第三章-電容元件介電參數(shù)測量課件

1、第三章 電容元件介電參數(shù)測量第三章 電容元件介電參數(shù)測量一.電容器基本參數(shù)二.介質(zhì)測量的電極系統(tǒng)三.電橋測量法概述四.西林電橋五.雙T電橋六.諧振法七.高頻測量技術(shù)八.電介質(zhì)材料擊穿實驗一.電容器基本參數(shù)相對介電系數(shù) r=C/Co，以絕緣材料為介質(zhì)與以真空為介質(zhì)制成同尺寸電容器的電容量之比值。 物理含義：表示在單位電場中，單位體積內(nèi)積蓄的靜電能量的大小。是表征電介質(zhì)極化并儲存電荷的能力，是個宏觀物理量 Co= oA/t o=(49109)-1 (F/m) r=C/C0=tC/oA=0.03610-12tC/A對圓形平板試樣r=0.144tC/D2 D-試樣與電極直徑(m)一、電容器基本參數(shù)上述

2、計算沒考慮邊緣效應(yīng)。電容量C或相對介電系數(shù) r損耗角正切tg(tan)或品質(zhì)因子Q, Q=1/tg0真空介電系數(shù)，8.85410-12(F/m)A電容面積，m2t 電容厚度，m相對介電系數(shù) r=C/Co，以絕緣材料為介質(zhì)與以真空為介介質(zhì)損耗因子介質(zhì)損耗：置于交流電場中的介質(zhì)，以內(nèi)部發(fā)熱(溫度升高)形式表現(xiàn)出來的能量損耗。介質(zhì)損耗角：對電介質(zhì)施加交流電壓，介質(zhì)內(nèi)部流過的電流相位與電壓相位之間夾角的余角。介質(zhì)損耗角正切：對電介質(zhì)施以正弦波電壓，外施電壓與相同頻率的電流之間相角的余角的正切值tg。 介質(zhì)損耗角示意圖物理意義介質(zhì)損耗因子介質(zhì)損耗角示意圖物理意義用電路的概念來描述，可以把有介質(zhì)損耗的絕緣

3、體看成是電容和電阻并聯(lián)或串聯(lián)的等效阻抗，如圖所示。tg ：被測材料損耗角正切Cs、Cp：串聯(lián)、并聯(lián)等值電容（F）Rs、Rp：串聯(lián)、并聯(lián)等值電阻（）并聯(lián)、串聯(lián)等值電路參數(shù)關(guān)系 當(dāng)tg0.1時，可認為Cp= Cs，此時誤差不大于1%。兩種等效電路用電路的概念來描述，可以把有介質(zhì)損耗的絕緣體看成是電容和電阻實際中介質(zhì)損耗是很微小的，一般不能用普通的功率表示來測損耗因數(shù)，而是把試樣視為上述的等效阻抗。材料的r、tg與樣品的形狀、尺寸無關(guān)，與等效電路的選擇無關(guān)，是材料的特征參數(shù)。r、tg與溫度、頻率、場強、濕度等有關(guān)，因此測量時必須注意測試條件及環(huán)境條件。實際中介質(zhì)損耗是很微小的，一般不能用普通的功率表

4、示來測損耗因電容的溫度與容量誤差編碼電容的溫度與容量誤差編碼電容的溫度與容量誤差編碼電容的溫度與容量誤差編碼電容的溫度與容量誤差編碼電容的溫度與二、 介質(zhì)測量的電極系統(tǒng)二電極系統(tǒng)、三電極系統(tǒng)圖3-1 平板電容的雜散電容二電極：有的測試方法或設(shè)備只提供兩個測量接頭(如諧振法)，故用二電極。 二電極測量存在由邊緣效應(yīng)引起的邊緣電容(Ce)和電極對地電容(Cg)，這兩個使測量值偏大，即測量值(Cx)大于真值(Cp)。故有: Cp=CxCgCe，但對于tg卻有測量值偏小的現(xiàn)象。二、 介質(zhì)測量的電極系統(tǒng)二電極系統(tǒng)、三電極系統(tǒng)圖3-1 平板 消除Ce 、Cg 的影響，接近均勻場，消除了Gs(表面漏導(dǎo))對t

