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| 參考價 | ￥ 68000 |
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更新時間：2023-02-07 14:25:26瀏覽次數(shù)：364評價
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一、背景
介電特性是電介質(zhì)材料極其重要的性質(zhì)。在實際應用中，電介質(zhì)材料的介電系數(shù)和介質(zhì)損耗是非常重要的參數(shù)。例如，制造電容器的材料要求介電系數(shù)盡量大，而介質(zhì)損耗盡量小。相反地，制造儀表絕緣器件的材料則要求介電系數(shù)和介質(zhì)損耗都盡量小。而在某些特殊情況下，則要求材料的介質(zhì)損耗較大。所以，通過測定介電常數(shù)及介質(zhì)損耗角正切(tg)，可進一步了解影響介質(zhì)損耗和介電常數(shù)的各種因素，為提高材料的性能提供依據(jù)。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。
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)。
二、基本原理
電子材料與元件的電學性能參數(shù)的測量是一項基本而重要的工作。這些電學參數(shù)包括不同頻率、不同溫度下的電阻、電容、阻抗、介電常數(shù)、損耗角正切值等特性測量。全面而準確地掌握這些特性，對分析、改進電子材料與元件的性能十分重要。ZJD-C材料介電常數(shù)介質(zhì)損耗測試儀（數(shù)字電橋）是隨著數(shù)字測量技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新型智能化材料和元件參數(shù)測量儀器，具有使用簡便、效率高、測量精度高等優(yōu)點，在電子材料與元件特性參數(shù)測量和研究中獲得了極其廣泛的應用。
介電常數(shù)介質(zhì)損耗測量儀以微處理器為核心、通過采集給定激勵下被測樣品和標準元件的電壓、電流信號并按照—定的數(shù)學模型進行被測樣品的參數(shù)計算。ZJD-C材料介電常數(shù)介質(zhì)損耗測試儀測量原理以阻抗參數(shù)的數(shù)字化測量為基礎，典型測量方法為矢量電流—電壓法。測量電路原理如圖 1 所示，其中Rs 為標準電阻值，Zx 為待測樣品的阻抗。
阻抗參數(shù)的測量可首先轉(zhuǎn)化為電壓測量及電壓分量的計算，最終可得到復阻抗的電阻參數(shù)和電抗參數(shù)，并可間接計算其他參數(shù)，如損耗參數(shù)、不同等效模式下的阻抗參數(shù)等。圖2為ZJD-C材料介電常數(shù)介質(zhì)損耗測試儀一般原理框圖。流過待測元件的電流轉(zhuǎn)換為相應的電壓信號，與待測元件的電壓經(jīng)緩沖放大后送給相敏模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(PSADC)。PSADC 主要由相敏檢波器(PSD)和積分型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)構(gòu)成，PSADC 根據(jù)相位參考基準信號與輸入的電壓信號，產(chǎn)生對應于被測電壓與電流信號的二進制數(shù)據(jù)，并提供給微處理器CPU。CPU 接收控制按鍵的操作信號并按要求執(zhí)行特定的程序處理PSADC 提供的數(shù)據(jù)，最終經(jīng)計算得到被測阻抗參數(shù)數(shù)值并顯示。
三、實驗儀器及樣品
1、智德ZJD-C型介電常數(shù)介質(zhì)損耗測試儀
2、電極夾具（使用前需進行零位校準）
3、標準電容
4、待測樣品
四、實驗內(nèi)容
1、打開電源，預熱15分鐘以上。
