介电常数测试仪 介质损耗仪特点及应用

LJD介电常数及介质损耗测试系统使用方法

一 介电常数测试方法与步骤

1.        把S916测试夹具装置上的插头插入到主机测试回路的“电容”两个端子上。

介电常数测试仪 介质损耗仪特点及应用

2.        在主机电感端子上插上和测试频率相适应的高Q值电感线圈（本公司 主机配套使用的LKI-1电感组能满足要求），如：1MHz 时电感取100uH，15MHz时电感取1.5uH。

3.        被测样品要求为圆形，直径50.4--52mm/38.4--40mm，这是减小因样品边缘泄漏和边缘电场引起的误差的有效办法。样品厚度可在1--5mm之间(当材料介电大于6的情况下建议材料≥2mm)，样品太薄或太厚就会使测试精度下降，样品要尽可能平整。

4.        调节S916测试夹具的测微杆，使S916测试夹具的平板电容极片相接为止，按ZERO 清零按键，初始值设置为0。

1. 再松开两片极片，把被测样品夹入平板电容上下极片之间，调节S916测试夹具的测微杆，直到平板电容极片夹住样品止（注意调节时要用S916测试夹具的测微杆，以免夹得过紧或过松），这时能读取的测试装置液晶显示屏上的数值，既是样品的厚度D₂。改变主机上的主调电容容量（旋转主调电容旋钮改变主调电容电容量），使主机处于谐振点（Q值大值）上。
2. 取出S916测试夹具中的样品，这时主机又失去谐振（Q值变小），此时调节S916测试夹具的测微杆，使主机再回到谐振点（Q值大值）上，读取测试装置液晶显示屏上的数值记为D_4.
3. 计算被测样品的介电常数:

     Σ＝D₂ / D₄

二 介质损耗测试方法与步骤

1.    主机C₀值的计算方式:

1. 选一个适当的谐振电感接到“Lx”的两端；
2. 将调谐电容器调到200P左右，令这个电容是C₄，
3. 按下仪器面板的频率搜索键，使测试回路谐振，谐振时Q的读数为Q₄(注：若频率搜索未能找到zui高Q值谐振点，可以通过频率旋钮来微调频率来达到Q值大值的谐振点；
4. 将测试夹具接在“Cx”两端，放入材料，上下极片夹紧材料后记住夹具显示值，然后拿出材料，调回到夹具的显示数值，调节主调电容，使测试电路重新谐振，此时可变电容器值为C₃，Q值读数为Q₃。(注：C₃数值肯定比C₄要小)

机构电容的有效电容为：C_z= C₄－C₃

分布电容为机构电容C_Z和电感分布电容C_L（参考电感的技术说明）的和

介质损耗系数/介质损耗正切值为

2. 把S916测试夹具装置上的插头插入到主机测试回路的“电容”两个端子上。

3. 在主机电感端子上插上和测试频率相适应的高Q值电感线圈（本公司 主机配套使用的LKI-1电感组能满足要求），如：1MHz 时电感取100uH，15MHz时电感取1.5uH。

4. 被测样品要求为圆形，直径50.4--52mm/38.4--40mm，这是减小因样品边缘泄漏和边缘电场引起的误差的有效办法。样品厚度可在1--5mm之间，样品太薄或太厚就会使测试精度下降，样品要尽可能平直。

5. 调节S916测试夹具的测微杆，使S916测试夹具的平板电容极片相接为止，按ZERO 清零按键，初始值设置为0。再松开两片极片，把被测样品夹入两片极片之间，调节S916测试夹具的测微杆，到的平板电容极片夹住样品止（注意调节时要用S916测试夹具的，以免夹得过紧或过松），这时能读取的测试装置液晶显示屏上的数值，既是样品的厚度D₂，改变主机上的主调电容容量，使主机处于谐振点（Q值大值），然后按一次 主机上的小数点（tgδ）键，在显示屏上原电感显示位置上将显示C₀= x x x(C₀=C_z+C_L电感分布电容)需要手动输入，记住厚度D₂的值，此时显示数值为C₂和Q₂。

