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北京智德創新儀器設備有限公司
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寬頻介電常數介質損耗試驗儀以DDS數字直接合成方式產生信號源，頻率達160MHz，信號源具有信號失真小，頻率精確、信號幅度穩定的優點，更保證了測量精度的精確性，主電容調節用步進馬達控制，頻率和電容值可設置，電容、電感、Q值、頻率、量程都用數字顯示。
一、背景
介電特性是電介質材料極其重要的性質。在實際應用中，電介質材料的介電系數和介質損耗是非常重要的參數。例如，制造電容器的材料要求介電系數盡量大，而介質損耗盡量小。相反地，制造儀表絕緣器件的材料則要求介電系數和介質損耗都盡量小。而在某些特殊情況下，則要求材料的介質損耗較大。所以，通過測定介電常數及介質損耗角正切(tg)，可進一步了解影響介質損耗和介電常數的各種因素，為提高材料的性能提供依據。按照物質電結構的觀點，任何物質都是由不同的電荷構成，而在電介質中存在原子、分子和離子等。當固體電介質置于電場中后會顯示出一定的極性，這個過程稱為極化。對不同的材料、溫度和頻率，各種極化過程的影響不同。
在絕緣技術中，特別是選擇絕緣材料或介質貯能材料時，都需要考慮電介質的介電常數。此外，由于介電常數取決于極化，而極化又取決于電介質的分子結構和分子運動的形式。所以，通過介電常數隨電場強度、頻率和溫度變化規律的研究，還可以推斷絕緣材料的分子結構。
二、基本原理
電子材料與元件的電學性能參數的測量是一項基本而重要的工作。這些電學參數包括不同頻率、不同溫度下的電阻、電容、阻抗、介電常數、損耗角正切值等特性測量。全面而準確地掌握這些特性，對分析、改進電子材料與元件的性能十分重要。ZJD-C材料介電常數介質損耗測試儀（數字電橋）是隨著數字測量技術發展而出現的新型智能化材料和元件參數測量儀器，具有使用簡便、效率高、測量精度高等優點，在電子材料與元件特性參數測量和研究中獲得了極其廣泛的應用。
介電常數介質損耗測量儀以微處理器為核心、通過采集給定激勵下被測樣品和標準元件的電壓、電流信號并按照—定的數學模型進行被測樣品的參數計算。ZJD-C材料介電常數介質損耗測試儀測量原理以阻抗參數的數字化測量為基礎，典型測量方法為矢量電流—電壓法。測量電路原理如圖 1 所示，其中Rs 為標準電阻值，Zx 為待測樣品的阻抗。
阻抗參數的測量可首先轉化為電壓測量及電壓分量的計算，最終可得到復阻抗的電阻參數和電抗參數，并可間接計算其他參數，如損耗參數、不同等效模式下的阻抗參數等。圖2為ZJD-C材料介電常數介質損耗測試儀一般原理框圖。流過待測元件的電流轉換為相應的電壓信號，與待測元件的電壓經緩沖放大后送給相敏模/數轉換器(PSADC)。PSADC 主要由相敏檢波器(PSD)和積分型模/數轉換器(ADC)構成，PSADC 根據相位參考基準信號與輸入的電壓信號，產生對應于被測電壓與電流信號的二進制數據，并提供給微處理器CPU。CPU 接收控制按鍵的操作信號并按要求執行特定的程序處理PSADC 提供的數據，最終經計算得到被測阻抗參數數值并顯示。
三、實驗儀器及樣品
1、智德ZJD-C型介電常數介質損耗測試儀
2、電極夾具（使用前需進行零位校準）
3、標準電容
4、待測樣品
四、實驗內容
1、打開電源，預熱15分鐘以上。
2、對儀器進行點頻清零。
3、測量并記錄某電容器在以下頻率時的Cp 和D 值：
Hz 200 400 600 800
kHz 1 2 3 4 5 6 8 10 20 40 80 100 120
MHz 1 1.2 1.5 2.0
4、寬頻介電常數介質損耗試驗儀對測試樣品進行測量：
a 右旋測量裝置的千分尺，將極板間距調到零，接近零位時要慢慢旋動頂部按鈕，聽到“咯"聲停止旋轉，記錄零位讀數L0 。
b左旋千分尺至讀數L，記錄L，此時兩極板間距d=L-L0
c在頻率1KHz進行開、短路點頻清零，選擇Cp-D 功能。將接線夾子連接到測量裝置的接線柱上，測量極板間為空氣時的電容C1
d將樣品慢慢放入到極板中心，測試放入樣品時的電容C2
e相同地分別測量10KHz時的C1 、C2 和100KHz時的 C1 、C2
f用千分尺測出樣品的厚度t，用游標卡尺測出樣品直徑d，均應在不同位置重復測量三次。
五、數據處理
1.將測得的某電容器在不同頻率下對應的Cp 和D值記錄在下表中：
| Hz | 200 | 400 | 600 | 800 | MHz | 1 | 1.2 | 1.5 | 2.0 |
| Cp- nF | 209.64 | 209.23 | 208.81 | 208.47 | Cp- nF | 212.17 | 238.42 | 309.04 | 410.73 |
| D | 0.00689 | 0.00908 | 0.01074 | 0.01212 | D | 0.17305 | 0.2160 | 0.3133 | 1.7955 |
| KHz | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 8 | 10 |
| Cp- nF | 208.17 | 207.04 | 206.13 | 205.40 | 204.72 | 204.11 | 203.03 | 202.17 |
