介電常數測試儀詳細介紹

中華人民共和國

GB/T1409測量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻

下電容率和介質(zhì)損耗因數的推薦方法

本標準規定了在15Hz?300MHz的頻率范圍內測量電容率、介質(zhì)損耗因數的方法，并由此計算某些數值，如損耗指數。本標準中所敘述的某些方法，也能用于其他頻率下測量。

有時(shí)在超過(guò)1000V的電壓下試驗，則會(huì )引起一些與電容率和介質(zhì)損耗因數無(wú)關(guān)的效應，對此不予論述。

下列文件中的條款通過(guò)本標準的引用而成為本標準的條款。凡是注日期的引用文件，其隨后所有的修改單（不包括勘誤的內容）或修訂版均不適用于本標準，然而，鼓勵根據本標準達成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的新版本。凡是不注日期的引用文件，其新版本適用于本標準。

3、術(shù)語(yǔ)和定義

3.1

ε _r

 ……………………………（1）

ε_r——相對電容率;

C_o——真空中電容器的電極電容。

在一個(gè)測量系統中，絕緣材料的電容率是在該系統中絕緣材料的相對電容率ε_r與真空電氣常數ε_r的乘積。

 ……………………………（2）

3.2

δ

3.3

tanδ

3.4

ε''_r

3.5

ε_r

ε_r——復相對電容率；

ε'_r、ε_r——相對電容率；

注：有損耗的電容器在任何給定的頻率下能用電容C_s和電阻R_s的串聯(lián)電路表示，或用電容C_P和電阻R_P（或電導C_P）并聯(lián)電路表示。

C_s——串聯(lián)電容；

1）有些用“損耗角正切”來(lái)表示“介質(zhì)損耗因數”，因為損耗的測量結果是用損耗角的正切來(lái)報告的。

R_P——并聯(lián)電阻。

串聯(lián)元件與并聯(lián)元件之間，成立下列關(guān)系： 

式（9）、（10）、（11）中：C_s、R_s、C_P、R_P、tanδ同式（7）、（8）。

假如測量電路依據串聯(lián)元件來(lái)產(chǎn)生結果，且tanδ太大而在式（9）中不能被忽略，則在計算電容率前必須先計算并聯(lián)電容。

4、電氣絕緣材料的性能和用途

電介質(zhì)一般被用在兩個(gè)不同的方面：

用作電容器介質(zhì)。

下面分別討論頻率、溫度、濕度和電氣強度對介電性能的影響。

因為只有少數材料如石英玻璃、聚苯乙烯或聚乙烯在很寬的頻率范圍內它們的ε_r和tanδ幾乎是恒定的，且被用作工程電介質(zhì)材料，然而一般的電介質(zhì)材料必須在所使用的頻率下測量其介質(zhì)損耗因數和電容率。

4.2.2溫度

4.2.3濕度

注：濕度的顯著(zhù)影響常常發(fā)生在1MHz以下及微波頻率范圍內。

存在界面極化時(shí)，自由離子的數目隨電場(chǎng)強度增大而增加，其損耗指數值的大小和位置也隨此而變。

5、試樣和電極

5.1.1試樣的幾何形狀

在測定電容率需要較高精度時(shí)，的誤差來(lái)自試樣尺寸的誤差，尤其是試樣厚度的誤差，因此厚度應足夠大，以滿(mǎn)足測量所需要的度。厚度的選取決定于試樣的制備方法和各點(diǎn)間厚度的變化。對1%的度來(lái)講，1.5mm的厚度就足夠了，但是對于更高度，好是采用較厚的試樣，例如6mm?12mm。測量厚度必須使測量點(diǎn)有規則地分布在整個(gè)試樣表面上，且厚度均勻度在±1%內。如果材料的密度是已知的，則可用稱(chēng)量法測定厚度。選取試樣的面積時(shí)應能提供滿(mǎn)足精度要求的試樣電容。測量10pF的電容時(shí)，使用有良好屏蔽保護的儀器。由于現有儀器的極限分辨能力約1pF，因此試樣應薄些，直徑為10cm或更大些。

5.1.2電極系統

電極可選用5.1.3中任意一種。如果不用保護環(huán)，而且試樣上下的兩個(gè)電極難以對齊時(shí)，其中一個(gè)電極應比另一個(gè)電*大些。已經(jīng)加有電極的試樣應放置在兩個(gè)金屬電極之間，這兩個(gè)金屬電極要比試樣上的電極稍小些。對于平板形和圓柱形這兩種不同電極結構的電容計算公式以及邊緣電容近似計算的經(jīng)驗公式由表1給出。

5.1.2.2試樣上不加電極

平板電極或圓柱形電極結構的電容計算公式由表3給出。

5.1.2.2.1空氣填充測微計電極

5.1.2.2.2流體排出法

試樣為與試驗池電極直徑相同的圓片，或對測微計電極來(lái)說(shuō)，試樣可以比電極小到足以使邊緣效應忽略不計。在測微計電極中，為了忽略邊緣效應，試樣直徑約比測微計電極直徑小兩倍的試樣厚度。

