一、背景
       介電特性是電介質(zhì)材料極其重要的性質(zhì)。在實(shí)際應(yīng)用中，電介質(zhì)材料的介電系數(shù)和介質(zhì)損耗是非常重要的參數(shù)。例如，制造電容器的材料要求介電系數(shù)盡量大，而介質(zhì)損耗盡量小。相反地，制造儀表絕緣器件的材料則要求介電系數(shù)和介質(zhì)損耗都盡量小。而在某些特殊情況下，則要求材料的介質(zhì)損耗較大。所以，通過測(cè)定介電常數(shù)及介質(zhì)損耗角正切(tg)，可進(jìn)一步了解影響介質(zhì)損耗和介電常數(shù)的各種因素，為提高材料的性能提供依據(jù)。按照物質(zhì)電結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，任何物質(zhì)都是由不同的電荷構(gòu)成，而在電介質(zhì)中存在原子、分子和離子等。當(dāng)固體電介質(zhì)置于電場(chǎng)中后會(huì)顯示出一定的極性，這個(gè)過程稱為極化。對(duì)不同的材料、溫度和頻率，各種極化過程的影響不同。

       電子材料介電常數(shù)介質(zhì)損耗測(cè)定儀在絕緣技術(shù)中，特別是選擇絕緣材料或介質(zhì)貯能材料時(shí)，都需要考慮電介質(zhì)的介電常數(shù)。此外，由于介電常數(shù)取決于極化，而極化又取決于電介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)的形式。所以，通過介電常數(shù)隨電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率和溫度變化規(guī)律的研究，還可以推斷絕緣材料的分子結(jié)構(gòu)。
 
二、基本原理
       電子材料與元件的電學(xué)性能參數(shù)的測(cè)量是一項(xiàng)基本而重要的工作。這些電學(xué)參數(shù)包括不同頻率、不同溫度下的電阻、電容、阻抗、介電常數(shù)、損耗角正切值等特性測(cè)量。全面而準(zhǔn)確地掌握這些特性，對(duì)分析、改進(jìn)電子材料與元件的性能十分重要。ZJD-C材料介電常數(shù)介質(zhì)損耗測(cè)試儀（數(shù)字電橋）是隨著數(shù)字測(cè)量技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新型智能化材料和元件參數(shù)測(cè)量?jī)x器，具有使用簡(jiǎn)便、效率高、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，在電子材料與元件特性參數(shù)測(cè)量和研究中獲得了極其廣泛的應(yīng)用。
       介電常數(shù)介質(zhì)損耗測(cè)量?jī)x以微處理器為核心、通過采集給定激勵(lì)下被測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)元件的電壓、電流信號(hào)并按照—定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行被測(cè)樣品的參數(shù)計(jì)算。ZJD-C材料介電常數(shù)介質(zhì)損耗測(cè)試儀測(cè)量原理以阻抗參數(shù)的數(shù)字化測(cè)量為基礎(chǔ)，典型測(cè)量方法為矢量電流—電壓法。測(cè)量電路原理如圖 1 所示，其中Rs 為標(biāo)準(zhǔn)電阻值，Zx 為待測(cè)樣品的阻抗。

      阻抗參數(shù)的測(cè)量可首先轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量及電壓分量的計(jì)算，最終可得到復(fù)阻抗的電阻參數(shù)和電抗參數(shù)，并可間接計(jì)算其他參數(shù)，如損耗參數(shù)、不同等效模式下的阻抗參數(shù)等。圖2為ZJD-C材料介電常數(shù)介質(zhì)損耗測(cè)試儀一般原理框圖。流過待測(cè)元件的電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，與待測(cè)元件的電壓經(jīng)緩沖放大后送給相敏模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(PSADC)。PSADC 主要由相敏檢波器(PSD)和積分型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)構(gòu)成，PSADC 根據(jù)相位參考基準(zhǔn)信號(hào)與輸入的電壓信號(hào)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于被測(cè)電壓與電流信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并提供給微處理器CPU。CPU 接收控制按鍵的操作信號(hào)并按要求執(zhí)行特定的程序處理PSADC 提供的數(shù)據(jù)，最終經(jīng)計(jì)算得到被測(cè)阻抗參數(shù)數(shù)值并顯示。
 
