CN112505417B - 一种导体材料电阻率测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导体材料电阻率测量方法：标准导体环实验：标准导体环安装在固定平台上，永磁体与测力计固定连接，永磁体与标准导体环沿同轴线设置；在可控驱动电机的作用下使得测力计和永磁体以一定速度沿中心轴线从起始位置穿过标准导体环运动到终止位置，在整个运动过程中，永磁体在不同点处所受到的力由测力计实时测量，实时测量结果经过计算机处理后在显示屏上显示；待测导体环实验：采用待测导体环重复上述标准导体环实验过程，测量出不同点处永磁体所受到的力，实时测量结果经过计算机处理后在显示屏上显示；计算标准导体环实验和待测导体环实验过程中永磁体受力的比值的平均值，再乘以标准导体环的电阻率，得到待测导体环的电阻率。

Description

一种导体材料电阻率测量方法
技术领域
本发明涉及材料电阻率测量技术，更具体的说，是涉及一种导体材料电阻率测量方法。
背景技术
在实际工作中，一些厂家和科研单位研制的新型导体材料(如新型合金材料)在应用前需要对其电性能进行分析和测量。其中，导体材料的电阻率测量是电性能分析的重要步骤之一。
现有的测量导体材料电阻率的方法大多为接触式测量，通常使用四引线法。使用这种方法测量电阻率时，在待测金属电阻率较小的情况下，由于引线和连接等原因会导致测量出现较大的误差，测得的电阻率会明显高于其实际电阻率。
法拉第电磁感应定律阐述了当一块永磁体穿过一个适当大小的导体环时，导体环中产生的感应电流产生的磁场总是阻碍永磁体的运动，因此，永磁体在运动过程中受到一个变化的电磁力(安培力)而这一电磁力的大小与材料电阻率具有密切关系。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，基于法拉第电磁感应定律提出一种导体材料电阻率测量方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明导体材料电阻率测量方法，包括以下过程：
1)标准导体环实验
将标准导体环安装在固定平台上，永磁体通过刚性非磁性直杆与测力计固定连接，并使永磁体与标准导体环沿同中心轴线设置；
控制系统控制可控驱动电机，在可控驱动电机的作用下通过机械升降机构使得测力计和永磁体以一定速度沿中心轴线从起始位置穿过标准导体环运动到终止位置，在整个运动过程中，永磁体在不同点处所受到的力由测力计实时测量并记录，实时测量结果经过计算机处理后在显示屏上显示出来；
2)待测导体环实验
将标准导体环换成待测导体环，重复上述标准导体环实验过程，测量出不同点处永磁体所受到的力并记录，实时测量结果经过计算机处理后在显示屏上显示出来；
3)计算标准导体环实验和待测导体环实验过程中永磁体受力的比值的平均值，再乘以标准导体环的电阻率，即得到待测导体环的电阻率。
所述标准导体环和待测导体环几何尺寸相同。
所述标准导体环实验和待测导体环实验过程完全一致，在相同测量条件下，均通过自动或手动操作驱动可控驱动电机，使得永磁体从同一初始位置以一定速度穿过导体环，到达同一终止位置，并由测力计将测量值传输至计算机中。
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)本发明涉及的电阻率测量方法为非接触式测量法，这种测量方法可以有效减小测量误差。
(2)本发明操作简捷、方便，测量误差小，在测试条件无法满足电测量法时，本发明的测量方法可以作为一种替代方法。
附图说明
图1是本发明导体材料电阻率测量方法的测量原理示意图。
图2是实施例中测量系统详细示意图。
图3是实施例中测量装置示意图。
图4是实施例中导体环示意图。
图5是实施例中测量过程示意图。
图6是对测量结果曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明导体材料电阻率测量方法，通过标准导体材料的电阻率，对待测导体材料的电阻率进行测量，具体过程如下：
1)标准导体环实验
将标准导体环安装在固定平台上，永磁体通过刚性非磁性直杆与测力计固定连接，并使永磁体与标准导体环沿同中心轴线设置，如图1所示。
控制系统控制可控驱动电机，在可控驱动电机的作用下通过机械升降机构使得测力计和永磁体以一定速度沿中心轴线从起始位置穿过标准导体环运动到终止位置，从而靠近、穿过并远离标准导体环，在整个运动过程中，永磁体在不同点处所受到的力由测力计实时测量并记录，实时测量结果经过计算机处理后以多种形式(如表格、图像等)在显示屏上显示出来。
2)待测导体环实验
将标准导体环换成待测导体环，重复上述标准导体环实验过程，测量出不同点处永磁体所受到的力并记录，实时测量结果经过计算机处理后在显示屏上显示出来。
