Wayne Kerr Electronics 液體介電常數(shù)測(cè)試

1背景介紹 

電介質(zhì)材料在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷在表面削弱電場(chǎng)，原外加電場(chǎng)（真空中）與最終介質(zhì)中電場(chǎng)的比值及為介電常數(shù)。常用的電介質(zhì)材料是絕緣體如：陶瓷、云母、玻璃、塑料、有機(jī)材料等，但有些液體也可以作為較好的電介質(zhì)材料。 液體介質(zhì)的介電常數(shù)對(duì)微波化學(xué)、地球物理、遙感環(huán)境檢測(cè)及食品安全等都有重要的意義。通過(guò)檢測(cè)汽油介電常數(shù)計(jì)算汽油的辛烷值可以確定汽油的質(zhì)量，在對(duì)油田地下層探測(cè)中，可利用介電常數(shù)來(lái)區(qū)分含烴層和含水層，此外實(shí)驗(yàn)證明介電常數(shù)的變化與行車(chē)?yán)锍?、?rùn)滑油酸值和鐵含量有良好的關(guān)系，可以利用介電常數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油性能，在食品安全方面，可以用食用油介電常數(shù)的變化來(lái)判定高溫加熱或長(zhǎng)時(shí)間存放中的質(zhì)量的變化。

2介電常數(shù)的定義 

介電常數(shù)描述的是材料與電場(chǎng)之間的相互作用。圖 1 顯示了介電常數(shù)的主要計(jì)算公式。介電常數(shù) K 等于復(fù)數(shù)相對(duì)介電常數(shù) εr? ，或復(fù)數(shù)介電常數(shù) ε? 與真空介電常數(shù) ε0 的比值。復(fù)數(shù)相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部 εr’ 表示外部電場(chǎng)有多少電能儲(chǔ)存到材料中; 對(duì)于絕大多數(shù)固體和液體來(lái)說(shuō)，εr’> 1。復(fù)數(shù)相對(duì)介電常數(shù)的虛部 εr’’ 稱(chēng)為損耗系數(shù)，表示材料中儲(chǔ)存的電能有多少消耗或損失到外電場(chǎng)中。 εr’’ 始終> 0。損耗系數(shù)同時(shí)包括介電材料損耗和電導(dǎo)率的效應(yīng)。 

如果用簡(jiǎn)單的矢量圖 (圖 1) 表示復(fù)數(shù)介電常數(shù)，那么實(shí)部和虛部的相位將會(huì)相差90°。其矢量和與實(shí)軸 (εr’) 形成夾角 δ。通常使用這個(gè)角度的正切值 tanδ 或損耗角正切來(lái)表示材料的相對(duì)?損耗?。術(shù)語(yǔ)?損耗?在技術(shù)文獻(xiàn)中又稱(chēng)為?介電損耗?。

3 用平行板法測(cè)量介電常數(shù) 

當(dāng)使用阻抗分析儀測(cè)量介電常數(shù)時(shí)，通常采用平行板法。平行板法在ASTM D150標(biāo)準(zhǔn)中又稱(chēng)為3端子法，其原理是通過(guò)在兩個(gè)電極之間插入一個(gè)材料或液體薄片組成一個(gè)電容器，(注: 在本文以下部分中，被測(cè)材料無(wú)論是固體還是液體均用 MUT 表示。) 然后測(cè)量其電容，根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算介電常數(shù)。

圖2液體夾具示意圖

圖2接地電極，可以消除邊緣電容所導(dǎo)致的測(cè)量誤差。保護(hù)電極會(huì)吸收邊緣的電場(chǎng)，所以在電極之間測(cè)得的電容只是由流經(jīng)介電材料的電流形成，這樣便可以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。當(dāng)結(jié)合使用主電極和保護(hù)電極時(shí)，主電極稱(chēng)為被保護(hù)電極(guarded electrode)。

WK 6500B 相對(duì)介電常數(shù)測(cè)試

Wayne Kerr 6500B 精密阻抗分析儀，軟件選配有材料測(cè)試軟件（訂購(gòu)代碼 /K），這個(gè)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(guò)這個(gè)軟件可以更容易的計(jì)算出相對(duì)介電常數(shù)的相關(guān)參數(shù)，軟件界面如下：

介電常數(shù)測(cè)試參數(shù)： 

E??? 相對(duì)介電常數(shù)復(fù)數(shù)值 

E?? ′ 相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部 

E′′r相對(duì)介電常數(shù)虛部 

tan δ損耗因子 D 損耗因子