高頻絕緣材料的介電常數(shù)(相對(duì)電容率)和
介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)的測(cè)量
一、介電常數(shù)(相對(duì)電容率)εr
1.εr的定義
電容器的電極之間及電極周?chē)目臻g全部充以絕緣材料時(shí),其形成的電容量CX與同一個(gè)結(jié)構(gòu)形成的在真空中的電容量CO比。
εr = CX / CO ( 1 )
由于在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,不含二氧化碳的干炒空氣的相對(duì)電容率εr 等于
1.00053,近似與1。因此,在一般測(cè)量中,都以該結(jié)構(gòu)在空氣中形成的電容量CO來(lái)替代真空中的電容量CO。
2.平板電容的εr
因?yàn)樵诮^緣材料的測(cè)量中,一般都采用平板電容的結(jié)構(gòu)。平板電容在空氣中的電容量為 CO =εO S / D 4 ;當(dāng)平板電容二極片之間夾入絕緣材料時(shí),平板電容二極片之間的電容量為 CX =εr S / D 2 ,如 果 令 CO?。?nbsp;CX 。則可獲得下面公式2的絕緣材料介電常數(shù)計(jì)算式(εO ≈ 1)。
3.εr的測(cè)量
利用ZJD-B型或ZJD-C型高頻Q表和S916型介電常數(shù)/介電常數(shù)數(shù)顯測(cè)量裝置能很方便地實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)εr 的測(cè)量。具體步驟如下:
(1)選擇一臺(tái)測(cè)試頻率能滿(mǎn)足測(cè)試要求的Q表,按Q表的操作說(shuō)明,接通Q表電源后。根據(jù)測(cè)試的要求,設(shè)定一個(gè)測(cè)試頻率。將Q表的主調(diào)電容,調(diào)至中間值。然后選配一個(gè)與測(cè)試頻率相適應(yīng)的高Q值電感線(xiàn)圈,插入Q表頂部標(biāo)有電感符號(hào)的接線(xiàn)柱上。(該電感的值應(yīng)能保證主調(diào)電容在中間值與大值之間調(diào)節(jié)時(shí),能找到一個(gè)諧振點(diǎn))
(2)將S916型測(cè)量裝置上的二夾具插頭插入Q表頂部標(biāo)有電容符號(hào)的接線(xiàn)柱上。按S916的操作說(shuō)明,開(kāi)啟電源;調(diào)節(jié)測(cè)量裝置的測(cè)微桿,使平板電容器二極片相接為止,然后將S916此時(shí)顯示的值校準(zhǔn)為“0”。
(3)將被測(cè)的絕緣材料夾入到平板電容器二極片之間。絕緣材料表面應(yīng)平整、光滑。尺寸、形狀應(yīng)與電容器極片相一致。調(diào)節(jié)測(cè)量裝置的測(cè)微桿,使平板電容器二極片夾住樣品止。
(4)調(diào)節(jié)Q表的主調(diào)電容,使 Q表上顯示的Q值達(dá)到大值。讀取S916測(cè)試裝置液晶顯示屏上此時(shí)顯示的絕緣材料厚度值,計(jì)為D 2。
(5)取出二極片之間被測(cè)的絕緣材料,這時(shí)Q表又失諧,此時(shí)順時(shí)針調(diào)節(jié)測(cè)量裝置的測(cè)微桿(保持Q表的主調(diào)電容值不變),重新使 Q表上顯示的Q值達(dá)到大值,讀取測(cè)試裝置液晶顯示屏上的數(shù)值記為D 4。
(6)計(jì)算出被測(cè)的絕緣材料的介電常數(shù)εr
εr = D 2 / D 4 ( 2 )
二、介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)
1.介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)的定義
一個(gè)有損耗的電容器都可以用一個(gè)純電容CS和一個(gè)電阻RCS的串聯(lián)來(lái)表示(也可以用一個(gè)純電容CP和一個(gè)電阻RP的并聯(lián)來(lái)表示,它們表達(dá)的結(jié)果是一致的)。
