介电常数和介电损耗测量 2

介电常数和介电损耗测量

一．背景

介电特性是电介质材料极其重要的性质。在实际应用中，电介质材料的介电系数和介质损耗是非常重要的参数。例如，制造电容器的材料要求介电系数尽量大，而介质损耗尽量小。相反地，制造仪表绝缘器件的材料则要求介电系数和介质损耗都尽量小。而在某些特殊情况下，则要求材料的介质损耗较大。所以，通过测定介电常数及介质损耗角正切(tg)，可进一步了解影响介质损耗和介电常数的各种因素，为提高材料的性能提供依据。按照物质电结构的观点，任何物质都是由不同的电荷构成，而在电介质中存在原子、分子和离子等。当固体电介质置于电场中后会显示出一定的极性，这个过程称为极化。对不同的材料、温度和频率，各种极化过程的影响不同。

在绝缘技术中，特别是选择绝缘材料或介质贮能材料时，都需要考虑电介质的介电常数。此外，由于介电常数取决于极化，而极化又取决于电介质的分子结构和分子运动的形式。所以，通过介电常数随电场强度、频率和温度变化规律的研究，还可以推断绝缘材料的分子结构。

二．基本原理

电子材料与元件的电学性能参数的测量是一项基本而重要的工作。这些电学参数包括不同频率、不同温度下的电阻、电容、阻抗、介电常数、损耗角正切值等特性测量。全面而准确地掌握这些特性，对分析、改进电子材料与元件的性能十分重要。数字式LCR 测量仪（数字电桥）是随着数字测量技术发展而出现的新型智能化材料和元件参数测量仪器，具有使用简便、效率高、测量精度高等优点，在电子材料与元件特性参数测量和研究中获得了极其广泛的应用。

数字式LCR 测量仪以微处理器为核心、通过采集给定激励下被测样品和标准元件的电压、电流信号并按照—定的数学模型进行被测样品的参数计算。数字式LCR 测量仪测量原理以阻抗参数的数字化测量为基础，典型测量方法为矢量电流—电压法。测量电路原理如图1 所示，其中R s 为标准电阻值，Z x 为待测样品的阻抗。

图 1 测量电路原理图2 数字式LCR 测量仪原理框图

阻抗参数的测量可首先转化为电压测量及电压分量的计算，最终可得到复阻抗的电阻参数和电抗参数，并可间接计算其他参数，如损耗参数、不同等效模式下的阻抗参数等。图2为数字式LCR 测量仪一般原理框图。流过待测元件的电流转换为相应的电压信号，与待测元件的电压经缓冲放大后送给相敏模/数转换器(PSADC)。PSADC 主要由相敏检波器(PSD)

和积分型模/数转换器(ADC)构成，PSADC 根据相位参考基准信号与输入的电压信号，产生

对应于被测电压与电流信号的二进制数据，并提供给微处理器CPU。CPU 接收控制按键的

操作信号并按要求执行特定的程序处理PSADC 提供的数据，最终经计算得到被测阻抗参数

数值并显示。

三、实验仪器及样品

1、同惠TH2826A LCR 测试仪

2、电极夹具（使用前需进行零位校准）

3、标准电容

4、待测样品

四、实验内容

1、打开电源，预热15分钟以上。

2、对仪器进行点频清零。

3、测量并记录某电容器在以下频率时的C p 和D 值：

Hz 200 400 600 800

kHz 1 2 3 4 5 6 8 10 12 15 16 18 20 40 80 100 120

150 200 400 600 800

MHz 1 1.2 1.5 2.0

4.对测试样品进行测量

●右旋测量装置的千分尺，将极板间距调到零，接近零位时要慢慢旋动顶部按钮，听到“咯”

声停止旋转，记录零位读数L0 。

●左旋千分尺至读数L，记录L，此时两极板间距d=L-L0

●在频率1KHz进行开、短路点频清零，选择C p-D 功能。将接线夹子连接到测量装置的接

线柱上，测量极板间为空气时的电容C1

●将样品慢慢放入到极板中心，测试放入样品时的电容C2

●相同地分别测量10KHz时的C1、C2和100KHz时的C1、C2

●用千分尺测出样品的厚度t，用游标卡尺测出样品直径d，均应在不同位置重复测量三次。

五、数据处理

1.将测得的某电容器在不同频率下对应的C p 和D值记录在下表中：

Hz 200 400 600 800 MHz 1 1.2 1.5 2.0

C p- nF 209.64 209.23 208.81 208.47 C p- nF 212.17 238.42 309.04 410.73

D 0.00689 0.00908 0.01074 0.01212 D 0.17305 0.2160 0.3133 1.7955

KHz 1 2 3 4 5 6 8 10

C p- nF 208.17 207.04 206.13 205.40 204.72 204.11 203.03 202.17

D 0.01329 0.01778 0.02099 0.02405 0.02622 0.02813 0.03125 0.03401 KHz 12 15 16 18 20 40 80 100

