CN110470908A - 研究固体电极氧化膜对液固接触电阻影响的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种研究固体电极氧化膜对液固接触电阻影响的装置及方法，装置包括真空手套箱、微欧计和电阻测量装置，所述微欧计和电阻测量装置分别设置于真空手套箱的外部和内部，所述真空手套箱的箱壁上设有手套孔，真空手套箱的侧壁的上下两端分别设有入气孔和出气孔；所述电阻测量装置包括绝缘玻璃槽，所述绝缘玻璃槽内设有液态金属导体，绝缘玻璃槽内还设有距离可变的两个相同的金属导体电极，所述金属导体电极上设有电极夹子固定处，所述微欧计通过开尔文测试夹与电极夹子固定处连接。本发明创造了无氧条件，减小了测量过程中液态或固态金属导体氧化产生附加氧化膜层引起的测量误差；降低了液态金属初始氧化膜和组分不均导致的测量误差。
Description
技术领域
本发明涉及液态金属电接触领域，特别是涉及一种固体电极氧化膜对液固接触电阻影响的研究装置与方法。
背景技术
液态金属开关是液态金属在惯性力或其他作用力驱使下使其与导体电极接触导通的一类开关。液态金属与导体电极之间存在接触电阻。当大电流通过此接触电阻时产生大量热量，使开关温度升高，从而继续使导通电阻变大，如此恶性循环对电路产生危害，影响开关使用寿命。控制接触电阻的大小可有效保证开关设备在额定功率下稳定运行，保证与开关设备相连其他设备的工作寿命。
接触电阻由膜层电阻和收缩电阻构成。膜层电阻是指接触表面形成的氧化物、硫化物及其他污染物杂质组成的导电性能差的膜产生的电阻；收缩电阻是指电流通过导电斑点产生收缩效应引起的金属电阻增量。液固导体接触比固固导体接触的相容性和浸润性更好，因此收缩电阻占比更小，所以减小膜层电阻是减小液固接触电阻的主要方法。
中国专利CN103163375A提出了一种固液导体接触电阻的测量方法，中国专利CN105301358A提出了一种用于真空卷绕镀膜设备上的膜层电阻在线检测装置，但均不适用于探究固体氧化膜对固液导体接触电阻的影响。
在测量固体氧化膜对液固接触电阻影响的过程中，液态金属(如镓铟锡)容易在空气环境中形成表面氧化膜，氧化前后的液态金属与同一固体电极相互接触时产生的接触电阻存在很大差异，因此为测量提供无氧环境能保证测量的准确性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种研究固体电极氧化膜对液固接触电阻影响的装置及方法，本发明装置可提供一种无氧的测量环境，克服液态金属易被氧化而影响测量的准确性。通过平均差值法计算接触电阻值。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
研究固体电极氧化膜对液固接触电阻影响的装置，包括真空手套箱、微欧计和电阻测量装置，所述微欧计和电阻测量装置分别设置于真空手套箱的外部和内部，所述真空手套箱的箱壁上设有手套孔，真空手套箱的侧壁的上下两端分别设有入气孔和出气孔；所述电阻测量装置包括绝缘玻璃槽，所述绝缘玻璃槽内设有液态金属导体，绝缘玻璃槽内还设有距离可变的两个相同的金属导体电极，所述金属导体电极上设有电极夹子固定处，所述微欧计通过开尔文测试夹与电极夹子固定处连接，两个金属导体电极之间的液态金属导体构成为液态金属柱。
进一步的，所述真空手套箱内还设有氧气检测仪。
进一步的，所述入气孔连接氮气瓶。
进一步的，标尺测量夹子固定位置到液面的距离和两电极之间距离。
另一个技术方案是一种研究固体电极氧化膜对液固接触电阻影响的方法，包括以下步骤：
(1)将电阻测量装置放置在真空手套箱内，将氮气持续冲入真空手套箱中，过滤箱内氧气形成无氧环境，待氧气检测仪显示氧气含量为零并持续一分钟后将液态金属倒入玻璃槽中进行接触电阻的测量；测量过程中持续通入氮气，确保氧气检测仪读数始终为零，真空手套箱内处于无氧状态；
(2)选择一对金属导体电极放置在绝缘玻璃槽内，两金属导体电极分别为一号金属导体电极和二号金属导体电极，一号金属导体电极固定在绝缘玻璃槽一侧，二号金属导体电极与一号金属导体电极之间距离为L1，观察并记录微欧计上显示的电阻；之后每次向远离一号金属导体电极的方向移动二号金属导体电极1cm，两金属导体电极之间的距离记为L2、L3、L4…，依次记录微欧计读数，电阻依次为Rab1、Rab2、Rab3…；测量两金属导体电极上开尔文测试夹到液态金属导体表面距离的电阻值Ra、Rb；
