CN105717362B - 电阻率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的电阻率测量装置，包括容器、加热器、加热电源、数据采集设备和上位PC机，特征在于：容器中设置有待测导体、温度传感器和加热电阻丝，外筒容器中存储有用于将容器中的温度冷却至0℃的冰块。本发明的测量方法包括：a).截取待测导体；b).线缆连接；c).将容器置于冰块中；d).冰点温度数据采集；e).移除冰块并加热；f).求取各温度下的电阻率；g).求取电阻率的计算公式；h).实验结束。本发明的电阻率测量装置及方法，求取的待测导体的电阻值更加精确，通过计算0～100℃各温度点的电阻率，采用二次曲线拟合的方法，即可获取待测导体的电阻率的温度系数，测量结果更加准确。

Description

电阻率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电阻率测量装置及方法，更具体的说，尤其涉及一种结构简单、测量精准的电阻率测量装置及方法。

背景技术

电阻率表示物质的导电特性，在诸多应用场合，需要对导电物质的电阻率进行精确标定和测量，以计算导电物质作为电子元件时的电阻。再者，在理论教学过程中，需要指导学生测量导电材料的电阻率，以培养学生的理论计算和实验能力。这就需要有一种结构简单合理、成本低廉但能精准测量导电材料电阻率的实验装置和方法，来精准测量待测材料的电阻率。

对于某一材料来说，不同温度下的电阻率是不同的，电阻率通过公式(4)进行求取：

ρ_t＝ρ₀(1+αt+bt²+ct³+...) (4)

式中，ρ_t是温度为t时的电阻率，ρ₀为t＝0℃时的电阻率，α,b,c为常系数，由于常数b比α小很多，在不太大的温度范围内，b可以略去，于是上式可近似写成：

ρ_t＝ρ₀(1+αt) (3)

式中α称为该金属电阻率的温度系数。严格地说，α与温度有关，但在0℃～100℃范围内，α的变化很小，可看作不变。由此可见，求取公式(3)中的α即可获取被测金属的电阻率。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种电阻率测量装置及方法。

本发明的电阻率测量装置，包括容器、加热器、加热电源、数据采集设备和上位PC机，加热电源用于给加热器供电，数据采集设备与上位PC机相通信，以实现数据传输；其特征在于：所述容器中设置有待测导体、温度传感器和加热电阻丝，容器的顶端设置有对其密封的密封盖，密封盖上设置有对其贯穿的且具有导体材料制成的测量支架、传感器支架和加热支架，待测导体、温度传感器和加热电阻丝分别固定于测量支架、传感器支架和加热支架的底端；

待测导体、温度传感器位于容器中的同一高度，加热电阻丝位于待测导体和温度传感器的下方，以实现对待测导体、温度传感器的同步均匀加热；容器的外围设置有可进行拆卸和组装的外套容器，外套容器中存储有用于将容器中的温度冷却至0℃的冰块；加热器的输出端与加热支架相连接，以实现对加热电阻丝的供电，数据采集设备的电阻测量端经正极导线、负极导线与测量支架相连接，以测量流经待测导体的电流和加在两端的电压，数据采集设备的温度测量端经导线与传感器支架相连接，以测量容器中的温度值。

本发明的电阻率测量装置，所述待测导体经加持装置固定于测量支架上，测量支架的数目为两个，所述加持装置由左固定座、右固定座和伸缩杆组成，左固定座、右固定座分别固定于两测量支架上，右固定座上开设有与伸缩杆相配合的导向孔，伸缩杆的一端位于导向孔中并可运动，伸缩杆与右固定座之间设置有压缩弹簧；左固定座、伸缩杆上均设置有对待测导体进行支撑的承托板。

本发明的电阻率测量装置，所述加热支架与加热器、测量支架与数据采集设备、传感器支架与数据采集设备均通过插接头相连接。

本发明的电阻率测量装置的测量方法，通过以下步骤来实现：

a).截取待测导体，截取长度为L、直径为d的待测导体，并将其固定于两测量支架之间；

b).线缆连接，首先将密封盖置于容器的开口上，以实现容器的密封；然后将加热电源与加热器相连接，数据采集设备与上位PC机相连接，并将加热器的输出线通过插接头接于两加热支架上，数据采集设备的电阻测量端经正极导线、负极导线接于两测量支架上，温度测量端接于两传感器支架上；

