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介电常数测试仪器

简要描述:介电常数测试仪器是电介质材料极其重要的性质。在实际应用中,电介质材料的介电系数和介质损耗是非常重要的参数。例如,制造电容器的材料要求介电系数尽量大,而介质损耗尽量小。相反地,制造仪表绝缘器件的材料则要求介电系数和介质损耗都尽量小。

  • 更新时间:2022-12-07
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详细介绍

介电常数测试仪器
介电特性是电介质材料极其重要的性质。在实际应用中,电介质材料的介电系数和介质损耗是非常重要的参数。例如,制造电容器的材料要求介电系数尽量大,而介质损耗尽量小。相反地,制造仪表绝缘器件的材料则要求介电系数和介质损耗都尽量小。而在某些特殊情况下,则要求材料的介质损耗较大。所以,通过测定介电常数(e)及介质损耗角正切(tgd),可进一步了解影响介质损耗和介电常数的各种因素,为提高材料的性能提供依据。

一、实验目的:
1、探讨介质极化与介电常数、介质损耗的关系;
2、了解高频Q表的工作原理;
3、掌握室温下用高频Q表测定材料的介电常数和介质损耗角正切值。

二、介电常数测试仪器实验原理
按照物质电结构的观点,任何物质都是由不同的电荷构成,而在电介质中存在原子、分子和离子等。当固体电介质置于电场中后会显示出一定的极性,这个过程称为极化。对不同的材料、温度和频率,各种极化过程的影响不同。
1、介电常数(e):某一电介质(如硅酸盐、高分子材料)组成的电容器在一定电压作用下所得到的电容量Cx与同样大小的介质为真空的电容器的电容量Co之比值,被称为该电介质材料的相对介电常数。

式中:Cx —电容器两极板充满介质时的电容;
Co —电容器两极板为真空时的电容;
e —电容量增加的倍数,即相对介电常数
介电常数的大小表示该介质中空间电荷互相作用减弱的程度。作为高频绝缘材料,e要小,特别是用于高压绝缘时。在制造高电容器时,则要求e要大,特别是小型电容器。
在绝缘技术中,特别是选择绝缘材料或介质贮能材料时,都需要考虑电介质的介电常数。此外,由于介电常数取决于极化,而极化又取决于电介质的分子结构和分子运动的形式。所以,通过介电常数随电场强度、频率和温度变化规律的研究,还可以推断绝缘材料的分子结构。
2.介电损耗(tgd):指电介质材料在外电场作用下发热而损耗的那部分能量。在直流电场作用下,介质没有周期性损耗,基本上是稳态电流造成的损耗;在交流电场作用下,介质损耗除了稳态电流损耗外,还有各种交流损耗。由于电场的频繁转向,电介质中的损耗要比直流电场作用时大许多(有时达到几千倍),因此介质损耗通常是指交流损耗。
在工程中,常将介电损耗用介质损耗角正切tgd来表示。tgd是绝缘体的无效消耗的能量对有效输入的比例,它表示材料在一周期内热功率损耗与贮存之比,是衡量材料损耗程度的物理量。
tg
式中:ω —电源角频率;
R —并联等效交流电阻;
C —并联等效交流电容器
凡是体积电阻率小的,其介电损耗就大。介质损耗对于用在高压装置、高频设备,特别是用在高压、高频等地方的材料和器件具有特别重要的意义,介质损耗过大,不仅降低整机的性能,甚至会造成绝缘材料的热击穿。
3、Q值:tgd的倒数称为品质因素,或称Q值。Q值大,介电损失小,说明品质好。所以在选用电介质前,必须首先测定它们的e和tgd。而这两者的测定是分不开的。
通常测量材料介电常数和介质损耗角正切的方法有二种:交流电桥法和Q表测量法,其中Q表测量法在测量时由于操作与计算比较简便而广泛采用。本实验主要采用的是Q表测量法。
4、陶瓷介质损耗角正切及介电常数测试仪:它由稳压电源、高频信号发生器、定位电压表CBl、Q值电压表CB2、宽频低阻分压器以及标准可调电容器等组成(图2)。工作原理如下:高频信导发生器的输出信号,通过低阻抗耦合线圈将信号馈送至宽频低阻抗分压器。输出信号幅度的调节是通过控制振荡器的帘栅极电压来实现。当调节定位电压表CBl指在定位线上时,Ri两端得到约l0mV的电压(Vi)。当Vi调节在一定数值(10mV)后,可以使测量Vc的电压表CB2直接以Q值刻度,即可直接的读出Q值,而不必计算。另外,电路中采用宽频低阻分压器的原因是:如果直接测量Vi必须增加大量电子组件才能测量出高频低电压信号,成本较高。若使用宽频低阻分压器后则可用普通电压表达到同样的目的。

图1 Q表测量电路图
经推导(1) 介电常数:
 (1)
式中:C1—标准状态下的电容量;
C2—样品测试的电容量;
d—试样的厚度(cm);
Φ—试样的直径(cm);
(2) 介质损耗角正切:
 (2)
式中:Q1—标准状态下的Q值;
Q2—样品测试的Q值;
(3) Q值:
 (3)

三、实验仪器及设备
1、仪器设备:
(1) Q表测试仪、电感箱、样品夹具等;
(2) 千分游标卡尺;
2、样品要求:圆形片:厚度2±0.5mm,直径为Φ38±1mm。

四、实验步骤
1、本仪器适用于110V/220V,50Hz交流电,使用前要检查电压情况,以保证测试条件的稳定。
2、开机预热15分钟,使仪器恢复正常状态后才能开始测试。
3、按部件标准制备好的测试样品,两面用特种铅笔或导电银浆涂覆,使样品两面都各自导电,但南面之间不能导通,备用。
4、选择适当的辅助线圈插入电感接线柱。根据需要选择振荡器频率,调节测试电路电容器使电路谐振。假定谐振时电容为C1,品质因素为Q1。
5、将被测样品接在Cx接线柱上。
6、再调节测试电路电容器使电路谐振,这时电容为C2,可以直接读出Q2。
7、用游标卡尺量出试样的直径Φ和厚度d(分别在不同位置测得两个数据,再取其平均值)。

五、结果处理:
1、e和tgd测定记录:
实验数据按表要求填写。
序  号12345
试样厚度




试样直径







C1




C2




Q1




Q2







e




tgd




平均值e = tgd=
2、计算:
根据表格中测得的数据,按公式(1)、(2)分别计算各个数值。

六、注意事项
(1) 电压或频率的剧烈波动常使电桥不能达到良好的平衡,所以测定时,电压和频率要求稳定,电压变动不得大于1%,频率变动不得大于0.5%。
(2) 电极与试样的接触情况,对tgδ的测试结果有很大影响,因此涂银导电层电极要求接触良好、均匀,而厚度合适。
(3) 试样吸湿后,测得的tgδ值增大,影响测量精度,应当严格避免试样吸潮。
(4) 在测量过程中,注意随时电桥本体屏蔽的情况,当电桥真正达到平衡,“本体-屏蔽"开关置于任何一边时,检查计光带均应最小,而无大变化。

七、思考:
1、测试环境对材料的介电常数和介质损耗角正切值有何影响,为什么?
2、试样厚度对介电常数的测量有何影响,为什么?
3、电场频率对极化、介电常数和介质损耗有何影响,为什么?

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