電阻率測量裝置及方法與流程
2023-05-28 14:42:41 1
本公開涉及電子技術領域，具體地，涉及一種電阻率測量裝置及方法。
背景技術：
在玻璃生產中，電助熔有高效、汙染少及自動化程度高的特點，其所用的電極為二氧化錫電極磚。獲知二氧化錫電極磚從室溫到至實際工作溫度內的電阻率特性，對於玻璃窯爐設計、玻璃熔煉等具有重要的意義。但在不同溫度下，二氧化錫電極磚的電阻率會有很大不同，並且溫度越高，二氧化錫的電阻率越小。在高溫下，尤其是溫度到達1400℃以上時，二氧化錫的電阻會率很小(小於1ω)，並且電阻率越小，測量的精度越難以把握。因此，迫切需要一套可靠的電阻率測量設備來精確測量二氧化錫電極磚等小電阻率材料的電阻率。
技術實現要素：
本公開的目的是針對現有技術中由於難以精確測量高溫環境下的小電阻率材料的電阻率的問題，提供一種電阻率測量裝置及方法。
為了實現上述目的，本公開提供一種電阻率測量裝置，該裝置包括加熱爐、夾緊裝置、電阻測量單元和處理單元；
所述夾緊裝置用於從待測樣品的兩側夾緊所述待測樣品，以使所述待測樣品固定於所述加熱爐內；
所述電阻測量單元包括雙單電橋測量電路、雙臂電橋測量電路和開關，其中，所述待測樣品分別接入所述雙單電橋測量電路和所述雙臂電橋測量電路；所述開關具有第一工作位和第二工作位，當所述開關位於所述第一工作位時，所述雙單電橋測量電路處於工作狀態，以利用所述雙單電橋測量電路獲取所述待測樣品的阻值，當所述開關位於所述第二工作位時，所述雙臂電橋測量電路處於工作狀態，以利用所述雙臂電橋測量電路獲取所述待測樣品的阻值；
所述處理單元用於根據所述待測樣品的阻值以及所述待測樣品與所述夾緊裝置之間的接觸面積、所述待測樣品的長度來確定所述待測樣品的電阻率。
所述處理單元還用於根據所述待測樣品的阻值，控制所述開關的工作位的切換操作。
可選地，所述處理單元用於根據所述待測樣品的阻值，控制所述開關的工作位的切換操作，包括：
所述處理單元用於在利用所述雙單電橋測量電路獲取到的所述待測樣品的阻值滿足第一預設條件時，切換所述開關到所述第二工作位，以切換為利用所述雙臂電橋測量電路獲取所述待測樣品的阻值，其中，所述第一預設條件包括：所述阻值大於或等於目標阻值；或者，所述阻值小於所述目標阻值且與所述目標阻值之差小於第一預設差值；
用於在利用所述雙臂電橋測量電路獲取到的所述待測樣品的阻值滿足第二預設條件時，切換所述開關到所述第一工作位，以切換為利用所述雙單電橋測量電路獲取所述待測樣品的阻值，其中，所述第二預設條件包括：所述阻值小於或等於所述目標阻值；或者，所述阻值大於所述目標阻值且與所述目標阻值之差小於第二預設差值。
可選地，所述夾緊裝置包括第一頂絲、第二頂絲、第一固定樁、第二固定樁、第一頂杆、第二頂杆、第一彈簧和第二彈簧，其中，所述第一頂絲、所述第一固定樁、所述第一頂杆和所述第一彈簧位於所述加熱爐的一側，所述第二頂絲、所述第二固定樁、所述第二頂杆和所述第二彈簧位於所述加熱爐的另一側，所述第一頂絲和所述第一頂杆的一端之間通過所述第一彈簧連接，所述第二頂絲和所述第二頂杆的一端之間通過所述第二彈簧連接，其中，所述第一固定樁上設置有第一插孔，所述第一頂絲插入到所述第一固定樁的所述第一插孔內，以通過所述第一固定樁固定所述第一頂絲，所述第二固定樁上設置有第二插孔，所述第二頂絲插入到所述第二固定樁的所述第二插孔內，以通過所述第二固定樁固定所述第二頂絲，所述第一頂杆的另一端和所述第二頂杆的另一端貼附有導電片，所述待測樣品夾設於兩個導電片之間，並通過所述導電片分別接入所述雙單電橋測量電路和所述雙臂電橋測量電路。
