介電常數(shù)及介質(zhì)損耗檢測(cè)儀

1、范圍
本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在15Hz?300MHz的頻率范圍內(nèi)測(cè)量電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)的方法，并由此計(jì)算某些數(shù)值，如損耗指數(shù)。本標(biāo)準(zhǔn)中所敘述的某些方法，也能用于其他頻率下測(cè)量。
本標(biāo)準(zhǔn)適用于測(cè)量液體、易熔材料以及固體材料。測(cè)試結(jié)果與某些物理?xiàng)l件有關(guān)，例如頻率、溫度、濕度，在特殊情況下也與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。
有時(shí)在超過(guò)1000V的電壓下試驗(yàn)，則會(huì)引起一些與電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)無(wú)關(guān)的效應(yīng)，對(duì)此不予論述。 介電常數(shù)及介質(zhì)損耗檢測(cè)儀
　
2、規(guī)范性引用文件
下列文件中的條款通過(guò)本標(biāo)準(zhǔn)的引用而成為本標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)容）或修訂版均不適用于本標(biāo)準(zhǔn)，然而，鼓勵(lì)根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)達(dá)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(biāo)準(zhǔn)。
IEC60247:1978　液體絕緣材料相對(duì)電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電阻率的測(cè)量
　
3、術(shù)語(yǔ)和定義
下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。
3.1
相對(duì)電容率relative permittivity
ε r
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)，其電容Cx與同樣電極構(gòu)形的真空電容Co之比；
……………………………（1）
式中；
εr——相對(duì)電容率;
Cx——充有絕緣材料時(shí)電容器的電極電容；
Co——真空中電容器的電極電容。
在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不含二氧化碳的干燥空氣的相對(duì)電容率ε r等于1.00053，因此，用這種電極構(gòu)形在空氣中的電容Cx來(lái)代替Co測(cè)量相對(duì)電容率εr時(shí)，也有足夠的確度。
在一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中，絕緣材料的電容率是在該系統(tǒng)中絕緣材料的相對(duì)電容率εr與真空電氣常數(shù)εr的乘積。
在SI制中，電容率用法/米（F/m）表示。而且，在SI單位中，電氣常數(shù)εr，為：
……………………………（2）
在本標(biāo)準(zhǔn)中，用皮法和厘米來(lái)計(jì)算電容，真空電氣常數(shù)為:ε0=0.088 54 pF/cm
3.2
介質(zhì)損耗角dielectric loss angle
δ
由絕緣材料作為介質(zhì)的電容器上所施加的電壓與由此而產(chǎn)生的電流之間的相位差的余角。
3.3
介質(zhì)損耗因數(shù)1） dielectric dissipation factor
tanδ
損耗角δ的正切。
3.4
[介質(zhì)]損耗指數(shù) [dielectric] loss index
εr
該材料的損耗因數(shù)tanδ與相對(duì)電容率εr的乘積。
3.5
復(fù)相對(duì)電容率 complex relative permittivity
εr
由相對(duì)電容率和損耗指數(shù)結(jié)合而得到的：

式中：
εr——復(fù)相對(duì)電容率；
εr——損耗指數(shù)；
εr、εr——相對(duì)電容率；
tanδ——介質(zhì)損耗因數(shù)。
注：有損耗的電容器在任何給定的頻率下能用電容Cs和電阻Rs的串聯(lián)電路表示，或用電容CP和電阻RP（或電導(dǎo)CP）并聯(lián)電路表示。
　　　　　　　　 并聯(lián)等值電路　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 串聯(lián)等值電路
　
式中：
Cs——串聯(lián)電容；
Rs——串聯(lián)電阻；
　
1）有些用“損耗角正切”來(lái)表示“介質(zhì)損耗因數(shù)”，因?yàn)閾p耗的測(cè)量結(jié)果是用損耗角的正切來(lái)報(bào)告的。

CP——并聯(lián)電容；
RP——并聯(lián)電阻。
雖然以并聯(lián)電路表示一個(gè)具有介質(zhì)損耗的絕緣材料通常是合適的，但在單一頻率下，有時(shí)也需要以電容Cs和電阻Rs的串聯(lián)電路來(lái)表示。
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：Cs、Rs、CP、RP、tanδ同式（7）、（8）。