5、g的影響。 需要第三個測量端，調(diào)節(jié)麻煩，設(shè)備復(fù)雜，高頻時接線過多引起雜散電容。gh123三電極:表面漏導(dǎo)引起的介質(zhì)損耗角正切增量 三電極測試系統(tǒng)圖3-2 三電極系統(tǒng)的雜散電容 消除Ce 、Cg 的影響，接近均勻場，消除了Gs(表面漏圖3-3 簡單的二電極測試系統(tǒng)1、儀器的高壓端2、儀器的接地端3、試樣4、硬導(dǎo)線1、接地端 5、波紋管2、高壓電極 6、測微螺絲3、試樣 7、微調(diào)電容器4、接地電極 8、高壓電極 圖3-4 測微電極的接觸式二電極法1、厚度測量要求準確度高；2、試樣與電極應(yīng)屏蔽，以排除外場干攏。圖3-3 簡單的二電極測試系統(tǒng)1、儀器的高壓端1、接地端 測量固體介質(zhì)的介電系數(shù)和損耗角正

6、切所用的電極可分為接觸式電極與不接觸式電極兩大類。（1）接觸式電極：是指與被測材料緊密接觸的電極。采用的電極材料有：表面粘貼（金屬箔）、沉積金屬層可以用噴繪（涂導(dǎo)電涂層）、燒制（燒銀）、噴涂低熔點金屬，鍍膜（蒸發(fā)、濺射）等方法形成。（2）不接觸式電極所謂不接觸式電極就是在試樣表面不粘貼或不涂敷任何導(dǎo)電材料而把試樣放入已制作的金屬板狀電極之間，讓金屬電極與試樣間（一邊或二邊）留一氣體或液體間隙。不作電極；用二電極也能消除或減少邊緣、對地、接線電容的影響；可測不能（或不易）做電極的材料，如泡沫、塑料、紙、薄膜；對薄膜或低損耗材料測量的準確度高。 測量固體介質(zhì)的介電系數(shù)和損耗角正切所用的電極可分為接

7、觸式電極二電極系統(tǒng)中介電常數(shù)與損耗的計算理想情況 Cp=CxCgCeCe邊緣電容， Cg對地電容Cx 、 tgx為測試值， Cp 、 tg 為試樣真實值，C0-試樣的真空電容值二電極系統(tǒng)中介電常數(shù)與損耗的計算理想情況當(dāng)有一個電極或兩個電極都比樣品小時，雜散電場的存在導(dǎo)致雜散電容，并出現(xiàn)損耗。以Cf表示無損耗邊緣電容，rCd表示有損耗邊緣電容，則總的邊緣電容為： Ce=rCd+Cf相對介電常數(shù)與損耗角正切可計算如下： 實際情況當(dāng)有一個電極或兩個電極都比樣品小時，雜散電場的存在導(dǎo)致雜散電三、電橋測量法概述電橋法測量原理： 把試樣作為一個橋臂，其它三個橋臂電抗均為已知，調(diào)節(jié)電橋達到平衡，根據(jù)平衡條件

8、，求出試樣的并聯(lián)等值電容和電阻從而求出試樣的介電系數(shù)和損耗角正切。范圍廣； 精度高； 頻帶寬； 還可通過使用三電極來消除表面電導(dǎo)和邊緣效應(yīng)帶來的測量 誤差。三、電橋測量法概述電橋法測量原理：范圍廣；電容電橋按測試使用頻率可分為： 超低頻電橋： 0.01Hz 200Hz 音頻電橋： 20Hz 3MHz 雙T電橋： 150MHz西林電橋電容電橋按測試使用頻率可分為：西林電橋 超低頻電橋： 0.01Hz 200Hz適用于介電松弛在極低頻時發(fā)生的介質(zhì)的測量。 圖3-5 超低頻電橋在超低頻時，介質(zhì)的交流電導(dǎo)率一般接近于直流電導(dǎo)率，因此，可用電阻元件作為比例臂。 超低頻電橋： 0.01Hz 200Hz圖3

9、-5音頻電橋： 20Hz 3MHz是測量介質(zhì)參數(shù)r、 tg的常用手段。 可用于直接法或替代法的測量，后者具有較高的靈敏度。 用于音頻下測試介質(zhì)的典型電阻臂電容電橋，稱為西林電橋。圖3-6 西林電橋由于不采用可變電阻作為平衡元件，從而可以避免串聯(lián)電感和并聯(lián)電容帶來的誤差，因此可用于較高的頻率。音頻電橋： 20Hz 3MHz圖3-6 西林電橋 雙T電橋： 150MHz 由兩個并聯(lián)的T型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的四端網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)輸出電流大小相等而相位相反時，輸出端的電流為零，此時系統(tǒng)達到平衡。圖3-8 雙T電橋信號源與檢測器有公共的連接點，因此可以不用對稱變壓器。所有的雜散分量均能容易地被消除，與其他電橋相比，其工作頻

