CN107656147B - 一种用于低温环境的大电流伏安测量仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测量仪表领域，具体涉及一种用于低温环境的大电流伏安测量仪器。本发明包括振荡器(1)、单稳态触发器(2)、开关器件(3)、电感(4)和取样电阻(5)；所述振荡器(1)与单稳态触发器(2)相连，所述单稳态触发器(2)与开关器件(3)相连；所述开关器件(3)一端连接电感(4)，另一端连接取样电阻(5)，使开关器件(3)、电感(4)和取样电阻(5)三者串联；所述电感(4)反向并联一个二极管(10)。本发明利用一个可调宽度的窄脉冲来控制开关器件的导通与关断，并利用一个电感来控制通过试样的电流上升率，从而使得试样发热量大大降低，减小了低温液体的消耗，测得的结果也更准确。
Description
技术领域
本发明属于测量仪表领域，特别涉及在低温环境下的材料/器件伏安特性测量仪器，具体涉及一种用于低温环境的大电流伏安测量仪器。
背景技术
需要测量材料或器件在低温环境下的伏安特性，如电阻率、PN结压降、超导临界电流等参数时，通常需要把被测材料或器件制成试样，浸泡在液氮或液氦等低温液体中，使试样冷却到液氮温度(77K/-196℃)或液氦温度(4K/-269℃)后再连接仪表进行测量。低温液体特别是液氦成本很高，为了节约低温液体，测量时试样通常只能通很小的电流，控制试样的发热量在毫瓦或微瓦量级。
但有时必须测量材料或器件在低温下通过较大电流时的伏安特性，此时试样会大量发热，造成低温液体迅速蒸发，从而大大增加了测量成本；同时试样发热造成本身温度上升，使得测量结果不准确。因此有必要实现一种既能实现大电流又不会大量发热的测量仪器。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在低温下测量材料或器件的大电流伏安特性、同时又不会使得被测试样大量发热的测量仪器。
为了实现上述发明目的，本发明的具体技术方案如下：
本发明的用于低温环境的大电流伏安测量仪器，包括振荡器1、单稳态触发器2、开关器件3、电感4和取样电阻5；
所述振荡器1与单稳态触发器2相连，所述单稳态触发器2与开关器件3相连；所述开关器件3一端连接电感4，另一端连接取样电阻5，使开关器件3、电感4和取样电阻5三者串联；
所述电感4反向并联一个二极管10。
根据本发明的测量仪器，其中，所述测量仪器还可以包括阈值比较器6，所述阈值比较器6连接于单稳态触发器2与取样电阻5之间。
根据本发明的测量仪器，其中，所述测量仪器还包括示波器7，所述示波器7通过探头与取样电阻5两端相连，并且所述示波器7通过探头与被测样品的两端相连。
根据本发明所述的测量仪器，其中，所述电感4另一端与被测样品相连；所述测量仪器还包括电源8，其除与各组件连接外，还连接于被测样品，负责给各组件以及被测样品同时供电。
根据本发明的测量仪器，其中，所述单稳态触发器2受一路开关信号控制其工作与否。
根据本发明的测量仪器，其中，所述开关器件3可以为晶体管、场效应管、晶闸管中的一种。
具体地，本发明的用于低温环境的大电流伏安测量仪器中：
所述振荡器1，输出方波信号；
所述单稳态触发器2，受所述方波信号边沿的控制，输出周期与前述方波信号相同、宽度很窄的脉冲信号，其占空比很小；
所述单稳态触发器2还可以受一路开关信号控制其工作与否。
所述开关器件3，可以是晶体管、场效应管、晶闸管等，受所述窄脉冲信号的控制，在一个周期内只有极短的时间导通，大部分时间处于关断状态；
所述开关器件3与被测试样9、一个电感4、一个取样电阻5串联。
被测试样9两端连接探头，与示波器7相连，用于测量试样两端电压。
所述电感4反向并联一个二极管。当开关器件导通时，通过电感的电流按dI/dt＝V/L规律上升，二极管不导通；开关器件关断时电感电流通过二极管构成回路并迅速降低到零。
所述取样电阻5两端也连接探头，与示波器相连。在开关器件导通时，可以测量取样电阻两端的电压，根据关系I＝V/R得到通过取样电阻的电流，也就是通过被测试样的电流。
所述取样电阻5还可以与阈值比较器6相连，用于限制开关支路的电流上限。阈值比较器输出一路开关信号控制前述单稳态触发器，取样电阻两端电压小于阈值时此开关信号为开，超过阈值时开关信号为关，使前述单稳态触发器输出的脉冲提前截止，从而使开关器件提前关断。
与传统测试装置相比，本发明提供的测量仪器具有以下技术效果：
1、传统测试装置中被测试样发热量大，会大量消耗低温液体，成本高；本发明提供的测量仪器由于试样只在极短的时间内通过大电流，因此被测试样的发热量极小，从而减少了低温液体的消耗，降低了测试成本；