無(wú)論串聯(lián)表示法還是并聯(lián)表示法，其介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ是相等的。
假如測(cè)量電路依據(jù)串聯(lián)元件來(lái)產(chǎn)生結(jié)果，且tanδ太大而在式（9）中不能被忽略，則在計(jì)算電容率前必須先計(jì)算并聯(lián)電容。
本標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算和測(cè)量是根據(jù)電流（ω=πf）正弦波形作出的。
　
4、電氣絕緣材料的性能和用途
4.1電介質(zhì)的用途
電介質(zhì)一般被用在兩個(gè)不同的方面：
用作電氣回路元件的支撐，并且使元件對(duì)地絕緣及元件之間相互絕緣；
用作電容器介質(zhì)。
4.2影響介電性能的因素
下面分別討論頻率、溫度、濕度和電氣強(qiáng)度對(duì)介電性能的影響。
4.2.1頻率
因?yàn)橹挥猩贁?shù)材料如石英玻璃、聚苯乙烯或聚乙烯在很寬的頻率范圍內(nèi)它們的εr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(cè)量其介質(zhì)損耗因數(shù)和電容率。
電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的變化是由于介質(zhì)極化和電導(dǎo)而產(chǎn)生，重要的變化是極性分子引起的偶極子極化和材料的不均勻性導(dǎo)致的界面極化所引起的。
4.2.2溫度
損耗指數(shù)在一個(gè)頻率下可以出現(xiàn)一個(gè)值，這個(gè)頻率值與電介質(zhì)材料的溫度有關(guān)。介質(zhì)損耗因數(shù)和電容率的溫度系數(shù)可以是正的或負(fù)的，這取決于在測(cè)量溫度下的介質(zhì)損耗指數(shù)值位置。
4.2.3濕度
極化的程度隨水分的吸收量或電介質(zhì)材料表面水膜的形成而增加，其結(jié)果使電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電導(dǎo)率增大。因此試驗(yàn)前和試驗(yàn)時(shí)對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行控制是*的。
注：濕度的顯著影響常常發(fā)生在1MHz以下及微波頻率范圍內(nèi)。
4.2.4電場(chǎng)強(qiáng)度
存在界面極化時(shí)，自由離子的數(shù)目隨電場(chǎng)強(qiáng)度增大而增加，其損耗指數(shù)值的大小和位置也隨此而變。
在較高的頻率下，只要電介質(zhì)中不出現(xiàn)局部放電，電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)與電場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)。
　
5、試樣和電極
5.1固體絕緣材料
5.1.1試樣的幾何形狀
測(cè)定材料的電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)，好采用板狀試樣，也可采用管狀試樣。
在測(cè)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(yīng)足夠大，以滿(mǎn)足測(cè)量所需要的確度。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(duì)1％的確度來(lái)講，1.5mm的厚度就足夠了，但是對(duì)于更高確度，好是采用較厚的試樣，例如6mm?12mm。測(cè)量厚度必須使測(cè)量點(diǎn)有規(guī)則地分布在整個(gè)試樣表面上，且厚度均勻度在±1％內(nèi)。如果材料的密度是已知的，則可用稱(chēng)量法測(cè)定厚度。選取試樣的面積時(shí)應(yīng)能提供滿(mǎn)足精度要求的試樣電容。測(cè)量10pF的電容時(shí)，使用有良好屏蔽保護(hù)的儀器。由于現(xiàn)有儀器的極限分辨能力約1pF，因此試樣應(yīng)薄些，直徑為10cm或更大些。
需要測(cè)低損耗因數(shù)值時(shí)，很重要的一點(diǎn)是導(dǎo)線(xiàn)串聯(lián)電阻引人的損耗要盡可能地小，即被測(cè)電容和該電阻的乘積要盡可能小。同樣，被測(cè)電容對(duì)總電容的比值要盡可能地大。點(diǎn)表示導(dǎo)線(xiàn)電阻要盡可能低及試樣電容要小,第二點(diǎn)表示接有試樣橋臂的總電容要盡可能小，且試樣電容要大。因此試樣電容好取值為20pF，在測(cè)量回路中，與試樣并聯(lián)的電容不應(yīng)大于約5pF，
5.1.2電極系統(tǒng)
5.1.2.1加到試樣上的電極
電極可選用5.1.3中任意一種。如果不用保護(hù)環(huán)，而且試樣上下的兩個(gè)電極難以對(duì)齊時(shí)，其中一個(gè)電極應(yīng)比另一個(gè)電大些。已經(jīng)加有電極的試樣應(yīng)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(duì)于平板形和圓柱形這兩種不同電極結(jié)構(gòu)的電容計(jì)算公式以及邊緣電容近似計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式由表1給出。
對(duì)于介質(zhì)損耗因數(shù)的測(cè)量，這種類(lèi)型的電極在高頻下不能滿(mǎn)足要求，除非試樣的表面和金屬板都非常平整。圖1所示的電極系統(tǒng)也要求試樣厚度均勻。.