C p- nF 201.48 200.43 200.11 199.51 198.97 194.91 190.10 188.42

D 0.03644 0.03938 0.04037 0.04203 0.04363 0.05433 0.06701 0.07184 KHz 120 150 200 400 600 800

C p- nF 186.85 185.24 183.25 181.22 185.42 195.56

D 0.07636 0.08106 0.08821 0.10837 0.12645 0.14652

将表中数据导入到Origin中分别得到Cp--f,以及D--f的曲线关系图如下：

图一：Cp 随f 的变化曲线图

图二：D 随f 的变化曲线图

结合图表进行分析：

我们知道电容容量与频率是曲线关系，在谐振点之前，电容容量随频率的增加而减小，在谐振点之后，电容容量随频率的增加而增加。

结合表格和图一我们发现该电容原件在600KHz前电容是随频率f的增大而减小的，而在600KHz之后电容随频率f的增大而增大，即600KHz左右为谐振点。上面说的曲线关系，是电容与频率的关系，而电容与频率的关系可以间接反映出电容容量与f的关系，即Z(=ESR+jwL-j/wC)与频率的关系。在低频范围内，电容呈现容抗特性；中频范围内，主要是ESR特性；高频范围内，感抗占主导作用。

一般的大容量的电容对高频的响应很差对低频的响应却好，而容量小的电容对低频的响应很差而对高频的响应却非常好。因此可以根据不同的频率需要选择合适的电容。

由图二介电损耗D随频率f的变化关系图可以看出，一开始开始损耗随着频率的增加是缓慢增加的，当频率增加大1500KHz时，损耗D陡然增大。而在实际中，我们可以由电容在不同测试频率下的损耗因子的变化来决定电路的模式选择。若频率升高而损耗增加，则应选用串联等效电路；若频率升高而损耗减小，则应选用并联等效电路。该测试的电容有图二看出，其损耗随f增加而增加，所以该电容适用于串联等效电路。

2.对测试样品的测量

相关数据说明:零位Lo=19.66mm; 复位L=24.66mm; 极板间距d=L-Lo=5mm;

测试样品直径d=3cm; 样品厚度t=4mm；

测量极板间为空气的电容：C1；

测量放入样品时的电容：C2；频率：f；

根据相关公式（结合图示进行说明）

r

r S S C S C S C C C C C C C C C C C C **d d d d /d /d /*/1/1/1''2112'00'0201πεεε=+=*=*==+=++=++=00介质介质并边并边）（）（不同频率下测得的C1和C2，算出的介质的介电常数数值如下：

通过相关资料的查阅，我们知道：材料的介电常数形成主要是由某些极化引起的，所谓极化是某些偶极子定向排列产生，由于频率的变化，偶极子随外场反转，当频率很高，由于材料内部一定的阻力，使偶极子反转跟不上电场的速度，就会形成一种驰豫，驰豫也是介质材料产生损耗的原因之一，高频情况下，有些偶极子停止反转，所以对介电常数的贡献为零。材料中一般都存在好几种极化方式，各种极化驰豫发生的频段不一样，所以总的来说，随着频率的升高，介电常数一般减小。

因此由于介电损耗的存在，当f 增大时，损耗增大，从而发现我们得到样品的介电常数随频率增大而减小。

频率f (KHz) 1 10 100 空载 C1 （PF ） 6.3620 6.2419 6.3888 加介质C2 （PF ） 9.1139 8.6257 8.3380 ε （PF/m ） 62.9406

49.1249

37.0989

六、思考问题

1.介质中的损耗是怎样产生的？什么是损耗D和品质因数Q？

答：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起能量的损耗。

损耗D：在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量与电压相量之间的夹角的正切值。

品质因数Q：电学和磁学的量，表示一个储能器件（电容，电感线圈等），谐振电路中所储能量同每周期损耗之比的一种质量指标，数值上等于D的倒数。

2.为什么有串联和并联测试模式？怎样选择串联和并联测试模式？

答：根据选用的电容的大小进行的必要的选择，从而提高测量的灵敏度。

对于小电容，大电感来说，电抗一般都较大。这意味着并联电阻的影响相对于小数值串联电阻更加显著，所以应采用并联电路模型。相反，对于大电容，小电感则采用串联模型。一般电抗大于10千兆用并联，小于10千兆用串联模型。实际中，可以由电容在两个不同测试频率下损耗因子的变化来决定。若频率升高而损耗增加，则采用串联等效电路；若频率升高而损耗减小，则应采用并联等效电路。对于电感来说，情况正好相反。

3.介电性质测量实验为什么对温度和相对湿度要维持一定的指标？

答：因为介电常数和介电损耗因素会受温度和湿度的影响而变化，所以要讲它们维持在一定的指标，从而提高实验结果的准确性。