2、對儀器進行點頻清零。
3、測量并記錄某電容器在以下頻率時的Cp 和D 值：
Hz 200 400 600 800
kHz 1 2 3 4 5 6 8 10 20 40 80 100 120
MHz 1 1.2 1.5 2.0
4、寬頻介電常數(shù)介質(zhì)損耗試驗儀對測試樣品進行測量：
a 右旋測量裝置的千分尺，將極板間距調(diào)到零，接近零位時要慢慢旋動頂部按鈕，聽到“咯"聲停止旋轉(zhuǎn)，記錄零位讀數(shù)L0 。
b左旋千分尺至讀數(shù)L，記錄L，此時兩極板間距d=L-L0
c在頻率1KHz進行開、短路點頻清零，選擇Cp-D 功能。將接線夾子連接到測量裝置的接線柱上，測量極板間為空氣時的電容C1
d將樣品慢慢放入到極板中心，測試放入樣品時的電容C2
e相同地分別測量10KHz時的C1 、C2 和100KHz時的 C1 、C2
f用千分尺測出樣品的厚度t，用游標卡尺測出樣品直徑d，均應在不同位置重復測量三次。
五、數(shù)據(jù)處理
1.將測得的某電容器在不同頻率下對應的Cp 和D值記錄在下表中：
| Hz | 200 | 400 | 600 | 800 | MHz | 1 | 1.2 | 1.5 | 2.0 |
| Cp- nF | 209.64 | 209.23 | 208.81 | 208.47 | Cp- nF | 212.17 | 238.42 | 309.04 | 410.73 |
| D | 0.00689 | 0.00908 | 0.01074 | 0.01212 | D | 0.17305 | 0.2160 | 0.3133 | 1.7955 |
| KHz | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 8 | 10 |
| Cp- nF | 208.17 | 207.04 | 206.13 | 205.40 | 204.72 | 204.11 | 203.03 | 202.17 |
| D | 0.01329 | 0.01778 | 0.02099 | 0.02405 | 0.02622 | 0.02813 | 0.03125 | 0.03401 |
| KHz | 12 | 15 | 16 | 18 | 20 | 40 | 80 | 100 |
| Cp- nF | 201.48 | 200.43 | 200.11 | 199.51 | 198.97 | 194.91 | 190.10 | 188.42 |
| D | 0.03644 | 0.03938 | 0.04037 | 0.04203 | 0.04363 | 0.05433 | 0.06701 | 0.07184 |
| KHz | 120 | 150 | 200 | 400 | 600 | 800 | ||
| Cp- nF | 186.85 | 185.24 | 183.25 | 181.22 | 185.42 | 195.56 | ||
| D | 0.07636 | 0.08106 | 0.08821 | 0.10837 | 0.12645 | 0.14652 |
2.將表中數(shù)據(jù)導入到Origin中分別得到Cp--f,以及D--f的曲線關系圖如下：
3.寬頻介電常數(shù)測試儀結(jié)合圖表進行分析：
我們知道電容容量與頻率是曲線關系，在諧振點之前，電容容量隨頻率的增加而減小，在諧振點之后，電容容量隨頻率的增加而增加。
結(jié)合表格和圖一我們發(fā)現(xiàn)該電容原件在 600KHz前電容是隨頻率f的增大而減小的，而在600KHz之后電容隨頻率f的增大而增大，即600KHz左右為諧振點。上面說的曲線關系，是電容與頻率的關系，而電容與頻率的關系可以間接反映出電容容量與f的關系，即Z(=ESR+jwL-j/wC)與頻率的關系。在低頻范圍內(nèi)，電容呈現(xiàn)容抗特性；中頻范圍內(nèi)，主要是ESR特性；高頻范圍內(nèi)，感抗占主導作用。
