LJD介電常數及介質損耗測試系統使用方法

一 介電常數測試方法與步驟

1.        把S916測試夾具裝置上的插頭插入到主機測試回路的“電容”兩個端子上。

介電常數測試儀 介質損耗儀特點及應用

2.        在主機電感端子上插上和測試頻率相適應的高Q值電感線圈（本公司 主機配套使用的LKI-1電感組能滿足要求），如：1MHz 時電感取100uH，15MHz時電感取1.5uH。

3.        被測樣品要求為圓形，直徑50.4--52mm/38.4--40mm，這是減小因樣品邊緣泄漏和邊緣電場引起的誤差的有效辦法。樣品厚度可在1--5mm之間(當材料介電大于6的情況下建議材料≥2mm)，樣品太薄或太厚就會使測試精度下降，樣品要盡可能平整。

4.        調節S916測試夾具的測微桿，使S916測試夾具的平板電容極片相接為止，按ZERO 清零按鍵，初始值設置為0。

1. 再松開兩片極片，把被測樣品夾入平板電容上下極片之間，調節S916測試夾具的測微桿，直到平板電容極片夾住樣品止（注意調節時要用S916測試夾具的測微桿，以免夾得過緊或過松），這時能讀取的測試裝置液晶顯示屏上的數值，既是樣品的厚度D₂。改變主機上的主調電容容量（旋轉主調電容旋鈕改變主調電容電容量），使主機處于諧振點（Q值大值）上。
2. 取出S916測試夾具中的樣品，這時主機又失去諧振（Q值變?。藭r調節S916測試夾具的測微桿，使主機再回到諧振點（Q值大值）上，讀取測試裝置液晶顯示屏上的數值記為D_4.
3. 計算被測樣品的介電常數:

     Σ＝D₂ / D₄

二 介質損耗測試方法與步驟

1.    主機C₀值的計算方式:

1. 選一個適當的諧振電感接到“Lx”的兩端；
2. 將調諧電容器調到200P左右，令這個電容是C₄，
3. 按下儀器面板的頻率搜索鍵，使測試回路諧振，諧振時Q的讀數為Q₄(注：若頻率搜索未能找到zui高Q值諧振點，可以通過頻率旋鈕來微調頻率來達到Q值大值的諧振點；
4. 將測試夾具接在“Cx”兩端，放入材料，上下極片夾緊材料后記住夾具顯示值，然后拿出材料，調回到夾具的顯示數值，調節主調電容，使測試電路重新諧振，此時可變電容器值為C₃，Q值讀數為Q₃。(注：C₃數值肯定比C₄要小)

機構電容的有效電容為：C_z= C₄－C₃

分布電容為機構電容C_Z和電感分布電容C_L（參考電感的技術說明）的和

介質損耗系數/介質損耗正切值為

2. 把S916測試夾具裝置上的插頭插入到主機測試回路的“電容”兩個端子上。

3. 在主機電感端子上插上和測試頻率相適應的高Q值電感線圈（本公司 主機配套使用的LKI-1電感組能滿足要求），如：1MHz 時電感取100uH，15MHz時電感取1.5uH。

4. 被測樣品要求為圓形，直徑50.4--52mm/38.4--40mm，這是減小因樣品邊緣泄漏和邊緣電場引起的誤差的有效辦法。樣品厚度可在1--5mm之間，樣品太薄或太厚就會使測試精度下降，樣品要盡可能平直。

5. 調節S916測試夾具的測微桿，使S916測試夾具的平板電容極片相接為止，按ZERO 清零按鍵，初始值設置為0。再松開兩片極片，把被測樣品夾入兩片極片之間，調節S916測試夾具的測微桿，到的平板電容極片夾住樣品止（注意調節時要用S916測試夾具的，以免夾得過緊或過松），這時能讀取的測試裝置液晶顯示屏上的數值，既是樣品的厚度D₂，改變主機上的主調電容容量，使主機處于諧振點（Q值大值），然后按一次 主機上的小數點（tgδ）鍵，在顯示屏上原電感顯示位置上將顯示C₀= x x x(C₀=C_z+C_L電感分布電容)需要手動輸入，記住厚度D₂的值，此時顯示數值為C₂和Q₂。

