介電常數(shù)測試儀的選擇及交流損耗測量方法
頻率范圍——電容和交流損耗測量方法可分成三種:零值法,共振法和偏轉(zhuǎn)法。任何特殊場合的某一方法選擇將主要取決于工作頻率。當(dāng)頻率范圍為從小于1Hz直到幾兆赫茲時,可以使用許多形式的電阻或電感比值臂電容橋。當(dāng)頻率低于1Hz時,要求采用特殊的方法和儀器。在500kHz~30MHz的較高頻率下,可使用平行T形網(wǎng)絡(luò),因?yàn)樗鼈儾捎昧斯舱耠娐返囊恍┨卣?。而?dāng)頻率從500kHz到幾百兆赫茲時,可使用共振法。偏轉(zhuǎn)法只能在從25到60Hz的電源線頻率下使用,使用時采用商用指示儀表,此時可以很容易獲得要求的較高電壓。
直接和替代方法——在任何直接法中,電容和交流損耗值采用該方法所用所有電路元件形式來表示,因此受到所有誤差的影響。通過替代方法可以獲得更加大的精度,在此方法中可采用連接和斷開的未知電容器進(jìn)行讀數(shù)。在這些不能改變的電路元件中的誤差通??梢耘懦?;然而,仍然保留了連接誤差。
兩終端和三終端測量——兩終端和三終端測量選擇通常是在精度和便利性之間作出一個選擇。在電介質(zhì)樣本上使用一個保護(hù)電極時,則幾乎可排除邊緣和接地電容的影響。規(guī)定采用一個保護(hù)終端,則可排除電路元件引入的一些誤差。在另一方面,補(bǔ)充的電流元件和護(hù)罩通常要求提供相當(dāng)多的保護(hù)終端到測量設(shè)備上,這可能增加好幾倍的調(diào)節(jié)次數(shù)來獲得要求的較后結(jié)果。電阻比值臂電容橋用保護(hù)電路很少被用于1MHz以上的頻率。電導(dǎo)比值臂橋提供了一個保護(hù)終端,而不要求額外的電路或調(diào)節(jié)。平行T形網(wǎng)絡(luò)和共振電路不提供保護(hù)電路。
在偏轉(zhuǎn)方法中,可以僅僅通過額外護(hù)罩來提供一個保護(hù)。一個兩終端測微計(jì)電極系統(tǒng)的使用提供了許多三終端測量的優(yōu)點(diǎn),即幾乎排除了邊緣和接地電容的影響,但是可能增加觀測或平衡調(diào)節(jié)的次數(shù)。其使用也可以排除在較高頻率下連接導(dǎo)線的串聯(lián)電感和電阻導(dǎo)致的誤差,其可以在整個頻率范圍內(nèi)使用,直至幾百兆赫茲。當(dāng)使用一個保護(hù)時,存在耗散因子測量值將小于真實(shí)值的可能性。這可能是由于在測量電路保護(hù)點(diǎn)和保護(hù)電極之間的任何點(diǎn)位置的保護(hù)電路的電阻導(dǎo)致的。這還可能來自高接觸電阻,導(dǎo)線電阻,或者來自保護(hù)電極自身的高電阻。
在場合,耗散因子將顯示為負(fù)值。當(dāng)沒有保護(hù)的耗散因子高于由于表面泄漏導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)值時,該情況較可能存在。電容耦合到測量電極以及電阻耦合連接到保護(hù)點(diǎn)的任何點(diǎn)可成為困難的來源。常見保護(hù)電阻產(chǎn)生一個與ChClRg成比例的等效負(fù)值耗散因子,其中Ch和Cl為電極保護(hù)電容,Rg為保護(hù)電阻。
液體置換方法——液體置換方法使用時可以采用三終端或自屏蔽兩終端試驗(yàn)池。采用三終端試驗(yàn)池,可能直接測定所用液體的電容率。自屏蔽兩終端試驗(yàn)池提供了三終端試驗(yàn)池的許多優(yōu)點(diǎn),即幾乎排除了邊緣和接地電容的影響,同時還可以與沒有規(guī)定一個保護(hù)的測量電路一起使用。如果其配有一個完整的測微計(jì)電極,在較高頻率下連接導(dǎo)線的串聯(lián)電導(dǎo)電容的影響將可以排除。
精度——所列方法精密考慮了電容率測定精度為±1%,而耗散因子測定精度為±(5% 0.0005)。這些精度取決于至少三個因素:電容和耗散因子觀測的精度,所用電極布置導(dǎo)致的這些參量的修正值的精度以及電極之間真空靜電容計(jì)算的精度。在較好的條件以及較低頻率下,電容測量可具有±(0.1% 0.02pF)的精度,而耗散因子可具有±(2% 0.00005)的精度。在較高頻率下,當(dāng)電容達(dá)到±(0.5% 0.1pF),耗散因子達(dá)到±(2% 0.0002)時,這些極限值可能增大。配有一個保護(hù)電極的電介質(zhì)樣本測量只具有電容誤差和電極之間真空靜電容計(jì)算的誤差。
受保護(hù)電極和保護(hù)電極之間間隙太寬導(dǎo)致的誤差將通常為幾十個百分比,同時修正值可以計(jì)算為幾個百分比。當(dāng)平均厚度為2mm時,樣本厚度測量誤差可為幾十個百分比,此時假設(shè)可以測量至±0.005mm。圓形樣本直徑可以測量至具有±0.1%的精度,但是輸入作為平方值。將這些誤差合并,電極之間真空靜電容可以測量至具有±0.5%的精度。與電極之間靜電容不同的是,采用測微計(jì)電極進(jìn)行測量的帶接觸式電極的樣本不需要進(jìn)行修正,假如樣本直徑足夠小于測微計(jì)電極直徑的話。當(dāng)兩終端樣本以任何其它方式進(jìn)行測量時,邊緣電容計(jì)算和接地電容測定將涉及相當(dāng)大的誤差,因?yàn)槊恳环N誤差都可能為2~40%的樣本電容。采用目前的這些電容知識,在計(jì)算邊緣電容時,可能的誤差為10%,而在評估接地電容時,其可能的誤差為25%。
因此涉及的總誤差范圍可為幾十分之一的1%到10%或者更大。然而,當(dāng)沒有電極接地時,接地電容誤差降至較小(6.1)。采用測微計(jì)電極,0.03階的耗散因子可以測量準(zhǔn)確到±0.0003的真實(shí)值,而0.0002階的耗散因子可以測量準(zhǔn)確到±0.00005的真實(shí)值。耗散因子范圍通常為0.0001到0.1,但是其也可以超過0.1。在10~20MHz的頻率下,可以推測0.0002階的耗散因子。從2到5的電容率值可以測定準(zhǔn)確到±2%。該精度受到電極之間真空靜電容計(jì)算要求測量精度以及測微計(jì)電極系統(tǒng)誤差的限制。