一种在不均匀温度场下测试材料电导率的方法技术

本发明专利技术涉及材料电导率的测试领域，涉及一种在不均匀温度场下测试材料电导率的方法，首先测量样品两端电极之间的热电势ε，并采用四端子法测量该样品两端电极之间的表观电阻值，分别进行正向和反向两次测量，然后根据前述测量数据计算所述样品两端电极之间的实际电阻值R0，最后计算该样品的电导率。本发明专利技术方法可有效消除由于温度场分布不均匀导致的热电势对材料电导率测试结果的影响。

A Method for Measuring the Conductivity of Materials under Uneven Temperature Field

The invention relates to the field of material conductivity measurement, and relates to a method for measuring material conductivity under uneven temperature field. Firstly, the thermoelectric potential E between the electrodes at both ends of the sample is measured, and the apparent resistance value between the electrodes at both ends of the sample is measured by four-terminal method, and the positive and reverse measurements are carried out respectively. Then, the electrodes at both ends of the sample are calculated according to the above measured data. The actual resistance value R0 between them is calculated. Finally, the conductivity of the sample is calculated. The method of the invention can effectively eliminate the influence of thermoelectric potential caused by uneven distribution of temperature field on the test result of material conductivity.

【技术实现步骤摘要】
一种在不均匀温度场下测试材料电导率的方法
本专利技术涉及材料电导率的测试领域，涉及一种在不均匀温度场下测试材料电导率的方法。针对在相对于室温而言的高温或低温环境下测试电导率时，由于温度场不均匀导致测试结果中存在热电势的影响，为了消除热电势对电导率测试结果的影响而专利技术的一种测试方法。
技术介绍
导体或半导体材料的电导率是一个重要的性能参数。当此类材料应用于相对室温而言的高温或低温环境中时，其电导率在高温或低温环境中的数值是一个需要准确测量的参数。测试时所需的高温或低温环境一般在加热炉或致冷机的腔体中获得，但由于与外部环境存在持续的热交换，其温度场很难达到完全均匀的状态。当在不均匀的温度场中测量材料电导率时，测试结果将会受到热电势的干扰。热电势是指当导体或半导体材料处于不均匀的温度场中时，高温区部分的自由电子在动能作用下迁移到低温区，从而在高温区与低温区之间产生电势差。本专利技术中提及的热电势还包括在由不同材料连接成的电路回路中，不同材料的接触界面处在温度不同时具有不同的界面电势差，此变化也影响整个回路中的电动势数值与分布。在高温或低温环境中测量材料电导率时，上述温度场的不均匀性及其影响总是存在的。目前，在高温或低温下测量材料电导率的方法主要有二端子法和四端子法，其中四端子法由于有效消除了引线电阻和接触电阻对测量结果的影响而得到广泛的应用。四端子法测量电导率的电路连接如图1所示，先直接测量电极①与电极②之间的样品电阻值，再结合样品尺寸计算样品材料的电导率。其中电极①与电极②一共引出ABCD四线分别与数字万用表的A'B'C'D'四个端口相连，A'D'之间为恒流源，输出固定电流i0，电流由A'流出，由D'流回，万用表自动调节A'D'端口输出电压U0的大小，保持电流固定，一般为1mA。B'C'之间为电压表，测量通过固定电流时样品电极①与电极②之间消耗的电压，万用表自动将消耗电压值除以通过的电流值，从而给出电极①与电极②之间的样品电阻值。上述测量样品电极①与电极②之间电阻的原理可用图2所示等效电路图加以说明，其涉及电流回路与电压测量回路。从导体两端电极分别引出四个端子ABCD，其中ADD'A'回路中包含电压源U0、电流表，组成电流回路，负责提供固定电流i0；而BCC'B'回路中包含电压表，负责测量样品电极①与电极②之间的电势差。四端子法可以有效地排除测量过程中引线电阻和接触电阻的影响，可以满足准确测量mΩ级甚至μΩ级的电阻的要求。按照数字万用表四端子法的工作模式，图2中BCC'B'回路测量电压的回路中，电压表提供的是样品电极①与电极②之间的电势差的的绝对值，因此B'C'正负连接方向是可以随意调换的，并不影响电阻值的测量与计算。四端子法在绝对均匀的温度场下测量材料的电阻值是从理论上看是绝对准确的，但在实际的高温或低温环境下，由于加热或致冷腔体内部的温度分布不均匀，待测导体或半导体材料的两端电极处的温度不完全一致，导体或半导体材料内部两端电极之间存在温差导致的热电势，此热电势会影响四端子法测试结果的准确性，尤其当测试材料为导体材料的时候影响特别严重，例如测试电池电极材料的电导率时，电极材料电导率高，电阻低，因而受热电势干扰尤为严重。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种在不均匀温度场下测试材料电导率的方法，用于消除上述由于温度场分布不均匀导致的热电势对材料电导率测试结果的影响。为实现上述目的，本专利技术采用了下列的设计结构以及设计方案。一种在不均匀温度场下测试材料电导率的方法，其特征在于，首先测量样品两端电极之间的热电势ε，并采用四端子法测量该样品两端电极之间的表观电阻值，分别进行正向和反向两次测量，然后根据前述测量数据计算所述样品两端电极之间的实际电阻值R0，最后计算该样品的电导率。进一步地，所述在不均匀温度场下测试材料电导率的方法包括如下步骤：步骤一：使用数字万用表测量样品两端电极之间的热电势ε，取其绝对值|ε|；步骤二：使用数字万用表按四端子法测量电阻值的模式，正向或反向连接样品的两端电极，分别测量得出样品两端电极之间的正向表观电阻值R1或反向表观电阻值R2；步骤三：使用数字万用表按四端子法测量电阻值的模式，反向或正向连接样品的两端电极，分别测量得出样品两端电极之间的反向表观电阻值R2或正向表观电阻值R1；步骤四：根据步骤二及步骤三中所述的四端子法测量电阻值的模式下输出的固定电流值i0，以及所述正向表观电阻值R1和反向表观电阻值R2，判断下面的关系：如果|R2-R1|×|i0|＝2|ε|，则按步骤五计算R0；如果则按步骤六计算R0；步骤五：按公式计算实际电阻值R0，再按步骤七计算电导率；步骤六：按公式计算实际电阻值R0，再按步骤七计算电导率；步骤七：通过如下公式计算所述样品两端电极之间的电导率：其中，l为样品两端电极之间的长度，s为样品垂直电流方向的横截面积。进一步地，所述步骤四中，当|R2-R1|×|i0|＝2|ε|时，所述正向表观电阻值R1使用如下公式计算：其中，U1为正向测量时所述数字万用表提供的电动势，i0为正向通过所述样品的固定电流值；所述反向表观电阻值R2使用如下公式计算：其中，U2为反向测量时所述数字万用表提供的电动势，i0为反向通过所述样品的固定电流值；所述步骤五中，当时所述正向表观电阻值R1使用如下公式计算：其中，U1为所述数字万用表提供的电动势，i0为正向通过所述样品的固定电流值；所述反向表观电阻值R2使用如下公式计算：其中，U2为所述数字万用表提供的电动势，i0为反向通过所述样品的固定电流值。进一步地，采用数字万用表的四端子法测量所述样品两端电极之间的表观电阻值。进一步地，通过机械开关或电子式开关装置改变数字万用表与样品两端电极之间的连接方式。进一步地，所述机械开关为四刀双掷开关。进一步地，所述电子式开关为采用PLC控制的电子开关。本专利技术的设计原理为：用四端子法测量高温环境中导体或半导体材料的电导率时，通用的操作过程是把样品连接好后置于管式炉中，样品放置的位置尽量接近热电偶探头，以追求样品的温度比较准确。一般而言，管式炉的中段温度分布是比较均匀的，因此测量时有一个大家默认的前提，即用热电偶探头处一个点的温度代表了整个样品条的温度，即普遍认为温度场是完全均匀的。但是相对的，远离管式炉中段的位置，尤其是接近炉口的位置温度下降则比较明显，温区的分布很不均匀。通常由于温度不均匀带来的电阻影响大约在0.1Ω的量级。如果测量样品是导体材料，如包括电池的电极材料，因为其电阻本身较小，大多在1Ω以下，所以就算是0.1Ω带来的测量相对误差也是较大的。在测量低温环境下材料的电导率时，也存在相同的技术问题，也同样可用本专利技术的方法加以解决。现有技术中，在将同一材料制备成几个样品做重复测量时，因为每次测量时样品的位置不会完全一致，因此每次测量由温差热电势导致的误差也不一样，因此几次重复实验的结果会比较分散。一般的处理方式是取几次测量的平均值，或者挑选其中符合希望的优先值。本领域技术人员的这种处理方式的逻辑是：样品本身的不均匀或者设备的不稳定带来了数据的波动，完全没有意识到数据的分散性是由于温度场不均匀导致的。尤其是测量半导体材料的电导率时，由于样品电阻相对较高，在10Ω或100Ω量级，则由于温区不均匀导致的测量相对误本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在不均匀温度场下测试材料电导率的方法，其特征在于，首先测量样品两端电极之间的热电势ε，并采用四端子法测量该样品两端电极之间的表观电阻值，分别进行正向和反向两次测量，然后根据前述测量数据计算所述样品两端电极之间的实际电阻值R0，最后计算该样品的电导率。