6. 取出S916测试夹具中的样品，（保持S916测试夹具的平板电容极片之间距不变）这时主机又失去谐振（Q值变小），再改变主机上的主调电容容量，使主机重新处于谐振点（Q值大值）上。

7. 注意：多次测试同一个材料时，要求保持每次材料厚度的读数*。

8. 第二次按下 主机上的小数点（tgδ）键，显示屏上原C₂和Q₂显示变化为C₁和Q₁，同时显示介质损耗系数tn =．x x x x x ，即完成测试。

9. 出错提示，当出现tn =  NO 显示时，说明测试时出现了差错，发生了Q₁ ≤ Q₂和C₁ ≤ C₂的错误情况。

附录 一

介电常数测试仪 介质损耗仪特点及应用显示数据介绍：

附录 二

LKI-1电感组

LKI-1型电感组共包括不同电感量的电感9个，凡仪器在进行测试线圈的分布电容量，电容器的电容量，高频介质损耗，高频电阻和传输线特性阻抗等高频电路和元件的电性能时，必须用电感组作辅助工具。

本电感组有较高Q值，能使仪器测量时得到尖锐谐振点，因而增加其测量的准确度，各电感的有关数据如下表：

附录 三

一  如何测试带粘性超薄绝缘材料的介电常数

1 用锡箔纸覆胶在材料的两面，上下层锡箔纸不能接触。锡箔纸厚度为DX;

2 超薄材料需要叠加：叠加方式如下

                                   250μ贴合6层后测试；

200μ贴合8层后测试；

175μ贴合9层后测试；

125μ贴合12层后测试；

100μ贴合15层后测试；

75μ贴合20层后测试；

50μ贴合30层后测试。

3 计算公式

  Σ＝(D2-2*DX)/D4

4 介质损耗系数测试同理

产品名称：介电常数测试仪介绍

产品型号：LJD-B、LJD-C、QS-37

符合标准：GB/T1409、GB/T5594

产品用途：固体、液体绝缘材料的介电常数及介质损耗测试

适用材料：橡胶塑料薄膜、陶瓷玻璃、绝缘材料、高分子材料等

测试范围：10KHZ-70MHZ、100KHZ-160MHZ

主要配置：主机Q表、夹具、电感组成

测试项目：介电常数、介质损耗、介质损耗因数、介质损耗角正切值

使用人群：科研所、教学、质量*、*单位等

付款方式：全款发货

产品品牌：中航鼎力

产品货期：1-3个工作日

产品类别：电性能检测仪器

ASTM D150-11

实心电绝缘材料的交流损耗特性和

电容率（介电常数）的标准试验方法¹

本标准是以固定代号D150发布的。其后的数字表示原文本正式通过的年号；在有修订的情况下，为上一次的修订年号；圆括号中数字为上一次重新确认的年号。上标符号（ε）表示对上次修改或重新确定的版本有编辑上的修改。
　　　　本标准经批准用于*所有机构。
1.介电常数测试仪范围
1.1 本试验方法包含当所用标准为集成阻抗时，实心电绝缘材料样本的相对电容率，耗散因子，损耗指数，功率因子，相位角和损耗角的测定。列出的频率范围从小于1Hz到几百兆赫兹。

注1：在普遍的用法，“相对”一词经常是指下降值。

1.2 这些试验方法提供了各种电极，装置和测量技术的通用信息。读者如对某一特定材料相关的议题感兴趣的话，必须查阅ASTM标准或直接适用于被测试材料的其它文件。^2,3

1.3　　本标准并没有*列举所有的安全声明，如果有必要，根据实际使用情况进行斟酌。使用本规范前，使用者有责任制定符合安全和健康要求的条例和规范，并明确该规范的使用范围。特殊危险说明见7.2.6.1和10.2.1。

¹　本规范归属于电学和电子绝缘材料ASTM D09委员会管辖，并由电学试验D09.12附属委员分会直接管理。

当前版本核准于2011年8月1日。2011年8月发行。原版本在1922年批准。前一较新版本于2004年批准，即为　D150-98R04。DOI：10.1520/D0150-11。

²　R. Bartnikas, 第2章, “交流电损耗和电容率测量,” 工程电介质, Vol. IIB, 实心绝缘材料的电学性能, 测量技术, R. Bartnikas, Editor, STP 926,ASTM, Philadelphia, 1987.

