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穩(wěn)科Wayne Kerr介電常數(shù)測試方案

1背景介紹

電介質(zhì)材料在外加電場時(shí)會產(chǎn)生電荷在表面削弱電場，原外加電場（真空中）與最終介質(zhì)中電場的比值及為介電常數(shù)。常用的電介質(zhì)材料是絕緣體如：陶瓷、云母、玻璃、塑料、有機(jī)材料等，但有些液體也可以作為較好的電介質(zhì)材料。

液體介質(zhì)的介電常數(shù)對微波化學(xué)、地球物理、遙感環(huán)境檢測及食品安全等都有重要的意義。通過檢測汽油介電常數(shù)計(jì)算汽油的辛烷值可以確定汽油的質(zhì)量，在對油田地下層探測中，可利用介電常數(shù)來區(qū)分含烴層和含水層，此外實(shí)驗(yàn)證明介電常數(shù)的變化與行車?yán)锍?、潤滑油酸值和鐵含量有良好的關(guān)系，可以利用介電常數(shù)來評價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油性能，在食品安全方面，可以用食用油介電常數(shù)的變化來判定高溫加熱或長時(shí)間存放中的質(zhì)量的變化。

2電常數(shù)的定義

介電常數(shù)描述的是材料與電場之間的相互作用。圖 1 顯示了介電常數(shù)的主要計(jì)算公式。介電常數(shù) (K) 等于復(fù)數(shù)相對介電常數(shù) (〖εr〗^* )，或復(fù)數(shù)介電常數(shù)(ε^* ) 與真空介電常數(shù) (ε0) 的比值。復(fù)數(shù)相對介電常數(shù)的實(shí)部 (〖εr〗^’ ) 表示外部電場有多少電能儲存到材料中; 對于絕大多數(shù)固體和液體來說，〖εr〗^’> 1。復(fù)數(shù)相對介電常數(shù)的虛部(〖εr〗^(’’) )稱為損耗系數(shù)，表示材料中儲存的電能有多少消耗或損失到外電場中。(〖εr〗^(’’) ) 始終 > 0。損耗系數(shù)同時(shí)包括介電材料損耗和電導(dǎo)率的效應(yīng)。

如果用簡單的矢量圖 (圖 1) 表示復(fù)數(shù)介電常數(shù)，那么實(shí)部和虛部的相位將會相差90°。其矢量和與實(shí)軸 (〖εr〗^’) 形成夾角 δ。通常使用這個(gè)角度的正切值 tanδ 或損耗角正切來表示材料的相對“損耗"。術(shù)語“損耗"在技術(shù)文獻(xiàn)中又稱為“介電損耗"。

圖 1相對復(fù)數(shù)常數(shù)定義

K^*=ε_r^*=ε^*/ε_0 =ε_r^'-jε_r^''=(ε^'/ε_0 )-j(ε^''/ε_0 ) 

tanδ=(ε_r^'')/(ε_r^' )=D

D：損耗系數(shù)

K^*：介電常數(shù)

ε_0：自由空間介電常數(shù)

3 用平行板法測量介電常數(shù)

當(dāng)使用阻抗分析儀測量介電常數(shù)時(shí)，通常采用平行板法。平行板法在ASTM D150標(biāo)準(zhǔn)中又稱為3端子法，其原理是通過在兩個(gè)電極之間插入一個(gè)材料或液體薄片組成一個(gè)電容器，(注: 在本文以下部分中，被測材料無論是固體還是液體均用 MUT 表示。) 然后測量其電容，根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算介電常數(shù)。

圖2接地電極，可以消除邊緣電容所導(dǎo)致的測量誤差。保護(hù)電極會吸收邊緣的電場，所以在電極之間測得的電容只是由流經(jīng)介電材料的電流形成，這樣便可以獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。當(dāng)結(jié)合使用主電極和保護(hù)電極時(shí)，主電極稱為被保護(hù)電極(guarded electrode)。

