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多功能介電常數(shù)損耗測定儀

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產(chǎn)品簡介

多功能介電常數(shù)損耗測定儀是電介質(zhì)材料極其重要的性質(zhì)。在實際應(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。

詳細(xì)介紹

多功能介電常數(shù)損耗測定儀基本原理
電子材料與元件的電學(xué)性能參數(shù)的測量是一項基本而重要的工作。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量。全面而準(zhǔn)確地掌握這些特性，對分析、改進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)損耗測試儀（數(shù)字電橋）是隨著數(shù)字測量技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新型智能化材料和元件參數(shù)測量儀器，具有使用簡便、效率高、測量精度高等優(yōu)點，在電子材料與元件特性參數(shù)測量和研究中獲得了極其廣泛的應(yīng)用。
介電常數(shù)介質(zhì)損耗測量儀以微處理器為核心、通過采集給定激勵下被測樣品和標(biāo)準(zhǔn)元件的電壓、電流信號并按照—定的數(shù)學(xué)模型進行被測樣品的參數(shù)計算。ZJD-C材料介電常數(shù)介質(zhì)損耗測試儀測量原理以阻抗參數(shù)的數(shù)字化測量為基礎(chǔ)，典型測量方法為矢量電流—電壓法。測量電路原理如圖 1 所示，其中Rs 為標(biāo)準(zhǔn)電阻值，Zx 為待測樣品的阻抗。

圖 1 測量電路原理圖 2 ZJD-C材料介電常數(shù)介質(zhì)損耗測試儀原理框圖

阻抗參數(shù)的測量可首先轉(zhuǎn)化為電壓測量及電壓分量的計算，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)損耗測試儀一般原理框圖。流過待測元件的電流轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，與待測元件的電壓經(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)信號與輸入的電壓信號，產(chǎn)生對應(yīng)于被測電壓與電流信號的二進制數(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)計算得到被測阻抗參數(shù)數(shù)值并顯示。

三、實驗儀器及樣品
1、智德ZJD-C型介電常數(shù)介質(zhì)損耗測試儀
2、電極夾具（使用前需進行零位校準(zhǔn)）
3、標(biāo)準(zhǔn)電容
4、待測樣品

四、實驗內(nèi)容
1、打開電源，預(yù)熱15分鐘以上。
2、對儀器進行點頻清零。
3、測量并記錄某電容器在以下頻率時的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)測試儀對測試樣品進行測量：
a 右旋測量裝置的千分尺，將極板間距調(diào)到零，接近零位時要慢慢旋動頂部按鈕，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，此時兩極板間距d=L-L₀
c在頻率1KHz進行開、短路點頻清零，選擇Cp-D 功能。將接線夾子連接到測量裝置的接線柱上，測量極板間為空氣時的電容C₁
d將樣品慢慢放入到極板中心，測試放入樣品時的電容C₂
e相同地分別測量10KHz時的C₁ 、C₂ 和100KHz時的 C₁ 、C₂
f用千分尺測出樣品的厚度t，用游標(biāo)卡尺測出樣品直徑d，均應(yīng)在不同位置重復(fù)測量三次。

五、數(shù)據(jù)處理
1.將測得的某電容器在不同頻率下對應(yīng)的Cp 和D值記錄在下表中：

Hz	200	400	600	800	MHz	1	1.2	1.5	2.0
C_p- nF	209.64	209.23	208.81	208.47	C_p- nF	212.17	238.42	309.04	410.73
D	0.00689	0.00908	0.01074	0.01212	D	0.17305	0.2160	0.3133	1.7955

KHz	1	2	3	4	5	6	8	10
C_p- nF	208.17	207.04	206.13	205.40	204.72	204.11	203.03	202.17
D	0.01329	0.01778	0.02099	0.02405	0.02622	0.02813	0.03125	0.03401
KHz	12	15	16	18	20	40	80	100
C_p- nF	201.48	200.43	200.11	199.51	198.97	194.91	190.10	188.42
D	0.03644	0.03938	0.04037	0.04203	0.04363	0.05433	0.06701	0.07184
KHz	120	150	200	400	600	800
C_p- nF	186.85	185.24	183.25	181.22	185.42	195.56
D	0.07636	0.08106	0.08821	0.10837	0.12645	0.14652

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：

圖一： Cp 隨 f 的變化曲線圖

圖二：D 隨 f 的變化曲線圖

3.寬頻介電常數(shù)測試儀結(jié)合圖表進行分析：
我們知道電容容量與頻率是曲線關(guān)系，在諧振點之前，電容容量隨頻率的增加而減小，在諧振點之后，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。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高頻的響應(yīng)很差對低頻的響應(yīng)卻好，而容量小的電容對低頻的響應(yīng)很差而對高頻的響應(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，損耗D陡然增大。而在實際中，我們可以由電容在不同測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.多功能介電常數(shù)損耗測定儀對測試樣品的測量
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;
測試樣品直徑d=3cm; 樣品厚度t=4mm；
測量極板間為空氣的電容：C1；
測量放入樣品時的電容：C2；頻率：f；

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

頻率f (KHz)	1	10	100
空載 C1 （PF）	6.3620	6.2419	6.3888
加介質(zhì)C2 （PF）	9.1139	8.6257	8.3380
ε （PF/m）	62.9406	49.1249	37.0989

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)跟不上電場的速度，就會形成一種馳豫，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，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。