³　R. Bartnikas, 第1章, “固体电介质损耗,” 工程电介质,Vol IIA, 实心绝缘材料的电学性能: 分子结构和电学行为, R. Bartnikas and R. M. Eichorn, Editors, STP 783, ASTM, Philadelphia, 1983.

2.介电常数测试仪引用文件
2.1 ASTM标准：⁴

D374 　　　　固体电绝缘材料厚度的标准试验方法

D618 　　　　试验用塑料调节规程

D1082 　　　云母耗散因子和电容率（介电常数）试验方法

D1531 　　　用液体位移法测定相对电容率（介电常数）与耗散因子的试验方法

D1711 　　　电绝缘相关术语

D5032 　　　用饱和甘油溶液方式维持恒定相对湿度的规程

E104 　　　　用水溶液保持相对恒定湿度的标准实施规程

E197 　　　　室温之上和之下试验用罩壳和服役元件规程（1981年取消）⁵

3.介电常数测试仪术语

3.1 定义：

3.1.1 这些试验方法所用术语定义以及电绝缘材料相关术语定义见术语标准D1711。

3.2 本标准术语定义：

3.2.1 电容，C，名词——当导体之间存在电势差时，导体和电介质系统允许储存电分离电荷的性能。

3.2.1.1 讨论——电容是指电流电量 q与电位差V之间的比值。电容值总是正值。当电量采用库伦为单位，电位采用伏特为单位时，电容单位为法拉，即：

C=q/V 　　　　　　　　　　（1）

3.2.2 耗散因子（D），（损耗角正切），（tanδ），名词——是指损耗指数（K''）与相对电容率（K'）之间的比值，它还等于其损耗角（δ）的正切值或者其相位角（θ）的余切值（见图1和图2）。

D=K''/K' 　　　　(2)

⁴　相关ASTM标准，可浏览ASTM，.astm.org或与ASTM客服service@astm.org。ASTM标准手册卷次信息，可参见ASTM标准文件汇总。

⁵　该历史标准的较后批准版本参考.astm.org。

3.2.2.1 讨论——a：

D=tanδ=cotθ=X_p/R_p=G/ωC_p=1/ωC_pR_p　　　　　　　　(3)

式中：

G=等效交流电导，

X_p=并联电抗，

R_p=等效交流并联电阻，

C_p=并联电容，

ω=2πf（假设为正弦波形状）

耗散因子的倒数为品质因子Q，有时成为储能因子。对于串联和并联模型，电容器耗散因子D都是相同的，按如下表示为：

D=ωR_sC_s=1/ωR_pC_p　　　　　　　　(4)

串联和并联部分之间的关系满足以下要求：

C_p=C_s/(1 D²) 　　　　　　　　　　　　(5)

R_p/R_s=(1 D²)/D²=1 (1/D²)=1 Q²　　　　　　　　　　　　　(6)

图1 并联电路的矢量图

图2 串联电路的矢量图

3.2.2.2 讨论——b:串联模型——对于某种具有电介质损耗（图3）的绝缘材料，其并联模型通常是适当的模型，其总是能和偶尔要求模拟在单频率下电容C_s与电阻R_s串联（图4和图2）的某个电容器。

图3 并联电路

图4 串联电路

3.2.3 损耗角（缺相角），（δ），名词——该角度的正切值为耗散因子或反正切值K''/K'或者其余切值为相位角。

3.2.3.1 讨论——相位角和损耗角的关系见图1和图2所示。损耗角有时成为缺相角。

3.2.4 损耗指数，K''（ε''），名词——相对复数电容率虚数部分的大小；其等于相对电容率和耗散因子的乘积。

3.2.4.1 讨论——a——它可以表示为：

K''=K' D=功率损耗/（E²×f×体积×常数） 　　　(7)