(3)测量不同氧化程度的金属导体电极与液态金属导体之间的接触电阻，重复步骤(2)进行测量；
(4)利用平均差值法计算每1cm长度的液态金属柱的平均电阻值；总电阻减去两金属导体电极电阻和液态金属柱电阻，得到接触电阻值。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.通过氮气瓶与真空手套箱的连接，为真空手套箱内创造了无氧条件，并通过氧气检测仪精确测量氧气存在与否，减小了测量过程中液态或固态金属导体氧化产生附加氧化膜层引起的测量误差。
2.采用了平均差值法计算接触电阻值，降低了液态金属初始氧化膜和组分不均导致的测量误差，且有效降低偶然误差，提高测量的准确性。
3.采用了开尔文四线检测法测量回路电阻，消除了表笔和布线对接触电阻测量的影响。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为电阻测量装置的主视结构示意图，该装置放置在手套箱内操作。
图3为电阻测量装置的俯视结构示意图。
图4为电阻测量装置的等效电路图。
图5为金属导体电极与液态金属导体接触一端的图示。
附图标记：1-手套孔，2-出气孔，3-入气孔，4-微欧计，5-电阻测量装置，6-金属导体电极，7-金属导体电极，8-绝缘玻璃槽，9-电极夹子固定处，10-电极夹子固定处，11-液态金属导体，12～15为不同氧化程度的金属导体电极。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1所示的研究固体电极氧化膜对液固接触电阻影响的装置，电阻测量装置5放置在真空手套箱内，氮气瓶连接手套箱通入氮气进行循环过滤掉氧气，从而形成无氧环境。开启微欧计4，使用0～100mΩ量程进行测量，精度达到0.015％，测量精度高，本实施例微欧计采用四端开尔文测试夹，将氧气检测仪放置在手套箱内并将其开机，氮气瓶连接手套箱上的入气孔3(出气孔2同时打开)，调整氮气瓶出气量大小，排出箱内氧气，待箱内氧气含量为零时将手套装在手套孔1上，再次调整氮气出气速率。摆好测量装置左右电极，将微欧计四端子夹子固定在两电极上，往绝缘玻璃槽8倒入一定量液态金属导体11，开始接触电阻的测量。实验全程保持氮气的通入，确保手套箱内处于无氧环境。本实施例中液态金属导体11为镓铟锡合金，装在密封的不透明瓶子里，实验开始前就放置在真空手套箱内，待氧气排完后便可通过手套孔1倒入绝缘玻璃槽内，所以排除了氧气的氧化。
图2所示一对长宽高相等的金属导体电极6、7置放在长方体绝缘玻璃槽8两端，微欧计四端子测试夹分别固定夹在导体上的电极夹子固定处9、10位置，两金属导体电极6、7的距离为Lx(x为距离序号)，绝缘玻璃槽8中装有液态金属导体11，量出液态金属导体11H2和液面到电极夹子位置长度H1，长度H1的导体电阻值就是Ra、Rb的阻值，该电阻值用微欧计直接测量得出，H2长度的导体均为等电势处。两个金属导体电极6、7之间的液态金属导体11定义为液态金属柱，Lx也即液态金属柱的长度。
图3所示Lx的起始测量位置为L1＝1cm，对应微欧计显示的总电阻为Rab1,金属导体电极6固定不动，金属导体电极7从起始位置向右移动，每次向右移动1cm，两电极距离依次为L2、L3、L4…，对应总电阻为Rab2、Rab3、Rab4…，每向右移动1cm记录一次电阻值，重复测量多组数据，取平均值。
图4所示为电阻测量装置的等效电路图，总测量电阻Rabx由长度为H1的两金属导体电极6、7上的电阻值Ra、Rb和两导体电极距离Lx时液态金属柱的电阻值Rx和接触电阻rax、rbx串联组成。即：
Rabx＝Ra+rax+Rx+rbx+Rb (1)
x＝1,2,3,…,n
单位为μΩ，x为两电极的距离序号。
利用差值法公式处理求Rx。
Rx＝xR (3)
R为1cm长度的长方体柱液态金属的平均电阻值。
求得接触电阻。
rai+rbi＝Rabi-Ra-Rb-Ri (4)
i＝1,2,3,...,n
rab为求得接触电阻值。