6. 取出S916測試夾具中的樣品，（保持S916測試夾具的平板電容極片之間距不變）這時主機又失去諧振（Q值變?。?，再改變主機上的主調電容容量，使主機重新處于諧振點（Q值大值）上。

7. 注意：多次測試同一個材料時，要求保持每次材料厚度的讀數*。

8. 第二次按下 主機上的小數點（tgδ）鍵，顯示屏上原C₂和Q₂顯示變化為C₁和Q₁，同時顯示介質損耗系數tn =．x x x x x ，即完成測試。

9. 出錯提示，當出現tn =  NO 顯示時，說明測試時出現了差錯，發生了Q₁ ≤ Q₂和C₁ ≤ C₂的錯誤情況。

附錄 一

介電常數測試儀 介質損耗儀特點及應用顯示數據介紹：

附錄 二

LKI-1電感組

LKI-1型電感組共包括不同電感量的電感9個，凡儀器在進行測試線圈的分布電容量，電容器的電容量，高頻介質損耗，高頻電阻和傳輸線特性阻抗等高頻電路和元件的電性能時，必須用電感組作輔助工具。

本電感組有較高Q值，能使儀器測量時得到尖銳諧振點，因而增加其測量的準確度，各電感的有關數據如下表：

附錄 三

一  如何測試帶粘性超薄絕緣材料的介電常數

1 用錫箔紙覆膠在材料的兩面，上下層錫箔紙不能接觸。錫箔紙厚度為DX;

2 超薄材料需要疊加：疊加方式如下

                                   250μ貼合6層后測試；

200μ貼合8層后測試；

175μ貼合9層后測試；

125μ貼合12層后測試；

100μ貼合15層后測試；

75μ貼合20層后測試；

50μ貼合30層后測試。

3 計算公式

  Σ＝(D2-2*DX)/D4

4 介質損耗系數測試同理

產品名稱：介電常數測試儀介紹

產品型號：LJD-B、LJD-C、QS-37

符合標準：GB/T1409、GB/T5594

產品用途：固體、液體絕緣材料的介電常數及介質損耗測試

適用材料：橡膠塑料薄膜、陶瓷玻璃、絕緣材料、高分子材料等

測試范圍：10KHZ-70MHZ、100KHZ-160MHZ

主要配置：主機Q表、夾具、電感組成

測試項目：介電常數、介質損耗、介質損耗因數、介質損耗角正切值

使用人群：科研所、教學、質量*、*單位等

付款方式：全款發貨

產品品牌：中航鼎力

產品貨期：1-3個工作日

產品類別：電性能檢測儀器

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¹

本標準是以固定代號D150發布的。其后的數字表示原文本正式通過的年號；在有修訂的情況下，為上一次的修訂年號；圓括號中數字為上一次重新確認的年號。上標符號（ε）表示對上次修改或重新確定的版本有編輯上的修改。
　　　　本標準經批準用于*所有機構。
1.介電常數測試儀范圍
1.1 本試驗方法包含當所用標準為集成阻抗時，實心電絕緣材料樣本的相對電容率，耗散因子，損耗指數，功率因子，相位角和損耗角的測定。列出的頻率范圍從小于1Hz到幾百兆赫茲。

注1：在普遍的用法，“相對”一詞經常是指下降值。

1.2 這些試驗方法提供了各種電極，裝置和測量技術的通用信息。讀者如對某一特定材料相關的議題感興趣的話，必須查閱ASTM標準或直接適用于被測試材料的其它文件。^2,3

1.3　　本標準并沒有*列舉所有的安全聲明，如果有必要，根據實際使用情況進行斟酌。使用本規范前，使用者有責任制定符合安全和健康要求的條例和規范，并明確該規范的使用范圍。特殊危險說明見7.2.6.1和10.2.1。

¹　本規范歸屬于電學和電子絕緣材料ASTM D09委員會管轄，并由電學試驗D09.12附屬委員分會直接管理。

當前版本核準于2011年8月1日。2011年8月發行。原版本在1922年批準。前一較新版本于2004年批準，即為　D150-98R04。DOI：10.1520/D0150-11。

²　R. Bartnikas, 第2章, “交流電損耗和電容率測量,” 工程電介質, Vol. IIB, 實心絕緣材料的電學性能, 測量技術, R. Bartnikas, Editor, STP 926,ASTM, Philadelphia, 1987.

