铜氧化膜厚度测量仪及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及氧化物厚度测量领域，尤其涉及用于测量铜杆或铜板表面的铜氧化膜 厚度的测量仪及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 铜杆、铜丝或铜板中氧化膜的厚度直接对其表面质量和后续的加工性能都会造成 不同程度的影响。特别在一些微小的电器元件中，例如传感器，其使用的铜丝中氧化膜的厚 度会直接影响到传感器检测的精确度。
[0003] 本发明的工作原理来源于美国ASTM标准B49-98 (2004)《电气用铜杆拉伸标准》中 的铜杆表面氧化物厚度的检测方法一一电解还原法。据检索，中国发明专利电工用铜杆氧 化膜厚度测试装置（申请号201420400302. 3)中公开了一种使用该方法的装置，但是该装 置需要直流电流源、电位记录器、电量计等多个设备，并同时记录多个数据，其计算过程复 杂、设备结构复杂，测量操作麻烦，容易产生错误。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供铜氧化膜厚度测量仪，简化测量设备，减少计算过程，并保证 测量的准确性。
[0005] 为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] 铜氧化膜厚度测量仪，包括电解槽，所述电解槽的上方开设阳极接口和阴极接口， 所述电解槽内设置电解液，还包括信号控制模块，所述信号控制模块包括恒定电流输出模 块、电压采样模块、处理模块和通信模块，所述恒定电流输出模块、电压采样模块、通信模块 均连接至所述处理模块，所述恒定电流输出模块连接所述阳极接口、所述阴极接口，所述阴 极接口、所述阳极接口均连接至所述电压采样模块，所述通信模块用于连接计算机处理系 统。恒定电流输出模块将连接至信号控制模块的电源转换成恒定的直流电，并输送至阳极 接口、阴极接口。电压采样模块直接测量电解液的电压变化情况，并发送至处理模块，处理 模块接收电压采样测量到的信息，并对所述信息进行放大、并转化成数字信号后，通过通信 模块发送出去。
[0007] 在测量过程中，阴极与阳极之间有电流通过，会对电极产生极化作用，导致工作电 极的电位测量值并非一个非常准确的测量值。因此现有技术采用三电极测量体系结构。但 是本发明测量铜氧化物厚度的方法仅需要通过电位变化值来确定准确的反应时间。采用二 电极体系测量的工作电极电位，并通过比对该电极电位的变化值获得电位的变化，该变化 值能准确地反映化学反应的时间，因此测量电位的变化值足够满足测量需求。同时，通过设 置信号控制模块，即时记录电位值和时间，电位差值通过处理模块转化为计算机处理系统 的可读格式，并通过通信模块将电位值与所述电位值对应的时间发送至计算机进行分析， 保证电位值对应时间的准确性。
[0008] 在一种优选实施方式中，还包括电位传感器，电位传感器设置在阳极接口上。电位 传感器直接测量试样电解过程中的电位变化，通过测量该电位的变化，得到测量反应的电 压一一时间曲线，根据曲线的拐点得到氧化亚铜及氧化铜的反应时间。
[0009] 在一种优选实施方式中，还包括计算机处理系统，所述通信模块通过RS232串口 连接至所述计算机处理系统。计算机处理系统接收通信模块的信息，并对信息进行处理计 算，通过美国ASTM标准M9-98(2004)《电气用铜杆拉伸标准》中的氧化物计算公式直接计 算得出铜氧化膜的厚度。
[0010] 在一种优选实施方式中，阳极接口连接惰性金属，惰性金属插入电解槽，惰性金属 的下端浸入所述电解液中，所述阴极接口用于连接试样。
[0011] 在一种优选实施方式中，阴极接口安装夹具。夹具方便将试样与阴极接口连接起 来。
[0012] 在一种优选实施方式中，电解槽的顶部设置试样固定筒，所述固定筒上开设长条 形槽口和圆形槽口，固定筒的轴线方向与所述惰性金属的长度方向平行。固定筒用于调整 试样的测量位置，使其与惰性金属平行，保证试样电解的均匀、平稳。设置不同形状的槽口 以适宜不同截面形状的试样。
[0013] 在一种优选实施方式中，电解槽的一个或多个侧面为透明或半透明，所述透明或 半透明侧面设置刻度，方便观察试样中插入电解液的高度。
[0014] 在一种优选实施方式中，电解液的高度不小于101. 6毫米。
[0015] 在一种优选实施方式中，惰性金属为铂丝。
[0016] 本发明还提供一种铜氧化膜厚度的测量方法，包括：
[0017] 步骤SlOl，截取铜杆试样，试样垂直放入碳酸钠溶液中，采用阴极接口上的夹具夹 紧试样，使碳酸钠溶液覆盖至少101. 6毫米的试样。优选地，碳酸钠溶液的浓度为0. 1摩尔， 使其导电性能更好。