　　　　　当功率损耗采用瓦特为单位，施加电压采用伏特/厘米为单位，频率采用赫兹为单位，体积（是指施加了电压的体积）采用立方厘米为单位，此时的常数值为5.556×10^-13。

3.2.4.2 讨论——b——损耗指数是上协定使用的术语。在美国，K''以前成为损耗因子。

3.2.5 相位角，θ，名词——该角度的余切值为耗散因子，反余切值K''/K'，同时也是施加到某一电介质的正弦交流电压与其形成的具有相同频率的电流分量之间的相位角度差值。

3.2.5.1 讨论——相位角和损耗角之间的关系见图1和图2所示。损耗角有时也

称为缺相角。

3.2.6 功率因子，PF，名词——某一材料消耗的功率W（单位为瓦特）与有效正弦电压V和电流I之间乘积（单位为伏特-安）的比值。

3.2.6.1 讨论——功率因子可以采用相位角θ的余弦值（或损耗角的正弦值δ）来表示：

　　　　　　（8）

　　　　当耗散因子小于0.1时，功率因子与耗散因子之间的差值小于0.5%。可从下式找到它们的准确关系：

　　　　　　（9）

3.2.7 相对电容率（相对介电常数）（SIC）K'（ε_r），名词——相对复数电容率的实数部分。它也是采用某一材料作为电介质的某一给定形状电极等效并联电容C_p与采用真空（或空气，适用于多数实际用途）作为电介质的相同形状电极电容C_v之间的比值。

K'=Cp/C_v　　　　　　　　　　　（10）

3.2.7.1讨论——a——在普遍的用法，“相对”一词经常是指下降值。

3.2.7.2 讨论——b——从经验来看，真空在各处必须采用材料来替代，因为其能显著改变电容。电介质等效电路假设包含一个电容C_p，该电容与电导并联。

3.2.7.3 讨论——c——C_x视为图3所示的等效并联电容C_p。

3.2.7.4 讨论——d——当耗散因子为0.1时，串联电容大于并联电容，但是两者差值小于1%，而当耗散因子为0.03时，两者差值小于0.1%。如果测量电路获得串联部分的结果，在计算修正值和电容率之前，并联电容必须由公式5计算得出。

3.2.7.5 讨论——e——干燥空气在23℃和101.3kPa标准压力下的电容率为1.000536（1）。⁶其从整体的背离值K'-1与温度成反比，同时直接与大气压力成正比。当空间在23℃下达到水蒸气饱和时，电容率增加至为0.00025（2,3），同时随着温度（单位为℃）从10到27℃近似发生线性变化。对于局部饱和，增加值与相对湿度成正比。

4.介电常数测试仪试验方法摘要

4.1 电容和交流电阻测量在一个样本上进行。相对电容率等于样本电容除以（具有相同电极形状）真空电容计算值，同时很大程度上取决于误差源分辨率。耗散因子通常与样本几何形状无关，同时也可以依据测量值计算得出。

4.2 本方法提供了（1）电极，装置和测量方法选择指南；和（2）如何避免或修正电容误差的指导。

4.2.1 一般的测量考虑：

边缘现象和杂散电容 　　　受保护电极

样本几何形状 　　　　　　　　　真空电容计算

边缘，接地和间隙修正

4.2.2 电极系统—接触式电极

电极材料 　　　　　　　　　　　　　金属箔片

导电涂料 　　　　　　　　　　　　　烧银

喷镀金属 　　　　　　　　　　　　　蒸发金属

液态金属 　　　　　　　　　　　　　刚性金属

水

4.2.3 电极系统—非接触式电极

固定电极 　　　　　　　　　　　　　测微计电极

液体置换法

⁶ 括号里的粗体字参阅这些试验方法附属的参考文献清单。

4.2.4 电容和交流损耗测量装置和方法选择

频率 　　　　　　　　　　　　　　　　　直接和替代方法

两终端测量 　　　　　　　　　　　三终端测量

液体置换法 　　　　　　　　　　　精度考虑

5.介电常数测试仪意义和用途

5.1 电容率——绝缘材料通常以两种不同方式来使用，即（1）用于固定电学网络部件，同时让其彼此以及与地面绝缘；（2）用于起到某一电容器的电介质作用。在靠前种应用中，通常要求固定的电容尽可能小，同时具有可接受且*的机械，化学和耐热性能。因此要求电容率具有一个低值。在第二种应用中，要求电容率具有一个高值，以使得电容器能够在外型上能尽可能小。有时使用电容率的中间值来评估在导体边缘或末端的应力，以将交流电晕降至较小。影响电容率的因子讨论见附录X3。