2、传统测试装置中被测试样发热量大，使得被测试样温度上升，测得的数据不准确；本发明提供的测量仪器中被测试样的发热量极小，测试过程中被测试样本身的温度变化可以忽略，因此测得的数据更准确。
本发明可用于液氮温度(77K/-196℃)直到液氦温度(4K/-269℃)、测量材料或器件通过10A以上、最高可达1000A以上大电流时的伏安性能。
附图说明
图1为本发明的用于低温环境的大电流伏安测量仪器示意图(不含阈值比较器)。
图2为本发明的用于低温环境的大电流伏安测量仪器示意图(含阈值比较器)。
图3为本发明实施例中示波器显示的波形图；其中，(1)为振荡器1的输出波形；(2)为单稳态触发器2的输出波形；(3)为通过被测试样的电流波形。
附图标识
1、振荡器 2、单稳态触发器 3、开关器件 4、电感
5、取样电阻 6、阈值比较器 7、示波器 8、电源
9、被测试样 10、二极管
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细的说明。
如图1与2所示，本发明的用于低温环境的大电流伏安测量仪器，包括振荡器1、单稳态触发器2、开关器件3、电感4和取样电阻5；所述振荡器1与单稳态触发器2相连，所述单稳态触发器2与开关器件3相连；所述开关器件3一端连接电感4，另一端连接取样电阻5，使开关器件3、电感4和取样电阻5三者串联；所述电感4反向并联一个二极管10。所述测量仪器还可以包括阈值比较器6，所述阈值比较器6连接于单稳态触发器2与取样电阻5之间。所述测量仪器还包括示波器7，所述示波器7通过探头与取样电阻5两端相连，并且所述示波器7通过探头与被测试样9的两端相连。
使用本发明的测量仪器测试样品时，将被测试样9按附图1或2连接好并放置到低温容器内，待其温度稳定后，接通电源，把单稳态触发器2的脉冲宽度调节至最小。调节示波器各项参数直到能正常显示两通道波形。逐渐调大单稳态触发器2的脉冲宽度，同时观察示波器连接取样电阻5的通道波形(电压幅度除以取样电阻5的阻值即为电流值)，直到达到所需要的电流值。然后将示波器显示的两通道波形数据存储并传输到PC端，即可得到被测试样9的伏安特性数据，可利用Origin、Matlab等常用数据处理软件进一步处理。
实施例1
本实施例结构如图2所示。其中，振荡器1使用NE555接成振荡器，产生频率为500Hz、周期为2ms的方波，如图3中波形(1)所示；单稳态触发器2使用NE555接成单稳态触发器，其输出脉冲信号宽度为1～100us，如图3中波形(2)所示；开关器件3使用型号为2SK3918型的场效应管，其能承受的平均电流最大为48A，瞬时电流最大为192A；电感4为10uH的磁环电感；取样电阻5为0.01Ω的电阻；阈值比较器6的阈值电压为0.6V。示波器7为具有脉冲边沿触发和数据存储功能的双通道示波器。电源8供电电压为10V。被测试样9放置在低温容器内。
当开关器件3导通时，流过开关支路的电流上升率为10V/10uH＝106A/s，因此当单稳态触发器2输出脉冲信号宽度为1～100us时，开关支路电流从零开始，最大可以上升到100A，如图3中波形(3)所示。脉冲信号结束时，开关器件3关断。但当支路电流超过60A时，取样电阻5两端电压即超过0.6V，大于阈值比较器6的阈值电压，从而使得单稳态触发器2输出的脉冲信号提前截止，使开关器件3提前关断，从而把支路电流限制在了最大60A，相应的脉冲宽度为60us。下一个窄脉冲到来时，开关器件3再次导通，如此循环。示波器7采集被测试样9和取样电阻5两端的波形，待波形稳定后，将波形数据保存并传输到PC机上，即可根据波形数据得到样品的伏安特性曲线。调整单稳态触发器2输出的脉冲信号宽度可以在60A范围之内控制样品通过的最大电流。
当被测样品电阻为0.1欧时，如果不使用本发明提供的测量仪器，样品通过60A电流时的发热功率将达到360W；使用本发明提供的测量仪器，则在60us的测量间隔中的发热功率为120W，再平均到2ms的整个测量周期后，发热功率仅有3.6W，是常规方法的1/100。
实施例2
本实施例结构与实施例1大致相同。其中，振荡器1使用74HC4060配合4.096MHz的石英晶体、13级分频后输出频率为500Hz、周期为2ms的方波；单稳态触发器2使用74HC123接成单稳态触发器，其输出脉冲信号宽度为1～25us；开关器件3使用型号为IRF3205的场效应管两只并联，其能承受的平均电流最大为110A，瞬时电流最大为390A，两只并联后则分别为220A和780A；电感4为0.5uH的磁环电感；取样电阻5为0.001Ω的取样电阻；阈值比较器6的阈值电压为0.3V。示波器7为具有脉冲边沿触发和数据存储功能的双通道数字示波器。电源8供电电压为10V。