三、實(shí)驗(yàn)儀器及樣品
     1、智德ZJD-C型介電常數(shù)介質(zhì)損耗測(cè)試儀
     2、電極夾具（使用前需進(jìn)行零位校準(zhǔn)）
     3、標(biāo)準(zhǔn)電容
     4、待測(cè)樣品
 
四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1、打開電源，預(yù)熱15分鐘以上。
2、對(duì)儀器進(jìn)行點(diǎn)頻清零。
3、測(cè)量并記錄某電容器在以下頻率時(shí)的Cp 和D 值：
Hz  200  400  600  800
kHz  1  2  3  4  5  6  8  10   20  40  80  100  120
MHz  1  1.2  1.5  2.0
 
4、寬頻介電常數(shù)測(cè)試儀對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行測(cè)量：
      a 右旋測(cè)量裝置的千分尺，將極板間距調(diào)到零，接近零位時(shí)要慢慢旋動(dòng)頂部按鈕，聽到“咯”聲停止旋轉(zhuǎn)，記錄零位讀數(shù)L₀ 。 
       b左旋千分尺至讀數(shù)L，記錄L，此時(shí)兩極板間距d=L-L₀ 
       c在頻率1KHz進(jìn)行開、短路點(diǎn)頻清零，選擇Cp-D 功能。將接線夾子連接到測(cè)量裝置的接線柱上，測(cè)量極板間為空氣時(shí)的電容C₁
       d將樣品慢慢放入到極板中心，測(cè)試放入樣品時(shí)的電容C₂
       e相同地分別測(cè)量10KHz時(shí)的C₁ 、C₂ 和100KHz時(shí)的 C₁ 、C₂
       f用千分尺測(cè)出樣品的厚度t，用游標(biāo)卡尺測(cè)出樣品直徑d，均應(yīng)在不同位置重復(fù)測(cè)量三次。
 
五、數(shù)據(jù)處理
  1.將測(cè)得的某電容器在不同頻率下對(duì)應(yīng)的Cp 和D值記錄在下表中： 

2.將表中數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Origin中分別得到Cp--f,以及D--f的曲線關(guān)系圖如下：

 

 
圖二：D 隨 f 的變化曲線圖

3.寬頻介電常數(shù)測(cè)試儀結(jié)合圖表進(jìn)行分析：
       我們知道電容容量與頻率是曲線關(guān)系，在諧振點(diǎn)之前，電容容量隨頻率的增加而減小，在諧振點(diǎn)之后，電容容量隨頻率的增加而增加。
       結(jié)合表格和圖一我們發(fā)現(xiàn)該電容原件在 600KHz前電容是隨頻率f的增大而減小的，而在600KHz之后電容隨頻率f的增大而增大，即600KHz左右為諧振點(diǎn)。上面說的曲線關(guān)系，是電容與頻率的關(guān)系，而電容與頻率的關(guān)系可以間接反映出電容容量與f的關(guān)系，即Z(=ESR+jwL-j/wC)與頻率的關(guān)系。在低頻范圍內(nèi)，電容呈現(xiàn)容抗特性；中頻范圍內(nèi)，主要是ESR特性；高頻范圍內(nèi)，感抗占主導(dǎo)作用。
      一般的大容量的電容對(duì)高頻的響應(yīng)很差對(duì)低頻的響應(yīng)卻好，而容量小的電容對(duì)低頻的響應(yīng)很差而對(duì)高頻的響應(yīng)卻非常好。因此可以根據(jù)不同的頻率需要選擇合適的電容。
       由圖二介電損耗D隨頻率f的變化關(guān)系圖可以看出，一開始開始損耗隨著頻率的增加是緩慢增加的，當(dāng)頻率增加大1500KHz時(shí)，損耗D陡然增大。而在實(shí)際中，我們可以由電容在不同測(cè)試頻率下的損耗因子的變化來決定電路的模式選擇。若頻率升高而損耗增加，則應(yīng)選用串聯(lián)等效電路；若頻率升高而損耗減小，則應(yīng)選用并聯(lián)等效電路。該測(cè)試的電容有圖二看出，其損耗隨f增加而增加，所以該電容適用于串聯(lián)等效電路。
 
