涡流衰减测量方法评价纯金属电阻率与剩余电阻比

1.测量原理

测量原理如图6-6所示。

试样处于初级线圈建立的磁场中，当磁场撤除后，试样内部感生涡流。涡流衰减的快慢取决于试样的几何尺寸及电阻率的大小。对圆柱状样品，其涡流衰减时间常数与电阻率的关系为：

ρ=2.17×10^-7r²/τ （6-18）

式中 ρ——试样电阻率，单位为Ω·m；

r——被测区域试样半径，单位为m；

τ——试样涡流衰减时间常数，单位为s。

图6-6 涡流衰减法测量试样电阻率原理图

1—初级线圈 2—探测线圈 3—电源 4—开关 5—试样 6—记录仪

由记录的涡流衰减信号可确定试样的涡流衰减时间常数，从而计算出试样的电阻率值。

2.试样的制备

1）试样制成圆柱状，其直径的测量结果应具有不少于两位的有效数字。

2）试样的长度与直径之比不小于8。

3.测量设备

（1）探测系统　初级线圈产生的磁场应有足够的强度以保证测量信号具有较高的信噪比，同时应避免试样的磁阻效应对测量结果的影响。对高纯无氧铜和高纯铝的测量，初级线圈的磁场强度在1.2K时为0.03T，在273.15K时为0.01T。探测线圈应根据待测试样的温度和电阻率范围选择适当的匝数。高纯无氧铜在273.15K附近测量时选200匝左右，在液氦温区测量时选1000匝左右。对其他纯金属试样，探测线圈的匝数应能保证输出的涡流衰减信号有足够的强度。探测线圈系统无试样置入时，测得的衰减信号的衰减时间常数τ₀应比待测试样的涡流衰减时间常数τ至少小一个数量级。

（2）测量系统　电源的直流输出能力应满足初级线圈产生最大磁场强度的要求。开关的断开时间应比待测试样的涡流衰减时间常数至少小一个数量级。放大器应有足够的放大倍数使记录仪输入端的信号强度与记录仪的分辨能力相匹配。放大器的频宽应为待测试样涡流衰减信号频宽的1～2倍。记录仪应有足够快的工作速度以适合于记录快速衰减的涡流信号。

4.测量步骤

（1）校准　根据待测试样电阻率的范围，选择两个具有相应标准值的标准样品进行校准。将一个标准样品作为待测试样进行测量，调节测试系统使测量结果与标准值的偏差在允许误差范围内，并尽可能与标准值一致。将另一个标准样品再作为待测试样进行测量，测量结果与标准值的偏差应在允许误差范围内。若标准样品的测量值与标准值的偏差超过允许误差范围，应检査探测系统的设置及测量系统的工作状况和测量步骤，找出原因后重做，直至偏差不超出误差允许范围为止。

（2）操作步骤　按下述步骤进行测量：

1）开机预热30min。

2）将试样置于探测线圈内，并使其处于所要求的温度环境中恒温5min。测量过程中应避免试样温度波动。

3）接通初级线圈回路开关建立磁场，稳定时间应大于1s。(www.xing528.com)

4）断开初级线圈回路开关，记录仪记录下探测线圈两端输出的涡流衰减信号。

5）消除系统零点漂移值：①每次测试前记录下放大器输出端的零点漂移值；②数据点值为涡流衰减信号的测量值减零点漂移值。

5.测试结果的计算

1）数据点不应在涡流衰减信号起始至1τ的时间范围内选取。

2）数据点的取点时间范围应不大于2τ，取点数不得少于3个。

3）计算试样低温电阻率及剩余电阻比时，试样直径大小应根据材料热膨胀系数对室温下的测量值进行修正。

4）试样电阻率按下式计算：

式中 τ——试样涡流衰减时间常数，单位为s；

——由选取的数据点计算出的平均涡流衰减时间常数，单位为s，按下式计算：

式中 n——相邻数据点对的个数；

τ——由一对相邻数据点V_i、V_i+1决定的涡流衰减信号的衰减时间常数，单位为s；

τ_i——瞬时涡流衰减信号的衰减时间常数，单位为s，按下式计算：

τ_i=Δt_i/（lnV_i-lnV_i+1）

式中 Δt_i——相邻数据点的时间间隔，单位为s；

V_i、V_i+1——衰减信号值，单位为eV。

5）试样的剩余电阻比按下式计算：

R·R·R=ρ_273.15K/ρ_4.2K （6-19）

式中 R·R·R——剩余电阻比；

ρ_273.15K——试样冰点电阻率，单位为Ω·m；

ρ_4.2K——试样液氦温度电阻率，单位为Ω·m。