³　R. Bartnikas, 第1章, “固體電介質損耗,” 工程電介質,Vol IIA, 實心絕緣材料的電學性能: 分子結構和電學行為, R. Bartnikas and R. M. Eichorn, Editors, STP 783, ASTM, Philadelphia, 1983.

2.介電常數測試儀引用文件
2.1 ASTM標準：⁴

D374 　　　　固體電絕緣材料厚度的標準試驗方法

D618 　　　　試驗用塑料調節規程

D1082 　　　云母耗散因子和電容率（介電常數）試驗方法

D1531 　　　用液體位移法測定相對電容率（介電常數）與耗散因子的試驗方法

D1711 　　　電絕緣相關術語

D5032 　　　用飽和甘油溶液方式維持恒定相對濕度的規程

E104 　　　　用水溶液保持相對恒定濕度的標準實施規程

E197 　　　　室溫之上和之下試驗用罩殼和服役元件規程（1981年取消）⁵

3.介電常數測試儀術語

3.1 定義：

3.1.1 這些試驗方法所用術語定義以及電絕緣材料相關術語定義見術語標準D1711。

3.2 本標準術語定義：

3.2.1 電容，C，名詞——當導體之間存在電勢差時，導體和電介質系統允許儲存電分離電荷的性能。

3.2.1.1 討論——電容是指電流電量 q與電位差V之間的比值。電容值總是正值。當電量采用庫倫為單位，電位采用伏特為單位時，電容單位為法拉，即：

C=q/V 　　　　　　　　　?。?）

3.2.2 耗散因子（D），（損耗角正切），（tanδ），名詞——是指損耗指數（K''）與相對電容率（K'）之間的比值，它還等于其損耗角（δ）的正切值或者其相位角（θ）的余切值（見圖1和圖2）。

D=K''/K' 　　　　(2)

⁴　相關ASTM標準，可瀏覽ASTM，.astm.org或與ASTM客服service@astm.org。ASTM標準手冊卷次信息，可參見ASTM標準文件匯總。

⁵　該歷史標準的較后批準版本參考.astm.org。

3.2.2.1 討論——a：

D=tanδ=cotθ=X_p/R_p=G/ωC_p=1/ωC_pR_p　　　　　　　　(3)

式中：

G=等效交流電導，

X_p=并聯電抗，

R_p=等效交流并聯電阻，

C_p=并聯電容，

ω=2πf（假設為正弦波形狀）

耗散因子的倒數為品質因子Q，有時成為儲能因子。對于串聯和并聯模型，電容器耗散因子D都是相同的，按如下表示為：

D=ωR_sC_s=1/ωR_pC_p　　　　　　　　(4)

串聯和并聯部分之間的關系滿足以下要求：

C_p=C_s/(1 D²) 　　　　　　　　　　　　(5)

R_p/R_s=(1 D²)/D²=1 (1/D²)=1 Q²　　　　　　　　　　　　　(6)

圖1 并聯電路的矢量圖

圖2 串聯電路的矢量圖

3.2.2.2 討論——b:串聯模型——對于某種具有電介質損耗（圖3）的絕緣材料，其并聯模型通常是適當的模型，其總是能和偶爾要求模擬在單頻率下電容C_s與電阻R_s串聯（圖4和圖2）的某個電容器。

圖3 并聯電路

圖4 串聯電路

3.2.3 損耗角（缺相角），（δ），名詞——該角度的正切值為耗散因子或反正切值K''/K'或者其余切值為相位角。

3.2.3.1 討論——相位角和損耗角的關系見圖1和圖2所示。損耗角有時成為缺相角。

3.2.4 損耗指數，K''（ε''），名詞——相對復數電容率虛數部分的大??；其等于相對電容率和耗散因子的乘積。

3.2.4.1 討論——a——它可以表示為：

K''=K' D=功率損耗/（E²×f×體積×常數） 　　　(7)

　　　　　當功率損耗采用瓦特為單位，施加電壓采用伏特/厘米為單位，頻率采用赫茲為單位，體積（是指施加了電壓的體積）采用立方厘米為單位，此時的常數值為5.556×10^-13。

