穩(wen)科(ke)Wayne Kerr介電常數測試(shi)方(fang)案(an)

     專業(ye)儀器(qi)設(she)備(bei)與測(ce)試(shi)方(fang)案(an)供(gong)應商(shang)——上海(hai)堅融實(shi)業(ye)有限(xian)公(gong)司(si)JETYOO INDUSTRIAL & 堅友（上海）測量儀器(qi)有限(xian)公(gong)司(si)JETYOO INSTRUMENTS，為(wei)原(yuan)安捷(jie)倫(lun)Agilent【現(xian)是(shi)德(de)KEYSIGHT】品牌(pai)技術經(jing)理-堅JET與吉時(shi)利(li)KEITHLEY【現泰(tai)克(ke)Tektronix】品牌(pai)產(chan)品經(jing)理-融YOO共(gong)同(tong)創辦(ban)，專註工(gong)業(ye)測(ce)試(shi)領域(yu)十六年(nian)，誌(zhi)在破舊(jiu)立新！*進口儀器(qi)設(she)備(bei)大(da)多(duo)數(shu)廠家(jia)僅在國內(nei)設(she)銷(xiao)售點，但(dan)技術支(zhi)持薄(bo)弱甚至沒(mei)有，而(er)代理經銷商也只做商務(wu)，不(bu)做售前技術支(zhi)持/測試(shi)方(fang)案(an)和(he)售後使用培訓(xun)/維(wei)修校(xiao)準(zhun)的(de)空白(bai)。我們(men)的(de)技術型(xing)銷售均為(wei)本(ben)科以上學歷，且均有10年(nian)以(yi)上測試(shi)行(xing)業(ye)經(jing)驗，以我(wo)們先進*的(de)經營(ying)理念(nian)，與客戶互惠(hui)互利(li)合作(zuo)雙(shuang)贏(ying)，重在協助用戶(hu)采購與(yu)技術工(gong)程(cheng)師的(de)工(gong)作，提(ti)供(gong)較有競爭(zheng)力的(de)供(gong)應鏈(lian)管理與售前售後技術支(zhi)持。十六年(nian)精(jing)耕(geng)細作於進(jin)口(kou)品牌(pai)儀器(qi)設(she)備(bei)市場(chang)開拓(tuo)、測(ce)試(shi)應用及(ji)技術服(fu)務(wu)。堅(jian)融(rong)實(shi)業(ye)——壹(yi)家(jia)致力於為(wei)祖(zu)國用戶(hu)提(ti)供(gong)儀器(qi)設(she)備(bei)、測試(shi)方(fang)案(an)、技術培訓(xun)、維(wei)修計(ji)量全(quan)面服(fu)務(wu)的(de)儀器(qi)設(she)備(bei)綜合服(fu)務(wu)商(shang)。

穩(wen)科(ke)Wayne Kerr介電常數測試(shi)方(fang)案(an)

1背(bei)景(jing)介紹

電介質(zhi)材(cai)料在外(wai)加電場時會產(chan)生(sheng)電荷在表面削弱電場，原(yuan)外(wai)加電場（真空(kong)中(zhong)）與最終介質(zhi)中電場的(de)比值及(ji)為(wei)介電常數。常用的(de)電介質(zhi)材(cai)料是(shi)絕緣(yuan)體如：陶瓷(ci)、雲母、玻璃、塑料、有機材(cai)料等(deng)，但(dan)有些(xie)液(ye)體也(ye)可以(yi)作(zuo)為(wei)較好的(de)電介質(zhi)材(cai)料。

