薄膜材料介电常数测量仪

薄膜材料介电常数测量仪本测试装置是由二只测微电容器组成，平板电容器一般用来夹持被测样品，园筒电容器是一只分辨率高达0.0033pF的线性可变电容器，配用仪器作为指示仪器，绝缘材料的损耗角正切值是通过被测样品放进平板电容器和不放进样品的Q值变化，由园筒电容器的刻度读值变化值而换算得到的。同时，由平板电容器的刻度读值变化而换算得到介电常数。

薄膜材料介电常数测量仪

1．Q值测量范围：2～1023

2．Q值量程分档：30、100、300、1000、自动换档或手动换档；

3．电感测量范围：自身残余电感和测试引线电感的自动扣除功能4.5nH-100mH 分别有0.1μH、0.5μH、2.5μH、10μH、50μH、100μH、1mH、5mH、10mH九个电感组成。

4．电容直接测量范围：1～460pF                                                

5．主电容调节范围： 30～500pF                                            

6．电容准确度 150pF以下±1.5pF；150pF以上±1%                                                                   7．信号源频率覆盖范围10KHz-70MHz （双频对向搜索  确保频率不被外界干扰）另有GDAT-C 频率范围10KHz-70MHz及200KHZ-160M

8、型号频率指示误差：1*10-6 ±1                                      

Q值合格指示预置功能范围：5～1000

Q值自动锁定，无需人工搜索

9．Q表正常工作条件

a. 环境温度：0℃～+40℃

b．相对湿度：<80％；

c．电源：220V±22V，50Hz±2.5Hz。

10．其他

a．消耗功率：约25W；   

b．净重：约7kg；   

c. 外型尺寸：（l×b×h）mm：380×132×280。

11．产品配置：

a.测试主机一台；

b.电感一套；

c.夹具一 套 

基于上述理由，为了正确地测量元件的Q值，还需要考虑到测试回路中残余参数的影响。

本机测试回路中残余成分是很小的，对一般的测量可予忽略，即Q表指示

读得值等于被测元件的有效Q值。对测试频率高于10MHz，又要较高精确度时，需按均值进行修正。均值的高低能直接表征Q表自身回路的品质优劣。不能提供均值的Q表，其测得Q值的有效性不能得到确认。Q表修正值见第13页的表格。(1) Q量程键：开机默认状态为Q值手动量程(Manual)的MQ档。按Q量程键即为Q值自动量程（Auto），再按该键，又为手动量程。

(2) Q记忆键：按该键即能实现Q值自动记忆功能，此时显示屏上以较小字体 显示的Q值为调谐过程中的变化值，而Q值框内为谐振峰值，即Q值。

(3) Σ测量键:这是对绝缘材料进行介电常数（ε）和损耗角正切值（tanδ）测量的功能键。要完成该功能测量还需相应的测试夹具和调谐电感器的配合。

(4) Q预置键，当按键后，即能把当时显示的Q值作为预置值，以后当测试超过该值时，会显示“GO”并蜂鸣，表示超过原预置值。适宜于批量元件测试。

(5) 彩屏显示区，（见4.3显示屏示意图五）。

(6) 频率设置数字和小数点键共11个。。

(7) “SET”键，快速按一次该键，就进入频率值数字设置状态，通过11个数字和小数点键设置具体频率值，显示屏左上方显示设置的频率值，再按一次“SET”键，即完成频率数字设置。