可選地，所述導電片為鉑金片。
可選地，所述裝置還包括：
防氧化裝置，放置於所述加熱爐內，所述防氧化裝置內充有保護氣體，用於防止所述待測樣品被氧化。
可選地，所述保護氣體為氬氣。
可選地，所述待測樣品為二氧化錫電極磚。
可選地，所述處理單元還用於根據所述電阻測量單元獲取到的所述待測樣品的阻值以及所述待測樣品與所述夾緊裝置的接觸面積、所述待測樣品的長度來確定所述待測樣品的電阻率。
本公開還提供一種電阻率測量方法，使用上述的本公開提供的所述的電阻率測量裝置，所述方法包括：
當待測樣品被固定於所述加熱爐內後，控制所述加熱爐進行變溫操作；
在所述加熱爐的變溫過程中，通過控制所述開關的工作位的切換操作，來獲取所述待測樣品的阻值，其中，所述開關的工作位包括第一工作位和第二工作位，當所述開關位於所述第一工作位時，所述雙單電橋測量電路處於工作狀態，以利用雙單電橋測量電路獲取所述待測樣品的阻值，當所述開關位於所述第二工作位時，所述雙臂電橋測量電路處於工作狀態，以利用所述雙臂電橋測量電路獲取所述待測樣品的阻值；
根據所述待測樣品的阻值以及所述待測樣品與所述夾緊裝置之間的接觸面積、所述待測樣品的長度來確定所述待測樣品的電阻率。
可選地，所述控制所述開關的工作位的切換操作，包括：
由所述處理單元根據所述待測樣品的阻值，控制所述開關的工作位的切換操作。
可選地，所述處理單元根據所述待測樣品的阻值，控制所述開關的工作位的切換操作，包括：
所述處理單元在利用所述雙單電橋測量電路獲取到的所述待測樣品的阻值滿足第一預設條件時，切換所述開關到所述第二工作位，以切換為利用所述雙臂電橋測量電路獲取所述待測樣品的阻值，其中，所述第一預設條件包括：所述阻值大於或等於目標阻值；或者，所述阻值小於所述目標阻值且與所述目標阻值之差小於第一預設差值；
在利用所述雙臂電橋測量電路獲取到的所述待測樣品的阻值滿足第二預設條件時，切換所述開關到所述第一工作位，以切換為利用所述雙單電橋測量電路獲取所述待測樣品的阻值，其中，所述第二預設條件包括：所述阻值小於或等於所述目標阻值；或者，所述阻值大於所述目標阻值且與所述目標阻值之差小於第二預設差值。
可選地，所述待測樣品為二氧化錫電極磚。
本公開的實施例提供的技術方案可以包括以下有益效果：通過夾緊裝將待測樣品固定於加熱爐內，然後通過雙單電橋測量電路或雙臂電橋測量電路來獲取待測樣品的阻值，並根據該阻值以及待測樣品與夾緊裝置之間的接觸面積、待測樣品的長度來確定待測樣品的電阻率，這樣，可以快速、準確地獲知待測樣品的電阻率，且容易操作。此外，電阻測量單元的結構簡單、成本低。
本公開的其他特徵和優點將在隨後的具體實施方式部分予以詳細說明。
附圖說明
附圖是用來提供對本公開的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本公開，但並不構成對本公開的限制。在附圖中：
圖1是根據一示例性實施例示出的一種電阻率測量裝置的結構示意圖。
圖2a是根據一示例性實施例示出的一種雙單電橋測量電路的示意圖。
圖2b是根據一示例性實施例示出的一種雙臂電橋測量電路的示意圖。
圖3是根據另一示例性實施例示出的一種電阻率測量裝置的結構示意圖。
圖4是根據另一示例性實施例示出的一種電阻率測量裝置的結構示意圖。
圖5a是根據另一示例性實施例示出的一種電阻率測量裝置的結構示意圖。
圖5b是根據另一示例性實施例示出的一種電阻率測量裝置的結構示意圖。
圖6是根據一示例性實施例示出的一種待測樣品的溫度與電阻率之間的對應曲線圖。
圖7是根據一示例性實施例示出的一種電阻率測量方法的流程圖。
