陶瓷介電常數(shù)測試儀（阻抗分析儀）

實驗?zāi)康模?/span>了解多種測量介電常數(shù)的方法及其特點和適用范圍，掌握替代法，比較法和諧振法測固體電介質(zhì)介電常數(shù)的原理和方法，用自己設(shè)計與制作的介電常數(shù)測試儀，測量壓電陶瓷的介電常數(shù)。

實驗原理

按照物質(zhì)電結(jié)構(gòu)的觀點，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)置于電場中后會顯示出一定的極性，這個過程稱為極化。對不同的材料、溫度和頻率，各種極化過程的影響不同。

1、介電常數(shù)(ε)：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，被稱為該電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)。

式中：Cx    —電容器兩極板充滿介質(zhì)時的電容；

Cο    —電容器兩極板為真空時的電容；

ε    —電容量增加的倍數(shù)，即相對介電常數(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，ε要小，特別是用于高壓絕緣時。在制造高電容器時，則要求ε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，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)和分子運動的形式。所以，通過介電常數(shù)隨電場強(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(tgδ)：指電介質(zhì)材料在外電場作用下發(fā)熱而損耗的那部分能量。在直流電場作用下，介質(zhì)沒有周期性損耗，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。由于電場的頻繁轉(zhuǎn)向，電介質(zhì)中的損耗要比直流電場作用時大許多(有時達(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tgδ來表示。tgδ是絕緣體的無效消耗的能量對有效輸入的比例，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：tgδ的倒數(shù)稱為品質(zhì)因素，或稱Q值。Q值大，介電損失小，說明品質(zhì)好。所以在選用電介質(zhì)前，必須首先測定它們的ε和tgδ。而這兩者的測定是分不開的。

通常測量材料介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的方法有二種：交流電橋法和Q表測量法，其中Q表測量法在測量時由于操作與計算比較簡便而廣泛采用。本實驗主要采用的是Q表測量法。

4、介電常數(shù)測試儀：它由穩(wěn)壓電源、高頻信號發(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，通過低阻抗耦合線圈將信號饋送至寬頻低阻抗分壓器。輸出信號幅度的調(diào)節(jié)是通過控制振蕩器的簾柵極電壓來實現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)定位電壓表CBl指在定位線上時，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，而不必計算。另外，電路中采用寬頻低阻分壓器的原因是：如果直接測量Vi必須增加大量電子組件才能測量出高頻低電壓信號，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—樣品測試的Q值；

(3) Q值：

    (3)

實驗結(jié)果分析：

1、從實驗結(jié)果來看，各種方法測量所得的結(jié)果比較接近，實驗基本成功；實驗中可能引起誤差的主要因素有如下述：儀器方面，標(biāo)準(zhǔn)電容的漏電現(xiàn)象是難以避免的；操作方面，連電路時難免牽動壓電陶瓷，造成有效面積的偏離；諧振法和諧振替代法測量時對是否處于諧振狀態(tài)的判讀有一定主觀性；

2、實驗過程中應(yīng)該注意電學(xué)儀器（特別是萬用表）的正確使用。

3、比較各個測量電容的方法和誤差來源：

替代法：原理、實驗儀器與操作均比較簡單，但當(dāng)原電路和替代電路阻抗差距比較大的時候，會產(chǎn)生比較大的誤差，同時不能保證電容箱的有效位數(shù)被充分使用；

比較法：相對于替代法，當(dāng)測量小電容時，比較法可以比較充分地利用有效數(shù)位，在假定Rs=Rx的情況下，可修正替代法中的部分誤差，但當(dāng)Rs=Rx不成立時，同樣會帶來較大誤差；諧振法：諧振法操作簡便，原理簡單，但是當(dāng)待測電容較小時，由于電路本身電容分布的原因，系統(tǒng)誤差會比較大，同時對于信號源頻率的穩(wěn)定性和人判斷是否諧振要求很高（因此這也會帶來比較大的誤差）；

電橋法：電橋法只需調(diào)整匝數(shù)比和Cs即可測得電容，但電橋法操作相對復(fù)雜，電橋電流不容易調(diào)至0造成誤差。電橋法適合測量有損耗的電容器或固有電感可忽略的電容；

諧振替代法：諧振替代法可廣泛應(yīng)用于各種電容測量，測量精度基本取決于標(biāo)準(zhǔn)電容箱的精度，其主要制約因素（誤差來源）仍然是對于諧振的判斷。

陶瓷介電常數(shù)測試儀（阻抗分析儀）實驗步驟

1、按照Q表的操作規(guī)程調(diào)整儀器，選定測量頻率，測定C1和Q1的值。
2、將試樣放入測試電極中，并調(diào)節(jié)電容器C，使電路諧振，達(dá)到最大Q值記下調(diào)諧電容量C2和Q2的值。
3、將試樣從測試電極中取出，調(diào)節(jié)C或測試電極的距離，使電路重新諧振，記下C、或測試電極的校正電容值與Q值，北京智德創(chuàng)新檢測儀器并根據(jù)測試值計算出損耗角tanδ與介電常數(shù)ε。
4、其他高頻測試儀器按其說明書進(jìn)行操作，北京智德創(chuàng)新檢測儀器通過測試值計算出損耗角tanδ和介電常數(shù)ε。