(8) 信号输出端口：能输出测试信号，频率从1kHz至70MHz，幅值约50mV(1kΩ)。

(9) 当长按“SET”键后，频率显示会从四位数显改变为八位数显，其中一位数在闪变，这时调此频率调节旋钮，顺时针转动频率，反之，降低频率值。

(10) 频率调节粗细选择键，通过该二键选择，使频率调节旋钮的调节细度在合适的位置上。当功能键“Σ测量”启动时，其中“▶”键又复用为“NET”键。

(11) “MHz/kHz”频率单位选择键。

(12) USB通讯口座。

(13)  同轴慢转调谐旋钮，通过该旋钮仔细调谐达到谐振（即大Q值）。

(14) 测试回路接线柱：左边是电感器接线柱，右边是接电容器接线柱。

1 测试工作频率。

2 有效Q值显示，当Q记忆时为调谐过程中Q大值显示，即Q测得值。

3 调谐过程中Q变化值，显示调谐过程帮助操作者调谐用。

4 调谐电容值。

5 软件自动计算的有效L值。

6 Q预置值。

7 超过预置值的显示符号，同时发声。

8 Q量程显示。

9 Q量程手动或自动显示。

10 调谐中Q变化的百分比。

11 Q调谐指针。变压器介质损耗测试仪流体排出法

在电容率近似等于试样的电容率，而介质损耗因数可以忽略的一种液体内进行测量，这种测量与试 样厚度测量的精度关系不大。当相继采用两种流体时，试样厚度和电极系统的尺寸可以从计算公式中 消去.

 试样为与试验池电极直径相同的圆片，或对测微计电极来说，试样可以比电极小到足以使边缘效应 忽略不计。在测微计电极中，为了忽略边缘效应，试样直径约比测微计电极直径小两倍的试样厚度’

5. 1.2.3 边缘效应

为了避免边缘效应引起电容率的测量误差，电极系统可加上保护电极。保护电极的宽度应至少为 两倍的试样厚度，保护电极和主电极之间的间隙应比试样厚度小。假如不能用保护环，通常需对边缘电 容进行修正，表1给出了近似计算公式。这些公式是经验公式，只适用于规定的几种特定的试样形状。

此外，在一个合适的频率和

1— —温度计插孔s

2— —绝缘子s

3— —过剩液体溢流的两个出口 0

图3测■液体的两电极试验池示例1——温度计插孔《

2 1 mm厚的金属板彳

3——石英玻璃&

4 1 mm或2 mm的间隙；

5——温度计插孔。

图4液体测量的平板两电极试验池

附录A

（资料性附录）
仪 器

A. 1西林电桥

A. 1. 1概述

西林电桥是测量电容率和介质损耗因数的经典的装置.它可使用从低于工频（50 Hz〜60 Hz） 直至100 kHz的频率范围，通常测定50 pF〜1 000 pF的电容（试样或被试设备通常所具有的电容）。

这是一个四臂回路（图A.l）o其中两个臂主要是电容（未知电容役和一个无损耗电容另外 两臂（通常称之为测量臂）由无感电阻R和R组成，电阻死 在未知电容Cx的对边上，测量臂至少被 一个电容G分流。一般地说，电容G和两个电阻R和死 中的一个是可调的，

如果采用电阻艮和（纯）电容Cs的串联等值回路来表示电容Cx,则图A. 1所示的电桥平衡时 导出：

Cs = Cn •  （ A* 1 ）

和 tan（5x =（V Cs^s — } R  （ A. 2 ）

如果电阻R被一个电容G分流，则姑渺的公式变为：

tan^x = Ci-Ri —— （ A. 3 ）

由于频率范围的不同，实际上电桥构造会有明显的不同&例如一个50 pF〜1 000 pF的电容在 50 Hz时的阻抗为60 MC〜3 MQ,在100 kHz时的阻抗为3 000 Q〜1 500

频率为100 kHz时，桥的四个臂容易有相同数量级的阻抗，而在50 Hz〜60 Hz的频率范围内则是 不可能的。因此，出现了低频和（相对）高频两种不同形式的电桥。

A. 1.2低频电桥

一般为高压电桥，这不仅是由于灵敏度的缘故，也因为在低频下正是高电压技术特别对电介质损耗 关注的问题.电容臂和测量臂两者的阻抗大小在数量级上相差很多，结果，绝大部分电压都施加在电容 Cx和Cn上，使电压分配不平衡。上面给出的电桥平衡条件只是当低压元件对高压元件屏蔽时才成 立。同时，屏蔽必须接地，以保证平衡稳定。如图A. 2所示。屏蔽与使用被保护的电容G和*是一 致的，这个保护对于CN来说是必不可少的。

