广、操作简单、成本低廉的粉末冶金烧结合金样品电导率测量系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一、一种粉末冶金烧结合金样品电导率测量系统，包括：

直流数字电阻测试仪和测试台，其中：

测试台包括支架、绝缘垫和两个横U型导电夹头，绝缘垫设于支架上，横U型导电夹头设于绝缘垫上，且两个横U型导电夹头开口同向；支架上还设有正对横U型导电夹头上方、可上下移动的绝缘压紧件，

直流数字电阻测试仪的两个电压接口通过导线分别连接横U型导电夹头的上端头或下端头，其两个电阻接口通过导线分别连接横U型导电夹头的下端头或上端头。

因为粉末冶金烧结金试样电阻一般在毫欧范围，所以量程在千欧范围、灵敏度在微欧级别的直流数字电阻测试仪即可满足本发明使用要求。

上述绝缘压紧件为配套的螺母和绝缘螺丝；且支架为竖直的口字型支架，包括上壁、下壁、左壁和右壁，绝缘垫置于下壁，上壁开设有与横U型导电夹头对应的螺孔，绝缘螺丝通过螺孔上下移动。

二、一种粉末冶金烧结合金样品电导率测量方法，采用上述粉末冶金烧结合金样品电导率测量系统，包括步骤：

步骤1，按照切割线，沿中心轴方向切割合金样品，从而将合金样品等效为长条状样品；所述的切割线包括相平行的第一横向切割线和第二横向切割线、以及相平行的若干纵向切割线，纵向切割线间距相等；任意相邻纵向切割线中，一纵向切割线头端与第一横向切割线接触、尾端未到达第二横向切割线；而另一纵向切割线头端与第二横向切割线接触、尾端未到达第一横向切割线；

步骤2，将切割后合金样品两端分别置于横U型导电夹头内，并采用绝缘压紧件压紧横U型导电夹头；

步骤3，接通直流数字电阻测试仪开关读取电阻值R₁，根据横U型导电夹头电阻获得切割后合金样品电阻R，根据等效样品的长度和横截面积，获得合金样品电导率。

作为优选，合金样品切割前，对合金样品表面进行抛光。

作为优选，合金样品底面直径D为：15mm≤D≤30mm；纵线切割线间距t为：0.5mm≤t≤1.5mm；横向切割线与合金样品边缘弧所形成弓形的矢高r为：3mm≤r≤6mm。

上述步骤3进一步包括：

3.1获得等效样品长度L＝(D-2r)*(n-1)，D为原始合金样品底面直径，r为横向切割线与合金样品边缘弧所形成弓形的矢高，n为纵向切割线数；

3.2等效样品横截面积s＝t*h，t为纵向切割线间距，h为原始合金样品厚度；

3.3根据公式R＝L/σs计算合金样品电导率σ。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)四探针电阻仪接触电阻较大，接触电阻有时达到甚至超过试样电阻，因此只适用于测试大电阻和半导体，本发明可克服四探针电阻仪的上述缺陷。本发明利用压紧装置压紧横U型导电夹头和合金样品，以保证很小的接触电阻。

(2)应用范围广。

本发明适用于测试所有金属材料包括铁磁性材料和非铁磁性材料，可克服涡流电导仪不能测试铁磁性材料的不足。

(3)节约仪器成本。

涡流电导仪市场价均在万元以上，而且测试薄片金属材料需要更高工作频率的涡流电导仪，价格更为昂贵。而本发明所采用直流数字电阻测试仪市场价仅2000元左右，因此本发明可克服涡流电导仪成本高昂的不足。

(4)易操作。

通过压紧装置对横U型导电夹头施加压力，使得横U型导电夹头可以很好的固定住待测合金样品，并可根据待测合金样品厚度上下调节压紧装置。

附图说明

图1为四探针电阻仪原理示意图；

图2为合金样品线切割示意图，其中，图(a)为线切割前合金样品，图(b)为线切割后合金样品；

图3为具体实施中测试台俯视图；

图4为具体实施中测试台左视图；

图5为具体实施中本发明.系统示意图。

图中，1-横向切割线，2-纵向切割线，3-切割后合金样品，4-支架，5-绝缘垫，6-横U型导电夹头，7-螺母，8-绝缘螺丝，9-上端头，10-下端头，11-直流数字电阻测试仪，12-测试台，13-显示屏，14-电压接口，15-电阻接口，16-导线。

具体实施方式

粉末冶金烧结合金样品一般尺寸较小，且多呈圆柱薄片状。本发明通过对合金样品进行线切割，即可将圆柱形样品巧妙等效为导线状长条形状，相当于增加合金样品长度，从而增加合金样品电阻。本发明利用直流数字电阻测试仪和测试台测量线切割后合金样品的电阻，并通过理论计算，从而准确获得合金样品电导率。