3.2.4.2 討論——b——損耗指數是上協定使用的術語。在美國，K''以前成為損耗因子。

3.2.5 相位角，θ，名詞——該角度的余切值為耗散因子，反余切值K''/K'，同時也是施加到某一電介質的正弦交流電壓與其形成的具有相同頻率的電流分量之間的相位角度差值。

3.2.5.1 討論——相位角和損耗角之間的關系見圖1和圖2所示。損耗角有時也

稱為缺相角。

3.2.6 功率因子，PF，名詞——某一材料消耗的功率W（單位為瓦特）與有效正弦電壓V和電流I之間乘積（單位為伏特-安）的比值。

3.2.6.1 討論——功率因子可以采用相位角θ的余弦值（或損耗角的正弦值δ）來表示：

　　　　　　（8）

　　　　當耗散因子小于0.1時，功率因子與耗散因子之間的差值小于0.5%。可從下式找到它們的準確關系：

　　　　　　（9）

3.2.7 相對電容率（相對介電常數）（SIC）K'（ε_r），名詞——相對復數電容率的實數部分。它也是采用某一材料作為電介質的某一給定形狀電極等效并聯電容C_p與采用真空（或空氣，適用于多數實際用途）作為電介質的相同形狀電極電容C_v之間的比值。

K'=Cp/C_v　　　　　　　　　　?。?0）

3.2.7.1討論——a——在普遍的用法，“相對”一詞經常是指下降值。

3.2.7.2 討論——b——從經驗來看，真空在各處必須采用材料來替代，因為其能顯著改變電容。電介質等效電路假設包含一個電容C_p，該電容與電導并聯。

3.2.7.3 討論——c——C_x視為圖3所示的等效并聯電容C_p。

3.2.7.4 討論——d——當耗散因子為0.1時，串聯電容大于并聯電容，但是兩者差值小于1%，而當耗散因子為0.03時，兩者差值小于0.1%。如果測量電路獲得串聯部分的結果，在計算修正值和電容率之前，并聯電容必須由公式5計算得出。

3.2.7.5 討論——e——干燥空氣在23℃和101.3kPa標準壓力下的電容率為1.000536（1）。⁶其從整體的背離值K'-1與溫度成反比，同時直接與大氣壓力成正比。當空間在23℃下達到水蒸氣飽和時，電容率增加至為0.00025（2,3），同時隨著溫度（單位為℃）從10到27℃近似發生線性變化。對于局部飽和，增加值與相對濕度成正比。

4.介電常數測試儀試驗方法摘要

4.1 電容和交流電阻測量在一個樣本上進行。相對電容率等于樣本電容除以（具有相同電極形狀）真空電容計算值，同時很大程度上取決于誤差源分辨率。耗散因子通常與樣本幾何形狀無關，同時也可以依據測量值計算得出。

4.2 本方法提供了（1）電極，裝置和測量方法選擇指南；和（2）如何避免或修正電容誤差的指導。

4.2.1 一般的測量考慮：

邊緣現象和雜散電容 　　　受保護電極

樣本幾何形狀 　　　　　　　　　真空電容計算

邊緣，接地和間隙修正

4.2.2 電極系統—接觸式電極

電極材料 　　　　　　　　　　　　　金屬箔片

導電涂料 　　　　　　　　　　　　　燒銀

噴鍍金屬 　　　　　　　　　　　　　蒸發金屬

液態金屬 　　　　　　　　　　　　　剛性金屬

水

4.2.3 電極系統—非接觸式電極

固定電極 　　　　　　　　　　　　　測微計電極

液體置換法

⁶ 括號里的粗體字參閱這些試驗方法附屬的參考文獻清單。

4.2.4 電容和交流損耗測量裝置和方法選擇

頻率 　　　　　　　　　　　　　　　　　直接和替代方法

兩終端測量 　　　　　　　　　　　三終端測量

液體置換法 　　　　　　　　　　　精度考慮

5.介電常數測試儀意義和用途

5.1 電容率——絕緣材料通常以兩種不同方式來使用，即（1）用于固定電學網絡部件，同時讓其彼此以及與地面絕緣；（2）用于起到某一電容器的電介質作用。在靠前種應用中，通常要求固定的電容盡可能小，同時具有可接受且*的機械，化學和耐熱性能。因此要求電容率具有一個低值。在第二種應用中，要求電容率具有一個高值，以使得電容器能夠在外型上能盡可能小。有時使用電容率的中間值來評估在導體邊緣或末端的應力，以將交流電暈降至較小。影響電容率的因子討論見附錄X3。