這樣一個(gè)有損耗的電容器的介質(zhì)損耗因數(shù)定義為在電阻上損耗的功率與電容CS上的無(wú)功功率之比。如果流過(guò)的電流為IS,則該電容器的介質(zhì)損耗因數(shù)的正玄值為:
(3)
從上面的公式中可看出介質(zhì)損耗因數(shù)與頻率、電容值和損耗電阻值都是有關(guān)聯(lián)的
2.介質(zhì)損耗因數(shù)與元件品質(zhì)因數(shù)Q值之間的關(guān)系
同樣,一個(gè)有損耗的電容器的品質(zhì)因數(shù)定義為在電容CS上的無(wú)功功率與在電阻上損耗的功率之比
(4)
從上面的公式中可見(jiàn),介質(zhì)損耗因數(shù)與元件品質(zhì)因數(shù)Q值之間互為倒數(shù)的關(guān)系。因此,利用Q表來(lái)測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)是很可行的方法。
Q表是采用諧振法來(lái)測(cè)量元件品質(zhì)因數(shù)Q值的,因此Q表都自帶有一個(gè)可變的電容器(都采用高Q值的以空氣為介質(zhì)的電容器);一個(gè)信號(hào)穩(wěn)定的信號(hào)源。在外配一個(gè)合適的電感器后,Q表都能在信號(hào)源頻率所能覆蓋的范圍內(nèi),找到一個(gè)頻率諧振點(diǎn)ωo 。在沒(méi)有其它外加損耗器件時(shí),Q表諧振回路的Q值為:
因?yàn)榭諝饨橘|(zhì)電容器的QC >> QL(電感Q值),所以有
Q1 ≈ QL (5)
當(dāng)在空氣介質(zhì)電容器兩端并聯(lián)一個(gè)帶損耗的電容器時(shí),此時(shí)上面的公式不能再成立,如果這時(shí)Q表諧振時(shí)的Q值為Q2,則有
此時(shí)的電容器的介質(zhì)損耗因數(shù)為:
(6)
空氣介質(zhì)電容器兩端并聯(lián)一個(gè)帶損耗的電容器的等效電路圖如下。
R2、ΔC分別為帶損耗電容器的等效損耗電阻和電容值。C1-ΔC為空氣介質(zhì)電容器的電容值。
根據(jù)阻抗相等的原則有
1/(R2+1/ωΔC)+ω(C1-ΔC)=1/(R1+1/ωC1)
對(duì)上式整理后有
因?yàn)榭諝饨橘|(zhì)電容器的損耗可忽略,因此可認(rèn)為電容的損耗就是并聯(lián)的帶損耗電容器的損耗;既ωR2ΔC=ωR1C1。整理上式后可得:
R2 =R1C12/ΔC2
由此可得到并聯(lián)的帶損耗的電容器的介質(zhì)損耗因數(shù)為:
tanδ=ωΔCR2 =ωΔCR1C12/ΔC2=ωR1C1C1/ΔC
將上與式(6)相比較,則有:
3. 介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)的測(cè)量
利用ZJD-B型或ZJD-C型高頻Q表和S916型介電常數(shù)/介電常數(shù)數(shù)顯測(cè)量裝置能很方便地實(shí)現(xiàn)介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ 的測(cè)量。因?yàn)樵谶@兩款高頻Q表中,專(zhuān)門(mén)增加了介質(zhì)損耗因數(shù)的測(cè)量程序,設(shè)置了測(cè)試按鍵,在顯示屏上可直接讀得介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ值。從而省去了以往復(fù)雜的計(jì)算工作。具體步驟如下:
(1)選擇一臺(tái)測(cè)試頻率能滿(mǎn)足測(cè)試要求的Q表,按Q表的操作說(shuō)明,接Q表電源后。根據(jù)測(cè)試的要求,設(shè)定一個(gè)測(cè)試頻率。將Q表的主調(diào)電容,調(diào)至較大值,為后面接入測(cè)量裝置和被測(cè)材料時(shí)增加的電容,預(yù)留出空間。然后選配一個(gè)與測(cè)試頻率相適應(yīng)的高Q值電感線(xiàn)圈,插入Q表頂部標(biāo)有電感符號(hào)的接線(xiàn)柱上。(該電感的值應(yīng)能保證主調(diào)電容在不帶有被測(cè)材料時(shí),在中間值與大值之間調(diào)節(jié)時(shí)能找到一個(gè)諧振點(diǎn))。本公司為 Q表配套使用的LKI-1電感組能滿(mǎn)足要求,如:1MHz 時(shí)電感取250uH,15MHz時(shí)電感取1.5uH。
