陶瓷介電常數測試儀（阻抗分析儀）

實驗目的：了解多種測量介電常數的方法及其特點和適用范圍，掌握替代法，比較法和諧振法測固體電介質介電常數的原理和方法，用自己設計與制作的介電常數測試儀，測量壓電陶瓷的介電常數。

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Cx與同樣大小的介質為真空的電容器的電容量Co之比值，被稱為該電介質材料的相對介電常數。

式中：Cx    —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。

4、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。另外，電路中采用寬頻低阻分壓器的原因是：如果直接測量Vi必須增加大量電子組件才能測量出高頻低電壓信號，成本較高。若使用寬頻低阻分壓器后則可用普通電壓表達到同樣的目的。

圖1 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)

實驗結果分析：

1、從實驗結果來看，各種方法測量所得的結果比較接近，實驗基本成功；實驗中可能引起誤差的主要因素有如下述：儀器方面，標準電容的漏電現象是難以避免的；操作方面，連電路時難免牽動壓電陶瓷，造成有效面積的偏離；諧振法和諧振替代法測量時對是否處于諧振狀態的判讀有一定主觀性；

2、實驗過程中應該注意電學儀器（特別是萬用表）的正確使用。

3、比較各個測量電容的方法和誤差來源：

替代法：原理、實驗儀器與操作均比較簡單，但當原電路和替代電路阻抗差距比較大的時候，會產生比較大的誤差，同時不能保證電容箱的有效位數被充分使用；

比較法：相對于替代法，當測量小電容時，比較法可以比較充分地利用有效數位，在假定Rs=Rx的情況下，可修正替代法中的部分誤差，但當Rs=Rx不成立時，同樣會帶來較大誤差；諧振法：諧振法操作簡便，原理簡單，但是當待測電容較小時，由于電路本身電容分布的原因，系統誤差會比較大，同時對于信號源頻率的穩定性和人判斷是否諧振要求很高（因此這也會帶來比較大的誤差）；

電橋法：電橋法只需調整匝數比和Cs即可測得電容，但電橋法操作相對復雜，電橋電流不容易調至0造成誤差。電橋法適合測量有損耗的電容器或固有電感可忽略的電容；

諧振替代法：諧振替代法可廣泛應用于各種電容測量，測量精度基本取決于標準電容箱的精度，其主要制約因素（誤差來源）仍然是對于諧振的判斷。

陶瓷介電常數測試儀（阻抗分析儀）實驗步驟

1、按照Q表的操作規程調整儀器，選定測量頻率，測定C1和Q1的值。
2、將試樣放入測試電極中，并調節電容器C，使電路諧振，達到最大Q值記下調諧電容量C2和Q2的值。
3、將試樣從測試電極中取出，調節C或測試電極的距離，使電路重新諧振，記下C、或測試電極的校正電容值與Q值，北京智德創新檢測儀器并根據測試值計算出損耗角tanδ與介電常數ε。
4、其他高頻測試儀器按其說明書進行操作，北京智德創新檢測儀器通過測試值計算出損耗角tanδ和介電常數ε。