4.寬頻介電常數(shù)測(cè)試儀對(duì)測(cè)試樣品的測(cè)量
相關(guān)數(shù)據(jù)說明:零位Lo=19.66mm; 復(fù)位L=24.66mm; 極板間距d=LLo=5mm;
            測(cè)試樣品 直徑d=3cm; 樣品厚度t=4mm；
            測(cè)量極板間為空氣的電容：C1；
            測(cè)量放入樣品時(shí)的電容：C2； 頻率：f；

 

根據(jù)相關(guān)公式（結(jié)合圖示進(jìn)行說明）
不同頻率下測(cè)得的C1和C2，算出的介質(zhì)的介電常數(shù)數(shù)值如下：

 
       通過相關(guān)資料的查閱，我們知道：材料的介電常數(shù)形成主要是由某些極化引起的，所謂極化是某些偶極子定向排列產(chǎn)生，由于頻率的變化，偶極子隨外場(chǎng)反轉(zhuǎn)，當(dāng)頻率很高，由于材料內(nèi)部一定的阻力，使偶極子反轉(zhuǎn)跟不上電場(chǎng)的速度，就會(huì)形成一種馳豫，馳豫也是介質(zhì)材料產(chǎn)生損耗的原因之一，高頻情況下，有些偶極子停止反轉(zhuǎn)，所以對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)為零。材料中一般都存在好幾種極化方式，各種極化馳豫發(fā)生的頻段不一樣，所以總的來說，隨著頻率的升高，介電常數(shù)一般減小。
      因此由于介電損耗的存在，當(dāng)f 增大時(shí)，損耗增大，從而發(fā)現(xiàn)我們得到樣品的介電常數(shù)隨頻率增大而減小。
 
六、思考問題
1.介質(zhì)中的損耗是怎樣產(chǎn)生的？什么是損耗D和品質(zhì)因數(shù)Q？
答：絕緣材料在電場(chǎng)作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起能量的損耗。
損耗D：在交變電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)流過的電流相量與電壓相量之間的夾角的正切值。
品質(zhì)因數(shù)Q：電學(xué)和磁學(xué)的量，表示一個(gè)儲(chǔ)能器件（電容，電感線圈等），諧振電路中所儲(chǔ)能量同每周期損耗之比的一種質(zhì)量指標(biāo)，數(shù)值上等于D的倒數(shù)。
2.為什么有串聯(lián)和并聯(lián)測(cè)試模式？怎樣選擇串聯(lián)和并聯(lián)測(cè)試模式？
答：根據(jù)選用的電容的大小進(jìn)行的必要的選擇，從而提高測(cè)量的靈敏度。
對(duì)于小電容，大電感來說，電抗一般都較大。這意味著并聯(lián)電阻的影響相對(duì)于小數(shù)值串聯(lián)電阻更加顯著，所以應(yīng)采用并聯(lián)電路模型。相反，對(duì)于大電容，小電感則采用串聯(lián)模型。一般電抗大于10千兆用并聯(lián)，小于10千兆用串聯(lián)模型。實(shí)際中，可以由電容在兩個(gè)不同測(cè)試頻率下?lián)p耗因子的變化來決定。若頻率升高而損耗增加，則采用串聯(lián)等效電路；若頻率升高而損耗減小，則應(yīng)采用并聯(lián)等效電路。對(duì)于電感來說，情況正好相反。
3.介電性質(zhì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)為什么對(duì)溫度和相對(duì)濕度要維持一定的指標(biāo)？
答：因?yàn)榻殡姵?shù)和介電損耗因素會(huì)受溫度和濕度的影響而變化，所以要講它們維持在一定的指標(biāo)，從而提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。