附圖標記說明
1加熱爐2夾緊裝置
3電阻測量單元4處理單元
5待測樣品6防氧化裝置
11下底12絕緣片
21第一頂絲22第二頂絲
23第一固定樁24第二固定樁
25第一頂杆26第二頂杆
27第一彈簧28第二彈簧
29導電片31雙單電橋測量電路
32雙臂電橋測量電路33開關
具體實施方式
以下結合附圖對本公開的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本公開，並不用於限制本公開。
圖1是根據一示例性實施例示出的一種電阻率測量裝置的結構示意圖。如圖1所示，該電阻率測量裝置可以包括加熱爐1、夾緊裝置2、電阻測量單元3和處理單元4。該夾緊裝置2可以用於從待測樣品5的兩側夾緊待測樣品5，以使該待測樣品5固定於加熱爐1內。
電阻測量單元3可以包括雙單電橋測量電路31、雙臂電橋測量電路32和開關33。其中，開關33具有第一工作位和第二工作位，當開關33位於第一工作位時，雙單電橋測量電路31處於工作狀態，此時，可以利用該雙單電橋測量電路31獲取待測樣品5的阻值，當開關33位於第二工作位時，雙臂電橋測量電路32處於工作狀態，此時可以利用該雙臂電橋測量電路32獲取待測樣品5的阻值。
雙「單電橋」是指兩個「單電橋」或兩次「單電橋」，雙單電橋測量電路31可以用於測量小電阻材料的阻值，其工作原理如圖2a所示。其中，r0為標準電阻，rx為待測樣品的阻值，rx、r0為電阻箱，g為平衡指示儀，a、b為r0的電壓接頭，c、d為rx的電壓接頭，a』、b』、c』、d』分別為a、b、c、d相對應的電流接頭，rf為b、c兩電壓接頭之間的總電阻(其中，包括b、c之間的所有接觸電阻和導線電阻)，s為一刀雙擲開關，e為30v以下的直流電源。
當開關s與x側接觸(即s與rx的電壓接頭接觸)、且平衡指示儀g達到平衡時，電阻箱r0、rx的數值分別為r0x、rxx，即有
當開關s與o側接觸(即s與r0的電壓接頭接觸)，且g達到平衡時，電阻箱r0、rx的數值分別為r00、rx0，即有
由等式(1)與(2)可得
雙臂電橋測量電路32可以用於測量大電阻材料的阻值，其工作原理如圖2b所示。其中，e為30v以下的直流電源，g』為檢流計，rx為待測樣品的阻值，rn為比較用可調電阻，r為滑動變阻器，用於調節雙臂電橋測量電路32的工作電壓。rx和rn各有兩對電位接頭，c1和c2為rx的電流接頭，cn1和cn2為rn的電流接頭，p1和p2為rx的電壓接頭，pn1和pn2為rn的電壓接頭。為了排除和減少接線電阻與接觸電阻對測量結果的影響，可以將rx的電流接頭c1、c2設置在rx的電壓接頭p1、p2的外側。比較用可調電阻rn的電流接頭cn2與待測樣品的阻值rx的電流接頭c2用電阻為r(已知電阻)的粗導線連接起來。r1、r1'、r2和r'2是橋臂電阻，其阻值均在l0ω以上，i為所述雙臂電橋測量電路32的總電流，ig為檢流計g』測得的電流，i1為通過電阻r1的電流，i1′為通過電阻r1'的電流，in為通過電阻rn的電流。
調節r1、r1′和r2、r2′使雙臂電橋平衡,也就是使得檢流計g』的兩端的電位相等，即電流ig＝0，根據基爾霍夫定律，可得方程組：
解方程組(4)可得
處理單元4可以用於根據電阻測量單元3獲取到的待測樣品5的阻值以及待測樣品5與夾緊裝置2的接觸面積、待測樣品5的長度來確定待測樣品5的電阻率。
示例地，可以通過以下等式(6)來確定待測樣品5的電阻率：
其中，p表示所述待測樣品的電阻率；rx表示所述待測樣品的阻值；s表示所述待測樣品與所述夾緊裝置的接觸面積；l表示所述待測樣品的長度。