【技术特征摘要】
1.一种在不均匀温度场下测试材料电导率的方法，其特征在于，首先测量样品两端电极之间的热电势ε，并采用四端子法测量该样品两端电极之间的表观电阻值，分别进行正向和反向两次测量，然后根据前述测量数据计算所述样品两端电极之间的实际电阻值R0，最后计算该样品的电导率。2.如权利要求1所述的在不均匀温度场下测试材料电导率的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：使用数字万用表测量样品两端电极之间的热电势ε，取其绝对值|ε|；步骤二：使用数字万用表按四端子法测量电阻值的模式，正向或反向连接样品的两端电极，分别测量得出样品两端电极之间的正向表观电阻值R1或反向表观电阻值R2；步骤三：使用数字万用表按四端子法测量电阻值的模式，反向或正向连接样品的两端电极，分别测量得出样品两端电极之间的反向表观电阻值R2或正向表观电阻值R1；步骤四：根据步骤二及步骤三中所述的四端子法测量电阻值的模式下输出的固定电流值i0，以及所述正向表观电阻值R1和反向表观电阻值R2，判断下面的关系：如果|R2-R1|×|i0|＝2|ε|，则按步骤五计算R0；如果则按步骤六计算R0；步骤五：按公式计算实际电阻值R0，再按步骤七计算电导率；步骤六：按公式计算实际电阻值R0，再按步骤七计算电导率；步骤七：通过如下公式计算所述样品两端电极之间的电导率：其中，l为样品两端电极之间的长...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海滨，王鹏，闫真，李鹏，李宝光，刘良禄，郝晓函，李阳，张诚然，吴笑婕，张恒，戴欢，谢偲偲，白露，许永姿，周公文，曾辉，龙泽，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：云南,53