一般的大容量的電容對高頻的響應很差對低頻的響應卻好，而容量小的電容對低頻的響應很差而對高頻的響應卻非常好。因此可以根據(jù)不同的頻率需要選擇合適的電容。
由圖二介電損耗D隨頻率f的變化關系圖可以看出，一開始開始損耗隨著頻率的增加是緩慢增加的，當頻率增加大1500KHz時，損耗D陡然增大。而在實際中，我們可以由電容在不同測試頻率下的損耗因子的變化來決定電路的模式選擇。若頻率升高而損耗增加，則應選用串聯(lián)等效電路；若頻率升高而損耗減小，則應選用并聯(lián)等效電路。該測試的電容有圖二看出，其損耗隨f增加而增加，所以該電容適用于串聯(lián)等效電路。
4.寬頻介電常數(shù)測試儀對測試樣品的測量
相關數(shù)據(jù)說明:零位Lo=19.66mm; 復位L=24.66mm; 極板間距d=LLo=5mm;
測試樣品 直徑d=3cm; 樣品厚度t=4mm；
測量極板間為空氣的電容：C1；
測量放入樣品時的電容：C2； 頻率：f；
根據(jù)相關公式（結(jié)合圖示進行說明）
不同頻率下測得的C1和C2，算出的介質(zhì)的介電常數(shù)數(shù)值如下：
| 頻率f (KHz) | 1 | 10 | 100 |
| 空載 C1 （PF） | 6.3620 | 6.2419 | 6.3888 |
| 加介質(zhì)C2 （PF） | 9.1139 | 8.6257 | 8.3380 |
| ε （PF/m） | 62.9406 | 49.1249 | 37.0989 |
通過相關資料的查閱，我們知道：材料的介電常數(shù)形成主要是由某些極化引起的，所謂極化是某些偶極子定向排列產(chǎn)生，由于頻率的變化，偶極子隨外場反轉(zhuǎn)，當頻率很高，由于材料內(nèi)部一定的阻力，使偶極子反轉(zhuǎn)跟不上電場的速度，就會形成一種馳豫，馳豫也是介質(zhì)材料產(chǎn)生損耗的原因之一，高頻情況下，有些偶極子停止反轉(zhuǎn)，所以對介電常數(shù)的貢獻為零。材料中一般都存在好幾種極化方式，各種極化馳豫發(fā)生的頻段不一樣，所以總的來說，隨著頻率的升高，介電常數(shù)一般減小。
因此由于介電損耗的存在，當f 增大時，損耗增大，從而發(fā)現(xiàn)我們得到樣品的介電常數(shù)隨頻率增大而減小。
六、思考問題
1.介質(zhì)中的損耗是怎樣產(chǎn)生的？什么是損耗D和品質(zhì)因數(shù)Q？
答：絕緣材料在電場作用下，由于介質(zhì)電導和介質(zhì)極化的滯后效應，在其內(nèi)部引起能量的損耗。
損耗D：在交變電場作用下，電介質(zhì)內(nèi)流過的電流相量與電壓相量之間的夾角的正切值。
品質(zhì)因數(shù)Q：電學和磁學的量，表示一個儲能器件（電容，電感線圈等），諧振電路中所儲能量同每周期損耗之比的一種質(zhì)量指標，數(shù)值上等于D的倒數(shù)。
2.為什么有串聯(lián)和并聯(lián)測試模式？怎樣選擇串聯(lián)和并聯(lián)測試模式？
答：根據(jù)選用的電容的大小進行的必要的選擇，從而提高測量的靈敏度。
對于小電容，大電感來說，電抗一般都較大。這意味著并聯(lián)電阻的影響相對于小數(shù)值串聯(lián)電阻更加顯著，所以應采用并聯(lián)電路模型。相反，對于大電容，小電感則采用串聯(lián)模型。一般電抗大于10千兆用并聯(lián)，小于10千兆用串聯(lián)模型。實際中，可以由電容在兩個不同測試頻率下?lián)p耗因子的變化來決定。若頻率升高而損耗增加，則采用串聯(lián)等效電路；若頻率升高而損耗減小，則應采用并聯(lián)等效電路。對于電感來說，情況正好相反。
3.介電性質(zhì)測量實驗為什么對溫度和相對濕度要維持一定的指標？
答：因為介電常數(shù)和介電損耗因素會受溫度和濕度的影響而變化，所以要講它們維持在一定的指標，從而提高實驗結(jié)果的準確性。
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