10、率可以高很多。 雙T電橋： 150MHz圖3四、 西林電橋西林電橋分類高壓工頻西林電橋低壓工頻西林電橋低壓(高頻)西林電橋反接電橋?qū)蔷€接地西林電橋大電容西林電橋圖3-9 西林電橋原理圖Cx、Rx為被測試樣的等值并聯(lián)電容、電阻R3、R4為比例臂CN為平衡試樣電容的標準電容C4為平衡試樣損耗角正切的可變電容根據(jù)交流電橋平衡條件ZxZ4=Z3ZN(3-4-1)AB四、 西林電橋西林電橋分類圖3-9 西林電橋原理圖Cx、RxZ3=R3(3-4-2)(3-4-3)分別帶入(3-4-1)并解之，可得式中tgx為試樣的損耗角正切。當(dāng)tgxZ4，故有得到 靈敏度與測試電壓U，測試頻率，以及標準電容CN成正比

11、。較低頻率時，ZNZ4，故有得到誤差分析 簡單變化后得到相對誤差與測試電壓U，測試頻率，輸出電壓U以及標準電容CN的關(guān)系。誤差分析 簡單變化后得到相對誤差與測試電壓U，測試 西林電橋分類高壓工頻西林電橋 主要用于測量絕緣材料的相對介電常數(shù)和損耗角正切。電橋結(jié)構(gòu)與組成元件. . 電橋B點,T的一端接地; CN , CX 處于高電位; CN , CX的阻抗R3、R4、C4，故電 壓主要降在ZX、ZN 上，因而 操作(調(diào)R3、C4)很安全。 . 測量頻率為工頻(50Hz),較低雜散電容殘余電感影響小。 . R4是固定的，做成104/或103/則: tgX=R4C4=250 104/C4106C4 或

12、為0.1C4，所以可以將C4?？虨閠gX可以直接讀數(shù)。圖3-11 高壓工頻西林電橋ABR3R4C4CNCxRxTCD 西林電橋分類高壓工頻西林電橋圖3-11 高壓工頻西林電橋A .測量時，被測量樣品不接地，CN上有高電壓，調(diào)節(jié)困難，因而只能通過調(diào)節(jié)R3、C4使電橋平衡。電橋的靈敏度受到CN的限制，只能通過增高電源電壓及指示儀表的分辨率來提高靈敏度。 .測量時，被測量樣品不接地，CN上有高電壓，調(diào)節(jié)困難，因低壓工頻西林電橋 主要用于測量液體絕緣材料或有機薄膜材料的介電常數(shù)和損耗角正切。 通常把電阻比例臂換成電容，以提高橋臂阻抗。 此時實際上為四臂均為電容的音頻電橋。 圖3-12 低壓工頻西林電橋

13、低壓工頻西林電橋 圖3-12 低壓工頻西林電橋低壓高頻西林電橋 簡稱低壓西林電橋，主要在音頻和高頻下使用。電橋特點 使用頻率高，常常采用電容連接點接地，以消除對地電容與電阻并聯(lián)對損耗角正切造成的誤差；由于電壓低，常常把電源跨接在電阻比例臂上，以提高電橋的靈敏度。為消除Z3、Z4對地電容對CN、Cx的影響，需要將Z3、Z4屏蔽。電橋平衡時， Cx，tgx可由下式計算：圖3-13 低壓高頻西林電橋BR3R4C4CNCxCD低壓高頻西林電橋圖3-13 低壓高頻西林電橋BR3R4C4C五、雙T電橋兩個并聯(lián)的T型網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的四端網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)從兩個T型網(wǎng)絡(luò)輸出的電流I2、I2在數(shù)值上相等，而相位相反，則輸出電

14、流為零，即電橋達到平衡。此時，像平衡電橋一樣，輸入端信號源的阻抗及輸出端平衡指示器的阻抗均不會影響平衡條件。由于輸入端電源的阻抗對于兩個T型網(wǎng)絡(luò)的作用是一樣的，而輸出端電壓在平衡時對兩個T型網(wǎng)絡(luò)而言都是零，所以當(dāng)電路平衡時，兩個T型網(wǎng)絡(luò)是相互獨立的，與其他部分無關(guān)。這樣每個網(wǎng)絡(luò)都可以各自分開考慮，并可以假定電源電壓直接加于輸入端，而輸出端短路。圖3-14 雙T電橋原理圖五、雙T電橋兩個并聯(lián)的T型網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的四端網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)從兩個T型用于測量介質(zhì)的電容與損耗的雙T電橋。被測試點可以任意接在A端或B端。圖3-16 測量介質(zhì)高頻參數(shù)用雙T電橋C1RNC3DC2LALBCACBGAGBAB用于測量介質(zhì)的電