序號項(xiàng)目描述

1上電極電極直徑26mm

2液體容腔直徑32mm 厚度2mm

3液體導(dǎo)管直徑6mm

4下電極電極直徑30mm

5鎖緊螺絲4個(gè)羊角鎖緊螺絲

注：最少需要注入液體體積：3ml，液體夾具空載電容1.3pF±10%

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5 1J1002+1J1022配合使用

1J1002是用于連接WK儀器和2端口的測試夾具連接線，通過高頻校準(zhǔn)器，可以校準(zhǔn)1J1002連接線，然后連接到測試夾具兩端進(jìn)行測試，為了增加測試的準(zhǔn)確性，可以在液體夾具的兩端做開路和短路校準(zhǔn)。

6 規(guī)格參數(shù)

-測試頻率范圍：20Hz~30MHz

-基本測試精度：0.05%（6500）

-最少測量樣品不少于 3ml

-操作溫度：-25℃~125℃

-校準(zhǔn)補(bǔ)償：開路 短路 高頻補(bǔ)償

7 校準(zhǔn)流程

-連接1J1002，設(shè)置儀器校準(zhǔn)頻率范圍30MHz

-對1J1002連接線做開路、短路、高頻校準(zhǔn)

-連接1J1022

8 WK 6500B相對介電常數(shù)測試軟件

Wayne Kerr 6500B 精密阻抗分析儀，軟件選配有材料測試軟件（訂購代碼 /K），這個(gè)軟件只能安裝在精密阻抗分析儀上，不能安裝在6500P的高頻LCR表上。通過這個(gè)軟件可以更容易的計(jì)算出相對介電常數(shù)的相關(guān)參數(shù)，軟件界面如下：

介電常數(shù)測試參數(shù)：

E_r^* 相對介電常數(shù)復(fù)數(shù)值

  E_r^' 相對介電常數(shù)實(shí)部

E''r 相對介電常數(shù)虛部

tan δ 損耗因子

D 損耗因子

軟件設(shè)置

1）Non-Contact Method：勾選此選項(xiàng)

2）Electrode separation ‘tg’: 輸入2.1

3）Material thickness‘tm’：輸入2.1

4）閉合液體夾具1J1022，不放入任何的測試樣品，點(diǎn)擊按鈕 Measure Cg reference data，直至測試完成。

5）通入測試液體，選擇測試參數(shù)  E_r^' E''r 

6）按下儀表上Trigger 觸發(fā)測試

9 WKE Liquid Test測試液體介電常數(shù)

此軟件可以測試介電常數(shù)隨著頻率變化和時(shí)間變化，當(dāng)掃描時(shí)間變化可以設(shè)置多個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行測試。

掃頻率測試介電常數(shù)

時(shí)間變化掃描介電常數(shù)變化

測試步驟

設(shè)置好測試的頻率范圍和點(diǎn)數(shù)

在測試設(shè)置中選擇C0測試，并選擇等效電路并聯(lián)，不放入任何液體

測試C0值保存到文件

通入液體，選擇E_r^' E''r

電極開始測試按鈕進(jìn)行測試

10注意事項(xiàng)

1）1022校準(zhǔn)：在測試完成高濃度離子、導(dǎo)電能力強(qiáng)的液體之后需要將1022清洗干凈并擦干后再做校準(zhǔn)，防止依附在電極上的離子對校準(zhǔn)造成影響

2）1022測試Co值：當(dāng)1022在測試高濃度離子液體之后，再次測試Co值的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)先用清水清洗干凈，擦干后再測試Co值，而不是直接將1022打開擦干后測試Co值，因?yàn)殡姌O之間會依附有一定量的導(dǎo)電離子，使得測試的Co錯(cuò)誤。

3）在校準(zhǔn)或者測試Co的時(shí)候，最好將1022夾具上兩個(gè)軟管水平放置，而不是垂直放置，防止在軟管垂直放置的時(shí)候里面的液體流到兩個(gè)電極的電容腔內(nèi)，造成校準(zhǔn)或測試Co的錯(cuò)誤

4）在測試完成有腐蝕性液體后，記得清洗夾具，防止夾具被腐蝕

11 相關(guān)計(jì)算公式

在測試介電常數(shù)時(shí)，都做了一個(gè)測試空氣電容C0，通過儀器測試Cp-Rp可以通過計(jì)算公式，計(jì)算出介電常數(shù)。

其中對液體的等效電路模型理解為：

介電常數(shù)等效電路計(jì)算公式：

ε_r^'=C_p/C_0 

ε_r^''=1/(ωC_0 R_p )