5.2 交流損耗——對于這兩種場合（作為電學絕緣材料和作為電容器電介質），交流損耗通常必須是比較小的，以減小材料的加熱，同時將其對網絡剩余部分的影響降至較小。在高頻率應用場合，特別要求損耗指數具有一個低值，因為對于某一給定的損耗指數，電介質損耗直接隨著頻率而增大。在某些電介質結構中，例如試驗用終止襯套和電纜所用的電介質，通常電導增加可獲得損耗增大，這有時引入其來控制電壓梯度。在比較具有近似相同電容率的材料時或者在材料電容率基本保持恒定的條件下使用任何材料時，這可能有助于考慮耗散因子，功率因子，相位角或損耗角。影響交流損耗的因子討論見附錄X3。

5.4 相關性——當獲得適當的相關性數據時，耗散因子或功率因子有助于顯示某一材料在其它方面的特征，例如電介質擊穿，濕分含量，固化程度和任何原因導致的破壞。然而，由于熱老化導致的破壞將不會影響耗散因子，除非材料隨后暴露在濕分中。當耗散因子的初始值非常重要的，耗散因子隨著老化發生的變化通常是及其顯著的。

6.介電常數測試儀一般測量考慮

6.1 邊緣現象和雜散電容——這些試驗方法是以電極之間的樣本電容測量，以及相同電極系統的真空電容（或空氣電容，適用于多數實際用途）測量或計算為基礎。對于無保護的兩電極測量，要求采用兩個測定值來計算電容率，而當存在不期望的邊緣現象和雜散電容時（它們將包含在測量讀數中），變得相當復雜。對于測量用所放置樣本之間的兩個無保護平行板電極場合，邊緣現象和雜散電容見圖5和圖6所述。除了要求的直接電極之間電容C_v之外，在終端a-a'看到的系統包括以下內容：

圖5 　雜散電容，無保護電極

圖6 　無保護電極之間的通量線　

C_e=邊緣現象或邊緣電容，

C_g=每個電極外表面的接地電容，

C_L=連接導線之間的電容，

C_Lg=接地導線的電容，

C_Lc=導線和電極之間的電容。

只有要求的電容C_v是與外部環境無關，所有其它電容都在一定程度上取決于其它目標的接近度。有必要在兩個可能的測量條件之間進行區分，以確定不期望電容的影響。當一個測量電極接地時，情況經常是這樣的，所述的所有電容與要求的C_v并聯，除了接地電極的接地電容及其導線之外。如果C_v放入一個試驗箱之內，同時試驗箱墻壁具有保護定位，連接到試驗箱的導線也受到保護，則接地電容可以不再出現，此時在a-a'處的電容看起來只包括C_v和C_e。對于某一給定電極布置，當電介質為空氣時，可以計算得出邊緣電容C_e，同時該計算值具有適當的精度。當某一樣本放置在電極之間時，邊緣電容值可能發生變化，此時要求使用一個邊緣電容修正值，該修正值可見表1給出的信息。在許多條件下，已經獲得了經驗性修正值，這些修正值見表1所示（表1適用于薄電極場合，例如箔片）。在日常工作中，當較佳精度不作要求時，很方便使用無屏蔽的兩電極系統，同時進行適當的修正。因為面積（同時因此C_v）以直徑平方級增大時，然而周長（同時因此C_e）隨著直徑線性增大時，由于忽略邊緣修正導致的電容率百分比誤差隨著樣本直徑增大而減小。然而，為進行準確得測量，有必要使用受保護的電極。