15、容與損耗的雙T電橋。被測試點可以任意接在A端(3-5-5)(3-5-6)式中，為不接樣品時，兩個標準空氣電容的讀數(shù)如果樣品接在A端上，則以上兩式分別變?yōu)椋?3-5-7)(3-5-8)式中，CA、CB為接樣品時兩個標準空氣電容器的讀數(shù)； CP、GP分別為樣品的等效并聯(lián)電容及電導(dǎo)。(3-5-5)(3-5-6)式中，為不接樣品時，兩個標準空氣由上面四式，可得(3-5-9)(3-5-10)(3-5-11)故 由此可見，若以RNC1C2/C3作為倍率，就可把CB的值直接在表頭上刻為損耗的讀數(shù)。由上面四式，可得(3-5-9)(3-5-10)(3-5-11雙T電橋的優(yōu)點是：(1)信號源與檢測器有公共的連接點

16、接地，因此可以不用隔離變壓器；(2)兩并聯(lián)支路均有一端接地，四個并聯(lián)元件的雜散阻抗與電源并聯(lián)，不影響測量結(jié)果。(3)因用替代法，結(jié)點對地電容也不影響測量結(jié)果。(4)只用一層屏蔽，能用于高頻（直到30MHz）。電橋法的缺點： (1)頻率增高時，雜散電磁場的影響也增大；(2)電路結(jié)構(gòu)為多環(huán)路，引起誤差的“源”增多； (3)平衡指示器靈敏度要求高，易受外界干擾。雙T電橋的優(yōu)點是：電橋法的缺點： 測量頻率在幾兆以上時，電路的分布電容及元件剩余電感、電阻會使一般電橋在測量介質(zhì)的介電常數(shù)和損耗產(chǎn)生很大的誤差，此時必須改用諧振法測量。 諧振法原理電路為簡單的LC回路，如圖所示。 CxCL圖3-17 諧振法原

17、理圖 試樣電容Cx可以根據(jù)接上試樣與不接試樣諧振時可變電容的讀數(shù)差來求得。六、 諧振法 測量頻率在幾兆以上時，電路的分布電容及元件剩余電C 變電阻法：把試樣等效為串聯(lián)等值電容Cs和電阻Rs，原理如圖所示，測量時使接與不接試樣電路分別達到諧振時的指示儀表讀數(shù)不變，記下電阻變化量R，進而求出Rs。圖3-18 變電阻法原理圖 試樣等值電阻的常用求法：變阻法、變電導(dǎo)法、變Q值法、變電納法及變頻率法等。CsCLVRsRCx 變電阻法：把試樣等效為串聯(lián)等值電容Cs和電 變電導(dǎo)法：把試樣看作并聯(lián)等值電容與電導(dǎo)，如圖所示。與變電阻法相似，根據(jù)二次諧振下可變電導(dǎo)G之差求出等值電導(dǎo)。變電阻和變電導(dǎo)優(yōu)點：線路簡單缺

18、點：可變電阻的分布電容影響大，測量頻率不高， 而且分辨率低，調(diào)節(jié)不易。圖3-19 變電導(dǎo)法原理圖CLVRPCPGCx 變電導(dǎo)法：把試樣看作并聯(lián)等值電容與電導(dǎo)，如圖 變電納法：根據(jù)諧振曲線的半功率點的寬度C或f與回路R之間的關(guān)系來求回路電阻。 變Q法：根據(jù)Q值的定義CVULRUc圖3-20 變Q法測量原理圖如果Q值已知，即可求出線路電阻。圖3-21 變電納法測量原理圖 變電納法：根據(jù)諧振曲線的半功率點的寬度C或f與回路R之變電納法與變Q法是目前測量介質(zhì)高頻損耗用的最多的方法，其優(yōu)點是方便可靠。其中變電納法的分辨率優(yōu)于變Q法，因此更適合用于測量低損耗介質(zhì)材料的tg值。 變電納法與變Q法是目前測量介