5.2 交流损耗——对于这两种场合（作为电学绝缘材料和作为电容器电介质），交流损耗通常必须是比较小的，以减小材料的加热，同时将其对网络剩余部分的影响降至较小。在高频率应用场合，特别要求损耗指数具有一个低值，因为对于某一给定的损耗指数，电介质损耗直接随着频率而增大。在某些电介质结构中，例如试验用终止衬套和电缆所用的电介质，通常电导增加可获得损耗增大，这有时引入其来控制电压梯度。在比较具有近似相同电容率的材料时或者在材料电容率基本保持恒定的条件下使用任何材料时，这可能有助于考虑耗散因子，功率因子，相位角或损耗角。影响交流损耗的因子讨论见附录X3。

5.4 相关性——当获得适当的相关性数据时，耗散因子或功率因子有助于显示某一材料在其它方面的特征，例如电介质击穿，湿分含量，固化程度和任何原因导致的破坏。然而，由于热老化导致的破坏将不会影响耗散因子，除非材料随后暴露在湿分中。当耗散因子的初始值非常重要的，耗散因子随着老化发生的变化通常是及其显著的。

6.介电常数测试仪一般测量考虑

6.1 边缘现象和杂散电容——这些试验方法是以电极之间的样本电容测量，以及相同电极系统的真空电容（或空气电容，适用于多数实际用途）测量或计算为基础。对于无保护的两电极测量，要求采用两个测定值来计算电容率，而当存在不期望的边缘现象和杂散电容时（它们将包含在测量读数中），变得相当复杂。对于测量用所放置样本之间的两个无保护平行板电极场合，边缘现象和杂散电容见图5和图6所述。除了要求的直接电极之间电容C_v之外，在终端a-a'看到的系统包括以下内容：

图5 　杂散电容，无保护电极

图6 　无保护电极之间的通量线　

C_e=边缘现象或边缘电容，

C_g=每个电极外表面的接地电容，

C_L=连接导线之间的电容，

C_Lg=接地导线的电容，

C_Lc=导线和电极之间的电容。

只有要求的电容C_v是与外部环境无关，所有其它电容都在一定程度上取决于其它目标的接近度。有必要在两个可能的测量条件之间进行区分，以确定不期望电容的影响。当一个测量电极接地时，情况经常是这样的，所述的所有电容与要求的C_v并联，除了接地电极的接地电容及其导线之外。如果C_v放入一个试验箱之内，同时试验箱墙壁具有保护定位，连接到试验箱的导线也受到保护，则接地电容可以不再出现，此时在a-a'处的电容看起来只包括C_v和C_e。对于某一给定电极布置，当电介质为空气时，可以计算得出边缘电容C_e，同时该计算值具有适当的精度。当某一样本放置在电极之间时，边缘电容值可能发生变化，此时要求使用一个边缘电容修正值，该修正值可见表1给出的信息。在许多条件下，已经获得了经验性修正值，这些修正值见表1所示（表1适用于薄电极场合，例如箔片）。在日常工作中，当较佳精度不作要求时，很方便使用无屏蔽的两电极系统，同时进行适当的修正。因为面积（同时因此C_v）以直径平方级增大时，然而周长（同时因此C_e）随着直径线性增大时，由于忽略边缘修正导致的电容率百分比误差随着样本直径增大而减小。然而，为进行准确得测量，有必要使用受保护的电极。