液(ye)體介質(zhi)的(de)介電常數對微波化學、地球物(wu)理、遙感環境檢(jian)測及(ji)食品安(an)全(quan)等都(dou)有重要的(de)意義。通過檢測(ce)汽油介電常數計算(suan)汽油的(de)辛烷(wan)值可(ke)以確定(ding)汽油的(de)質量，在對油田(tian)地下層(ceng)探(tan)測中(zhong)，可(ke)利用介電常數來(lai)區分含(han)烴層(ceng)和(he)含水(shui)層(ceng)，此(ci)外(wai)實(shi)驗證明(ming)介電常數的(de)變(bian)化與(yu)行(xing)車(che)裏(li)程(cheng)、潤(run)滑(hua)油酸值和(he)鐵(tie)含(han)量有良好的(de)關系(xi)，可以(yi)利用介電常數來(lai)評(ping)價發動機的(de)機油性(xing)能(neng)，在食品安(an)全(quan)方(fang)面，可(ke)以(yi)用食用油介電常數的(de)變(bian)化來(lai)判定(ding)高(gao)溫加熱(re)或長(chang)時(shi)間存(cun)放中(zhong)的(de)質量的(de)變(bian)化。

2電常數的(de)定義

介電常數描(miao)述的(de)是材(cai)料與(yu)電場之間的(de)相(xiang)互作(zuo)用。圖(tu) 1 顯示(shi)了(le)介電常數的(de)主要計(ji)算(suan)公(gong)式。介電常數 (K) 等於(yu)復數相(xiang)對(dui)介電常數 (〖εr〗^* )，或復(fu)數(shu)介電常數(ε^* ) 與真空(kong)介電常數 (ε0) 的(de)比值。復(fu)數相(xiang)對(dui)介電常數的(de)實(shi)部 (〖εr〗^’ ) 表示外(wai)部電場有多(duo)少電能(neng)儲存(cun)到材(cai)料中(zhong); 對(dui)於絕大(da)多(duo)數(shu)固體和(he)液(ye)體來(lai)說，〖εr〗^’> 1。復數(shu)相(xiang)對(dui)介電常數的(de)虛部(〖εr〗^(’’) )稱為(wei)損(sun)耗系數(shu)，表示(shi)材(cai)料中(zhong)儲(chu)存的(de)電能(neng)有多(duo)少消(xiao)耗或損(sun)失到外(wai)電場中。(〖εr〗^(’’) ) 始終 > 0。損(sun)耗系數(shu)同(tong)時包(bao)括介電材(cai)料損(sun)耗和(he)電導率(lv)的(de)效應(ying)。

如果(guo)用簡單(dan)的(de)矢(shi)量圖(tu) (圖 1) 表(biao)示復(fu)數(shu)介電常數，那(na)麽(me)實(shi)部和(he)虛部的(de)相(xiang)位將會(hui)相(xiang)差(cha)90°。其(qi)矢(shi)量和(he)與實(shi)軸(zhou) (〖εr〗^’) 形成夾角(jiao) δ。通(tong)常使用這(zhe)個(ge)角(jiao)度(du)的(de)正切(qie)值 tanδ 或損(sun)耗角(jiao)正切(qie)來(lai)表示(shi)材(cai)料的(de)相(xiang)對(dui)“損(sun)耗"。術語(yu)“損耗"在技術文(wen)獻中又稱為(wei)“介電損耗"。

圖(tu) 1相(xiang)對(dui)復(fu)數(shu)常(chang)數(shu)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(sun)耗系數(shu)

K^*：介電常數

ε_0：自(zi)由空間介電常數

3 用平(ping)行(xing)板(ban)法測(ce)量介電常數

當(dang)使用阻(zu)抗(kang)分(fen)析(xi)儀測(ce)量介電常數時，通(tong)常采用平(ping)行(xing)板(ban)法。平(ping)行(xing)板(ban)法在ASTM D150標(biao)準(zhun)中又稱為(wei)3端(duan)子法，其(qi)原(yuan)理是通過在兩個電極之(zhi)間插(cha)入壹(yi)個材(cai)料或液(ye)體薄(bo)片組(zu)成壹(yi)個電容器，(註: 在本文(wen)以下部分中，被測材(cai)料無(wu)論(lun)是固(gu)體(ti)還(hai)是液(ye)體均用 MUT 表(biao)示(shi)。) 然(ran)後測量其(qi)電容，根(gen)據測量結(jie)果(guo)計(ji)算(suan)介電常數。

