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电阻率的常用测试方法及原理

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图2.28电桥法图2.29伏安法2.4.3.2按照电极数量分类二相电极法。图2.30二相电极法图2.31电阻率测试装置（长方体）四相电极法。图2.32四相电极法图2.33电阻率测试装置2.4.3.3按电源分类在目前的相关报道中，无论是采用伏安法还是电桥法基本上是直流电，也有个别采用交流电。图2.34非接触电阻率测定仪原理2.4.3.5按频率分类对于交流电测频率的选择，人们一直未作统一，不同专家学者选取不同频率。

因为目前土电阻率的测量没有统一的方法，根据不同原理可以分为以下几类：

2.4.3.1　按电路分类

（1）电桥法。如图2.28所示，标准电阻1、标准电阻2、可调电阻、土样Rx为桥臂，R1/R2、R可调/Rx实际上构成了两个分压器。当R1Rx＝R2R可调时，即Rx＝R可调×R2/R1时，检流计G没有偏转，称为电桥平衡。此时，即可求得电阻值Rx。此法电路简单，只需一个电桥即可。但由于土的特殊性质，检流计G往往调不到零位，而在零位附近来回摆动，随着时间的增长，可能向一个方向漂移，需反复调试，具体操作比较麻烦，由此增大了误差。在实际使用中检流计可以使用机械表或数显表。

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图2.28　电桥法

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图2.29　伏安法

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2.4.3.2　按照电极数量分类

（1）二相电极法。如图2.30所示，二相电极法求取电阻率的公式为：

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式中：ρ为土样电阻率，Ω·m；ΔU 为土样两端电位差，V；I为回路电流强度；S为电流通过土样的横截面积，m2；l为土样长度，m。

二相电极法简单，即使在土体变形过程中，易于对其电阻率进行测定。二相电极法常用图2.31所示的装置。

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图2.30　二相电极法

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图2.31　电阻率测试装置（长方体）

（2）四相电极法。如图2.32所示，四相电极法求电阻率公式为：

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式中：ρ为土样电阻率，Ω·m；ΔU 为土样中部两电极片之间的电位差，V；I为回路电流强度；S为电流通过土样的横截面积，m2；l为土样中部两电极片之间距离，m。

四相电极法的测试装置用于常规土工试验中，如压缩试验、三轴试验，要比二相测法复杂。在装置土样安插其中的金属环或探针、铜棒时，会不可避免地扰动土样。另外，在进行土样的常规压缩、三轴试验，采用四相电极法求取土样电阻率变化时，公式 pagenumber_ebook=64,pagenumber_book=55 中的l不好确定。四相电极法常用装置如图2.33所示。

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图2.32　四相电极法

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图2.33　电阻率测试装置

2.4.3.3　按电源分类

在目前的相关报道中，无论是采用伏安法还是电桥法基本上是直流电，也有个别采用交流电。在地质中的电阻率法普查中大多应用直流电源，直流电源可描述一些非导电的粒子（砂、碎石）等孔隙结构特性，或应用于导电的球形粒子构成的系统中，如树脂悬浮液和高浓度的电解液等。但是在更复杂的体系中，如有着不同粒径、形状、定向性和表面特性的黏土体系中，直流电测效果不佳。因为直流电场还会引起动电耦合现象——电渗及电化学效应，导致土样内部结构发生不可逆变化。而采用交流电则可减到最小。后面几章的试验证明：在应用电阻率法对水泥土进行研究和污染评价时，更宜使用交流电。

2.4.3.4　按接触与否分类

（1）接触式。

以上几种办法均需要有电极与土样相连接，方法简单，但存在接触电阻，因此数据需要进行修正。

（2）非接触式。

原理见图2.34，由信号发生器和放大器（generator and amplifier）将50Hz交流电变为1000Hz交流电并放大后在变压器初级线圈上（transformer core）产生一定的电压，在变压器次级线圈即环形模具（mould and sample）得到固定的环电压，将新拌的水泥基材料倒入模具中，通过小电流传感器（current sensor）和计算机（computer）测定并记录样品不同时间的环电流，最后根据欧姆定理计算出样品对应的电阻率，得出水泥基样品电阻率随时间变化的发展曲线。该仪器不存在接触电阻和极化等问题，但是结构复杂，制样必须使用特定环形模具，因此应用受到了限制，仅适用于水泥基材料水化过程的研究。

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图2.34　非接触电阻率测定仪原理

2.4.3.5　按频率分类

对于交流电测频率的选择，人们一直未作统一，不同专家学者选取不同频率。Zeyad S和Salih S选用60Hz频率。Zeyad S指出选用60Hz频率有两条理由：在美国，交流电源频率普遍采用60Hz；60Hz频率可避免激化作用对土的电特性影响。K.Arulanandan指出高频率下，土的介电常数仅为孔隙率、定向度和颗粒形状函数，因而交流电测中，他采用了高频率50MHz。M.Fukue和H.Komine选用1k Hz频率。在前面绪论中，已阐述了应用土的电阻率求取结构参数平均结构因子 pagenumber_ebook=65,pagenumber_book=56 、各向异性指数A、平均形状因子f的前提条件是低频。另外还有研究表明：低频率区的电性反应特征可有效反应土颗粒大小，粒径分布、颗粒定向性、孔隙液电解质的种类和浓度、颗粒表面特征和样品的扰动程度等结构特性，频率过高或过低均不宜。频率高，数据不稳定，难以有效揭示土的结构特性；频率过低，电信号不明显，灵敏度不高。刘松玉、于小军认为应用土的电阻率进行土结构性分析时，宜采用低频。