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稳科Wayne Kerr介电常数测试方案

1背景介绍

电介质材料在外加电场时会产生电荷在表面削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场的比值及为介电常数。常用的电介质材料是绝缘体如：陶瓷、云母、玻璃、塑料、有机材料等，但有些液体也可以作为较好的电介质材料。

液体介质的介电常数对微波化学、地球物理、遥感环境检测及食品安全等都有重要的意义。通过检测汽油介电常数计算汽油的辛烷值可以确定汽油的质量，在对油田地下层探测中，可利用介电常数来区分含烃层和含水层，此外实验证明介电常数的变化与行车里程、润滑油酸值和铁含量有良好的关系，可以利用介电常数来评价发动机的机油性能，在食品安全方面，可以用食用油介电常数的变化来判定高温加热或长时间存放中的质量的变化。

2电常数的定义

介电常数描述的是材料与电场之间的相互作用。图 1 显示了介电常数的主要计算公式。介电常数 (K) 等于复数相对介电常数 (〖εr〗^* )，或复数介电常数(ε^* ) 与真空介电常数 (ε0) 的比值。复数相对介电常数的实部 (〖εr〗^’ ) 表示外部电场有多少电能储存到材料中; 对于绝大多数固体和液体来说，〖εr〗^’> 1。复数相对介电常数的虚部(〖εr〗^(’’) )称为损耗系数，表示材料中储存的电能有多少消耗或损失到外电场中。(〖εr〗^(’’) ) 始终 > 0。损耗系数同时包括介电材料损耗和电导率的效应。

如果用简单的矢量图 (图 1) 表示复数介电常数，那么实部和虚部的相位将会相差90°。其矢量和与实轴 (〖εr〗^’) 形成夹角 δ。通常使用这个角度的正切值 tanδ 或损耗角正切来表示材料的相对“损耗”。术语“损耗”在技术文献中又称为“介电损耗”。

图 1相对复数常数定义

K^*=ε_r^*=ε^*/ε_0 =ε_r^'-jε_r^''=(ε^'/ε_0 )-j(ε^''/ε_0 ) 

tanδ=(ε_r^'')/(ε_r^' )=D

D：损耗系数

K^*：介电常数

ε_0：自由空间介电常数

3 用平行板法测量介电常数

当使用阻抗分析仪测量介电常数时，通常采用平行板法。平行板法在ASTM D150标准中又称为3端子法，其原理是通过在两个电极之间插入一个材料或液体薄片组成一个电容器，(注: 在本文以下部分中，被测材料无论是固体还是液体均用 MUT 表示。) 然后测量其电容，根据测量结果计算介电常数。

图2接地电极，可以消除边缘电容所导致的测量误差。保护电极会吸收边缘的电场，所以在电极之间测得的电容只是由流经介电材料的电流形成，这样便可以获得准确的测量结果。当结合使用主电极和保护电极时，主电极称为被保护电极(guarded electrode)。

序号项目描述

1上电极电极直径26mm

2液体容腔直径32mm 厚度2mm

3液体导管直径6mm

4下电极电极直径30mm

5锁紧螺丝4个羊角锁紧螺丝

注：最少需要注入液体体积：3ml，液体夹具空载电容1.3pF±10%

5 1J1002+1J1022配合使用

1J1002是用于连接WK仪器和2端口的测试夹具连接线，通过高频校准器，可以校准1J1002连接线，然后连接到测试夹具两端进行测试，为了增加测试的准确性，可以在液体夹具的两端做开路和短路校准。

6 规格参数

-测试频率范围：20Hz~30MHz

-基本测试精度：0.05%（6500）

-最少测量样品不少于 3ml

-操作温度：-25℃~125℃

-校准补偿：开路 短路 高频补偿

7 校准流程

-连接1J1002，设置仪器校准频率范围30MHz

-对1J1002连接线做开路、短路、高频校准

-连接1J1022

8 WK 6500B相对介电常数测试软件

Wayne Kerr 6500B 精密阻抗分析仪，软件选配有材料测试软件（订购代码 /K），这个软件只能安装在精密阻抗分析仪上，不能安装在6500P的高频LCR表上。通过这个软件可以更容易的计算出相对介电常数的相关参数，软件界面如下：

介电常数测试参数：

E_r^* 相对介电常数复数值

  E_r^' 相对介电常数实部

E''r 相对介电常数虚部

tan δ 损耗因子

D 损耗因子

软件设置

1）Non-Contact Method：勾选此选项

2）Electrode separation ‘tg’: 输入2.1

3）Material thickness‘tm’：输入2.1

4）闭合液体夹具1J1022，不放入任何的测试样品，点击按钮 Measure Cg reference data，直至测试完成。

5）通入测试液体，选择测试参数  E_r^' E''r 

6）按下仪表上Trigger 触发测试

9 WKE Liquid Test测试液体介电常数

此软件可以测试介电常数随着频率变化和时间变化，当扫描时间变化可以设置多个频率点进行测试。

扫频率测试介电常数

时间变化扫描介电常数变化

测试步骤

设置好测试的频率范围和点数

在测试设置中选择C0测试，并选择等效电路并联，不放入任何液体

测试C0值保存到文件

通入液体，选择E_r^' E''r

电极开始测试按钮进行测试

10注意事项

1）1022校准：在测试完成高浓度离子、导电能力强的液体之后需要将1022清洗干净并擦干后再做校准，防止依附在电极上的离子对校准造成影响

2）1022测试Co值：当1022在测试高浓度离子液体之后，再次测试Co值的时候，应当先用清水清洗干净，擦干后再测试Co值，而不是直接将1022打开擦干后测试Co值，因为电极之间会依附有一定量的导电离子，使得测试的Co错误。

3）在校准或者测试Co的时候，最好将1022夹具上两个软管水平放置，而不是垂直放置，防止在软管垂直放置的时候里面的液体流到两个电极的电容腔内，造成校准或测试Co的错误

4）在测试完成有腐蚀性液体后，记得清洗夹具，防止夹具被腐蚀

11 相关计算公式

在测试介电常数时，都做了一个测试空气电容C0，通过仪器测试Cp-Rp可以通过计算公式，计算出介电常数。

其中对液体的等效电路模型理解为：

介电常数等效电路计算公式：

ε_r^'=C_p/C_0 

ε_r^''=1/(ωC_0 R_p )