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多功能介電常數(shù)測(cè)試儀器原理
按照物質(zhì)電結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，任何物質(zhì)都是由不同的電荷構(gòu)成，而在電介質(zhì)中存在原子、分子和離子等。當(dāng)固體電介質(zhì)置于電場(chǎng)中后會(huì)顯示出一定的極性，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為極化。對(duì)不同的材料、溫度和頻率，各種極化過(guò)程的影響不同。
1、介電常數(shù)(e)：某一電介質(zhì)(如硅酸鹽、高分子材料)組成的電容器在一定電壓作用下所得到的電容量Cx與同樣大小的介質(zhì)為真空的電容器的電容量Co之比值，被稱(chēng)為該電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)。
式中：Cx —電容器兩極板充滿(mǎn)介質(zhì)時(shí)的電容；
Co —電容器兩極板為真空時(shí)的電容；
e —電容量增加的倍數(shù)，即相對(duì)介電常數(shù)
介電常數(shù)的大小表示該介質(zhì)中空間電荷互相作用減弱的程度。作為高頻絕緣材料，e要小，特別是用于高壓絕緣時(shí)。在制造高電容器時(shí)，則要求e要大，特別是小型電容器。
在絕緣技術(shù)中，特別是選擇絕緣材料或介質(zhì)貯能材料時(shí)，都需要考慮電介質(zhì)的介電常數(shù)。此外，由于介電常數(shù)取決于極化，而極化又取決于電介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)的形式。所以，通過(guò)介電常數(shù)隨電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率和溫度變化規(guī)律的研究，還可以推斷絕緣材料的分子結(jié)構(gòu)。
2．介電損耗(tgd)：指電介質(zhì)材料在外電場(chǎng)作用下發(fā)熱而損耗的那部分能量。在直流電場(chǎng)作用下，介質(zhì)沒(méi)有周期性損耗，基本上是穩(wěn)態(tài)電流造成的損耗；在交流電場(chǎng)作用下，介質(zhì)損耗除了穩(wěn)態(tài)電流損耗外，還有各種交流損耗。由于電場(chǎng)的頻繁轉(zhuǎn)向，電介質(zhì)中的損耗要比直流電場(chǎng)作用時(shí)大許多(有時(shí)達(dá)到幾千倍)，因此介質(zhì)損耗通常是指交流損耗。
在工程中，常將介電損耗用介質(zhì)損耗角正切tgd來(lái)表示。tgd是絕緣體的無(wú)效消耗的能量對(duì)有效輸入的比例，它表示材料在一周期內(nèi)熱功率損耗與貯存之比，是衡量材料損耗程度的物理量。
tg
式中：ω —電源角頻率；
R —并聯(lián)等效交流電阻；
C —并聯(lián)等效交流電容器
凡是體積電阻率小的，其介電損耗就大。介質(zhì)損耗對(duì)于用在高壓裝置、高頻設(shè)備，特別是用在高壓、高頻等地方的材料和器件具有特別重要的意義，介質(zhì)損耗過(guò)大，不僅降低整機(jī)的性能，甚至?xí)斐山^緣材料的熱擊穿。
3、Q值：tgd的倒數(shù)稱(chēng)為品質(zhì)因素，或稱(chēng)Q值。Q值大，介電損失小，說(shuō)明品質(zhì)好。所以在選用電介質(zhì)前，必須首先測(cè)定它們的e和tgd。而這兩者的測(cè)定是分不開(kāi)的。
通常測(cè)量材料介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的方法有二種：交流電橋法和Q表測(cè)量法，其中Q表測(cè)量法在測(cè)量時(shí)由于操作與計(jì)算比較簡(jiǎn)便而廣泛采用。本實(shí)驗(yàn)主要采用的是Q表測(cè)量法。