当开关器件3导通时，流过开关支路的电流上升率为10V/0.5uH＝2×107A/s，因此当单稳态触发器2输出脉冲信号宽度为1～25us时，开关支路电流从零开始，最大可以上升到500A。脉冲信号结束时，开关器件3关断。但当支路电流超过300A时，取样电阻5两端电压即超过0.3V，大于阈值比较器6的阈值电压，从而使得单稳态触发器2输出的脉冲信号提前截止，使开关器件3提前关断，从而把支路电流限制在了最大300A，相应的脉冲宽度为15us。下一个窄脉冲到来时，开关器件3再次导通，如此循环。示波器7采集被测试样9和取样电阻5两端的波形，待波形稳定后，将波形数据保存并传输到PC机上，即可根据波形数据得到样品的伏安特性曲线。调整单稳态触发器2输出的脉冲信号宽度可以在300A范围之内控制样品通过的最大电流。
当被测样品取样电阻为0.02欧时，如果不使用本发明提供的测量仪器，样品通过300A电流时的发热功率将达到1800W；使用本发明提供的测量仪器，则在15us的测量间隔中的发热功率为600W，再平均到2ms的整个测量周期后，发热功率仅有4.5W，是常规方法的1/400。
实施例3
本实施例结构如图1所示。其中，振荡器1和单稳态触发器2使用一只NE556实现，振荡器1产生频率为500Hz、周期为2ms的方波，如图3中波形(1)所示；单稳态触发器2输出脉冲信号宽度为1～60us，如图3中波形(2)所示；开关器件3使用型号为Si7170型的场效应管，其能承受的平均电流最大为40A，瞬时电流最大为70A；电感4为10uH的磁环电感；取样电阻5为0.01Ω的电阻；示波器7为具有脉冲边沿触发和数据存储功能的双通道示波器。电源8供电电压为10V。被测试样9放置在低温容器内。
当开关器件3导通时，流过开关支路的电流上升率为10V/10uH＝106A/s，因此当单稳态触发器2输出脉冲信号宽度为1～60us时，开关支路电流从零开始，最大可以上升到60A，如图3中波形(3)所示。脉冲信号结束时，开关器件3关断。下一个窄脉冲到来时，开关器件3再次导通，如此循环。示波器7采集被测试样9和取样电阻5两端的波形，待波形稳定后，将波形数据保存并传输到PC机上，即可根据波形数据得到样品的伏安特性曲线。调整单稳态触发器2输出的脉冲信号宽度可控制样品通过的最大电流。
当被测样品电阻为0.1欧时，如果不使用本发明提供的测量仪器，样品通过60A电流时的发热功率将达到360W；使用本发明提供的测量仪器，则在60us的测量间隔中的发热功率为120W，再平均到2ms的整个测量周期后，发热功率仅有3.6W，是常规方法的1/100。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种用于低温环境的大电流伏安测量仪器，其特征在于，所述测量仪器包括振荡器(1)、单稳态触发器(2)、开关器件(3)、电感(4)和取样电阻(5)；
所述振荡器(1)与单稳态触发器(2)相连，所述单稳态触发器(2)与开关器件(3)相连，所述单稳态触发器(2)受一路开关信号控制其工作与否，单稳态触发器(2)调节脉冲宽度；所述开关器件(3)一端连接电感(4)，另一端连接取样电阻(5)，使开关器件(3)、电感(4)和取样电阻(5)三者串联；
所述电感(4)反向并联一个二极管(10)，电感(4)另一端与被测样品相连；
所述测量仪器还包括阈值比较器(6)，所述阈值比较器(6)连接于单稳态触发器(2)与取样电阻(5)之间；
阈值比较器输出一路开关信号控制单稳态触发器，取样电阻两端电压小于阈值时此开关信号为开，超过阈值时开关信号为关。
2.根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于，所述测量仪器还包括示波器(7)，所述示波器(7)通过探头与取样电阻(5)两端相连，并且所述示波器(7)通过探头与被测样品的两端相连。
3.根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于，所述开关器件(3)为晶体管、场效应管、晶闸管中的一种。
4.根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于，所述测量仪器还包括电源(8)，其连接于被测样品。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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