上式中，i指两电极的距离序号，和前面的x一样，公式(4)指的是任意距离下的接触电阻计算方式。即rai+rbi指的是两电极在一定距离下的接触电阻。
ra指第一电极与液态导体的接触电阻，rb指第二电极与液态导体的接触电阻。ra和rax的区别：ra是指最终计算出的平均接触电阻，rax是两电极在距离x长度下的接触电阻。
图5所示标号12～15为不同氧化程度的金属导体电极，金属导体电极12为被金属抛光剂处理的导体电极，氧化程度最低；金属导体电极13与金属导体电极14用金属抛光剂去膜处理，并对金属导体电极13进行金属封闭剂处理(金属封闭剂对金属氧化有保护作用)，然后将金属导体电极13与金属导体电极14放置在空气中一段时间使其被氧化，金属导体电极15不做任何处理，得到氧化程度不同的金属导体。测量不同氧化程度的导体电极分别与液态导体的接触电阻。
本发明的测量方法可在无氧的条件下多次测量取接触电阻的平均值，得到精确的接触电阻值。整个测量过程精确保证了无氧的条件，排除了测量过程氧气对液态金属的氧化从而影响测量数据的准确性。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.研究固体电极氧化膜对液固接触电阻影响的装置，其特征在于，包括真空手套箱、微欧计和电阻测量装置，所述微欧计和电阻测量装置分别设置于真空手套箱的外部和内部，所述真空手套箱的箱壁上设有手套孔，真空手套箱的侧壁的上下两端分别设有入气孔和出气孔；所述电阻测量装置包括绝缘玻璃槽，所述绝缘玻璃槽内设有液态金属导体，绝缘玻璃槽内还设有距离可变的两个相同的金属导体电极，所述金属导体电极上设有电极夹子固定处，所述微欧计通过开尔文测试夹与电极夹子固定处连接；两个金属导体电极之间的液态金属导体构成为液态金属柱。
2.根据权利要求1所述研究固体电极氧化膜对液固接触电阻影响的装置，其特征在于，所述真空手套箱内还设有氧气检测仪。
3.根据权利要求1所述研究固体电极氧化膜对液固接触电阻影响的装置，其特征在于，所述入气孔连接氮气瓶。
4.根据权利要求1所述研究固体电极氧化膜对液固接触电阻影响的装置，其特征在于，在电极夹子固定处与液面所处位置分别做有标记，通过标尺测量电极夹子固定处到液面的距离及两金属导体电极之间距离。
5.一种研究固体电极氧化膜对液固接触电阻影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将电阻测量装置放置在真空手套箱内，将氮气持续冲入真空手套箱中，过滤箱内氧气形成无氧环境，待氧气检测仪显示氧气含量为零并持续一分钟后将液态金属倒入玻璃槽中进行接触电阻的测量；测量过程中持续通入氮气，确保氧气检测仪读数始终为零，真空手套箱内处于无氧状态；
(2)选择一对金属导体电极放置在绝缘玻璃槽内，两金属导体电极分别为一号金属导体电极和二号金属导体电极，一号金属导体电极固定在绝缘玻璃槽一侧，二号金属导体电极与一号金属导体电极之间距离为L1，观察并记录微欧计上显示的电阻；之后每次向远离一号金属导体电极的方向移动二号金属导体电极1cm，两金属导体电极之间的距离记为L2、L3、L4…，依次记录微欧计读数，电阻依次为Rab1、Rab2、Rab3…；测量两金属导体电极上开尔文测试夹到液态金属导体表面距离的电阻值Ra、Rb；
(3)测量不同氧化程度的金属导体电极与液态金属导体之间的接触电阻，重复步骤(2)进行测量；
(4)利用平均差值法计算每1cm长度的液态金属柱的平均电阻值；总电阻减去两金属导体电极电阻和液态金属柱电阻，得到接触电阻值。
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| 刘新龙: "电接触条件下的微动磨损性能影响因素研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》, pages 68 - 75 * |
| 刘艳娇，等: "液态金属磁流体发电机中固液金属界面接触电阻的研究", 《电测与仪表》, vol. 51, no. 22, pages 110 - 114 * |
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