4、陶瓷介質(zhì)損耗角正切及介電常數(shù)測(cè)試儀：它由穩(wěn)壓電源、高頻信號(hào)發(fā)生器、定位電壓表CBl、Q值電壓表CB2、寬頻低阻分壓器以及標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)電容器等組成(圖2)。工作原理如下：高頻信導(dǎo)發(fā)生器的輸出信號(hào)，通過(guò)低阻抗耦合線圈將信號(hào)饋送至寬頻低阻抗分壓器。輸出信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)是通過(guò)控制振蕩器的簾柵極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)定位電壓表CBl指在定位線上時(shí)，Ri兩端得到約l0mV的電壓(Vi)。當(dāng)Vi調(diào)節(jié)在一定數(shù)值(10mV)后，可以使測(cè)量Vc的電壓表CB2直接以Q值刻度，即可直接的讀出Q值，而不必計(jì)算。另外，電路中采用寬頻低阻分壓器的原因是：如果直接測(cè)量Vi必須增加大量電子組件才能測(cè)量出高頻低電壓信號(hào)，成本較高。若使用寬頻低阻分壓器后則可用普通電壓表達(dá)到同樣的目的。
圖1 Q表測(cè)量電路圖
經(jīng)推導(dǎo)(1) 介電常數(shù)：
(1)
式中：C1—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電容量；
C2—樣品測(cè)試的電容量；
d—試樣的厚度(cm)；
Φ—試樣的直徑(cm)；
(2) 介質(zhì)損耗角正切：
(2)
式中：Q1—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的Q值；
Q2—樣品測(cè)試的Q值；
(3) Q值：
(3)
多功能介電常數(shù)測(cè)試儀器實(shí)驗(yàn)步驟
1、本儀器適用于110V/220V，50Hz交流電，使用前要檢查電壓情況，以保證測(cè)試條件的穩(wěn)定。
2、開(kāi)機(jī)預(yù)熱15分鐘，使儀器恢復(fù)正常狀態(tài)后才能開(kāi)始測(cè)試。
3、按部件標(biāo)準(zhǔn)制備好的測(cè)試樣品，兩面用特種鉛筆或?qū)щ娿y漿涂覆，使樣品兩面都各自導(dǎo)電，但南面之間不能導(dǎo)通，備用。
4、選擇適當(dāng)?shù)妮o助線圈插入電感接線柱。根據(jù)需要選擇振蕩器頻率，調(diào)節(jié)測(cè)試電路電容器使電路諧振。假定諧振時(shí)電容為C1，品質(zhì)因素為Q1。
5、將被測(cè)樣品接在Cx接線柱上。
6、再調(diào)節(jié)測(cè)試電路電容器使電路諧振，這時(shí)電容為C2，可以直接讀出Q2。
7、用游標(biāo)卡尺量出試樣的直徑Φ和厚度d(分別在不同位置測(cè)得兩個(gè)數(shù)據(jù)，再取其平均值)。
五、結(jié)果處理：
1、e和tgd測(cè)定記錄：
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按表要求填寫(xiě)。
按照物質(zhì)電結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，任何物質(zhì)都是由不同的電荷構(gòu)成，而在電介質(zhì)中存在原子、分子和離子等。當(dāng)固體電介質(zhì)置于電場(chǎng)中后會(huì)顯示出一定的極性，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為極化。對(duì)不同的材料、溫度和頻率，各種極化過(guò)程的影響不同。
1、介電常數(shù)(e)：某一電介質(zhì)(如硅酸鹽、高分子材料)組成的電容器在一定電壓作用下所得到的電容量Cx與同樣大小的介質(zhì)為真空的電容器的電容量Co之比值，被稱(chēng)為該電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)。
式中：Cx —電容器兩極板充滿(mǎn)介質(zhì)時(shí)的電容；
Co —電容器兩極板為真空時(shí)的電容；
e —電容量增加的倍數(shù)，即相對(duì)介電常數(shù)
介電常數(shù)的大小表示該介質(zhì)中空間電荷互相作用減弱的程度。作為高頻絕緣材料，e要小，特別是用于高壓絕緣時(shí)。在制造高電容器時(shí)，則要求e要大，特別是小型電容器。