為了避免邊緣效應引起電容率的測量誤差，電極系統可加上保護電極。保護電極的寬度應至少為兩倍的試樣厚度，保護電極和主電極之間的間隙應比試樣厚度小。假如不能用保護環(huán)，通常需對邊緣電容進(jìn)行修正，表1給出了近似計算公式。這些公式是經(jīng)驗公式，只適用于規定的幾種特定的試樣形狀。

5.1.3構成電極的材料

用極少量的硅脂或其他合適的低損耗粘合劑將金屬箔貼在試樣上。金屬箔可以是純錫或鉛，也可以是這些金屬的合金，其厚度為100μm，也可使用厚度小于10μm的鋁箔。但是，鋁箔在較高溫度下易形成一層電絕緣的氧化膜，這層氧化膜會(huì )影響測量結果，此時(shí)可使用金箔。

燒熔金屬電極適用于玻璃、云母和陶瓷等材料，銀是普遍使用的，但是在高溫或高濕下，好采用金。

鋅或銅電極可以噴鍍在試樣上，它們能直接在粗糙的表面上成膜。這種電極還能?chē)娫诓忌?，因為它們不穿透非常小的孔眼?/span>

假如處理結果既不改變也不破壞絕緣材料的性能，而且材料承受高真空時(shí)也不過(guò)度逸出氣體，則本方法是可以采用的。這一類(lèi)電極的邊緣應界限分明。

把試樣夾在兩塊互相配合好的凹模之間，凹模中充有液體金屬，該液體金屬必須是純凈的。汞電極不能用于高溫，即使在室溫下用時(shí)，也應采取措施，這是因為它的蒸氣是有毒的。

5.1.3.6導電漆

要使用刷漆法做到邊緣界限分明的電極較困難，但使用壓板或壓敏材料遮框噴漆可克服此局限。但在的頻率下，因銀漆電極的電導率會(huì )非常低，此時(shí)則不能使用。

一般不推薦使用石墨，但是有時(shí)候也可采用，特別是在較低的頻率下。石墨的電阻會(huì )引起損耗的顯著(zhù)增大，若采用石墨懸浮液制成電極，則石墨還會(huì )穿透試樣。

5.1.4.1板狀試樣

a）不加電極，測量時(shí)快而方便，并可避免由于試樣和電極間的不良接觸而引起的誤差。

……………………………（12）

△ε_r——相對電容率的偏差；

h——試樣厚度； 

若試樣上加電極，且試樣放在有固定距離S>h的兩個(gè)電極之間，這時(shí)

式中：

ε_r——試樣浸入所用流體的相對電容率，對于在空氣中的測量則ε_r等于1。

5.1.4.2管狀試樣

高電容率的管狀試樣，其內電極和外電極可以伸展到管狀試樣的全部長(cháng)度上，可以不用保護電極。

對于非常準確的測量，在厚度的測量能達到足夠的精度時(shí)，可采用試樣上不加電極的系統。對于相對電容率ε_r不超過(guò)10的管狀試樣，方便的電極是用金屬箔、汞或沉積金屬膜。相對電容率在10以上的管狀試樣，應采用沉積金屬膜電極；瓷管上可采用燒熔金屬電極。電極可像帶材一樣包覆在管狀試樣的全部圓周或部分圓周上。

5.2.1試驗池的設計

滿(mǎn)足上述要求的試驗池見(jiàn)圖2?圖4。電極是不銹鋼的，用硼硅酸鹽玻璃或石英玻璃作絕緣，圖2和圖3所示的試驗池也可用作電阻率的測定，1EC 60247:1978對此已詳細敘述。

5.2.2試驗池的準備

試驗池應全部拆開(kāi)，地清洗各部件，用瑢劑回流的方法或放在未使用溶劑中攪動(dòng)反復洗滌方法均可去除各部件上的溶劑并放在清潔的烘箱中，在110℃左右的溫度下烘干30min。