由于选择不同的接地方法，实际上形成了两类电桥。

A. L2. 1带屏蔽的简单西林电桥

桥的B点（在测量臂边的电源接线端子）与屏蔽相连并接地。

屏蔽能很好地起到防护高压边影响的作用，但是增加了屏蔽与接到测量臂接线端M和N的各根 导线之间电容，此电容承受跨接测量臂两端的电压，这样会引入一个通常使姑温的测量精度限于 0.1%数量级的误差，当电容公和言不平衡时尤为显著。

A. 1.2. 2带瓦格纳（Wagner）接地电路的西林电桥

图A.2示出了使电桥测量臂接线端与屏蔽电位相等的方法,这种方法是通过使用外接辅助桥臂 Za、ZN瓦格纳接地电路），并使这两个辅助桥臂的中间点P接到屏蔽并接地。调节辅助桥臂（实际为 ZQ以使在ZA和Ze上的电压分别与电桥的电容臂和测量臂两端的电压相等。显然，这个解决方法包 括两个桥即主桥AMNB和辅桥AMPB（或ANPB）同时平衡。通过检测器从一个桥转换到另一个桥逐 次地逼近平衡而终达到二者平衡，用这种方法精度可以提高一个数量级，这时，实际上该精度只决定 于电桥元件的精密度。

14

必须指出，只有当电源的两端可以对地绝缘时才使用上述特殊的解决方法。如果不可能对地绝缘, 则必须使用更复杂的装置（双屏蔽电桥）.

A. 1.3高频西林电桥

这种电桥通常在中等的电压下工作，是比较灵活方便的一种电桥；通常电容CN是可变的（在高压 电桥中电容通常是固定的），比较容易采用替代法。

由于不期望电容的影响随频率的增加而增加，因此仍可有效使用屏蔽和瓦格纳接地线路。

A. 1.4关于检测器的说明

当西林电桥的B点接地时，必须避免检测器的不对称输入（这在电子设备中是常有的）。

然而这样的检测器只要接地输入端总是连接于P点，就能与装有瓦格纳接地线路的电桥一起 使用。

A.2 变压器电桥（电感比例臂电桥）

A.2. 1概述

这种电桥的原理比西林电桥简单。其结构原理见图A. 3O

当电桥平衡时，复电抗厶和Zm之间的比值等于电压矢量LA和耳 间的比值。如果电压矢量的比 值是已知的，便可从已知的Zm推导出Z"在理想电桥中比例UJU2是一个系数K,这样Zk = KZm, 实际上Zm的幅角直接给出汲，

变压器电桥比西林电桥有很大的优点，它允许将屏蔽和保护电极直接接地且不需要附加的辅助 桥臂。

这种电桥可在从工频到数十MHz的频率范围内使用,比西林电桥使用的频率范围宽，由于频率 范围的不同，桥的具体结构也不相同.

A.2.2低频电桥

通常是一个高压电桥（更精密，电压顷 是高压，以是中压），这种电桥的技术与变压器的技术有关。 可采用两类电源：

1） 电源电压直接加到一个绕组上，另一个绕组则起变压器次级绕组的作用。

2） 将电源加到初级绕组上（见图A.3）,而电桥的两个绕组是由两个分开的次级线路组成或是由 一个带有中间抽头能使获得电压，和以 的次级绕组组成.

