介電常數測試儀的定義
介電常數測試儀的定義
介電常數描述的是材料與電場(chǎng)之間的相互作用。介電常數 (K*)等于復數相對介電常數(ε*r),或復數介電常數(ε*)與真空介電常數(ε0)的比值。復數相對介電常數的實(shí)部(ε'r) 表示外部電場(chǎng)有多少電能儲存到材料中;對于絕大多數固體和液體來(lái)說(shuō),ε'r>1。復數相對介電常數的虛部(ε"r) 稱(chēng)為損耗系數,表示材料中儲存的電能有多少消耗或損失到外電場(chǎng)中。ε"r始終>0,且通常遠遠小于ε'r。損耗系數同時(shí)包括介電材料損耗和電導率的效應。
如果用簡(jiǎn)單的矢量圖表示復數介電常數,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“損耗”。
使用平行板法測量介電常數
當使用阻抗測量?jì)x器測量介電常數時(shí),通常采用平行板法
平行板法在ASTM D150標準中又稱(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,然后測量其電容,根據測量結果計算介電常數。在實(shí)際測試裝置中,兩個(gè)電極配備在夾持介電材料的測試夾具上。阻抗測量?jì)x器將測量電容(C)和耗散(D)的矢量分量,然后由軟件程序計算出介電常數和損耗角正切。
當簡(jiǎn)單地測量?jì)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,從而使得測得的介電材料電容值比實(shí)際值大。邊緣電容會(huì )導致電流流經(jīng)介電材料和邊緣電容器,從而產(chǎn)生測量誤差。
使用保護電極,可以消除邊緣電容所導致的測量誤差。保護電極會(huì )吸收邊緣的電場(chǎng),所以在電極之間測得的電容只是由流經(jīng)介電材料的電流形成,這樣便可以獲得準確的測量結果。當結合使用主電極和保護電極時(shí),主電極稱(chēng)為被保護電極。
接觸電極法
這種方法通過(guò)測量與被測材料(MUT)直接接觸的電極的電容來(lái)推導出介電常數。
介電常數和損耗角正切通過(guò)以下公式 計算
其中Cp: MUT的等效平行電容 [F]
D: 耗散系數 (測量值)
tm: MUT 的平均厚度 [m]
A: 被保護電極的表面積 [m2]
d: 被保護電極的直徑 [m]
ε0: 自由空間的介電常數 =8.854 x 10-12 [F/m]
接觸電極法不需要制備任何材料,而且測量操作非常簡(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)生嚴重的測量誤差。
當電極直接接觸 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 )導致測量結果出現誤差,因為測量的電容實(shí)際上是介電材料與空氣間隙串聯(lián)結構的電容。
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zui準確的測量。
※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,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。根據在有 MUT 和沒(méi)有 MUT 時(shí)獲得的兩
理論上,電極間隙 (tg)應比 MUT的厚度 (tm) 略微小一點(diǎn)。換句話(huà)說(shuō),空氣間隙(tg-tm) 應遠遠小于 MUT 的厚度(tm)。要想正確執行測量,必須滿(mǎn)足這些要求。zui少要進(jìn)行兩次電容測量,以便使用測量結果計算介電常數。
平行板測量法的比較
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 薄膜電極必須應用到表面
操作 1次測量 2次測量 1次測量
附表一,介質(zhì)損耗測試系統主要性能參數一覽表 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
BH916測試裝置 | 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 | 主電容調節范圍 | 30-500/18-220pF | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
測微桿分辨率 | 0.001mm | 主調電容誤差 | <1%或1pF | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
夾具損耗角正切值 | ≦4×10-4 (1MHz) | Q測試范圍 | 2~1023 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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附表二,LKI-1電感組典型測試數據 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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