19、質(zhì)高頻損耗用的最多的方法，其優(yōu)點(1) 變Q法測量原理 調(diào)節(jié)可變電容C使回路諧振，此時電流達到最大值。1. 變Q法原理及Q表的使用U不變時，Q值與Ur成比例，由此Q值可以直接由電容兩端的電壓來刻度。當(dāng)知道Q值，諧振頻率及電容C時即可根據(jù)式（3-6-1）求得電阻。CVULRUr圖3-22 變Q法測量原理圖電容兩端的諧振電壓故(3-6-1)(1) 變Q法測量原理1. 變Q法原理及Q表的使用U不變時(2) 利用Q表測量介質(zhì)損耗角正切 如圖所示為Q表測量原理圖，L為諧振回路線圈；C為調(diào)諧電容；Q是以Q值刻度的用以指示電容兩端電壓的電子管電壓表；G為高頻信號源；V為高頻電子管電壓表，用來校準電源電壓。C

20、p、Rp分別表示試樣的并聯(lián)等效電容與電阻。根據(jù)變Q法制成Q表，用于測量介質(zhì)損耗時手續(xù)簡單，使用方便，可在較高頻率時使用。但與變電納法儀器比較，準確度和分辨率都要差一些，故只能用之于測量損耗較大的場合。圖3-23 Q表電路原理圖QCpRpRiRi為保護電阻(2) 利用Q表測量介質(zhì)損耗角正切根據(jù)變Q法制成Q表，用于測 測量時，首先接入試樣，調(diào)C使電路諧振，測得C1、Q1，其等效電路如圖3-24所示。 圖中R為儀表內(nèi)LC回路的有效電阻，利用等值轉(zhuǎn)換將圖3-24所示的電路轉(zhuǎn)化為串聯(lián)等效電路，如圖3-25所示。RRpLC1+Cp圖3-24 并聯(lián)等效電路圖3-25 串聯(lián)等效電路RLRsCsRLC2圖3-2

21、6不接試樣的等效電路 測量時，首先接入試樣，調(diào)C使電路諧振，測得C 測量時，首先接入試樣，調(diào)C使電路諧振，測得C1、Q1，其等效電路如圖3-24所示。 圖中R為儀表內(nèi)LC回路的有效電阻，利用等值轉(zhuǎn)換將圖3-24所示的電路轉(zhuǎn)化為串聯(lián)等效電路，如圖3-25所示。RRpLC1+Cp圖3-24 并聯(lián)等效電路圖3-25 串聯(lián)等效電路RLRsCs圖3-25中，CS=C1+Cp(3-6-2) 測量時，首先接入試樣，調(diào)C使電路諧振，測得C(3-6-3)由變Q法原理，知RLC2圖3-26 不接試樣的等效電路 其次，拿掉試樣后，調(diào)C使線路再次諧振，測到C2、Q2，其等效電路如圖3-26所示 此時，有(3-6-4)

22、 由于兩次諧振頻率不變，且L一樣，因此兩次諧振之電容必相等，即Cs=C1+Cp=C2 (3-6-5)由式(3-6-3)及(3-6-4)，得(3-6-6)(3-6-3)由變Q法原理，知RLC2圖3-26 不接試樣的由于C0一般很難估計，故C0是造成測量誤差的主要源。由于C0一般很難估計，故C0是造成測量誤差的主要源。 如果試樣電容大于調(diào)諧電容，則可把試樣與標準可變電容串聯(lián)接到相應(yīng)的接頭上。這樣接法時，試樣電容與損耗角正切可用下式求得：(3-6-9)(3-6-10) 如果試樣電容大于調(diào)諧電容，則可把試樣與標準可變電容(3) Q表的使用方法Q表的測量頻率約在幾十千赫到幾十兆赫之間。高頻信號通過一個很

23、小的電阻耦合到諧振回路。該電阻阻值一般為0. 04,且有極小的剩余電感(O. 07H）,標準調(diào)諧電容的最大電容，一般為500pF左右。為使回路能在整個頻段內(nèi)諧振，Q表均備有一套標準電感線圈，這些線圈決定了回路的Q值。因此，要求線圈的Q值要在200C以上。 Q表在使用前應(yīng)對Q值讀數(shù)進行校正，校正的方法有兩個。一是用已知Q值的標準線圈來校正。但由于回路的參數(shù)會影響回路的Q值，因此用標準線圈來校正回路Q值時，還必須用回路的參量來進行修正，才能得到回路的真正Q值。因此這種方法只適應(yīng)于殘量已知的Q表。二是利用諧振回路的諧振曲線在半功率點的寬度C與諧振回路電導(dǎo)G的關(guān)系：(3) Q表的使用方法 即用此式來校