5.1.2.2試樣上不加電極
表面電導(dǎo)率很低的試樣可以不加電極而將試樣插入電極系統(tǒng)中測(cè)量，在這個(gè)電極系統(tǒng)中，試樣的一側(cè)或兩側(cè)有一個(gè)充滿(mǎn)空氣或液體的間隙。
平板電極或圓柱形電極結(jié)構(gòu)的電容計(jì)算公式由表3給出。
下面兩種型式的電極裝置特別合適.
5.1.2.2.1空氣填充測(cè)微計(jì)電極
當(dāng)試樣插入和不插人時(shí)，電容都能調(diào)節(jié)到同一個(gè)值，不需進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的電氣校正就能測(cè)定電容率。電極系統(tǒng)中可包括保護(hù)電極。
5.1.2.2.2流體排出法
在電容率近似等于試樣的電容率，而介質(zhì)損耗因數(shù)可以忽略的一種液體內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)量與試樣厚度測(cè)量的精度關(guān)系不大。當(dāng)相繼采用兩種流體時(shí)，試樣厚度和電極系統(tǒng)的尺寸可以從計(jì)算公式中消去。
試樣為與試驗(yàn)池電極直徑相同的圓片，或?qū)y(cè)微計(jì)電極來(lái)說(shuō)，試樣可以比電極小到足以使邊緣效應(yīng)忽略不計(jì)。在測(cè)微計(jì)電極中，為了忽略邊緣效應(yīng)，試樣直徑約比測(cè)微計(jì)電極直徑小兩倍的試樣厚度。
5.1.2.3邊緣效應(yīng)
為了避免邊緣效應(yīng)引起電容率的測(cè)量誤差，電極系統(tǒng)可加上保護(hù)電極。保護(hù)電極的寬度應(yīng)至少為兩倍的試樣厚度，保護(hù)電極和主電極之間的間隙應(yīng)比試樣厚度小。假如不能用保護(hù)環(huán)，通常需對(duì)邊緣電容進(jìn)行修正，表1給出了近似計(jì)算公式。這些公式是經(jīng)驗(yàn)公式，只適用于規(guī)定的幾種特定的試樣形狀。
此外，在一個(gè)合適的頻率和溫度下，邊緣電容可采用有保護(hù)環(huán)和無(wú)保護(hù)環(huán)的（比較）測(cè)量來(lái)獲得，用所得到的邊緣電容修正其他頻率和溫度下的電容也可滿(mǎn)足精度要求。
5.1.3構(gòu)成電極的材料
5.1.3.1金屬箔電極
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(cè)量結(jié)果，此時(shí)可使用金箔。
5.1.3.2燒熔金屬電極
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。
5.1.3.3噴鍍金屬電極
鋅或銅電極可以噴鍍?cè)谠嚇由希鼈兡苤苯釉诖植诘谋砻嫔铣赡?。這種電極還能?chē)娫诓忌?，因?yàn)樗鼈儾淮┩阜浅Ｐ〉目籽邸?
5.1.3.4陰極蒸發(fā)或高真空蒸發(fā)金屬電極
假如處理結(jié)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(yīng)界限分明。
5.1.3.5汞電極和其他液體金屬電極
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(yīng)采取措施，這是因?yàn)樗恼魵馐怯卸镜摹?
伍德合金和其他低熔點(diǎn)合金能代替汞。但是這些合金通常含有鎘，鎘象汞一樣，也是毒性元素。這些合金只有在良好抽風(fēng)的房間或在抽風(fēng)柜中才能用于100℃以上，且操作人員應(yīng)知道可能產(chǎn)生的健康危害。
5.1.3.6導(dǎo)電漆
無(wú)論是氣干或低溫烘干的高電導(dǎo)率的銀漆都可用作電極材料。因?yàn)榇朔N電極是多孔的，可透過(guò)濕氣，能使試樣的條件處理在涂上電極后進(jìn)行，對(duì)研究濕度的影響時(shí)特別有用。此種電極的缺點(diǎn)是試樣涂上銀漆后不能馬上進(jìn)行試驗(yàn)，通常要求12h以上的氣干或低溫烘干時(shí)間，以便去除所有的微量溶劑，否則，溶劑可使電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)增加。同時(shí)應(yīng)注意漆中的溶劑對(duì)試樣應(yīng)沒(méi)有持久的影響。
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(dǎo)率會(huì)非常低，此時(shí)則不能使用。
5.1.3.7石墨
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)引起損耗的顯著增大，若采用石墨懸浮液制成電極，則石墨還會(huì)穿透試樣。