在一種實施方式中，開關33的工作位的切換操作可以通過工作人員手動操作該開關33來完成。
在另一種實施方式中，開關33的工作位的切換操作可以通過處理單元4來控制，即上述的處理單元4還可以用於根據待測樣品5的阻值，控制開關33的工作位的切換操作。這樣不僅能夠節省勞動力，而且能夠保證工作位切換的最佳時機，提升電阻測量的精度，進而獲取到精確度高的電阻率值。
具體來說，在開關33位於第一工作位的情況下，是利用雙單電橋測量電路31來獲取待測樣品5的阻值的，當該待測樣品的阻值滿足第一預設條件時，可以切換開關33到第二工作位，以切換為利用雙臂電橋測量電路32來獲取待測樣品5的阻值；在開關33處於第二工作位的情況下，是利用雙臂電橋測量電路32來獲取待測樣品5的阻值的，當該待測電阻的阻值滿足第二預設條件時，可以切換開關33到第一工作位，以切換為利用雙單電橋測量電路31來獲取待測樣品5的阻值。
加熱爐1可以包括矽鉬棒加熱爐和溫度控制單元，該電阻率測量裝置可以通過該矽鉬棒加熱爐進行加熱，並通過溫度控制單元來控制加熱的速度。另外，還可以通過該溫度控制單元來控制降溫的速度。
在一種實施方式中，可以在降溫的過程中獲取待測樣品5的阻值。例如，在將爐內溫度升至工作溫度(例如，1400℃)後，可以通過溫度控制單元將降溫速度控制在5℃/min，即以5℃/min的速度進行降溫，並且每降溫50℃保溫10min後，用電阻測量單元來測量待測樣品的阻值，這樣可以保證加熱爐的爐內溫度均勻，從而保證電阻測量的精確度。
由於雙單電橋測量電路31適於測量小電阻材料的電阻(例如，阻值小於或等於1ω)，雙臂電橋測量電路32比雙單電橋測量電路31更適於測量大電阻材料的電阻(例如，阻值大於1ω)。若在降溫過程中測量待測樣品5的阻值，當加熱爐1的爐內溫度較高時，待測樣品的阻值相對較小，這樣，處理單元4最初可以將開關33置於第一工作位，即首先採用雙單電橋測量電路31來獲取待測樣品5的阻值。
示例地，該第一預設條件可以為該待測樣品5的阻值大於或等於目標阻值。具體來說，在降溫過程中，首先將切換開關33置於第一工作位，採用雙單電橋測量電路31來獲取待測樣品5的阻值，當處理單元4檢測到該阻值值大於或等於目標阻值時，可以將開關33切換至第二工作位，然後採用雙臂電橋測量電路32來獲取該阻值。
又示例地，該第一預設條件可以為該待測樣品5的阻值小於目標阻值、且與該目標阻值之差小於第一預設差值。具體來說，處理單元4最初可以將開關33置於第一工作位，即首先採用雙單電橋測量電路31來獲取待測樣品5的阻值。當處理單元4檢測到該阻值小於目標阻值、且與該目標阻值之差小於第一預設差值時，可以將開關33切換至第二工作位，然後再採用雙臂電橋測量電路32來獲取該阻值。這樣，不僅可以提升電阻測量的精確度，而且可以保證測量結果的穩定性。
在另一種實施方式中，可以在升溫的過程中獲取待測樣品5的阻值。例如，當將待測樣品5被固定到加熱爐內後，可以通過溫度控制單元將加熱速度控制在5℃/min，即將待測樣品5在加熱爐中以5℃/min的加熱速度進行加熱，同樣地，為了保證電阻測量的精確度和測量結果的穩定性，可以每升溫50℃保溫10min後，用電阻測量單元來獲取待測樣品5的阻值。
若在升溫的過程中獲取待測樣品5的阻值，當加熱爐1的爐內溫度較低時，待測樣品5的阻值相對較大，處理單元4最初可以將開關33置於第二工作位，即首先採用雙臂電橋測量電路32來獲取待測樣品5的阻值。