24、正Q表的Q值。在使用Q表測量絕緣材料的相對介電常數(shù)與損耗角正切時，由于測試回路只有兩個測量端，因此只能用二電極系統(tǒng)的方法。測試裝置如圖3-27所示。 測量時，為了減少引線電容對試樣參數(shù)的影響，把帶有電極的試樣放在比試樣小得多的金屬支柱上。上端電極用一根短粗的線接到Q表的高端。調(diào)節(jié)標準電容使線路諧振。第二次諧振時，為了減少引線造成的系統(tǒng)誤差，要把試樣引線的高端斷開，并保持引線的位置不變。但盡管如此，引線對地電容對測量的影響仍無法排除。因此，對于較精確的測量，應(yīng)采用測微電極，特別是在高頻（10兆赫）下測量，更應(yīng)如此。 即用此式來校正Q表的Q值。 變電納法與變Q法相比，優(yōu)點是分辨率及靈敏度都比較高，

25、適于測量損耗較小的樣品。 圖3-28所示的為變電納法原理圖。圖中電感線圈與信號源線圈相耦合，以提供諧振回路中的高頻信號。C1、C2為調(diào)諧電容，V為高頻電壓表，Cx為待測試樣。2. 變電納法原理圖3-28 變電納法測量原理圖C1C2VMCx 變電納法與變Q法相比，優(yōu)點是分辨率及靈敏度將原理圖簡化為圖3-29所示的等效電路。L、R為線圈的等效電感與電阻；C為線圈以外包括C1、C2的總等效電容；U為線圈中的感應(yīng)電動勢。顯然回路電流圖3-29 變電納法等效電路圖LRGCUcLRGCUc將原理圖簡化為圖3-29所示的等效電路。L、R為線圈的等RR時，可得：時，可得：第三章-電容元件介電參數(shù)測量課件C即為

26、諧振曲線的寬度，它與回路的電導(dǎo)有關(guān)。在一定q值下，測得曲線的寬度即可求得回路的電導(dǎo)通常取q=2，即Uc/Uy=0.707，該點稱為“曲線的半功率點”。此時 Gt=C/2t3-30圖3-30C即為諧振曲線的寬度，它與回路的電導(dǎo)有關(guān)。在一定q值下， 用變電納法測量介質(zhì)的電容及損耗角正切時，需作兩次測量。第一次測量時接人樣品，調(diào)節(jié)C1、C2，求得C，；第二次測量時不接樣品，重復(fù)上述步驟，在同一q值下得到C0 , 分別求出有、無樣品時的總電導(dǎo)，其差即為等效電導(dǎo)，即而 用變電納法測量介質(zhì)的電容及損耗角正切時 與變Q法一樣，變電納法的測量線路只有兩個測量端，因此，也只能采用二電極測量方法。接線時也應(yīng)盡量減

27、小分布電容的影響，為此大部分變電納法的儀器都帶有測微電極，此種儀表使用頻率的范圍為50kHz- 100MHz。 與變Q法一樣，變電納法的測量線路只有兩個測量端七、高頻測試技術(shù) 在介質(zhì)測量中除了儀表本身精度外，接線的分布電容、引線的剩余電阻和電感等都是造成測量誤差的重要根源。 特別是在高頻下，分布參數(shù)及剩余參數(shù)的影響，可能會使所測結(jié)果失去意義。下面將著重討論引線的電容、電阻、電感對被測元件的影響及消除方法。七、高頻測試技術(shù) 在介質(zhì)測量中除了儀表本身精度外，接線 如圖3-31所示，分布電容C0并聯(lián)在試樣的兩端，使所測電容不是Cx，而是Co Cx，而損耗角正切tgx則為:1. 分布參數(shù)對測量結(jié)果的影

28、響 顯見分布電容的存在，使得測得的電容偏大，而損耗角正切偏小。圖3-31 接線分布電容的影響示意CxCNC0 如圖3-31所示，分布電容C0并聯(lián)在試樣的兩端， 對圖3-32所示的電橋，A、B兩點的對地電容跨接在兩個電容臂上，如果用替代法測量，因為包含分布電容的總電容很難估計，這些雜散電容將會造成損耗角正切測量的誤差。圖 3-32 對圖3-32所示的電橋，A、B兩點的對地電容跨 注意到，當(dāng)試樣損耗不十分大時，其并聯(lián)等效電容Cp，與串聯(lián)等效電容Cs近乎相等，故有由圖可知： 接線電阻與電感的影響。圖3-33中，R、L為接線的電阻與電感；Cs、Rs表示試樣的串聯(lián)等效電容與電阻；Cs、Rs表示接線與試樣