c).将容器置于冰块中，在外套容器中加入适量碎冰块，并将容器置于外套容器中，以使容器的外围均有冰块，并在外套容器的上部设置环形塞；

d).冰点温度数据采集，待冰块与容器进行充分的热交换后，开启数据采集设备和上位PC机，当温度传感器上传的温度为0℃时，记录此时所采集的电压值和电流值，设其分别为U₀，I₀；

e).移除冰块并加热，获取到0℃的数据后，将外套容器和冰块移除，并开启加热器，在容器内的温度逐渐上升至100℃的过程中，不断采集相应温度下的电压、电流值；设采集的温度点分别为t₁、t₂、…、t_n，相应的电压值分别为U₁、U₂、…、U_n，相应的电流值分别为I₁、I₂、…、I_n；

f).求取各温度下的电阻率，设正极导线与相应测量支架连接后的总电阻为r1，负极导线与相应测量支架连接后的总电阻为r2，通过公式(1)求取t_i温度下待测导体的电阻值R_i：

其中，i＝0、1、2、…、n；

根据公式(2)求取各温度下的电阻率：

其中，ρ_i为待测导体t_i温度下的电阻率，S为待测导体的横截面积，i＝0、1、2、…、n；

g).求取电阻率的计算公式，根据步骤f)中求取的n+1个数据点(t_i，ρ_i)，以温度为横坐标、电阻率为纵坐标建立直角坐标系，采用二次曲线拟合的算法，求出公式(3)中的电阻率温度系数α：

ρ_t＝ρ₀(1+αt) (3)

ρ_t为温度t下的电阻率，ρ₀为温度为0℃下的电阻率，α为待测导体的电阻率的温度系数；

h).实验结束，实验完毕后，关闭加热器、数据采集设备，拆除加热器、数据采集设备与测量支架、传感器支架、加热支架之间的连接导线，完成电阻率测量实验。

本发明的有益效果是：本发明的电阻率测量装置，通过在容器的底部设置加热电阻丝，在容器的同一高度位置处设置待测导体和温度传感器，在电阻丝加热的过程中，保证了温度传感器可反映出待测导体的真实温度，保证了测量结果的准确性。通过在容器的外围设置存放冰块的外套容器，使得待测导体的温度可达到0摄氏度，便于待测导体电阻率的计算。

进一步地，通过在两测量支架上分别设置左、右固定座，右固定座上设置有伸缩杆和压缩弹簧，且左固定座、伸缩杆上均设置有承托板，依靠左固定座和伸缩杆对待测导体的加持，承托板对待测导体的支撑作用，有效地实现了对待测导体的固定。

本发明的电阻率测量装置的测量方法，在待测导体电阻的计算过程中，通过将正、负极导线及与其相连接的测量支架的电阻均考虑进入，使得求取的待测导体的电阻值更加精确；通过计算0～100℃各温度点的电阻率，采用二次曲线拟合的方法，即可获取待测导体的电阻率的温度系数α，测量结果更加准确。

附图说明

图1为本发明的电阻率测量装置的主视图；

图2为本发明的电阻率测量装置的左视图；

图3为本发明的电阻率测量装置的俯视图；

图4为本发明中固定待测导体的加持装置的结构图；

图5为本发明中容器与存储有冰块的外套容器相配合的结构图；

图6为获取的电阻率与温度的关系图。

图中：1容器，2加热器，3加热电源，4数据采集设备，5上位PC机，6密封盖，7待测导体，8温度传感器，9加热电阻丝，10测量支架，11传感器支架，12加热支架，13插接头，14外套容器，15环形塞，16冰块，17正极导线，18负极导线，19左固定座，20右固定座，21伸缩杆，22压缩弹簧，23导向孔，24承托板。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，给出了本发明的电阻率测量装置的主视图、左视图和俯视图，图5给出了容器与存储有冰块的外套容器相配合的结构图，所示的电阻率测量装置由容器1、加热器2、加热电源3、数据采集设备4、上位PC机5、待测导体7、温度传感器8、加热电阻丝9、测量支架10、传感器支架11、加热支架12、外套容器14组成，所示容器1的内部为空腔，上端开口，容器1可采用玻璃器皿。测量支架10、传感器支架11、加热支架12均由导体材料构成，其数量均为2个，且均贯穿于密封盖6进行设置。加热支架12的下端伸入至容器1的底部，两加热支架12支架设置有多个加热电阻丝。两测量支架10、两传感器支架11的下端位于容器1内部空腔的中部，待测导体7固定于两测量支架10的下端，传感器支架11固定于两传感器支架11的下端，且待测导体7、温度传感器8位于同一高度，以便在下方电阻丝加热的过程中，温度传感器8可反映待测导体7的真实温度值。