在絕緣技術(shù)中，特別是選擇絕緣材料或介質(zhì)貯能材料時(shí)，都需要考慮電介質(zhì)的介電常數(shù)。此外，由于介電常數(shù)取決于極化，而極化又取決于電介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)的形式。所以，通過(guò)介電常數(shù)隨電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率和溫度變化規(guī)律的研究，還可以推斷絕緣材料的分子結(jié)構(gòu)。
2．介電損耗(tgd)：指電介質(zhì)材料在外電場(chǎng)作用下發(fā)熱而損耗的那部分能量。在直流電場(chǎng)作用下，介質(zhì)沒(méi)有周期性損耗，基本上是穩(wěn)態(tài)電流造成的損耗；在交流電場(chǎng)作用下，介質(zhì)損耗除了穩(wěn)態(tài)電流損耗外，還有各種交流損耗。由于電場(chǎng)的頻繁轉(zhuǎn)向，電介質(zhì)中的損耗要比直流電場(chǎng)作用時(shí)大許多(有時(shí)達(dá)到幾千倍)，因此介質(zhì)損耗通常是指交流損耗。
在工程中，常將介電損耗用介質(zhì)損耗角正切tgd來(lái)表示。tgd是絕緣體的無(wú)效消耗的能量對(duì)有效輸入的比例，它表示材料在一周期內(nèi)熱功率損耗與貯存之比，是衡量材料損耗程度的物理量。
tg式中：ω —電源角頻率；
R —并聯(lián)等效交流電阻；
C —并聯(lián)等效交流電容器
凡是體積電阻率小的，其介電損耗就大。介質(zhì)損耗對(duì)于用在高壓裝置、高頻設(shè)備，特別是用在高壓、高頻等地方的材料和器件具有特別重要的意義，介質(zhì)損耗過(guò)大，不僅降低整機(jī)的性能，甚至?xí)斐山^緣材料的熱擊穿。
3、Q值：tgd的倒數(shù)稱(chēng)為品質(zhì)因素，或稱(chēng)Q值。Q值大，介電損失小，說(shuō)明品質(zhì)好。所以在選用電介質(zhì)前，必須首先測(cè)定它們的e和tgd。而這兩者的測(cè)定是分不開(kāi)的。
通常測(cè)量材料介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的方法有二種：交流電橋法和Q表測(cè)量法，其中Q表測(cè)量法在測(cè)量時(shí)由于操作與計(jì)算比較簡(jiǎn)便而廣泛采用。本實(shí)驗(yàn)主要采用的是Q表測(cè)量法。
4、陶瓷介質(zhì)損耗角正切及介電常數(shù)測(cè)試儀：它由穩(wěn)壓電源、高頻信號(hào)發(fā)生器、定位電壓表CBl、Q值電壓表CB2、寬頻低阻分壓器以及標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)電容器等組成(圖2)。工作原理如下：高頻信導(dǎo)發(fā)生器的輸出信號(hào)，通過(guò)低阻抗耦合線圈將信號(hào)饋送至寬頻低阻抗分壓器。輸出信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)是通過(guò)控制振蕩器的簾柵極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)定位電壓表CBl指在定位線上時(shí)，Ri兩端得到約l0mV的電壓(Vi)。當(dāng)Vi調(diào)節(jié)在一定數(shù)值(10mV)后，可以使測(cè)量Vc的電壓表CB2直接以Q值刻度，即可直接的讀出Q值，而不必計(jì)算。另外，電路中采用寬頻低阻分壓器的原因是：如果直接測(cè)量Vi必須增加大量電子組件才能測(cè)量出高頻低電壓信號(hào)，成本較高。若使用寬頻低阻分壓器后則可用普通電壓表達(dá)到同樣的目的。
圖1 Q表測(cè)量電路圖
經(jīng)推導(dǎo)(1) 介電常數(shù)：
(1)式中：C1—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電容量；
C2—樣品測(cè)試的電容量；
d—試樣的厚度(cm)；
Φ—試樣的直徑(cm)；
