Wayne Kerr Electronics 液體介電常數(shù)測試

1背景介紹 

電介質(zhì)材料在外加電場時(shí)會產(chǎn)生電荷在表面削弱電場，原外加電場（真空中）與最終介質(zhì)中電場的比值及為介電常數(shù)。常用的電介質(zhì)材料是絕緣體如：陶瓷、云母、玻璃、塑料、有機(jī)材料等，但有些液體也可以作為較好的電介質(zhì)材料。 液體介質(zhì)的介電常數(shù)對微波化學(xué)、地球物理、遙感環(huán)境檢測及食品安全等都有重要的意義。通過檢測汽油介電常數(shù)計(jì)算汽油的辛烷值可以確定汽油的質(zhì)量，在對油田地下層探測中，可利用介電常數(shù)來區(qū)分含烴層和含水層，此外實(shí)驗(yàn)證明介電常數(shù)的變化與行車?yán)锍?、潤滑油酸值和鐵含量有良好的關(guān)系，可以利用介電常數(shù)來評價(jià)發(fā)動機(jī)的機(jī)油性能，在食品安全方面，可以用食用油介電常數(shù)的變化來判定高溫加熱或長時(shí)間存放中的質(zhì)量的變化。

2介電常數(shù)的定義 

介電常數(shù)描述的是材料與電場之間的相互作用。圖 1 顯示了介電常數(shù)的主要計(jì)算公式。介電常數(shù) K 等于復(fù)數(shù)相對介電常數(shù) εr? ，或復(fù)數(shù)介電常數(shù) ε? 與真空介電常數(shù) ε0 的比值。復(fù)數(shù)相對介電常數(shù)的實(shí)部 εr’ 表示外部電場有多少電能儲存到材料中; 對于絕大多數(shù)固體和液體來說，εr’> 1。復(fù)數(shù)相對介電常數(shù)的虛部 εr’’ 稱為損耗系數(shù)，表示材料中儲存的電能有多少消耗或損失到外電場中。 εr’’ 始終> 0。損耗系數(shù)同時(shí)包括介電材料損耗和電導(dǎo)率的效應(yīng)。 

如果用簡單的矢量圖 (圖 1) 表示復(fù)數(shù)介電常數(shù)，那么實(shí)部和虛部的相位將會相差90°。其矢量和與實(shí)軸 (εr’) 形成夾角 δ。通常使用這個角度的正切值 tanδ 或損耗角正切來表示材料的相對?損耗?。術(shù)語?損耗?在技術(shù)文獻(xiàn)中又稱為?介電損耗?。

3 用平行板法測量介電常數(shù) 

當(dāng)使用阻抗分析儀測量介電常數(shù)時(shí)，通常采用平行板法。平行板法在ASTM D150標(biāo)準(zhǔn)中又稱為3端子法，其原理是通過在兩個電極之間插入一個材料或液體薄片組成一個電容器，(注: 在本文以下部分中，被測材料無論是固體還是液體均用 MUT 表示。) 然后測量其電容，根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算介電常數(shù)。

圖2液體夾具示意圖

圖2接地電極，可以消除邊緣電容所導(dǎo)致的測量誤差。保護(hù)電極會吸收邊緣的電場，所以在電極之間測得的電容只是由流經(jīng)介電材料的電流形成，這樣便可以獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。當(dāng)結(jié)合使用主電極和保護(hù)電極時(shí)，主電極稱為被保護(hù)電極(guarded electrode)。

WK 6500B 相對介電常數(shù)測試

Wayne Kerr 6500B 精密阻抗分析儀，軟件選配有材料測試軟件（訂購代碼 /K），這個軟件只能安裝在精密阻抗分析儀上，不能安裝在6500P 的高頻LCR 表上。通過這個軟件可以更容易的計(jì)算出相對介電常數(shù)的相關(guān)參數(shù)，軟件界面如下：

介電常數(shù)測試參數(shù)： 

E??? 相對介電常數(shù)復(fù)數(shù)值 

E?? ′ 相對介電常數(shù)實(shí)部 

E′′r相對介電常數(shù)虛部 

tan δ損耗因子 D 損耗因子