電介質材料介電性能的測試

實驗目的】

1、探討介質極化與介電常數、介質損耗的關系；

2、了解高頻Q表的工作原理；

3、掌握室溫下用高頻Q表測定材料的介電常數和介質損耗角正切值。

【實驗儀器】

1、儀器設備：

(1)介電常數介質損耗測試儀、電感箱、樣品夾具等；

(2) 千分游標卡尺；

(3)導電銀漿；

2、樣品要求：圓形片：厚度2±0.5mm，直徑為Φ38±1mm。

【實驗原理】

按照物質電結構的觀點，任何物質都是由不同的電荷構成，而在電介質中存在原子、分子和離子等。當固體電介質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(ε)：某一電介質(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C與同樣大小的介質為真空的電容器的電容量C之比值，被稱為該電介質材料的相對介電常數。

式中：C—電容器兩極板充滿介質時的電容；

Cο—電容器兩極板為真空時的電容；

ε—電容量增加的倍數，即相對介電常數

介電常數的大小表示該介質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。

在絕緣技術中，特別是選擇絕緣材料或介質貯能材料時，都需要考慮電介質的介電常數。此外，由于介電常數取決于極化，而極化又取決于電介質的分子結構和分子運動的形式。所以，通過介電常數隨電場強度、頻率和溫度變化規律的研究，還可以推斷絕緣材料的分子結構。

2．介電損耗(tgδ)：指電介質材料在外電場作用下發熱而損耗的那部分能量。在直流電場作用下，介質沒有周期性損耗，基本上是穩態電流造成的損耗；在交流電場作用下，介質損耗除了穩態電流損耗外，還有各種交流損耗。由于電場的頻繁轉向，電介質中的損耗要比直流電場作用時大許多(有時達到幾千倍)，因此介質損耗通常是指交流損耗。

在工程中，常將介電損耗用介質損耗角正切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—并聯等效交流電阻；

C—并聯等效交流電容器

凡是體積電阻率小的，其介電損耗就大。介質損耗對于用在高壓裝置、高頻設備，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，介質損耗過大，不僅降低整機的性能，甚至會造成絕緣材料的熱擊穿。

3、Q值：tgδ的倒數稱為品質因素，或稱Q值。Q值大，介電損失小，說明品質好。所以在選用電介質前，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和介質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。

Q表的測量回路是一個簡單的R—L—C回路，如圖1所示。當回路兩瑞加上電壓V后，電容器C的兩端電壓為Vc，調節電容器C使回路諧振后，回路的品質因數Q就可以用下式表示：

式中：L—回路電感；

R—回路電阻；

Vc—電容器C兩端電壓；

V—回路兩端電壓；

圖1 Q表測量原理圖

由上式可知，當輸入電壓V不變時，則Q與Vc成正比。因此在一定輸入下，Vc值可直接標示為Q值。Q值表即根據這一原理來制造。

4、STD－A陶瓷介質損耗角正切及介電常數測試儀：它由穩壓電源、高頻信號發生器、定位電壓表CBl、Q值電壓表CB2、寬頻低阻分壓器以及標準可調電容器等組成(圖2)。工作原理如下：高頻信導發生器的輸出信號，通過低阻抗耦合線圈將信號饋送至寬頻低阻抗分壓器。輸出信號幅度的調節是通過控制振蕩器的簾柵極電壓來實現。當調節定位電壓表CBl指在定位線上時，Ri兩端得到約l0mV的電壓(Vi)。當Vi調節在一定數值(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。

圖2 Q表測量電路圖

經推導(1) 介電常數：

(1)

式中：C1—標準狀態下的電容量；

C2—樣品測試的電容量；

d—試樣的厚度(cm)；

Φ—試樣的直徑(cm)；

(2) 介質損耗角正切：

(2)

式中：Q1—標準狀態下的Q值；

Q2—樣品測試的Q值；

(3) Q值：

(3)

【實驗內容】

1、本儀器適用于110V/220V，50Hz交流電，使用前要檢查電壓情況，以保證測試條件的穩定。

2、開機預熱15分鐘，使儀器恢復正常狀態后才能開始測試。

3、按部件標準制備好的測試樣品，兩面用導電銀漿涂覆，使樣品兩面都各自導電，但南面之間不能導通，備用。

4、選擇適當的輔助線圈插入電感接線柱。根據需要選擇振蕩器頻率，調節測試電路電容器使電路諧振。假定諧振時電容為C1，品質因素為Q1。

5、將被測樣品接在Cx接線柱上。

6、再調節測試電路電容器使電路諧振，這時電容為C2，可以直接讀出Q2。

7、用游標卡尺量出試樣的直徑Φ和厚度d(分別在不同位置測得兩個數據，再取其平均值)。

試驗數據：

電介質材料介電性能試驗儀技術參數及型號：

準確度：   Cx:    ±（讀數×0.5%+0.5pF）；

tgδ:  ±（讀數×0.5%+0.00005）；

電容量范圍：  內施高壓： 3pF～60000pF/10kV   60pF～1μF/0.5kV；

外施高壓： 3pF～1.5μF/10kV      60pF～30μF/0.5kV；

分辨率：           最高0.001pF，4位有效數字；

在測試絕緣材料時可以直接顯示相對介電常數ε；

tgδ范圍：    不限，分辨率0.000001，電容、電感、電阻三種試品自動識別；

試驗電流范圍：5μA～5A；

內施高壓： 設定電壓范圍：0.5～10kV ；

最大輸出電流：200mA；

升降壓方式：電壓隨意設置。比如5123V。

試驗頻率： 40-70Hz單頻隨意設置。比如48.7Hz.

50±0.1Hz到50±10Hz自動雙變頻隨意設置。

60±0.1Hz到60±10Hz自動雙變頻隨意設置。

頻率精度： ±0.01Hz

外施高壓： 接線時最大試驗電流5A，工頻或變頻40-70Hz

          外接線路時可以連接量程擴展器，電流可達幾千安培。

測量時間： 約40s，與測量方式有關

輸入電源： 180V～270VAC，50Hz±1%，市電或發電機供電

計算機接口：標準RS232接口，U盤插口(自動U盤存儲數據)。

打印機：微型熱敏打印機   環境溫度：-10℃～50℃   相對濕度： <90%

外形尺寸：430*330*350mm   儀器重量：28kg

型    號：ZJD-87

電介質材料介電性能試驗儀符合標準：

GB/T1409-2006測量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻下電容率和介質損耗因數的推薦方法；
GB/T1693-2007硫化橡膠介電常數和介質損耗角正切值的測定方法；
ASTM D150-11實心電絕緣材料的交流損耗特性和電容率（介電常數）的標準試驗方法；
GBT5594.4-2015電子元器件結構陶瓷材料性能測試方法；