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穩科Wayne Kerr介電常數測試方案

日期：2022-07-07瀏覽：2442次

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穩科Wayne Kerr介電常數測試方案


1背景介紹

電介質材料在外加電場時會產生電荷在表面削弱電場，原外加電場（真空中）與最終介質中電場的比值及為介電常數。常用的電介質材料是絕緣體如：陶瓷、云母、玻璃、塑料、有機材料等，但有些液體也可以作為較好的電介質材料。


液體介質的介電常數對微波化學、地球物理、遙感環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計算汽油的辛烷值可以確定汽油的質量，在對油田地下層探測中，可利用介電常數來區分含烴層和含水層，此外實驗證明介電常數的變化與行車里程、潤滑油酸值和鐵含量有良好的關系，可以利用介電常數來評價發動機的機油性能，在食品安全方面，可以用食用油介電常數的變化來判定高溫加熱或長時間存放中的質量的變化。


2電常數的定義

介電常數描述的是材料與電場之間的相互作用。圖 1 顯示了介電常數的主要計算公式。介電常數 (K) 等于復數相對介電常數 (〖εr〗^* )，或復數介電常數(ε^* ) 與真空介電常數 (ε0) 的比值。復數相對介電常數的實部 (〖εr〗^’ ) 表示外部電場有多少電能儲存到材料中; 對于絕大多數固體和液體來說，〖εr〗^’> 1。復數相對介電常數的虛部(〖εr〗^(’’) )稱為損耗系數，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。損耗系數同時包括介電材料損耗和電導率的效應。

如果用簡單的矢量圖 (圖 1) 表示復數介電常數，那么實部和虛部的相位將會相差90°。其矢量和與實軸 (〖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"。術語“損耗"在技術文獻中又稱為“介電損耗"。



圖 1相對復數常數定義

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

tanδ=(ε_r^'')/(ε_r^' )=D

D：損耗系數

K^*：介電常數

ε_0：自由空間介電常數

3 用平行板法測量介電常數

當使用阻抗分析儀測量介電常數時，通常采用平行板法。平行板法在ASTM D150標準中又稱為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，根據測量結果計算介電常數。

圖2接地電極，可以消除邊緣電容所導致的測量誤差。保護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介電材料的電流形成，這樣便可以獲得準確的測量結果。當結合使用主電極和保護電極時，主電極稱為被保護電極(guarded electrode)。



序號項目描述

1上電極電極直徑26mm

2液體容腔直徑32mm 厚度2mm

3液體導管直徑6mm

4下電極電極直徑30mm

5鎖緊螺絲4個羊角鎖緊螺絲

注：最少需要注入液體體積：3ml，液體夾具空載電容1.3pF±10%

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5 1J1002+1J1022配合使用

1J1002是用于連接WK儀器和2端口的測試夾具連接線，通過高頻校準器，可以校準1J1002連接線，然后連接到測試夾具兩端進行測試，為了增加測試的準確性，可以在液體夾具的兩端做開路和短路校準。


6 規格參數

-測試頻率范圍：20Hz~30MHz

-基本測試精度：0.05%（6500）

-最少測量樣品不少于 3ml

-操作溫度：-25℃~125℃

-校準補償：開路 短路 高頻補償


7 校準流程

-連接1J1002，設置儀器校準頻率范圍30MHz

-對1J1002連接線做開路、短路、高頻校準

-連接1J1022

 


8 WK 6500B相對介電常數測試軟件

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算出相對介電常數的相關參數，軟件界面如下：

  

介電常數測試參數：

E_r^* 相對介電常數復數值

  E_r^' 相對介電常數實部

E''r 相對介電常數虛部

tan δ 損耗因子

D 損耗因子



軟件設置

1）Non-Contact Method：勾選此選項

2）Electrode separation ‘tg’: 輸入2.1

3）Material thickness‘tm’：輸入2.1

4）閉合液體夾具1J1022，不放入任何的測試樣品，點擊按鈕 Measure Cg reference data，直至測試完成。

5）通入測試液體，選擇測試參數  E_r^' E''r 

6）按下儀表上Trigger 觸發測試


9 WKE Liquid Test測試液體介電常數

此軟件可以測試介電常數隨著頻率變化和時間變化，當掃描時間變化可以設置多個頻率點進行測試。


掃頻率測試介電常數

時間變化掃描介電常數變化

測試步驟

設置好測試的頻率范圍和點數

在測試設置中選擇C0測試，并選擇等效電路并聯，不放入任何液體

測試C0值保存到文件

通入液體，選擇E_r^' E''r

電極開始測試按鈕進行測試


10注意事項

1）1022校準：在測試完成高濃度離子、導電能力強的液體之后需要將1022清洗干凈并擦干后再做校準，防止依附在電極上的離子對校準造成影響

2）1022測試Co值：當1022在測試高濃度離子液體之后，再次測試Co值的時候，應當先用清水清洗干凈，擦干后再測試Co值，而不是直接將1022打開擦干后測試Co值，因為電極之間會依附有一定量的導電離子，使得測試的Co錯誤。

3）在校準或者測試Co的時候，最好將1022夾具上兩個軟管水平放置，而不是垂直放置，防止在軟管垂直放置的時候里面的液體流到兩個電極的電容腔內，造成校準或測試Co的錯誤

4）在測試完成有腐蝕性液體后，記得清洗夾具，防止夾具被腐蝕



11 相關計算公式

在測試介電常數時，都做了一個測試空氣電容C0，通過儀器測試Cp-Rp可以通過計算公式，計算出介電常數。

其中對液體的等效電路模型理解為：

介電常數等效電路計算公式：

ε_r^'=C_p/C_0 

ε_r^''=1/(ωC_0 R_p )

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