6.2 受保护电极——在受保护电极边缘的边缘现象和杂散电容实际上可通过增加一个按图7和图8所示的保护电极来消除。如果试验样本和保护电极越过受保护电极的延伸距离至少为2倍的样本厚度，同时保护间隙非常小，受保护区域的电场分布将与当真空为电介质时存在的分布相同，同时这两个静电容的比值为电容率。而且，激活电极之间的电场可以进行定义，真空电容也可以计算得出，其精度只受到尺寸已知的精度的限制。由于这个原因，受保护电极（三终端）方法将用于作为仲裁方法，除非另有协定。图8显示了一种完整受保护和屏蔽电极系统的图解。尽管保护通常被接地，所示布置允许接地或测量电极，或者没有电极能容纳被使用的特殊三终端测量系统。如果保护接地，或者连接到测量电路中的一个保护终端上，测量的电容为两个测量电极之间的静电容，无保护电极和导线的接地电容与要求的静电容进行并联连接。为消除该误差源，采用一个屏障连接到保护上来包围无保护电极，如图8所示。除了那些总是不方便或不实际的，且限制频率小于几兆赫兹的保护方法之外，已经设计出使用特殊电池和程序的技术，采用两终端测量，精度相当于受保护测量所获得的精度。此处所述方法包括屏蔽测微计电极（7.3.2）和液体置换方法（7.3.3）。

6.3 样本几何形状——为测定某一材料的电容率和耗散因子，优选薄板样本。圆柱形样本也可以使用，但是通常具有较低的精度。电容率较大不确定度来源是样本尺寸测定，特别是样本厚度测定。因此，厚度应足够大以允许其测量值具有要求的精度。选择的厚度将取决于样本生产的方法和可能的点到点变化。对于1%精度，厚度为1.5mm(0.06in)通常是足够的，尽管对于较大的精度，要求使用一个较厚的样本。当使用箔片或刚性电极时，另一误差源是电极和样本之间的不可以避免的间隙。对于薄样本，电容率误差可大至25%。类似误差在耗散因子中也会产生，尽管当箔片电极涂覆了一种油脂时，两种误差不可能具有相同的大小。为在薄样本上获得较准确的测量值，使用液体置换方法（6.3.3）。该方法降低了或*消除了样本的电极需求。厚度必须进行测定，测量时，在电学测量所用的样本区域上进行系统性地分布测量，厚度测量值均匀性应在±1%的平均厚度之内。如果样本整个区域将被电极覆盖，同时如果已知材料密度，可通过称量法来测定平均厚度。样本直径选择应使得能提供一个具有要求精度的样本电容测量值。采用受到良好保护和遮蔽的装置，将没有困难测量电容为10pF，分辨率为1/1000的样本。如果将要测试一个低电容率的厚样本，则可能将需要直径大于等于100mm，以获得要求的电容精度。在测量较小值的耗散因子时，关键点是电极的串联电阻应不会有助于产生相当大的扩散因子，同时测量网络没有大电容的电阻应与样本进行并联连接。这些观点的靠前点是偏好厚样本；第二点建议大区域的薄样本。测微计电极方法（6.3.2）可用于消除串联电阻的影响。使用一个受保护样本固定架（图8）来将外部电容降至较低。

6.4 真空电容计算——可以较准确计算电容所用的实际形状为平坦平行板和同轴圆筒，电容计算用公式见表1所示。这些公式以测量电极之间的均匀电场，同时在边缘没有边缘现象为基础。以此为基础计算的电容也就是熟知的电极之间静电容。

表1 　真空电容和边缘修正值的计算（见8.5）

注1：所用符号标识见表2。

电极类型	真空内电极之间静电容，pF	在某一边缘的杂散电场修正值，pF
带防护环的圆盘形电极： 　 不带防护环的圆盘形电极： 电极直径=样本直径：		其中
小于样本的等效电极：		其中：=样本允许发生钝态的近似值，同时a<<t。< span="">
不等效电极：		其中：=样本允许发生钝态的近似值，同时a<<t。< span="">
带保护环的圆柱形电极：
不带保护环的圆柱形电极：		其中：=样本允许发生钝态的近似值。