其中，所述标准导体环和待测导体环几何尺寸相同。所述标准导体环实验和待测导体环实验过程完全一致，在相同测量条件下，均通过自动或手动操作驱动可控驱动电机，使得永磁体从同一初始位置以一定速度穿过导体环，到达同一终止位置，并由测力计将测量值传输至计算机中。
3)计算标准导体环实验和待测导体环实验过程中永磁体受力的比值的平均值，再乘以标准导体环的电阻率，即可得到待测导体环的电阻率。
根据安培力计算公式及法拉第电磁感应定律，当永磁体以如图1所示方式运动时，导体环内产生感应电流，感应电流产生的磁场与永磁体的磁场同极相互排斥(安培力的作用)，永磁体所受合力方向为背离导体环的方向，合力大小为：
Figure BDA0002787430680000031
其中，B为导体环处磁感应密度，l为导体环周长，
Figure BDA0002787430680000032
为永磁体所受合力方向的单位向量，I为导体环内感应电流，其值可以表示为：
Figure BDA0002787430680000033
其中，ε为感应电动势，lR和sR分别为导体环的长度和截面积，ρ为导体材料电阻率。联立上述两式可得：
Figure BDA0002787430680000034
因此，任意两种几何尺寸完全相同的导体材料在相同测量条件下，有：
Figure BDA0002787430680000041
其中，F1和F2分别为导体材料1和导体材料2实验过程中永磁体所受合力，ρ1和ρ2分别为导体材料1和导体材料2的电阻率。
在两个实验过程中永磁体受力的比值的平均值，即为两材料电阻率的反比：
Figure BDA0002787430680000042
其中，F标准和F待测分别为标准导体环实验和待测导体环实验过程中永磁体所受合力，ρ标准和ρ待测分别为标准导体环和待测导体环的电阻率。
下面结合附图对本发明的一个具体实施方法做进一步描述，以下实施例仅用于更清楚的描述本发明的技术方案。
本发明可由如图2所示的一套测量系统实施。其中测量装置由图3给出详细描述，包括：测力计③、永磁体(此处选用钕铁硼磁铁块)①、机械升降机构⑧(由可控驱动电机⑤和控制系统⑥控制)、开关组⑨、固定平台⑩。图4示意在该实施方案中使用99.95％的纯铜(电阻率为1.75×10-8Ω·m)制作的导体环作为标准导体环(测量时安装在固定平台上)，铜导体环为内径30mm，外径105mm，高度10mm。磁铁的直径为20mm，高度为20mm，表面磁密0.35T。
如图5所示，测量时先将铜导体环安装在固定平台上，利用电机驱动或手动方式使测力计连同永磁体以一定速度穿过铜导体环。通过测力计测量出永磁体在运动过程中不同点所受的外力，并将所测数据输送到计算机数据分析系统。使用几何参数与铜导体环完全相同的铝导体环作为待测导体环，重复上述过程，得到铜导体环和铝导体环与永磁体间的电磁相互作用力曲线如图6所示。计算在两个实验过程中永磁体受力的比值的平均值：
Figure BDA0002787430680000043
根据前述公式即可计算出待测导体环的电阻率：
ρ待测＝1.64×1.75×10-8＝2.87×10-8Ω·m
上述结果与铝的标准电阻率(2.83×10-8Ω·m)相比，测量误差仅为1.39％。这一结果表明本发明的导体材料电阻率测量方法原理正确、结果可靠
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种导体材料电阻率测量方法，其特征在于，包括以下过程：
1） 标准导体环实验
将标准导体环安装在固定平台上，永磁体通过刚性非磁性直杆与测力计固定连接，并使永磁体与标准导体环沿同中心轴线设置；
控制系统控制可控驱动电机，在可控驱动电机的作用下通过机械升降机构使得测力计和永磁体以一定速度沿中心轴线从起始位置穿过标准导体环运动到终止位置，在整个运动过程中，永磁体在不同点处所受到的力由测力计实时测量并记录，实时测量结果经过计算机处理后在显示屏上显示出来；
2） 待测导体环实验
将标准导体环换成待测导体环，重复上述标准导体环实验过程，测量出不同点处永磁体所受到的力并记录，实时测量结果经过计算机处理后在显示屏上显示出来；其中，所述标准导体环和待测导体环几何尺寸相同；
3） 计算标准导体环实验和待测导体环实验过程中永磁体受力的比值的平均值，再乘以标准导体环的电阻率，即得到待测导体环的电阻率。
2.根据权利要求1所述的导体材料电阻率测量方法，其特征在于，所述标准导体环实验和待测导体环实验过程完全一致，在相同测量条件下，均通过自动或手动操作驱动可控驱动电机，使得永磁体从同一初始位置以一定速度穿过导体环，到达同一终止位置，并由测力计将测量值传输至计算机中。
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