介電常數(shù)測試儀的定義
介電常數(shù)測試儀的定義
介電常數(shù)描述的是材料與電場之間的相互作用。介電常數(shù) (K*)等于復(fù)數(shù)相對介電常數(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)相對介電常數(shù)的實部(ε'r) 表示外部電場有多少電能儲存到材料中；對于絕大多數(shù)固體和液體來說，ε'r>1。復(fù)數(shù)相對介電常數(shù)的虛部(ε"r) 稱為損耗系數(shù)，表示材料中儲存的電能有多少消耗或損失到外電場中。ε"r始終>0，且通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于ε'r。損耗系數(shù)同時包括介電材料損耗和電導(dǎo)率的效應(yīng)。
如果用簡單的矢量圖表示復(fù)數(shù)介電常數(shù)，那么實部和虛部的相位將會相差90°。其矢量和與實軸(ε'r)形成夾角δ。通常使用這個角度的正切值tanδ或損耗角正切來表示材料的相對“損耗”。
使用平行板法測量介電常數(shù)
當(dāng)使用阻抗測量儀器測量介電常數(shù)時，通常采用平行板法
平行板法在ASTM D150標(biāo)準(zhǔn)中又稱為三端子法，其原理是通過在兩個電極之間插入一個材料或液體薄片組成一個電容器，然后測量其電容，根據(jù)測量結(jié)果計算介電常數(shù)。在實際測試裝置中，兩個電極配備在夾持介電材料的測試夾具上。阻抗測量儀器將測量電容(C)和耗散(D)的矢量分量，然后由軟件程序計算出介電常數(shù)和損耗角正切。
當(dāng)簡單地測量兩個電極之間的介電材料時，在電極邊緣會產(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際值大。邊緣電容會導(dǎo)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(dǎo)致的測量誤差。保護電極會吸收邊緣的電場，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(zhǔn)確的測量結(jié)果。當(dāng)結(jié)合使用主電極和保護電極時，主電極稱為被保護電極。
接觸電極法
這種方法通過測量與被測材料（MUT）直接接觸的電極的電容來推導(dǎo)出介電常數(shù)。
介電常數(shù)和損耗角正切通過以下公式 計算
其中Cp: MUT的等效平行電容 [F]
D: 耗散系數(shù) (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(shù) =8.854 x 10-12 [F/m]
接觸電極法不需要制備任何材料，而且測量操作非常簡單，因此得到zui廣泛的使用。不過在用這種方法進行測量時，如果沒有考慮到空氣間隙及其影響，那么可能會產(chǎn)生嚴(yán)重的測量誤差。
當(dāng)電極直接接觸 MUT 時，MUT 與電極之間會形成一個空氣間隙。無論 MUT 兩面組成得多么平坦和平行，都不可避免會產(chǎn)生空氣間隙。這個空氣間隙會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差，因為測量的電容實際上是介電材料與空氣間隙串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電容。
通過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。雖然需要進行額外的材料制備 (制作薄膜電極)，但可以實現(xiàn)zui準(zhǔn)確的測量。
※非接觸電極法
非接觸電極法從概念上來說融合了接觸電極法的優(yōu)勢，并避免了其缺點。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 和沒有 MUT 時獲得的兩
理論上，電極間隙 (tg)應(yīng)比 MUT的厚度 (tm) 略微小一點。換句話說，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)行測量，必須滿足這些要求。zui少要進行兩次電容測量，以便使用測量結(jié)果計算介電常數(shù)。
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(yīng)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(tǒng)主要性能參數(shù)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(diào)范圍 | ≥15mm | 頻率指示誤差 | 3×10-5±1個字 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
夾具插頭間距 | 25mm±0.01mm | 主電容調(diào)節(jié)范圍 | 30-500/18-220pF | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
測微桿分辨率 | 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測試范圍 | 2～1023 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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附表二,LKI-1電感組典型測試數(shù)據(jù) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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