圖(tu)2接地電極，可(ke)以(yi)消(xiao)除(chu)邊緣(yuan)電容所導致的(de)測量誤差(cha)。保護(hu)電極會(hui)吸(xi)收(shou)邊緣(yuan)的(de)電場，所以在電極之(zhi)間測(ce)得(de)的(de)電容只是由流(liu)經(jing)介電材(cai)料的(de)電流(liu)形成，這(zhe)樣便可以(yi)獲得(de)準(zhun)確的(de)測量結(jie)果(guo)。當(dang)結合使(shi)用主電極和(he)保護(hu)電極時(shi)，主電極稱為(wei)被(bei)保護(hu)電極(guarded electrode)。

序(xu)號項(xiang)目(mu)描(miao)述

1上(shang)電極電極直(zhi)徑(jing)26mm

2液(ye)體容腔(qiang)直(zhi)徑(jing)32mm 厚(hou)度(du)2mm

3液(ye)體導(dao)管直(zhi)徑(jing)6mm

4下電極電極直(zhi)徑(jing)30mm

5鎖緊(jin)螺(luo)絲4個(ge)羊角(jiao)鎖緊(jin)螺(luo)絲

註(zhu)：最少需要(yao)註(zhu)入液(ye)體體(ti)積：3ml，液(ye)體夾具(ju)空載(zai)電容1.3pF±10%

5 1J1002+1J1022配合使(shi)用

1J1002是(shi)用於(yu)連接WK儀器(qi)和(he)2端(duan)口的(de)測試(shi)夾具(ju)連接線(xian)，通(tong)過高頻校(xiao)準(zhun)器，可(ke)以校(xiao)準(zhun)1J1002連接線(xian)，然(ran)後連接到測(ce)試(shi)夾具(ju)兩端(duan)進行(xing)測(ce)試(shi)，為(wei)了(le)增(zeng)加(jia)測試(shi)的(de)準(zhun)確性(xing)，可(ke)以(yi)在液(ye)體夾具(ju)的(de)兩端(duan)做開路和(he)短(duan)路校(xiao)準(zhun)。

6 規(gui)格參(can)數

-測(ce)試(shi)頻率(lv)範(fan)圍(wei)：20Hz~30MHz

-基(ji)本(ben)測(ce)試(shi)精(jing)度(du)：0.05%（6500）

-最少測量樣(yang)品不(bu)少於 3ml

-操(cao)作(zuo)溫度(du)：-25℃~125℃

-校(xiao)準(zhun)補償(chang)：開路 短(duan)路 高(gao)頻補償

7 校(xiao)準(zhun)流(liu)程(cheng)

-連接1J1002，設(she)置儀器(qi)校(xiao)準(zhun)頻率(lv)範(fan)圍(wei)30MHz

-對(dui)1J1002連接線(xian)做開路、短(duan)路、高(gao)頻校準(zhun)

-連接1J1022

8 WK 6500B相(xiang)對(dui)介電常數測試(shi)軟件(jian)

Wayne Kerr 6500B 精(jing)密阻(zu)抗(kang)分(fen)析(xi)儀，軟件(jian)選(xuan)配有材(cai)料測(ce)試(shi)軟件(jian)（訂(ding)購代(dai)碼 /K），這個(ge)軟件(jian)只(zhi)能(neng)安裝在精(jing)密阻(zu)抗(kang)分(fen)析(xi)儀上(shang)，不(bu)能(neng)安裝在6500P的(de)高頻(pin)LCR表上(shang)。通過這個(ge)軟件(jian)可(ke)以(yi)更容易(yi)的(de)計算(suan)出相(xiang)對(dui)介電常數的(de)相(xiang)關(guan)參(can)數，軟件(jian)界面如下：

介電常數測試(shi)參(can)數：

E_r^* 相(xiang)對(dui)介電常數復數(shu)值

  E_r^' 相(xiang)對(dui)介電常數實(shi)部

E''r 相(xiang)對(dui)介電常數虛部

tan δ 損(sun)耗因子(zi)

D 損(sun)耗因子(zi)

軟件(jian)設(she)置

1）Non-Contact Method：勾(gou)選(xuan)此(ci)選(xuan)項(xiang)