在上述各步驟中，各部件可用干凈的鉤針或鉗子巧妙地處理，以使試驗池有效的內表面不與手接觸。

注2:采用溶劑時(shí)，有些溶劑特別是苯、四氧化碳、甲苯、二甲苯是有毒的，所以要注意防火及毒性對人體的影響，此外，氧化物溶劑受光作用會(huì )分解。

當需要高精度測定液體電介質(zhì)的相對電容率時(shí)，應首先用一種已知相對電容率的校正液體（如苯）來(lái)測定“電極常數'。

 ……………………………（14）

C_c——電極常數；

C_n——充有校正液體時(shí)電極裝置的電容；

從C。和C_c的差值可求得校正電容C_g

并按照公式

式中：

C_o——空氣中電極裝置的電容；

C_x——電極裝置充有被試液體時(shí)的電容；

假如C_o、C_n和C_x值是在ε_n是已知的某一相同溫度下測定的，則可求得高精度的ε_x值。

6、測置方法的選擇

6.1零點(diǎn)指示法適用于頻率不超過(guò)50MHz時(shí)的測量。測量電容率和介質(zhì)損耗因數可用替代法；也就是在接入試樣和不接試樣兩種狀態(tài)下，調節回路的一個(gè)臂使電橋平衡。通?；芈凡捎梦髁蛛姌?、變壓器電橋（也就是互感耦合比例臂電橋）和并聯(lián)T型網(wǎng)絡(luò )。變壓器電橋的優(yōu)點(diǎn)：采用保護電極不需任何外加附件或過(guò)多操作，就可采用保護電極；它沒(méi)有其他網(wǎng)絡(luò )的缺點(diǎn)。

注：典型的電橋和電路示例見(jiàn)附錄。附錄中所舉的例子自然是不全面的，敘述電橋和測量方法報導見(jiàn)有關(guān)文獻和該種儀器的原理說(shuō)明書(shū)。

7.1試樣的制備

應地測量厚度，使偏差在±（0.2%土0.005mm）以?xún)?，測量點(diǎn)應均勻地分布在試樣表面。必要時(shí)，應測其有效面積。

條件處理應按相關(guān)規范規定進(jìn)行。

電氣測量按本標準或所使用的儀器（電橋）制造商推薦的標準及相應的方法進(jìn)行。

8、結果

試樣加有保護電極時(shí)其相對電容率ε_r可按公式（1）計算，沒(méi)有保護電極時(shí)試樣的被測電容C'_x包括了一個(gè)微小的邊緣電容C_e，其相對電容率為：

式中：

C'_x——沒(méi)有保護電極時(shí)試樣的電容；

C_o——法向極間電容；

必要時(shí)應對試樣的對地電容、開(kāi)關(guān)觸頭之間的電容及等值串聯(lián)和并聯(lián)電容之間的差值進(jìn)行校正。

8.2介質(zhì)損耗因數tanδ

8.3精度要求

在較低頻率下，電容的測量精度能達±（0.1%土0.02pF），介質(zhì)損耗因數的測量精度能達±（2%±0.00005）。在較高頻率下，其誤差增大，電容的測量精度為±（0.5%±0，1PF），介質(zhì)損耗因數的測量精度為±（2%±0.0002）。

對表面加有電極的試樣的電容，若采用測微計電極測量時(shí)，只要試樣直徑比測微計電極足夠小，則只需要進(jìn)行極間法向電容的修正。采用其他的一些方法來(lái)測量?jì)呻姌O試樣時(shí)，邊緣電容和對地電容的計算將帶來(lái)一些誤差，因為它們的誤差都可達到試樣電容的2%?40%。根據目前有關(guān)這些電容資料，計算邊緣電容的誤差為10%，計算對地電容的誤差為因此帶來(lái)總的誤差是百分之幾十到百分之幾。當電極不接地時(shí)，對地電容誤差可大大減小。

9、試驗報告

絕緣材料的型號名稱(chēng)及種類(lèi)、供貨形式、取樣方法、試樣的形狀及尺寸和取樣日期（并注明試樣厚度和試樣在與電極接觸的表面進(jìn)行處理的情況）；

電極裝置類(lèi)型，若有加在試樣上的電極應注明其類(lèi)型；

試驗時(shí)的溫度和相對濕度以及試樣的溫度；

施加的頻率；

介質(zhì)損耗因數tanδ（平均值）；

相對電容率和介質(zhì)損耗因數值以及由它們計算得到的值如損耗指數和損耗角，必要時(shí)，應給出與溫度和頻率的關(guān)系。

（1）

（單位：皮法和厘米）

邊緣電容的校正

（3）

a）電極直徑=試樣直徑

b）上下電極相等，但比試樣小

表1（續）

相對電容率

介質(zhì)損耗因數

符號意義

1.測微計電極（在空氣中）

若h_o 調到一個(gè)新值h'_o，而△C=0時(shí)

tanδ_x= tanδ_c +M·ε_r·△tanδ

C₁——裝有試樣時(shí)的電容

C_o——所考慮的區域上的真空電容，其值為ε_o•A/h₀

ε₁——在試驗溫度下的流體相對電容率（對空氣而言ε_r ＝1. 00)

△tanδ——試樣插入時(shí)，損耗因數的增加量

tanδ_x試樣的損耗因數的計算值

d₃——外電極的內直徑 h₀——平行平板間距

M——h₀ /h—1

注；在二流體法的公式中，腳注1和2分別表示種和第二種流體。

3. 圓柱形電極——流體排出法（用于tanδ小于0.1時(shí)）