6.2 受保護電極——在受保護電極邊緣的邊緣現象和雜散電容實際上可通過增加一個按圖7和圖8所示的保護電極來消除。如果試驗樣本和保護電極越過受保護電極的延伸距離至少為2倍的樣本厚度，同時保護間隙非常小，受保護區域的電場分布將與當真空為電介質時存在的分布相同，同時這兩個靜電容的比值為電容率。而且，激活電極之間的電場可以進行定義，真空電容也可以計算得出，其精度只受到尺寸已知的精度的限制。由于這個原因，受保護電極（三終端）方法將用于作為仲裁方法，除非另有協定。圖8顯示了一種完整受保護和屏蔽電極系統的圖解。盡管保護通常被接地，所示布置允許接地或測量電極，或者沒有電極能容納被使用的特殊三終端測量系統。如果保護接地，或者連接到測量電路中的一個保護終端上，測量的電容為兩個測量電極之間的靜電容，無保護電極和導線的接地電容與要求的靜電容進行并聯連接。為消除該誤差源，采用一個屏障連接到保護上來包圍無保護電極，如圖8所示。除了那些總是不方便或不實際的，且限制頻率小于幾兆赫茲的保護方法之外，已經設計出使用特殊電池和程序的技術，采用兩終端測量，精度相當于受保護測量所獲得的精度。此處所述方法包括屏蔽測微計電極（7.3.2）和液體置換方法（7.3.3）。

6.3 樣本幾何形狀——為測定某一材料的電容率和耗散因子，優選薄板樣本。圓柱形樣本也可以使用，但是通常具有較低的精度。電容率較大不確定度來源是樣本尺寸測定，特別是樣本厚度測定。因此，厚度應足夠大以允許其測量值具有要求的精度。選擇的厚度將取決于樣本生產的方法和可能的點到點變化。對于1%精度，厚度為1.5mm(0.06in)通常是足夠的，盡管對于較大的精度，要求使用一個較厚的樣本。當使用箔片或剛性電極時，另一誤差源是電極和樣本之間的不可以避免的間隙。對于薄樣本，電容率誤差可大至25%。類似誤差在耗散因子中也會產生，盡管當箔片電極涂覆了一種油脂時，兩種誤差不可能具有相同的大小。為在薄樣本上獲得較準確的測量值，使用液體置換方法（6.3.3）。該方法降低了或*消除了樣本的電極需求。厚度必須進行測定，測量時，在電學測量所用的樣本區域上進行系統性地分布測量，厚度測量值均勻性應在±1%的平均厚度之內。如果樣本整個區域將被電極覆蓋，同時如果已知材料密度，可通過稱量法來測定平均厚度。樣本直徑選擇應使得能提供一個具有要求精度的樣本電容測量值。采用受到良好保護和遮蔽的裝置，將沒有困難測量電容為10pF，分辨率為1/1000的樣本。如果將要測試一個低電容率的厚樣本，則可能將需要直徑大于等于100mm，以獲得要求的電容精度。在測量較小值的耗散因子時，關鍵點是電極的串聯電阻應不會有助于產生相當大的擴散因子，同時測量網絡沒有大電容的電阻應與樣本進行并聯連接。這些觀點的靠前點是偏好厚樣本；第二點建議大區域的薄樣本。測微計電極方法（6.3.2）可用于消除串聯電阻的影響。使用一個受保護樣本固定架（圖8）來將外部電容降至較低。

6.4 真空電容計算——可以較準確計算電容所用的實際形狀為平坦平行板和同軸圓筒，電容計算用公式見表1所示。這些公式以測量電極之間的均勻電場，同時在邊緣沒有邊緣現象為基礎。以此為基礎計算的電容也就是熟知的電極之間靜電容。

表1 　真空電容和邊緣修正值的計算（見8.5）

注1：所用符號標識見表2。

電極類型	真空內電極之間靜電容，pF	在某一邊緣的雜散電場修正值，pF
帶防護環的圓盤形電極： 　 不帶防護環的圓盤形電極： 電極直徑=樣本直徑：		其中
小于樣本的等效電極：		其中：=樣本允許發生鈍態的近似值，同時a<<t。< span="">
不等效電極：		其中：=樣本允許發生鈍態的近似值，同時a<<t。< span="">
帶保護環的圓柱形電極：
不帶保護環的圓柱形電極：		其中：=樣本允許發生鈍態的近似值。