所示的加热电源3与加热器2相连接，加热器的输出导线经插接头13与加热支架12相连接，以实现对加热电阻丝的供电。数据采集设备4与上位PC机5相连接，以便将采集的数据上传至上位PC机5，以便上位机对采集的数据进行保存和处理。数据采集设备4的电阻测量端经正极导线17、负极导线18分别与两测量支架10相连接，以实现对待测导体7的测量；数据采集设备4的温度测量端经插接头13与两传感器支架11相连接，以实现温度测量。

为了使待测导体7可达到0℃的温度，所示容器1的外围设置有外套容器14，外筒容器14中存储有碎冰块16，当容器1置于外套容器14中之后，外套容器14中的冰块16就位于容器1的外围，经热传递之后，可使待测导体7和温度传感器8的温度达到0℃。所示的外套容器14的顶部设置有环形塞15，以实现对外套容器14中冰块16的密封。

如图4所示，给出了固定待测导体的加持装置的结构图，所示的加持装置由左固定座19、右固定座20、伸缩杆21和压缩弹簧22组成，所示的左固定座19和右固定座20分别固定于两测量支架10的下端，右固定座20上开设有导向孔23，伸缩杆21位于导向孔23中，压缩弹簧22位于伸缩杆21与右固定座20之间。待测导体7位于左固定座19与伸缩杆21之间，左固定座19、伸缩杆21上均设置有对待测导体7进行支撑的承托板24。在压缩弹簧22的作用下，通过左固定座19和伸缩杆21对待测导体7的压持，以及承托板24对待测导体7的支撑，可使待测导体7稳定地固定于两测量之间10上，并具有良好的导电性。

所述的电阻率测量装置的测量方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).截取待测导体，截取长度为L、直径为d的待测导体，并将其固定于两测量支架之间；

b).线缆连接，首先将密封盖置于容器的开口上，以实现容器的密封；然后将加热电源与加热器相连接，数据采集设备与上位PC机相连接，并将加热器的输出线通过插接头接于两加热支架上，数据采集设备的电阻测量端经正极导线、负极导线接于两测量支架上，温度测量端接于两传感器支架上；

c).将容器置于冰块中，在外套容器中加入适量碎冰块，并将容器置于外套容器中，以使容器的外围均有冰块，并在外套容器的上部设置环形塞；

d).冰点温度数据采集，待冰块与容器进行充分的热交换后，开启数据采集设备和上位PC机，当温度传感器上传的温度为0℃时，记录此时所采集的电压值和电流值，设其分别为U₀，I₀；

e).移除冰块并加热，获取到0℃的数据后，将外筒容器和冰块移除，并开启加热器，在容器内的温度逐渐上升至100℃的过程中，不断采集相应温度下的电压、电流值；设采集的温度点分别为t₁、t₂、…、t_n，相应的电压值分别为U₁、U₂、…、U_n，相应的电流值分别为I₁、I₂、…、I_n；

f).求取各温度下的电阻率，设正极导线与相应测量支架连接后的总电阻为r1，负极导线与相应测量支架连接后的总电阻为r2，通过公式(1)求取t_i温度下待测导体的电阻值R_i：

其中，i＝0、1、2、…、n；

根据公式(2)求取各温度下的电阻率：

其中，ρ_i为待测导体t_i温度下的电阻率，S为待测导体的横截面积，i＝0、1、2、…、n；

g).求取电阻率的计算公式，根据步骤f)中求取的n+1个数据点(t_i，ρ_i)，以温度为横坐标、电阻率为纵坐标建立直角坐标系，采用二次曲线拟合的算法，求出公式(3)中的电阻率温度系数α：

ρ_t＝ρ₀(1+αt) (3)

ρ_t为温度t下的电阻率，ρ₀为温度为0℃下的电阻率，α为待测导体的电阻率的温度系数；

如图6所示，给出了获取的电阻率与温度的关系图。

h).实验结束，实验完毕后，关闭加热器、数据采集设备，拆除加热器、数据采集设备与测量支架、传感器支架、加热支架之间的连接导线，完成电阻率测量实验。

Claims (1)