与所有的测量变压器一样，电桥存在误差（矢量比U} /U2与其理论值之间的差儿 这种误差随负载 而变化，尤其是Ui和以之间的相位差，它会直接影响ta海的测量值。

因此，必须对电桥进行校正，这可以用一个无损耗电容Cn（与在西林电桥中使用的相似）代替Zx进 行.如果d与a的值相同，这实际上是替代法，测试前应校正。但由于&很少是可调的，因此负载 的变化对公不再有效。电桥在恒定负载下工作是可能的，如图A. 4所示：当测量嵐时，用一个转换开 关把6接地，反之亦然。这时对于高压绕组来说两个负载的总和是恒定的。（严格地说，低压边也应 该用一个相似的装置，但由于连在低压边的负载很小，尽管采用这样处理很容易，但意义小。）

另外，若用并联在电压上的一个纯电容*校正时，承受电压以 的测量阻抗Zm组成如下：

1） 如果以 和，是同相的（理想情况），则用一个纯电容Cm组成。

2） 如果U2超前Un则用一个电容Cm和一个电阻Rm组成。

3） 如果以滞后于Un则电阻Rm应变成负的。这就是说，为了重新建立平衡必须在U] 一边并 人一个电阻形成电流分量，其实并不存在适用于高压的可调高电阻，因此通常阻性电流分量 是用一个辅助绕组来获得的，这个辅助绕组提供一个与U]同相的低电压图A. 5）。

注：不可在d上串接一个电阻。因为如果将电阻接在电容器后面会破坏Cn测量极和保护极间的等电位；如果将 电阻接到前面的高压导线上，则电阻（内）电流也将包括保护电路的电流，这就可能无法校正。

这些论述同样适用于上述第二种情况的电阻Rm。但在低压边容易将三个电阻R、足 和F以星形联接来

变压器介质损耗测试仪式中：

AChCh的增量。

在50 kHz到50 MHz的频率范围内能方便地设计这种网络，这种网络也容易有效地屏蔽。但其缺 点是平衡随频率的变化太灵敏，以致于电源频率的谐波很不平衡。为了能拓宽频率范围，必须改变或换 接电桥元件，在较高频率下接线和开关阻抗（若使用开关时）会引入很大的误差。

A* 4谐振法（Q表法）

谐振法或Q表法是在10 kHz到260 MHz的频率范围内使用。它的原理是基于在一个谐振电路 中感应一个已知的弱小电压时，测量在该电路出现的电压。图A. 8表示这种电路的常用形式，在线路 中通过一个共用电阻R将谐振电路耦合到振荡器上，也可用其他的耦合方法。

操作程序是在规定的频率下将输入电压或电流调节到一个已知值，然后调节谐振电路达到大谐 振，观察此时的电压U八 然后将试样接到相应的接线端上，再调节可变电容器使电路重新谐振，观察新 的电压S的值。

在接入试样并重新调节线路时，只要见图A. 8）其总电容几乎保持不变。试样电容近似于 △G即是可变电容器电容的变化量。

试样的损耗因数近似为：

"泌& 余（*一£）  A.9）

式中：

G——电路中的总电容，包括电压表以及电感线圈本身的电容；

Q】、Q°——分别为有无试样联接时的Q值。

特点：优化的测试电路设计使残值更小◆ 高频信号采用数码调谐器和频率锁定技术◆ LED 数字读出品质因数，手动/自动量程切换◆ 自动扫描被测件谐振点，标频单键设置和锁定，大大提高测试速度

作为新一代的通用、多用途、多量程的阻抗测试仪器，测试频率上限达到目前国内高的160MHz。1 双扫描技术 - 测试频率和调谐电容的双扫描、自动调谐搜索功能。2 双测试要素输入 - 测试频率及调谐电容值皆可通过数字按键输入。3 双数码化调谐 - 数码化频率调谐，数码化电容调谐。4 自动化测量技术 -对测试件实施 Q 值、谐振点频率和电容的自动测量。5 全参数液晶显示 – 数字显示主调电容、电感、 Q 值、信号源频率、谐振指针。6 DDS 数字直接合成的信号源 -确保信源的高葆真，频率的高精确、幅度的高稳定。7 计算机自动修正技术和测试回路优化 —使测试回路 残余电感减至低，彻底 Q 读数值在不同频率时要加以修正的困惑。