示例地，該第二預設條件可以為該待測樣品5的阻值小於或等於目標阻值。具體來說，在升溫過程中，首先將切換開關33置於第二工作位，採用雙臂電橋測量電路32來獲取待測樣品5的阻值，當處理單元4檢測到該阻值小於或等於目標阻值時，可以將開關33切換至第一工作位，然後再採用雙單電橋測量電路31來獲取該阻值。這樣，可以保證電阻測量的精確度。
又示例地，該第二預設條件可以為該待測樣品5的阻值大於目標阻值且與該目標阻值之差小於第二預設差值。具體來說，處理單元4最初可以將開關33置於第二工作位，即首先採用雙臂電橋測量電路32來獲取待測樣品5的阻值，當處理單元4檢測到該阻值大於目標阻值、且與該目標阻值之間的差值小於第二預設差值時，可以將開關33切換至第二工作位，然後採用雙單電橋測量電路31來獲取該阻值。
另外，該目標阻值、第一預設差值以及第二預設差值可以是用戶設定的值，也可以是默認的經驗值，該目標阻值可以例如是1ω。需要說明的是，該第一預設差值和該第二預設差值可以相等，也可以不相等，在本公開中不作具體限定。
本公開的實施例提供的技術方案可以包括以下有益效果：通過夾緊裝將待測樣品固定於加熱爐內，然後通過雙單電橋測量電路或雙臂電橋測量電路來獲取待測樣品的阻值，並根據該阻值以及待測樣品與夾緊裝置之間的接觸面積、待測樣品的長度來確定待測樣品的電阻率，這樣，可以快速、準確地獲知待測樣品的電阻率，且容易操作。此外，電阻測量單元的結構簡單、成本低。
圖3是根據另一示例性實施例示出的一種電阻率測量裝置的結構示意圖。如圖3所示，夾緊裝置2可以包括第一頂絲21、第二頂絲22、第一固定樁23、第二固定樁24、第一頂杆25、第二頂杆26、第一彈簧27和第二彈簧28。其中，第一頂絲21、第一固定樁23、第一頂杆25和第一彈簧27位於加熱爐1的一側，第二頂絲22、第二固定樁24、第二頂杆26和第二彈簧28位於加熱爐1的另一側，並且，第一頂絲21和第一頂杆25的一端之間通過第一彈簧27連接，第二頂絲22和第二頂杆26的一端之間通過第二彈簧28連接。此外，第一固定樁23上可以設置有第一插孔，第一頂絲21插入到該第一插孔內，以通過第一固定樁23固定第一頂絲21；第二固定樁24上也可以設置有第二插孔，第二頂絲22插入到該第二插孔內，以通過第二固定樁24固定第二頂絲22。第一頂杆25的另一端和第二頂杆26的另一端均可以貼附有導電片29，這樣，待測樣品5被夾設於該兩個導電片29之間，並通過導電片29分別接入到雙單電橋測量電路31和雙臂電橋測量電路32。
此外，第一頂絲21和第二頂絲22可以為帶凸臺圓形座的螺旋型頂絲，其材質可以例如是鐵、鐵合金等；第一固定樁23和第二固定樁24可以固定在懸空的用於放置該電阻率測量裝置的平臺上，其材質可以例如是鐵、鐵合金等；第一彈簧27和第二彈簧28可以是高溫彈簧，其在900℃以下具有彈性；第一頂杆25和第二頂杆26可以是耐高溫的材質，例如，高鋯磚、氧化鋁等；導電片29可以例如是鉑金片、銅片等。
圖4是根據另一示例性實施例示出的一種電阻率測量裝置的結構示意圖。如圖4所示，上述的電阻率測量裝置還可以包括防氧化裝置6，放置於加熱爐1內，該防氧化裝置6內充有保護氣體，可以防止待測樣品5被氧化，並且該防氧化裝置6內的氣壓大於外界大氣壓，能夠為電阻測量提供一個溫度均勻的環境，保證了電阻測量的可靠性和穩定性。示例地，該保護氣體可以為氬氣、氮氣等。
圖5a是根據另一示例性實施例示出的一種電阻率測量裝置的結構示意圖。如圖5a所示，上述的加熱爐1可以包括下底11，該下底11用於承載待測樣品5，並且它是可上下升降的，用於將該待測樣品5運輸至加熱爐1內。
