介電常數(shù)測(cè)試儀的定義
介電常數(shù)測(cè)試儀的定義
介電常數(shù)描述的是材料與電場(chǎng)之間的相互作用。介電常數(shù) (K*)等于復(fù)數(shù)相對(duì)介電常數(shù)(ε*r)，或復(fù)數(shù)介電常數(shù)(ε*)與真空介電常數(shù)(ε0)的比值。復(fù)數(shù)相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部(ε'r) 表示外部電場(chǎng)有多少電能儲(chǔ)存到材料中；對(duì)于絕大多數(shù)固體和液體來(lái)說(shuō)，ε'r>1。復(fù)數(shù)相對(duì)介電常數(shù)的虛部(ε"r) 稱(chēng)為損耗系數(shù)，表示材料中儲(chǔ)存的電能有多少消耗或損失到外電場(chǎng)中。ε"r始終>0，且通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ε'r。損耗系數(shù)同時(shí)包括介電材料損耗和電導(dǎo)率的效應(yīng)。
如果用簡(jiǎn)單的矢量圖表示復(fù)數(shù)介電常數(shù)，那么實(shí)部和虛部的相位將會(huì)相差90°。其矢量和與實(shí)軸(ε'r)形成夾角δ。通常使用這個(gè)角度的正切值tanδ或損耗角正切來(lái)表示材料的相對(duì)“損耗”。
使用平行板法測(cè)量介電常數(shù)
當(dāng)使用阻抗測(cè)量?jī)x器測(cè)量介電常數(shù)時(shí)，通常采用平行板法
平行板法在ASTM D150標(biāo)準(zhǔn)中又稱(chēng)為三端子法，其原理是通過(guò)在兩個(gè)電極之間插入一個(gè)材料或液體薄片組成一個(gè)電容器，然后測(cè)量其電容，根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算介電常數(shù)。在實(shí)際測(cè)試裝置中，兩個(gè)電極配備在夾持介電材料的測(cè)試夾具上。阻抗測(cè)量?jī)x器將測(cè)量電容(C)和耗散(D)的矢量分量，然后由軟件程序計(jì)算出介電常數(shù)和損耗角正切。
當(dāng)簡(jiǎn)單地測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極之間的介電材料時(shí)，在電極邊緣會(huì)產(chǎn)生雜散電容或邊緣電容，從而使得測(cè)得的介電材料電容值比實(shí)際值大。邊緣電容會(huì)導(dǎo)致電流流經(jīng)介電材料和邊緣電容器，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。
使用保護(hù)電極，可以消除邊緣電容所導(dǎo)致的測(cè)量誤差。保護(hù)電極會(huì)吸收邊緣的電場(chǎng)，所以在電極之間測(cè)得的電容只是由流經(jīng)介電材料的電流形成，這樣便可以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。當(dāng)結(jié)合使用主電極和保護(hù)電極時(shí)，主電極稱(chēng)為被保護(hù)電極。
接觸電極法
這種方法通過(guò)測(cè)量與被測(cè)材料（MUT）直接接觸的電極的電容來(lái)推導(dǎo)出介電常數(shù)。
介電常數(shù)和損耗角正切通過(guò)以下公式 計(jì)算
其中Cp: MUT的等效平行電容 [F]
D: 耗散系數(shù) (測(cè)量值)
tm: MUT 的平均厚度 [m]
A: 被保護(hù)電極的表面積 [m2]
d: 被保護(hù)電極的直徑 [m]
ε0: 自由空間的介電常數(shù) =8.854 x 10-12 [F/m]
接觸電極法不需要制備任何材料，而且測(cè)量操作非常簡(jiǎn)單，因此得到zui廣泛的使用。不過(guò)在用這種方法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，如果沒(méi)有考慮到空氣間隙及其影響，那么可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的測(cè)量誤差。
當(dāng)電極直接接觸 MUT 時(shí)，MUT 與電極之間會(huì)形成一個(gè)空氣間隙。無(wú)論 MUT 兩面組成得多么平坦和平行，都不可避免會(huì)產(chǎn)生空氣間隙。這個(gè)空氣間隙會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差，因?yàn)闇y(cè)量的電容實(shí)際上是介電材料與空氣間隙串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電容。
通過(guò)用薄膜電極接觸介電材料的表面，可以減小空氣間隙的影響。雖然需要進(jìn)行額外的材料制備 (制作薄膜電極)，但可以實(shí)現(xiàn)zui準(zhǔn)確的測(cè)量。
※非接觸電極法
非接觸電極法從概念上來(lái)說(shuō)融合了接觸電極法的優(yōu)勢(shì)，并避免了其缺點(diǎn)。它不需要薄膜電極，但仍可解決空氣間隙效應(yīng)。根據(jù)在有 MUT 和沒(méi)有 MUT 時(shí)獲得的兩
理論上，電極間隙 (tg)應(yīng)比 MUT的厚度 (tm) 略微小一點(diǎn)。換句話說(shuō)，空氣間隙(tg-tm) 應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 MUT 的厚度(tm)。要想正確執(zhí)行測(cè)量，必須滿足這些要求。zui少要進(jìn)行兩次電容測(cè)量，以便使用測(cè)量結(jié)果計(jì)算介電常數(shù)。
平行板測(cè)量法的比較
方法： 接觸電極 (不使用薄膜電極) 非接觸電極 接觸電極 (使用薄膜電極)
精度 低 中 高
適用的MUT 具有平滑表面的固體材料 具有平滑表面的固體材料 薄膜電極必須應(yīng)用到表面
操作 1次測(cè)量 2次測(cè)量 1次測(cè)量
附表一,介質(zhì)損耗測(cè)試系統(tǒng)主要性能參數(shù)一覽表 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
BH916測(cè)試裝置 | GDAT高頻Q表 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
平板電容極片 | Φ50mm/Φ38mm可選 | 頻率范圍 | 20KHz-60MHz/200KHz-160MHz | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
間距可調(diào)范圍 | ≥15mm | 頻率指示誤差 | 3×10-5±1個(gè)字 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
夾具插頭間距 | 25mm±0.01mm | 主電容調(diào)節(jié)范圍 | 30-500/18-220pF | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
測(cè)微桿分辨率 | 0.001mm | 主調(diào)電容誤差 | <1%或1pF | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
夾具損耗角正切值 | ≦4×10-4 （1MHz) | Q測(cè)試范圍 | 2～1023 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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附表二,LKI-1電感組典型測(cè)試數(shù)據(jù) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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