介电常数测试仪详细介绍

中华人民共和国

GB/T1409测量电气绝缘材料在工频、音频、高频

下电容率和介质损耗因数的推荐方法

本标准规定了在15Hz〜300MHz的频率范围内测量电容率、介质损耗因数的方法，并由此计算某些数值，如损耗指数。本标准中所叙述的某些方法，也能用于其他频率下测量。

有时在超过1000V的电压下试验，则会引起一些与电容率和介质损耗因数无关的效应，对此不予论述。

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的新版本。凡是不注日期的引用文件，其新版本适用于本标准。

3、术语和定义

3.1

ε _r

 ……………………………（1）

ε_r——相对电容率;

C_o——真空中电容器的电极电容。

在一个测量系统中，绝缘材料的电容率是在该系统中绝缘材料的相对电容率ε_r与真空电气常数ε_r的乘积。

 ……………………………（2）

3.2

δ

3.3

tanδ

3.4

ε''_r

3.5

ε_r

ε_r——复相对电容率；

ε'_r、ε_r——相对电容率；

注：有损耗的电容器在任何给定的频率下能用电容C_s和电阻R_s的串联电路表示，或用电容C_P和电阻R_P（或电导C_P）并联电路表示。

C_s——串联电容；

1）有些用“损耗角正切”来表示“介质损耗因数”，因为损耗的测量结果是用损耗角的正切来报告的。

R_P——并联电阻。

串联元件与并联元件之间，成立下列关系： 

式（9）、（10）、（11）中：C_s、R_s、C_P、R_P、tanδ同式（7）、（8）。

假如测量电路依据串联元件来产生结果，且tanδ太大而在式（9）中不能被忽略，则在计算电容率前必须先计算并联电容。

4、电气绝缘材料的性能和用途

电介质一般被用在两个不同的方面：

用作电容器介质。

下面分别讨论频率、温度、湿度和电气强度对介电性能的影响。

因为只有少数材料如石英玻璃、聚苯乙烯或聚乙烯在很宽的频率范围内它们的ε_r和tanδ几乎是恒定的，且被用作工程电介质材料，然而一般的电介质材料必须在所使用的频率下测量其介质损耗因数和电容率。

4.2.2温度

4.2.3湿度

注：湿度的显著影响常常发生在1MHz以下及微波频率范围内。

存在界面极化时，自由离子的数目随电场强度增大而增加，其损耗指数值的大小和位置也随此而变。

5、试样和电极

5.1.1试样的几何形状

在测定电容率需要较高精度时，的误差来自试样尺寸的误差，尤其是试样厚度的误差，因此厚度应足够大，以满足测量所需要的度。厚度的选取决定于试样的制备方法和各点间厚度的变化。对1%的度来讲，1.5mm的厚度就足够了，但是对于更高度，好是采用较厚的试样，例如6mm〜12mm。测量厚度必须使测量点有规则地分布在整个试样表面上，且厚度均匀度在±1%内。如果材料的密度是已知的，则可用称量法测定厚度。选取试样的面积时应能提供满足精度要求的试样电容。测量10pF的电容时，使用有良好屏蔽保护的仪器。由于现有仪器的极限分辨能力约1pF，因此试样应薄些，直径为10cm或更大些。

5.1.2电极系统

电极可选用5.1.3中任意一种。如果不用保护环，而且试样上下的两个电极难以对齐时，其中一个电极应比另一个电*大些。已经加有电极的试样应放置在两个金属电极之间，这两个金属电极要比试样上的电极稍小些。对于平板形和圆柱形这两种不同电极结构的电容计算公式以及边缘电容近似计算的经验公式由表1给出。

5.1.2.2试样上不加电极

平板电极或圆柱形电极结构的电容计算公式由表3给出。

5.1.2.2.1空气填充测微计电极

5.1.2.2.2流体排出法

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。

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。

5.1.3构成电极的材料

用极少量的硅脂或其他合适的低损耗粘合剂将金属箔贴在试样上。金属箔可以是纯锡或铅，也可以是这些金属的合金，其厚度为100μm，也可使用厚度小于10μm的铝箔。但是，铝箔在较高温度下易形成一层电绝缘的氧化膜，这层氧化膜会影响测量结果，此时可使用金箔。

烧熔金属电极适用于玻璃、云母和陶瓷等材料，银是普遍使用的，但是在高温或高湿下，好采用金。

锌或铜电极可以喷镀在试样上，它们能直接在粗糙的表面上成膜。这种电极还能喷在布上，因为它们不穿透非常小的孔眼。

假如处理结果既不改变也不破坏绝缘材料的性能，而且材料承受高真空时也不过度逸出气体，则本方法是可以采用的。这一类电极的边缘应界限分明。

把试样夹在两块互相配合好的凹模之间，凹模中充有液体金属，该液体金属必须是纯净的。汞电极不能用于高温，即使在室温下用时，也应采取措施，这是因为它的蒸气是有毒的。

5.1.3.6导电漆

要使用刷漆法做到边缘界限分明的电极较困难，但使用压板或压敏材料遮框喷漆可克服此局限。但在的频率下，因银漆电极的电导率会非常低，此时则不能使用。

一般不推荐使用石墨，但是有时候也可采用，特别是在较低的频率下。石墨的电阻会引起损耗的显著增大，若采用石墨悬浮液制成电极，则石墨还会穿透试样。

5.1.4.1板状试样

a）不加电极，测量时快而方便，并可避免由于试样和电极间的不良接触而引起的误差。

……………………………（12）

△ε_r——相对电容率的偏差；

h——试样厚度； 

若试样上加电极，且试样放在有固定距离S>h的两个电极之间，这时

式中：

ε_r——试样浸入所用流体的相对电容率，对于在空气中的测量则ε_r等于1。

5.1.4.2管状试样

高电容率的管状试样，其内电极和外电极可以伸展到管状试样的全部长度上，可以不用保护电极。

对于非常准确的测量，在厚度的测量能达到足够的精度时，可采用试样上不加电极的系统。对于相对电容率ε_r不超过10的管状试样，方便的电极是用金属箔、汞或沉积金属膜。相对电容率在10以上的管状试样，应采用沉积金属膜电极；瓷管上可采用烧熔金属电极。电极可像带材一样包覆在管状试样的全部圆周或部分圆周上。