标准配置：高配Q表 一只  试验电极  一只 （c类）电感      一套（9只）电源线    一条说明书    一份合格证    一份保修卡    一份

为什么介电常数越大，绝缘能力越强？因为物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系数。

介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数。所以理论上来说，介电常数越大，绝缘性能就越好。

注：这个性质不是成立的。

对于绝缘性不太好的材料(就是说不击穿的情况下,也可以有一定的导电性)和绝缘性很好的材料比较,这个结论是成立的。

但对于两个绝缘体就不一定了。

介电常数反映的是材料中电子的局域(local)特性,导电性是电子的全局(global)特征.不是一回事情的。

补充：电介质经常是绝缘体。其例子包括瓷器(陶器)，云母，玻璃，塑料，和各种金属氧化物。有些液体和气体可以作为好的电介质材料。干空气是良好的电介质，并被用在可变电容器以及某些类型的传输线。蒸馏水如果保持没有杂质的话是好的电介质，其相对介电常数约为80。

对于时变电磁场，物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系数。介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数介电常数,用于衡量绝缘体储存电能的性能.它是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比。介电常数代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强。电容器两极板之间填充的介质对电容的容量有影响，而同一种介质的影响是相同的，介质不同，介电常数不同

介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失，简称介损。在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角（功率因数角Φ）的余角δ称为介质损耗角。

损耗因子也指耗损正切，是交流电被转化为热能的介电损耗（耗散的能量）的量度，一般情况下都期望耗损因子低些好。

概念：

电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明有部分电能已转化为热能耗散掉，电介质在电场作用下，在单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗功率，或简称介质损耗（diclectric loss）。介质损耗是应用于交流电场中电介质的重要品质指标之一。介质损耗不但消耗了电能，而且使元件发热影响其正常工作。如果介电损耗较大，甚至会引起介质的过热而绝缘破坏，所以从这种意义上讲，介质损耗越小越好。

形式

各种不同形式的损耗是综合起作用的。由于介质损耗的原因是多方面的，所以介质损耗的形式也是多种多样的。介电损耗主要有以下形式：

1）漏导损耗

实际使用中的绝缘材料都不是完善的理想的电介质，在外电场的作用下，总有一些带电粒子会发生移动而引起微弱的电流，这种微小电流称为漏导电流，漏导电流流经介质时使介质发热而损耗了电能。这种因电导而引起的介质损耗称为“漏导损耗”。由于实阿的电介质总存在一些缺陷，或多或少存在一些带电粒子或空位，因此介质不论在直流电场或交变电场作用下都会发生漏导损耗。

2）极化损耗

在介质发生缓慢极化时（松弛极化、空间电荷极化等），带电粒子在电场力的影响下因克服热运动而引起的能量损耗。

　　一些介质在电场极化时也会产生损耗，这种损耗一般称极化损耗。位移极化从建立极化到其稳定所需时间很短（约为10-16～10-12s），这在无线电频率（5×1012Hz 以下）范围均可认为是极短的，因此基本上不消耗能量。其他缓慢极化（例如松弛极化、空间电荷极化等）在外电场作用下，需经过较长时间（10-10s或更长）才达到稳定状态，因此会引起能量的损耗。

若外加频率较低，介质中所有的极化都能完全跟上外电场变化，则不产生极化损耗。若外加频率较高时，介质中的极化跟不上外电场变化，于是产生极化损耗。

电离损耗

电离损耗（又称游离损耗）是由气体引起的，含有气孔的固体介质在外加电场强度超过气孔气体电离所需要的电场强度时，由于气体的电离吸收能量而造成指耗，这种损耗称为电离损耗。

结构损耗

在高频电场和低温下，有一类与介质内邻结构的紧密度密切相关的介质损耗称为结构损耗。这类损耗与温度关系不大，耗功随频率升高而增大。