介電常數(shù)及介質(zhì)損耗檢測儀

1、范圍
本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在15Hz?300MHz的頻率范圍內(nèi)測量電容率、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量。
本標(biāo)準(zhǔn)適用于測量液體、易熔材料以及固體材料。測試結(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強(qiáng)度有關(guān)。
有時(shí)在超過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)無關(guān)的效應(yīng)，對此不予論述。 介電常數(shù)及介質(zhì)損耗檢測儀
　
2、規(guī)范性引用文件
下列文件中的條款通過本標(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　液體絕緣材料相對電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電阻率的測量
　
3、術(shù)語和定義
下列術(shù)語和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。
3.1
相對電容率relative permittivity
ε r
電容器的電極之間及電極周圍的空間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來代替Co測量相對電容率εr時(shí)，也有足夠的確度。
在一個(gè)測量系統(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與相對電容率εr的乘積。
3.5
復(fù)相對電容率 complex relative permittivity
εr
由相對電容率和損耗指數(shù)結(jié)合而得到的：

式中：
εr——復(fù)相對電容率；
εr——損耗指數(shù)；
εr、εr——相對電容率；
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”來表示“介質(zhì)損耗因數(shù)”，因?yàn)閾p耗的測量結(jié)果是用損耗角的正切來報(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。
假如測量電路依據(jù)串聯(lián)元件來產(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電場強(qiáng)度
存在界面極化時(shí)，自由離子的數(shù)目隨電場強(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)與電場強(qiáng)度無關(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。
在測定電容率需要較高精度時(shí)，的誤差來自試樣尺寸的誤差，尤其是試樣厚度的誤差，因此厚度應(yīng)足夠大，以滿足測量所需要的確度。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1％的確度來講，1.5mm的厚度就足夠了，但是對于更高確度，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(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，則可用稱量法測定厚度。選取試樣的面積時(shí)應(yīng)能提供滿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(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。
需要測低損耗因數(shù)值時(shí)，很重要的一點(diǎn)是導(dǎo)線串聯(lián)電阻引人的損耗要盡可能地小，即被測電容和該電阻的乘積要盡可能小。同樣，被測電容對總電容的比值要盡可能地大。點(diǎn)表示導(dǎo)線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。
對于介質(zhì)損耗因數(shù)的測量，這種類型的電極在高頻下不能滿足要求，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)行測量系統(tǒng)的電氣校正就能測定電容率。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)行測量，這種測量與試樣厚度測量的精度關(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微計(jì)電極來說，試樣可以比電極小到足以使邊緣效應(yīng)忽略不計(jì)。在測微計(jì)電極中，為了忽略邊緣效應(yīng)，試樣直徑約比測微計(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)和無保護(hù)環(huán)的（比較）測量來獲得，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在試樣上，它們能直接在粗糙的表面上成膜。這種電極還能噴在布上，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)也不過度逸出氣體，則本方法是可以采用的。這一類電極的邊緣應(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，可透過濕氣，能使試樣的條件處理在涂上電極后進(jìn)行，對研究濕度的影響時(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)注意漆中的溶劑對試樣應(yīng)沒有持久的影響。
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。