图2为合金样品线切割示意图，图(a)中虚线表示切割线，图(b)中实线表示切割线、虚线表示电流方向。采用线切割机床按照图2所示切割线对合金样品进行线切割。切割线包括横向切割线(1)和纵向切割线(2)，D为合金样品底面直径，15mm≤D≤30mm；r为横向切割线(1)与合金样品边缘弧所形成弓形的矢高，3mm≤r≤6mm；t为纵向切割线(2)间距，同时也是纵向切割线(2)尾端与较近横向切割线(1)的距离，0.5mm≤t≤1.5mm。

图3～4为测试台结构示意图，测试台主要包括支架(4)、绝缘垫(5)和两个横U型导电夹头(6)，绝缘垫(5)设于支架(4)上，横U型导电夹头(6)设于绝缘垫(5)上，且两个横U型导电夹头(6)开口同向。使用时，两个横U型导电夹头(6)分别夹持合金样品的A端和B端，A端和B端即线切割后合金样品的两弧形端。支架(4)上还设有正对横U型导电夹头(6)上方、可上下移动的绝缘压紧件，通过上下移动绝缘压紧片对横U型导电夹头(6)施加压力，压紧合金样品和横U型导电夹头(6)，从而保证较小的接触电阻。

具体实施中，绝缘垫(5)由酚醛树脂制成，横U型导电夹头(6)由铜片制成。绝缘压紧件即相匹配的螺母(7)和绝缘螺丝(8)，绝缘螺丝(8)为尼龙螺丝，通过调节绝缘螺丝(8)从而给横U型导电夹头(6)施加压力。支架(4)为竖直的口字型支架(见图5)，包括上壁、下壁、左壁和右壁，绝缘垫(5)置于下壁，上壁开设有与横U型导电夹头(6)对应的螺孔，绝缘螺丝(8)通过螺孔上下移动。

但是，支架(4)结构并不限于上述，绝缘压紧件也并不限于螺母和绝缘螺丝，只要能实现通过绝缘压紧件的上下移动给横U型导电夹头(6)施压均可。例如，可将支架(4)设为可上下移动支架，绝缘压紧件设于支架上、且正对横U型导电夹头(6)，通过支架的上下移动带动绝缘压紧件给横U型导电夹头(6)施压。

图5为本发明系统结构示意图，包括通过导线(16)相连接的直流数字电阻测试仪(11)和测试台(12)，直流数字电阻测试仪(11)包括两个电压接口(14)和两个电阻接口(15)，两个电阻接口(15)通过导线(16)分别连接两个横U型导电夹头(6)的上端头(9)，两个电压接口(14)通过导线(16)分别连接两个横U型导电夹头(6)的下端头(10)。当然，也可以将两个电阻接口(15)分别连接两个横U型导电夹头(6)的下端头(10)，将两个电压接口(14)通过导线(16)分别连接两个横U型导电夹头(6)的上端头(9)。

当接通直流数字电阻测试仪(11)开关，电流即按图2(b)中虚线方向在样品内流通。具体实施中，直流数字电阻测试仪(11)采用量程0-2千欧、灵敏度1微欧的直流数字电阻测试仪。

本发明方法步骤如下：

步骤1，在砂纸上对合金样品进行抛光，然后按图2对抛光后合金样品进行线切割。

步骤2，将线切割后合金样品的A端和B端分别置于两个横U型导电夹头(6)内，步骤3，接通直流数字电阻测试仪开关并读取电阻值R₁，已知两个横U型导电夹头(6)电阻和R₀，则线切割后合金样品电阻R＝R₁-R₀。线切割后合金样品总长度L＝(D-2r)*(n-1)，即。线切割后合金样品的等效长度，n为纵向切割线数；线切割后合金样品横截面积s＝t*h，即。线切割后合金样品的等效横截面面积，h为合金样品厚度。根据公式R＝L/σs计算合金样品电导率σ。

下面将结合实施例进一步说明本发明。

实施例1

步骤1，将圆柱薄片状铜铬合金样品表面抛光，然后按图2方式进行线切割，采用螺旋测微仪测量线切割后样品相关几何参数：D＝20mm，r＝3mm，t＝1.14mm，h＝1.51mm，n＝11，横U型导电夹头电阻R₀＝0.96mΩ。