29、組合起來的串聯(lián)等效電容和電阻。圖3-33 引線電阻、電感對電橋影響示意圖RLCpRp(Gp)RLCsRsCsRsRpCp或者即(3-7-1) 注意到，當(dāng)試樣損耗不十分大時，其并聯(lián)等效電容tg表示接線電阻及電感引起的損耗角正切的誤差。由式（3-7-2）可見，頻率越高，損耗也越大，故在高頻下（例如大于10MHz)測量時，必須采取防護措施來消除或減弱接線的影響。 式中，Cp及Cp 分別為試樣的并聯(lián)等效電容及接線與試樣組合的總的并聯(lián)等效電容。tg表示接線電阻及電感引起的損耗角正切的誤差。由式（3-2. 提高測量精度的方法(1) 測微電極的使用使用測微電極時，由于試樣與電極直接接在線圈上，剩余也阻和電感

30、可以做得很小，同時，由于電極系統(tǒng)保留在線路內(nèi)，在有試樣和無試樣測量時，接線電容都不變，因此，可以減小測試誤差。由于電極系統(tǒng)本身的電容被用作調(diào)諧電容，故調(diào)諧電容引起的影響也得以消除。測量時，把樣品夾在二電極之間，樣品一般應(yīng)略小于電極尺寸。這樣，無論有無樣品，接線的電感和電阻都不變。第二次測量時，移去樣品，調(diào)小電極間距使電容回到原來值。由于測量時消除了電極剩余電感和電阻的影響，因而可在高頻下進行精密測量。2. 提高測量精度的方法測微電極的缺點：電容刻度沒有像精密標準電容那樣準確，同時又不是直讀（要在校正后做出相應(yīng)的計算圖表），因此，使用不太方便。這個缺點，在低頻時可通過在電極上并聯(lián)一只標準電容來克

31、服。當(dāng)樣品與電極的直徑相同時，電極的邊緣電容略有變化，故一般都是使樣品的直徑小于電極直徑，并取其差值為樣品厚度的兩倍，這樣做，邊緣電容、對地電容的影響即可忽略。(2) 屏蔽措施屏蔽的作用是： （1）消除外磁場的干擾； （2）消除元件之間的耦合； （3）使固定元件的對地電容不影響測量精度。測微電極的缺點：電容刻度沒有像精密標準電容那樣準確，同時又不八、電介質(zhì)材料擊穿試驗所謂擊穿試驗是指在一定條件一下（在一定溫度、濕度等條件）逐漸提高加在電介質(zhì)試樣上的電壓，直至使樣品破壞為止的試驗。使試樣發(fā)生破壞時的電壓稱為擊穿電壓。由于介質(zhì)材料的擊穿電壓與試樣的厚度有關(guān)，因此，衡量介質(zhì)材料的抗電強度通常用平均擊

32、穿電場強度來表征，即式中：EB為平均擊穿場強（MV/m）； UB為擊穿電壓（MV）； d為試樣厚度（m）。八、電介質(zhì)材料擊穿試驗式中：EB為平均擊穿場強（MV/m）； 不同介質(zhì)材料的擊穿場強差別極大，因此，擊穿場強表征了材料的固有特性。但由于擊穿機理不同，材料在不同電壓（交流、直流、脈沖）下?lián)舸┑那闆r也不一樣，為此擊穿試驗也相應(yīng)分為交流擊穿、直流擊穿、脈沖擊穿等不同類型。如同測量電介質(zhì)材料的電阻率及介電特性一樣，材料的擊穿試驗也與周圍環(huán)境的情況關(guān)系很大。因此試驗必須在嚴格規(guī)定的條件一下進行。 不同介質(zhì)材料的擊穿場強差別極大，因此，擊穿場強1. 試樣電極與媒質(zhì) 由于一般介質(zhì)材料無論宏觀上或微觀上

33、都存在或多或少的缺笨，這些缺陷隨初，地分布在材料體內(nèi)。而擊穿通常都是發(fā)生在有缺陷的地方，因此，為一了暴露材料的缺點，要求材料的電極面積不能過小。另外，測試中為避免表面飛弧，要求試樣的表面積也不能過小，根據(jù)國家標準的規(guī)定（GB140878），試樣尺寸應(yīng)符合表3-l的規(guī)定。1. 試樣電極與媒質(zhì)表3-1 各類試樣的尺寸圖 3-34表3-1 各類試樣的尺寸圖 3-34 當(dāng)試樣耐壓很高時，為了有效地消除表面飛弧，光靠增加試樣面積是不夠的，有時需要把樣品做成凹槽狀，而把電極置于槽中參看圖3-34。電極一般采用燒滲法或噴徐法制作金屬層電極（例如Ag、Al、Cu等）。一般兩個對稱的凹槽電極（圖3-34b所示）