(2) 介質(zhì)損耗角正切：
(2)式中：Q1—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的Q值；
Q2—樣品測(cè)試的Q值；
(3) Q值：
(3)多功能介電常數(shù)測(cè)試儀器實(shí)驗(yàn)步驟
1、本儀器適用于110V/220V，50Hz交流電，使用前要檢查電壓情況，以保證測(cè)試條件的穩(wěn)定。
2、開(kāi)機(jī)預(yù)熱15分鐘，使儀器恢復(fù)正常狀態(tài)后才能開(kāi)始測(cè)試。
3、按部件標(biāo)準(zhǔn)制備好的測(cè)試樣品，兩面用特種鉛筆或?qū)щ娿y漿涂覆，使樣品兩面都各自導(dǎo)電，但南面之間不能導(dǎo)通，備用。
4、選擇適當(dāng)?shù)妮o助線圈插入電感接線柱。根據(jù)需要選擇振蕩器頻率，調(diào)節(jié)測(cè)試電路電容器使電路諧振。假定諧振時(shí)電容為C1，品質(zhì)因素為Q1。
5、將被測(cè)樣品接在Cx接線柱上。
6、再調(diào)節(jié)測(cè)試電路電容器使電路諧振，這時(shí)電容為C2，可以直接讀出Q2。
7、用游標(biāo)卡尺量出試樣的直徑Φ和厚度d(分別在不同位置測(cè)得兩個(gè)數(shù)據(jù)，再取其平均值)。
五、結(jié)果處理：
1、e和tgd測(cè)定記錄：
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按表要求填寫(xiě)。
| 序 號(hào) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| 試樣厚度 | ||||||
| 試樣直徑 | ||||||
| 測(cè) 試 數(shù) 據(jù) | C1 | |||||
| C2 | ||||||
| Q1 | ||||||
| Q2 | ||||||
| 計(jì) 算 結(jié) 果 | e | |||||
| tgd | ||||||
| 平均值 | e = tgd= | |||||
2、計(jì)算：
根據(jù)表格中測(cè)得的數(shù)據(jù)，按公式(1)、(2)分別計(jì)算各個(gè)數(shù)值。
六、注意事項(xiàng)
(1) 電壓或頻率的劇烈波動(dòng)常使電橋不能達(dá)到良好的平衡，所以測(cè)定時(shí)，電壓和頻率要求穩(wěn)定，電壓變動(dòng)不得大于1%，頻率變動(dòng)不得大于0.5%。
(2) 電極與試樣的接觸情況，對(duì)tgδ的測(cè)試結(jié)果有很大影響，因此涂銀導(dǎo)電層電極要求接觸良好、均勻，而厚度合適。
(3) 試樣吸濕后，測(cè)得的tgδ值增大，影響測(cè)量精度，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格避免試樣吸潮。
(4) 在測(cè)量過(guò)程中，注意隨時(shí)電橋本體屏蔽的情況，當(dāng)電橋真正達(dá)到平衡，“本體－屏蔽”開(kāi)關(guān)置于任何一邊時(shí)，檢查計(jì)光帶均應(yīng)最小，而無(wú)大變化。
根據(jù)表格中測(cè)得的數(shù)據(jù)，按公式(1)、(2)分別計(jì)算各個(gè)數(shù)值。
六、注意事項(xiàng)
(1) 電壓或頻率的劇烈波動(dòng)常使電橋不能達(dá)到良好的平衡，所以測(cè)定時(shí)，電壓和頻率要求穩(wěn)定，電壓變動(dòng)不得大于1%，頻率變動(dòng)不得大于0.5%。
(2) 電極與試樣的接觸情況，對(duì)tgδ的測(cè)試結(jié)果有很大影響，因此涂銀導(dǎo)電層電極要求接觸良好、均勻，而厚度合適。
(3) 試樣吸濕后，測(cè)得的tgδ值增大，影響測(cè)量精度，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格避免試樣吸潮。
(4) 在測(cè)量過(guò)程中，注意隨時(shí)電橋本體屏蔽的情況，當(dāng)電橋真正達(dá)到平衡，“本體－屏蔽”開(kāi)關(guān)置于任何一邊時(shí)，檢查計(jì)光帶均應(yīng)最小，而無(wú)大變化。