步骤2，按图3所示方式连接直流数字电阻测试仪与测试台，并采用横U型导电夹头(6)分别夹持线切割后样品的两端。

步骤3，接通数字电阻测试仪开关读取电阻R₁＝6.8mΩ，则线切割后样品电阻R＝R₁-R₀＝5.84mΩ。线切割后样品总长度L＝(D-2r)*(n-1)＝(20-2*3)*(11-1)＝140mm，横截面积s＝t*h＝1.14*1.51＝1.7214mm²，根据公式R＝L/σs，计算样品电导率σ＝13.9MS/m。

实施例2

步骤1，将圆柱薄片状铜铬合金样品表面抛光，然后按图2方式进行线切割，采用螺旋测微仪测量线切割后样品相关几何参数D＝20mm，r＝3mm，t＝1.14mm，h＝1.58mm，n＝11，横U型导电夹头电阻R₀＝0.96mΩ。

步骤2，按图3所示方式连接直流数字电阻测试仪与测试台，并采用横U型导电夹头(6)分别夹持线切割后样品的两端。

步骤3，接通数字电阻测试仪开关读取电阻R₁＝7.2mΩ，则线切割后样品电阻R＝R₁-R₀＝6.24mΩ。线切割后样品总长度L＝(D-2r)*(n-1)＝(20-2*3)*(11-1)＝140mm，横截面积s＝t*h＝1.14*1.58＝1.8012mm²，根据公式R＝L/σs，计算样品电导率σ＝12.45MS/m。

Claims (9)

1.一种粉末冶金烧结合金样品电导率测量系统，其特征在于，包括：

直流数字电阻测试仪和测试台，其中：

测试台包括支架、绝缘垫和两个横U型导电夹头，绝缘垫设于支架上，横U型导电夹头设于绝缘垫上，且两个横U型导电夹头开口同向；支架上还设有正对横U型导电夹头上方、可上下移动的绝缘压紧件，

直流数字电阻测试仪的两个电压接口通过导线分别连接横U型导电夹头的上端头或下端头，其两个电阻接口通过导线分别连接横U型导电夹头的下端头或上端头。

2.如权利要求1所述的粉末冶金烧结合金样品电导率测量系统，其特征在于：

所述的直流数字电阻测试仪为量程0-2千欧、灵敏度1微欧的直流数字电阻测试仪。

3.如权利要求1所述的粉末冶金烧结合金样品电导率测量系统，其特征在于：

所述的绝缘压紧件为配套的螺母和绝缘螺丝；且，所述的支架为竖直的口字型支架，包括上壁、下壁、左壁和右壁，绝缘垫置于下壁，上壁开设有与横U型导电夹头对应的螺孔，绝缘螺丝通过螺孔上下移动。

4.一种粉末冶金烧结合金样品电导率测量方法，其特征在于：

采用权利要求1所述的粉末冶金烧结合金样品电导率测量系统，包括步骤：

步骤1，按照切割线，沿中心轴方向切割合金样品，从而将合金样品等效为长条状样品；所述的切割线包括相平行的第一横向切割线和第二横向切割线、以及相平行的若干纵向切割线，纵向切割线间距相等；任意相邻纵向切割线中，一纵向切割线头端与第一横向切割线接触、尾端未到达第二横向切割线；而另一纵向切割线头端与第二横向切割线接触、尾端未到达第一横向切割线；

步骤2，将切割后合金样品两端分别置于横U型导电夹头内，并采用绝缘压紧件压紧横U型导电夹头；

步骤3，接通直流数字电阻测试仪开关读取电阻值R₁，根据横U型导电夹头电阻获得切割后合金样品电阻R，根据等效样品的长度和横截面积，获得合金样品电导率。

5.如权利要求1所述的粉末冶金烧结合金样品电导率测量方法，其特征在于：

合金样品切割前，对合金样品表面进行抛光。

6.如权利要求1所述的粉末冶金烧结合金样品电导率测量方法，其特征在于：

所述的合金样品底面直径D为：15mm≤D≤30mm。

7.如权利要求1所述的粉末冶金烧结合金样品电导率测量方法，其特征在于：

所述的纵线切割线间距t为：0.5mm≤t≤1.5mm。

8.如权利要求1所述的粉末冶金烧结合金样品电导率测量方法，其特征在于：

所述的横向切割线与合金样品边缘弧所形成弓形的矢高r为：3mm≤r≤6mm。

9.如权利要求1所述的粉末冶金烧结合金样品电导率测量方法，其特征在于：

步骤3进一步包括：

3.1获得等效样品长度L＝(D-2r)*(n-1)，D为原始合金样品底面直径，r为横向切割线与合金样品边缘弧所形成弓形的矢高，n为纵向切割线数；

3.2等效样品横截面积s＝t*h，t为纵向切割线间距，h为原始合金样品厚度；

3.3根据公式R＝L/σs计算合金样品电导率σ。