[0018] 步骤S102,在计算机处理系统中输入试样的测量参数，测量参数包括试样的横截 面面积、浸入碳酸钠溶液的长度和批号；
[0019] 步骤S103,计算机处理系统通过通信模块向处理模块发送输出电流信号；处理模 块接收该输出电流信号，控制恒定电流输出模块输出1-20毫安的恒定直流电流，处理模块 同时记录时间；
[0020] 步骤S104,电位传感器检测阳极上的电位，并把检测到的电位数据发送到测量电 压采样模块；
[0021] 步骤S105,电压采样模块接收电位数据，将所述电位数据发送到处理模块；处理 模块获取所述记录时间此刻对应的时间值，并将电位数据进行转换，把转换后的电位数据 及所述时间值通过通信模块发送至计算机处理系统；
[0022] 步骤S106,计算机处理系统根据所述时间值、电位数据生成电压一一时间曲线， 在所述电压一一时间曲线的生成过程中，对所述电压一一时间曲线的斜率的变化差值小于 设定值的情况给予记录，当该记录超过预定值时，计算机处理系统向处理模块发出停止信 号；所述处理模块接收所述停止信号，控制恒定电流输出模块停止输出电流，并停止记录时 间；
[0023] 步骤S107,计算机处理系统获取电压--时间曲线的拐点，根据所述拐点对应的 时间、电流、试样的浸入面积及测试常数获取氧化亚铜、氧化铜的厚度，并显示出计算结果 和批号。
[0024] 本发明的有益效果为：
[0025] 1)信号控制模块实现供应恒定直流电、测量试样电压以及放大、转换采集到的信 息，无需外设直流电流源，电量计，整体结构简单；
[0026] 2)电位传感器直接测量试样电解过程中的电位变化，通过测量该电位的变化值， 得到测量反应的电压一一时间曲线，根据曲线的两个拐点分别得到氧化亚铜及氧化铜的反 应时间，无需在电解槽中设置参考电极；
[0027] 3)计算机处理系统接收通信模块的信息，并对信息进行处理计算，通过美国ASTM 标准B49-98 (2004)《电气用铜杆拉伸标准》中的氧化物计算公式计算得出氧化亚铜及氧化 铜的厚度，无需进行其他的计算公式进行转换。
【附图说明】
[0028] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0029] 图1是信号控制模块的结构示意图；
[0030] 图2是电解槽的结构示意图；
[0031] 图3是电压--时间曲线图；
[0032] 图4是测试方法的流程图；
[0033] 图5是电压--时间曲线对比图。
【具体实施方式】
[0034] 下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所 描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发 明保护的范围。
[0035] 结合图1-2所示，本实施例为一种铜氧化膜厚度测量仪，包括电解槽，电解槽的上 方连接阴极接口 1和阳极接口 2,还包括信号控制模块，信号控制模块包括恒定电流输出模 块、电压采样模块、处理模块和通信模块，恒定电流输出模块、电压采样模块、通信模块均连 接至所述处理模块。恒定电流输出模块连接所述阳极接口、所述阴极接口，所述阴极接口、 所述阳极接口均连接至所述电压采样模块。
[0036] 在阳极接口 2上设置电位传感器。电位传感器直接测量试样电解过程中的电位变 化，通过测量该电位的变化，得到测量反应的电压一一时间曲线，根据曲线的拐点得到氧化 亚铜及氧化铜的反应时间。
[0037] 为了能够有效、准确地进行计算，在一种优选实施方式中，还包括计算机处理系 统，计算机处理系统通过RS232串口连接至所述通信模块。计算机处理系统接收通信模块 的信息，并对信息进行处理计算，通过美国ASTM标准B49-98 (2004)《电气用铜杆拉伸标准》 中的以下氧化物计算公式（如下简称"计算公式"，），直接计算得出铜氧化膜的厚度。 IlM Γ AAOOl ?Μ?Μ?Μ?Μ?Μ?Μ?Μ?Μν LUUooJ I - Sd 1?
[0039] 其中，T =厚度，单位为厘米；
[0040] I =电流，单位为安培；
[0041 ] t =反应时间，单位为秒；
[0042] M =氧化物分子重量，为常数，单位为克；
[0043] S =样品浸入的面积，单位为平方厘米；
[0044] d =氧化物密度（Cu2O 为 6. Og/cm，CuO 为 6. 4g/cm);
[0045] F =法拉第常数，为96500C ;
[0046] η =氢等价物，为常数2。
[0047] 计算机处理系统连接至信号控制模块后，将计算机处理系统接通的电源通过通信 模块输送至信号控制模块，信号控制模块接通电源后，恒定电流输出模块将电源转换成恒