2）Electrode separation ‘tg’: 輸入2.1

3）Material thickness‘tm’：輸入2.1

4）閉合液(ye)體夾具(ju)1J1022，不放(fang)入任(ren)何的(de)測試(shi)樣品，點擊(ji)按(an)鈕(niu) Measure Cg reference data，直至測試(shi)完成。

5）通(tong)入(ru)測(ce)試(shi)液(ye)體，選(xuan)擇測(ce)試(shi)參(can)數  E_r^' E''r 

6）按(an)下儀表(biao)上(shang)Trigger 觸(chu)發(fa)測試(shi)

9 WKE Liquid Test測(ce)試(shi)液(ye)體介電常數

此(ci)軟件(jian)可(ke)以(yi)測試(shi)介電常數隨著(zhe)頻率(lv)變(bian)化和(he)時間變(bian)化，當(dang)掃描(miao)時間變(bian)化可(ke)以設(she)置多(duo)個(ge)頻率(lv)點進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)。

掃(sao)頻(pin)率(lv)測(ce)試(shi)介電常數

時(shi)間變(bian)化掃(sao)描(miao)介電常數變(bian)化

測(ce)試(shi)步(bu)驟

設(she)置好測試(shi)的(de)頻率(lv)範(fan)圍(wei)和(he)點數(shu)

在測試(shi)設(she)置中選(xuan)擇C0測(ce)試(shi)，並(bing)選(xuan)擇等(deng)效電路並(bing)聯(lian)，不放(fang)入(ru)任(ren)何液(ye)體

測(ce)試(shi)C0值保存(cun)到文(wen)件(jian)

通(tong)入(ru)液(ye)體，選(xuan)擇E_r^' E''r

電極開始測試(shi)按(an)鈕(niu)進行(xing)測(ce)試(shi)

10註(zhu)意(yi)事(shi)項(xiang)

1）1022校(xiao)準(zhun)：在測試(shi)完成高(gao)濃度(du)離(li)子、導電能(neng)力強的(de)液(ye)體之(zhi)後需要(yao)將(jiang)1022清洗(xi)幹凈(jing)並(bing)擦(ca)幹後再做校準(zhun)，防止(zhi)依附在電極上(shang)的(de)離子(zi)對校(xiao)準(zhun)造(zao)成影(ying)響(xiang)

2）1022測(ce)試(shi)Co值：當(dang)1022在測試(shi)高濃度(du)離(li)子液(ye)體之(zhi)後，再次(ci)測試(shi)Co值的(de)時候(hou)，應當(dang)先用清(qing)水(shui)清洗(xi)幹凈(jing)，擦幹(gan)後再測(ce)試(shi)Co值，而(er)不是直(zhi)接將(jiang)1022打開擦幹後測試(shi)Co值，因(yin)為(wei)電極之(zhi)間會(hui)依附有壹(yi)定量的(de)導電離子，使得(de)測(ce)試(shi)的(de)Co錯誤。

3）在校準(zhun)或者測(ce)試(shi)Co的(de)時候(hou)，最好將1022夾具(ju)上兩個軟管(guan)水(shui)平放(fang)置，而不(bu)是(shi)垂直放(fang)置，防止(zhi)在軟管(guan)垂直(zhi)放置的(de)時候(hou)裏(li)面(mian)的(de)液(ye)體流(liu)到兩個電極的(de)電容腔(qiang)內，造(zao)成校(xiao)準(zhun)或測(ce)試(shi)Co的(de)錯誤

4）在測試(shi)完成有腐蝕(shi)性(xing)液(ye)體後，記得(de)清(qing)洗(xi)夾具(ju)，防止(zhi)夾具(ju)被腐蝕(shi)

11 相(xiang)關(guan)計(ji)算(suan)公(gong)式

在測試(shi)介電常數時，都(dou)做了壹個(ge)測(ce)試(shi)空氣電容C0，通過儀器(qi)測(ce)試(shi)Cp-Rp可以通(tong)過(guo)計算(suan)公(gong)式，計算(suan)出介電常數。

其(qi)中(zhong)對(dui)液(ye)體的(de)等效電路模型理解為(wei)：

介電常數等效電路計算(suan)公(gong)式：

ε_r^'=C_p/C_0 

ε_r^''=1/(ωC_0 R_p )