| D | 0.01329 | 0.01778 | 0.02099 | 0.02405 | 0.02622 | 0.02813 | 0.03125 | 0.03401 |
| KHz | 12 | 15 | 16 | 18 | 20 | 40 | 80 | 100 |
| Cp- nF | 201.48 | 200.43 | 200.11 | 199.51 | 198.97 | 194.91 | 190.10 | 188.42 |
| D | 0.03644 | 0.03938 | 0.04037 | 0.04203 | 0.04363 | 0.05433 | 0.06701 | 0.07184 |
| KHz | 120 | 150 | 200 | 400 | 600 | 800 | ||
| Cp- nF | 186.85 | 185.24 | 183.25 | 181.22 | 185.42 | 195.56 | ||
| D | 0.07636 | 0.08106 | 0.08821 | 0.10837 | 0.12645 | 0.14652 |
2.將表中數據導入到Origin中分別得到Cp--f,以及D--f的曲線關系圖如下：
3.寬頻介電常數測試儀結合圖表進行分析：
我們知道電容容量與頻率是曲線關系，在諧振點之前，電容容量隨頻率的增加而減小，在諧振點之后，電容容量隨頻率的增加而增加。
結合表格和圖一我們發現該電容原件在 600KHz前電容是隨頻率f的增大而減小的，而在600KHz之后電容隨頻率f的增大而增大，即600KHz左右為諧振點。上面說的曲線關系，是電容與頻率的關系，而電容與頻率的關系可以間接反映出電容容量與f的關系，即Z(=ESR+jwL-j/wC)與頻率的關系。在低頻范圍內，電容呈現容抗特性；中頻范圍內，主要是ESR特性；高頻范圍內，感抗占主導作用。
一般的大容量的電容對高頻的響應很差對低頻的響應卻好，而容量小的電容對低頻的響應很差而對高頻的響應卻非常好。因此可以根據不同的頻率需要選擇合適的電容。
由圖二介電損耗D隨頻率f的變化關系圖可以看出，一開始開始損耗隨著頻率的增加是緩慢增加的，當頻率增加大1500KHz時，損耗D陡然增大。而在實際中，我們可以由電容在不同測試頻率下的損耗因子的變化來決定電路的模式選擇。若頻率升高而損耗增加，則應選用串聯等效電路；若頻率升高而損耗減小，則應選用并聯等效電路。該測試的電容有圖二看出，其損耗隨f增加而增加，所以該電容適用于串聯等效電路。
4.寬頻介電常數測試儀對測試樣品的測量
相關數據說明:零位Lo=19.66mm; 復位L=24.66mm; 極板間距d=LLo=5mm;
測試樣品 直徑d=3cm; 樣品厚度t=4mm；
測量極板間為空氣的電容：C1；
測量放入樣品時的電容：C2； 頻率：f；
根據相關公式（結合圖示進行說明）
不同頻率下測得的C1和C2，算出的介質的介電常數數值如下：
| 頻率f (KHz) | 1 | 10 | 100 |
| 空載 C1 （PF） | 6.3620 | 6.2419 | 6.3888 |
| 加介質C2 （PF） | 9.1139 | 8.6257 | 8.3380 |
| ε （PF/m） | 62.9406 | 49.1249 | 37.0989 |
通過相關資料的查閱，我們知道：材料的介電常數形成主要是由某些極化引起的，所謂極化是某些偶極子定向排列產生，由于頻率的變化，偶極子隨外場反轉，當頻率很高，由于材料內部一定的阻力，使偶極子反轉跟不上電場的速度，就會形成一種馳豫，馳豫也是介質材料產生損耗的原因之一，高頻情況下，有些偶極子停止反轉，所以對介電常數的貢獻為零。材料中一般都存在好幾種極化方式，各種極化馳豫發生的頻段不一樣，所以總的來說，隨著頻率的升高，介電常數一般減小。
因此由于介電損耗的存在，當f 增大時，損耗增大，從而發現我們得到樣品的介電常數隨頻率增大而減小。
六、思考問題
1.介質中的損耗是怎樣產生的？什么是損耗D和品質因數Q？
答：絕緣材料在電場作用下，由于介質電導和介質極化的滯后效應，在其內部引起能量的損耗。
損耗D：在交變電場作用下，電介質內流過的電流相量與電壓相量之間的夾角的正切值。
品質因數Q：電學和磁學的量，表示一個儲能器件（電容，電感線圈等），諧振電路中所儲能量同每周期損耗之比的一種質量指標，數值上等于D的倒數。
2.為什么有串聯和并聯測試模式？怎樣選擇串聯和并聯測試模式？
答：根據選用的電容的大小進行的必要的選擇，從而提高測量的靈敏度。
對于小電容，大電感來說，電抗一般都較大。這意味著并聯電阻的影響相對于小數值串聯電阻更加顯著，所以應采用并聯電路模型。相反，對于大電容，小電感則采用串聯模型。一般電抗大于10千兆用并聯，小于10千兆用串聯模型。實際中，可以由電容在兩個不同測試頻率下損耗因子的變化來決定。若頻率升高而損耗增加，則采用串聯等效電路；若頻率升高而損耗減小，則應采用并聯等效電路。對于電感來說，情況正好相反。
3.介電性質測量實驗為什么對溫度和相對濕度要維持一定的指標？
答：因為介電常數和介電損耗因素會受溫度和濕度的影響而變化，所以要講它們維持在一定的指標，從而提高實驗結果的準確性。
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