(2)將S916型測(cè)量裝置上的二夾具插頭插入Q表頂部標(biāo)有電容符號(hào)的接線(xiàn)柱上。按S916的操作說(shuō)明,開(kāi)啟電源。
(3)測(cè)出損耗測(cè)試裝置在測(cè)試狀態(tài)下的機(jī)構(gòu)電容CZ,步驟如下:
a. 將被測(cè)的絕緣材料樣品夾入到平板電容器二極片之間。絕緣材料表面應(yīng)平整、光滑。尺寸、形狀應(yīng)與電容器極片相一致。調(diào)節(jié)測(cè)量裝置的測(cè)微桿,使平板電容器二極片夾住樣品止。(注意調(diào)節(jié)時(shí)要用測(cè)微桿,以免夾得過(guò)緊或過(guò)松)。 然后取出平板電容器中的樣品,但要保持平板電容器間的間距不變。
b. 改變Q表上的主調(diào)電容容量,使Q表處于諧振點(diǎn)上(既使 Q表上顯示的Q值達(dá)到大值);電容讀數(shù)記為C1。
c. 然后取下測(cè)試裝置,再改變Q表上的主調(diào)電容容量,重新使之諧振,電容讀數(shù)記為C3,此時(shí)可計(jì)算得到測(cè)試裝置的電容為CZ = C3 -C1。
(4)介質(zhì)損耗因數(shù)的測(cè)試
a. 重新把測(cè)試裝置上的夾具插頭插入到Q 表測(cè)試回路的“電容”兩個(gè)端上。
把被測(cè)樣品插入二極片之間,改變Q表上的主調(diào)電容容量,使Q表處于諧振點(diǎn)上。然后按一次 Q表上的小數(shù)點(diǎn)(tgδ)鍵,在顯示屏上原電感顯示位置上將 顯示C0= x x x,此時(shí)可輸入分布電容值。分布電容值為機(jī)構(gòu)電容CZ和電感分布電容C0(參考電感的技術(shù)說(shuō)明)的和。分布電容值輸入的有效位為3位,0.1pF至99.9 pF,輸入時(shí)不需輸入小數(shù)點(diǎn),只需輸入3位有效數(shù)。例0.1pF,只需輸入
001;99.9pF,只需輸入999。同時(shí),顯示屏上原C和Q顯示變化為C2和Q2。它表示的是現(xiàn)在的主調(diào)電容容量和回路Q(chēng)值。
b.取出平板電容器中的樣品,(保持平板電容器間的間距不變)這時(shí)Q表又失諧,再改變Q表上的主調(diào)電容容量,使Q表重新處于諧振點(diǎn)上。
c. 第二次按下 Q表上的小數(shù)點(diǎn)(tgδ)鍵,顯示屏上原C2和Q2顯示變化為C1和Q1,同時(shí)顯示出所測(cè)試的絕緣材料樣品的介質(zhì)損耗因數(shù)tn =.x x x x x ,完成測(cè)試后。第三次按下 Q表上的小數(shù)點(diǎn)(tgδ)鍵,既退出介質(zhì)損耗系數(shù)的測(cè)試。
(5)測(cè)試中應(yīng)注意的幾個(gè)事項(xiàng)
a. 介質(zhì)損耗因數(shù)的測(cè)試中,因存在測(cè)試裝置對(duì)材料樣品夾的松緊問(wèn)題,以及材料樣品的厚度均勻問(wèn)題和儀表的誤差,所以每次的測(cè)量結(jié)果存在不一致。因此,需多次測(cè)量,取其平均值。
B.在測(cè)量損耗因數(shù)極小的材料時(shí),應(yīng)仔細(xì)調(diào)諧Q值的諧振點(diǎn),Q值應(yīng)到小數(shù)。
(6).出錯(cuò)提示,當(dāng)出現(xiàn)tn = NO 顯示時(shí),說(shuō)明測(cè)試時(shí)出現(xiàn)了差錯(cuò),發(fā)生了Q1 ≤ Q2和C1 ≤ C2的錯(cuò)誤情況。
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