圖5b是根據另一示例性實施例示出的一種電阻率測量裝置的結構示意圖。如圖5b所示，上述的下底11的上表面鋪墊有絕緣片12，用於放置待測樣品5，這樣可以進一步提升電阻測量的精確度。
另外，該待測樣品5可以例如是二氧化錫電極磚、金屬絲、銅棒等。其中，當待測樣品5為二氧化錫電極磚時，其形狀可以是長方體，長度可以在2mm～200mm範圍內，寬度可以在2mm～50mm範圍內，高度可以在2mm～50mm範圍內。
另外，還可以根據獲取到的室溫到工作溫度範圍內的待測樣品5的電阻率，繪製出如圖6所示待測樣品5的溫度與電阻率之間的對應曲線圖，這樣，能夠更加清楚、直觀的了解到電阻率隨溫度變化而變化的情況。
此外，上述的電阻率測量裝置還可以包括顯示裝置，用於顯示待測樣品的當前阻值、當前電阻率和待測樣品的溫度與電阻率之間的對應曲線圖中的至少一者。
圖7是根據一示例性實施例示出的一種電阻率測量方法的流程圖，該方法可以使用上述的電阻率測量裝置來獲取待測樣品5的電阻率。如圖7所示，該方法可以包括：
在步驟701中，當待測樣品被固定於加熱爐內後，控制加熱爐進行變溫操作。
在步驟702中，在加熱爐的變溫過程中，通過控制開關的工作位的切換操作，來獲取待測樣品的阻值。
在本公開中，該變溫操作可以包括升溫操作和降溫操作。即，可以在升溫的過程中獲取待測樣品5的阻值，也可以在降溫的過程中獲取待測樣品的阻值。開關33的工作位包括第一工作位和第二工作位，當所述開關33位於所述第一工作位時，所述雙單電橋測量電路31處於工作狀態，以利用雙單電橋測量電路31獲取所述待測樣品5的阻值，當所述開關33位於所述第二工作位時，所述雙臂電橋測量電路32處於工作狀態，以利用所述雙臂電橋測量電路32獲取所述待測樣品5的阻值。
在步驟703中，根據待測樣品的阻值以及待測樣品與夾緊裝置之間的接觸面積、待測樣品的長度來確定待測樣品的電阻率。
示例地，可以通過以上等式(6)來確定待測樣品的電阻率。
可選地，所述控制所述開關的工作位的切換操作，包括：由所述處理單元4根據所述待測樣品5的阻值，控制所述開關33的工作位的切換操作。
可選地，所述處理單元4根據所述待測樣品5的阻值，控制所述開關33的工作位的切換操作，包括：所述處理單元4在利用所述雙單電橋測量電路31獲取到的所述待測樣品5的阻值滿足第一預設條件時，切換所述開關33到所述第二工作位，以切換為利用所述雙臂電橋測量電路32獲取所述待測樣品的阻值，其中，所述第一預設條件包括：所述阻值大於或等於目標阻值；或者，所述阻值小於所述目標阻值且與所述目標阻值之差小於第一預設差值；在利用所述雙臂電橋測量電路32獲取到的所述待測樣品5的阻值滿足第二預設條件時，切換所述開關33到所述第一工作位，以切換為利用所述雙單電橋測量電路31獲取所述待測樣品5的阻值，其中，所述第二預設條件包括：所述阻值小於或等於所述目標阻值；或者，所述阻值大於所述目標阻值且與所述目標阻值之差小於第二預設差值。
可選地，所述待測樣品5為二氧化錫電極磚。
以上結合附圖詳細描述了本公開的優選實施方式，但是，本公開並不限於上述實施方式中的具體細節，在本公開的技術構思範圍內，可以對本公開的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬於本公開的保護範圍。
另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重複，本公開對各種可能的組合方式不再另行說明。
此外，本公開的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本公開的思想，其同樣應當視為本公開所公開的內容。