1.一种电阻率测量装置的测量方法，电阻率测量装置包括容器(1)、加热器(2)、加热电源(3)、数据采集设备(4)和上位PC机(5)，加热电源用于给加热器供电，数据采集设备与上位PC机相通信，以实现数据传输；其特征在于：所述容器中设置有待测导体(7)、温度传感器(8)和加热电阻丝(9)，容器的顶端设置有对其密封的密封盖(6)，密封盖上设置有对其贯穿的且具有导体材料制成的测量支架(10)、传感器支架(11)和加热支架(12)，待测导体、温度传感器和加热电阻丝分别固定于测量支架、传感器支架和加热支架的底端；

待测导体、温度传感器位于容器中的同一高度，加热电阻丝位于待测导体和温度传感器的下方，以实现对待测导体、温度传感器的同步均匀加热；容器(1)的外围设置有可进行拆卸和组装的外套容器(14)，外套容器中存储有用于将容器中的温度冷却至0℃的冰块(16)；加热器的输出端与加热支架相连接，以实现对加热电阻丝的供电，数据采集设备的电阻测量端经正极导线(17)、负极导线(18)与测量支架相连接，以测量流经待测导体的电流和加在两端的电压，数据采集设备的温度测量端经导线与传感器支架(11)相连接，以测量容器中的温度值；

所述待测导体(7)经加持装置固定于测量支架(10)上，测量支架的数目为两个，所述加持装置由左固定座(19)、右固定座(20)和伸缩杆(21)组成，左固定座、右固定座分别固定于两测量支架上，右固定座上开设有与伸缩杆相配合的导向孔(23)，伸缩杆的一端位于导向孔中并可运动，伸缩杆与右固定座之间设置有压缩弹簧(22)；左固定座、伸缩杆上均设置有对待测导体进行支撑的承托板(24)；

所述加热支架(12)与加热器(2)、测量支架(10)与数据采集设备(4)、传感器支架(11)与数据采集设备均通过插接头(13)相连接；

其特征在于，电阻率测量装置的测量方法，通过以下步骤来实现：

a).截取待测导体，截取长度为L、直径为d的待测导体，并将其固定于两测量支架之间；

b).线缆连接，首先将密封盖置于容器的开口上，以实现容器的密封；然后将加热电源与加热器相连接，数据采集设备与上位PC机相连接，并将加热器的输出线通过插接头接于两加热支架上，数据采集设备的电阻测量端经正极导线、负极导线接于两测量支架上，温度测量端接于两传感器支架上；

c).将容器置于冰块中，在外套容器中加入适量碎冰块，并将容器置于外套容器中，以使容器的外围均有冰块，并在外套容器的上部设置环形塞；

d).冰点温度数据采集，待冰块与容器进行充分的热交换后，开启数据采集设备和上位PC机，当温度传感器上传的温度为0℃时，记录此时所采集的电压值和电流值，设其分别为U₀，I₀；

e).移除冰块并加热，获取到0℃的数据后，将外套容器和冰块移除，并开启加热器，在容器内的温度逐渐上升至100℃的过程中，不断采集相应温度下的电压、电流值；设采集的温度点分别为t₁、t₂、…、t_n，相应的电压值分别为U₁、U₂、…、U_n，相应的电流值分别为I₁、I₂、…、I_n；

f).求取各温度下的电阻率，设正极导线与相应测量支架连接后的总电阻为r1，负极导线与相应测量支架连接后的总电阻为r2，通过公式(1)求取t_i温度下待测导体的电阻值R_i：

其中，i＝0、1、2、…、n；

根据公式(2)求取各温度下的电阻率：

其中，ρ_i为待测导体t_i温度下的电阻率，S为待测导体的横截面积，i＝0、1、2、…、n；

g).求取电阻率的计算公式，根据步骤f)中求取的n+1个数据点(t_i，ρ_i)，以温度为横坐标、电阻率为纵坐标建立直角坐标系，采用二次曲线拟合的算法，求出公式(3)中的电阻率温度系数α：

ρ_t＝ρ₀（1＋αt) (3)

ρ_t为温度t下的电阻率，ρ₀为温度为0℃下的电阻率，α为待测导体的电阻率的温度系数；

h).实验结束，实验完毕后，关闭加热器、数据采集设备，拆除加热器、数据采集设备与测量支架、传感器支架、加热支架之间的连接导线，完成电阻率测量实验。