5.2.1试验池的设计

满足上述要求的试验池见图2〜图4。电极是不锈钢的，用硼硅酸盐玻璃或石英玻璃作绝缘，图2和图3所示的试验池也可用作电阻率的测定，1EC 60247:1978对此已详细叙述。

5.2.2试验池的准备

试验池应全部拆开，*地清洗各部件，用瑢剂回流的方法或放在未使用溶剂中搅动反复洗涤方法均可去除各部件上的溶剂并放在清洁的烘箱中，在110℃左右的温度下烘干30min。

在上述各步骤中，各部件可用干净的钩针或钳子巧妙地处理，以使试验池有效的内表面不与手接触。

注2:采用溶剂时，有些溶剂特别是苯、四氧化碳、甲苯、二甲苯是有毒的，所以要注意防火及毒性对人体的影响，此外，氧化物溶剂受光作用会分解。

当需要高精度测定液体电介质的相对电容率时，应首先用一种已知相对电容率的校正液体（如苯）来测定“电极常数'。

 ……………………………（14）

C_c——电极常数；

C_n——充有校正液体时电极装置的电容；

从C。和C_c的差值可求得校正电容C_g

并按照公式

式中：

C_o——空气中电极装置的电容；

C_x——电极装置充有被试液体时的电容；

假如C_o、C_n和C_x值是在ε_n是已知的某一相同温度下测定的，则可求得高精度的ε_x值。

6、测置方法的选择

6.1零点指示法适用于频率不超过50MHz时的测量。测量电容率和介质损耗因数可用替代法；也就是在接入试样和不接试样两种状态下，调节回路的一个臂使电桥平衡。通常回路采用西林电桥、变压器电桥（也就是互感耦合比例臂电桥）和并联T型网络。变压器电桥的优点：采用保护电极不需任何外加附件或过多操作，就可采用保护电极；它没有其他网络的缺点。

注：典型的电桥和电路示例见附录。附录中所举的例子自然是不全面的，叙述电桥和测量方法报导见有关文献和该种仪器的原理说明书。

7.1试样的制备

应地测量厚度，使偏差在±（0.2%土0.005mm）以内，测量点应均匀地分布在试样表面。必要时，应测其有效面积。

条件处理应按相关规范规定进行。

电气测量按本标准或所使用的仪器（电桥）制造商推荐的标准及相应的方法进行。

8、结果

试样加有保护电极时其相对电容率ε_r可按公式（1）计算，没有保护电极时试样的被测电容C'_x包括了一个微小的边缘电容C_e，其相对电容率为：

式中：

C'_x——没有保护电极时试样的电容；

C_o——法向极间电容；

必要时应对试样的对地电容、开关触头之间的电容及等值串联和并联电容之间的差值进行校正。

8.2介质损耗因数tanδ

8.3精度要求

在较低频率下，电容的测量精度能达±（0.1%土0.02pF），介质损耗因数的测量精度能达±（2%±0.00005）。在较高频率下，其误差增大，电容的测量精度为±（0.5%±0，1PF），介质损耗因数的测量精度为±（2%±0.0002）。

对表面加有电极的试样的电容，若采用测微计电极测量时，只要试样直径比测微计电极足够小，则只需要进行极间法向电容的修正。采用其他的一些方法来测量两电极试样时，边缘电容和对地电容的计算将带来一些误差，因为它们的误差都可达到试样电容的2%〜40%。根据目前有关这些电容资料，计算边缘电容的误差为10%，计算对地电容的误差为因此带来总的误差是百分之几十到百分之几。当电极不接地时，对地电容误差可大大减小。

9、试验报告

绝缘材料的型号名称及种类、供货形式、取样方法、试样的形状及尺寸和取样日期（并注明试样厚度和试样在与电极接触的表面进行处理的情况）；

电极装置类型，若有加在试样上的电极应注明其类型；

试验时的温度和相对湿度以及试样的温度；

施加的频率；

介质损耗因数tanδ（平均值）；

相对电容率和介质损耗因数值以及由它们计算得到的值如损耗指数和损耗角，必要时，应给出与温度和频率的关系。

（1）

（单位：皮法和厘米）

边缘电容的校正

（3）

a）电极直径=试样直径

b）上下电极相等，但比试样小

表1（续）

相对电容率

介质损耗因数

符号意义

1.测微计电极（在空气中）

若h_o 调到一个新值h'_o，而△C=0时

tanδ_x= tanδ_c +M·ε_r·△tanδ

C₁——装有试样时的电容

C_o——所考虑的区域上的真空电容，其值为ε_o•A/h₀

ε₁——在试验温度下的流体相对电容率（对空气而言ε_r ＝1. 00)

△tanδ——试样插入时，损耗因数的增加量

tanδ_x试样的损耗因数的计算值

d₃——外电极的内直径 h₀——平行平板间距

M——h₀ /h—1

注；在二流体法的公式中，脚注1和2分别表示种和第二种流体。

3. 圆柱形电极——流体排出法（用于tanδ小于0.1时）