34、要比單面凹槽電極（圖3-34a所示）更能獲得均勻的電場。為方便起見凹槽也可制成球形，但無論哪種形狀，為使電場均勻分布，必須使凹槽半徑與樣品中心厚度之比滿足一定要求，例如當(dāng)電場均勻度誤差小于2時，圖3-34a所示的形狀的比值應(yīng)大于67，圖3-34b所示的形狀的比值應(yīng)大于35.5等。圖3-35及表3-2給出固體電介質(zhì)材料耐電壓試驗時常用的電極形狀及尺寸（國標GB1408一78）。 當(dāng)試樣耐壓很高時，為了有效地消除表面飛弧，光圖 3-35圖 3-35表3-2 電極的尺寸表3-2 電極的尺寸 在測量諸如有機薄膜、云母片等薄形材料的擊穿場強時，由于材料很薄，不可能依靠增加厚度來獲得均勻電場，在這種情況下

35、，必須加上適當(dāng)?shù)拿劫|(zhì)，如圖3-36所示，此時，電極邊緣媒質(zhì)和介質(zhì)中的電場強度之比與它們的導(dǎo)納有關(guān)，即 為了正確評價介質(zhì)材料的擊穿場強，通常取多次試驗的算術(shù)平均值作為擊穿場強值，即圖 3-36 在測量諸如有機薄膜、云母片等薄形材料的擊穿場強時第三章-電容元件介電參數(shù)測量課件由式（3-8-4）及式（3-8-5）可知，為提高介質(zhì)中電場的均勻性，降低邊緣效應(yīng)，對于介質(zhì)而言，應(yīng)選擇介電系數(shù)或電導(dǎo)較大的材料作為媒質(zhì)。但應(yīng)該注意，媒質(zhì)的與G選擇過大會引起媒質(zhì)的發(fā)熱，從而導(dǎo)致較大的測量誤差。由式（3-8-4）及式（3-8-5）可知，為提高介質(zhì)中電場2. 加壓方式 一般而論，介質(zhì)材料的擊穿除與所加電壓有關(guān)以外，

36、還與加壓時間有關(guān)。由此可以有兩種不同的試驗方式：一是連續(xù)提高電壓直至擊穿為止；二是加上一定數(shù)值的電壓，測量從加壓至發(fā)生擊穿所要的時間。 根據(jù)國家標準（GB140878）的規(guī)定，擊穿試驗中有三種加壓方式，即連續(xù)加壓、步進加壓及緩慢加壓。2. 加壓方式步進加壓指首先用連續(xù)加壓的速度升至擊穿電壓的50，而后按每級升壓值為擊穿電壓的510的值逐級加壓，各級之間的間隔時間為1分鐘，每級的升壓速度應(yīng)盡量快。升壓標準見表3-4。表3-3 連續(xù)加壓的升壓速度步進加壓指首先用連續(xù)加壓的速度升至擊穿電壓的50，而后按每 緩慢升壓是用連續(xù)加壓的速度升至擊穿的50，以后降低升壓速度，直至擊穿為止，參見表3-5。表3-

37、5 緩慢加壓的速度表3-4 步進加壓的升壓值 緩慢升壓是用連續(xù)加壓的速度升至擊穿的503. 擊穿試驗種類 擊穿試驗種類有直流、交流及脈沖電壓試驗等。下面分別簡單介紹。(1)直流擊穿試驗 直流擊穿試驗是研究電子材料與元器件時最常使用的試驗方法之一。這是因為一般電子元器件（例如，電容、電纜等）通常是在直流電壓下工作的緣故。當(dāng)交流試驗變壓器的量容不能滿足要求時也可以代之以直流試驗。 直流耐電壓試驗的直流電壓系統(tǒng)如圖3-37所示。工頻電壓經(jīng)升壓變壓器升壓、整流及濾波后，提供給測試電路。圖3-37 直流電壓系統(tǒng)框圖3. 擊穿試驗種類 直流耐電壓試驗的直流電壓系統(tǒng)如 整流通常有半波整流及全波整流兩種，在要求高電壓的場合也常常采用倍壓整流的方式。倍壓整流的原理如圖3-38所示。圖3-38 簡單的倍壓整流電路 這種電路的