电介质材料介电性能的测试

实验目的】

1、探讨介质极化与介电常数、介质损耗的关系；

2、了解高频Q表的工作原理；

3、掌握室温下用高频Q表测定材料的介电常数和介质损耗角正切值。

【实验仪器】

1、仪器设备：

(1)介电常数介质损耗测试仪、电感箱、样品夹具等；

(2) 千分游标卡尺；

(3)导电银浆；

2、样品要求：圆形片：厚度2±0.5mm，直径为Φ38±1mm。

【实验原理】

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。

1、介电常数(ε)：某一电介质(如硅酸盐、高分子材料)组成的电容器在一定电压作用下所得到的电容量C与同样大小的介质为真空的电容器的电容量C之比值，被称为该电介质材料的相对介电常数。

式中：C—电容器两极板充满介质时的电容；

Cο—电容器两极板为真空时的电容；

ε—电容量增加的倍数，即相对介电常数

介电常数的大小表示该介质中空间电荷互相作用减弱的程度。作为高频绝缘材料，ε要小，特别是用于高压绝缘时。在制造高电容器时，则要求ε要大，特别是小型电容器。

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。

2．介电损耗(tgδ)：指电介质材料在外电场作用下发热而损耗的那部分能量。在直流电场作用下，介质没有周期性损耗，基本上是稳态电流造成的损耗；在交流电场作用下，介质损耗除了稳态电流损耗外，还有各种交流损耗。由于电场的频繁转向，电介质中的损耗要比直流电场作用时大许多(有时达到几千倍)，因此介质损耗通常是指交流损耗。

在工程中，常将介电损耗用介质损耗角正切tgδ来表示。tgδ是绝缘体的无效消耗的能量对有效输入的比例，它表示材料在一周期内热功率损耗与贮存之比，是衡量材料损耗程度的物理量。

tg

式中：ω—电源角频率；

R—并联等效交流电阻；

C—并联等效交流电容器

凡是体积电阻率小的，其介电损耗就大。介质损耗对于用在高压装置、高频设备，特别是用在高压、高频等地方的材料和器件具有特别重要的意义，介质损耗过大，不仅降低整机的性能，甚至会造成绝缘材料的热击穿。

3、Q值：tgδ的倒数称为品质因素，或称Q值。Q值大，介电损失小，说明品质好。所以在选用电介质前，必须首先测定它们的ε和tgδ。而这两者的测定是分不开的。

通常测量材料介电常数和介质损耗角正切的方法有二种：交流电桥法和Q表测量法，其中Q表测量法在测量时由于操作与计算比较简便而广泛采用。本实验主要采用的是Q表测量法。

Q表的测量回路是一个简单的R—L—C回路，如图1所示。当回路两瑞加上电压V后，电容器C的两端电压为Vc，调节电容器C使回路谐振后，回路的品质因数Q就可以用下式表示：

式中：L—回路电感；

R—回路电阻；

Vc—电容器C两端电压；

V—回路两端电压；

图1 Q表测量原理图

由上式可知，当输入电压V不变时，则Q与Vc成正比。因此在一定输入下，Vc值可直接标示为Q值。Q值表即根据这一原理来制造。

4、STD－A陶瓷介质损耗角正切及介电常数测试仪：它由稳压电源、高频信号发生器、定位电压表CBl、Q值电压表CB2、宽频低阻分压器以及标准可调电容器等组成(图2)。工作原理如下：高频信导发生器的输出信号，通过低阻抗耦合线圈将信号馈送至宽频低阻抗分压器。输出信号幅度的调节是通过控制振荡器的帘栅极电压来实现。当调节定位电压表CBl指在定位线上时，Ri两端得到约l0mV的电压(Vi)。当Vi调节在一定数值(10mV)后，可以使测量Vc的电压表CB2直接以Q值刻度，即可直接的读出Q值，而不必计算。

图2 Q表测量电路图

经推导(1) 介电常数：

(1)

式中：C1—标准状态下的电容量；

C2—样品测试的电容量；

d—试样的厚度(cm)；

Φ—试样的直径(cm)；

(2) 介质损耗角正切：

(2)

式中：Q1—标准状态下的Q值；

Q2—样品测试的Q值；

(3) Q值：

(3)

【实验内容】

1、本仪器适用于110V/220V，50Hz交流电，使用前要检查电压情况，以保证测试条件的稳定。

2、开机预热15分钟，使仪器恢复正常状态后才能开始测试。

3、按部件标准制备好的测试样品，两面用导电银浆涂覆，使样品两面都各自导电，但南面之间不能导通，备用。

4、选择适当的辅助线圈插入电感接线柱。根据需要选择振荡器频率，调节测试电路电容器使电路谐振。假定谐振时电容为C1，品质因素为Q1。

5、将被测样品接在Cx接线柱上。

6、再调节测试电路电容器使电路谐振，这时电容为C2，可以直接读出Q2。

7、用游标卡尺量出试样的直径Φ和厚度d(分别在不同位置测得两个数据，再取其平均值)。

试验数据：

电介质材料介电性能试验仪技术参数及型号：

准确度：   Cx:    ±（读数×0.5%+0.5pF）；

tgδ:  ±（读数×0.5%+0.00005）；

电容量范围：  内施高压： 3pF～60000pF/10kV   60pF～1μF/0.5kV；

外施高压： 3pF～1.5μF/10kV      60pF～30μF/0.5kV；

分辨率：           最高0.001pF，4位有效数字；

在测试绝缘材料时可以直接显示相对介电常数ε；

tgδ范围：    不限，分辨率0.000001，电容、电感、电阻三种试品自动识别；

试验电流范围：5μA～5A；

内施高压： 设定电压范围：0.5～10kV ；

最大输出电流：200mA；

升降压方式：电压随意设置。比如5123V。

试验频率： 40-70Hz单频随意设置。比如48.7Hz.

50±0.1Hz到50±10Hz自动双变频随意设置。

60±0.1Hz到60±10Hz自动双变频随意设置。

频率精度： ±0.01Hz

外施高压： 接线时最大试验电流5A，工频或变频40-70Hz

          外接线路时可以连接量程扩展器，电流可达几千安培。

测量时间： 约40s，与测量方式有关

输入电源： 180V～270VAC，50Hz±1%，市电或发电机供电

计算机接口：标准RS232接口，U盘插口(自动U盘存储数据)。

打印机：微型热敏打印机   环境温度：-10℃～50℃   相对湿度： <90%

外形尺寸：430*330*350mm   仪器重量：28kg

型    号：ZJD-87

电介质材料介电性能试验仪符合标准：

GB/T1409-2006测量电气绝缘材料在工频、音频、高频下电容率和介质损耗因数的推荐方法；
GB/T1693-2007硫化橡胶介电常数和介质损耗角正切值的测定方法；
ASTM D150-11实心电绝缘材料的交流损耗特性和电容率（介电常数）的标准试验方法；
GBT5594.4-2015电子元器件结构陶瓷材料性能测试方法；