Wayne Kerr Electronics 液体介电常数测试
1背景介绍
电介质材料在外加电场时会产生电荷在表面削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场的比值及为介电常数。常用的电介质材料是绝缘体如：陶瓷、云母、玻璃、塑料、有机材料等，但有些液体也可以作为较好的电介质材料。液体介质的介电常数对微波化学、地球物理、遥感环境检测及食品安全等都有重要的意义。通过检测汽油介电常数计算汽油的辛烷值可以确定汽油的质量，在对油田地下层探测中，可利用介电常数来区分含烃层和含水层，此外实验证明介电常数的变化与行车里程、润滑油酸值和铁含量有良好的关系，可以利用介电常数来评价发动机的机油性能，在食品安全方面，可以用食用油介电常数的变化来判定高温加热或长时间存放中的质量的变化。
2介电常数的定义
介电常数描述的是材料与电场之间的相互作用。图1 显示了介电常数的主要计算公式。介电常数K 等于复数相对介电常数εr∗ ，或复数介电常数ε∗ 与真空介电常数ε0 的比值。复数相对介电常数的实部εr’表示外部电场有多少电能储存到材料中; 对于绝大多数固体和液体来说，εr’> 1。复数相对介电常数的虚部εr’’称为损耗系数，表示材料中储存的电能有多少消耗或损失到外电场中。εr’’始终> 0。损耗系数同时包括介电材料损耗和电导率的效应。
如果用简单的矢量图(图1) 表示复数介电常数，那么实部和虚部的相位将会相差90°。其矢量和与实轴(εr’) 形成夹角δ。通常使用这个角度的正切值tanδ或损耗角正切来表示材料的相对‚损耗‛。术语‚损耗‛在技术文献中又称为‚介电损耗‛。
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图1相对复数常数定义 |
𝐾∗=𝜀𝑟∗=𝜀∗𝜀0=𝜀𝑟′−𝑗𝜀𝑟′′= 𝜀′𝜀0 −𝑗 𝜀′′𝜀0 𝑡𝑎𝑛𝛿=𝜀𝑟′′𝜀𝑟′=D D：损耗系数 𝐾∗：介电常数 𝜀0：自由空间介电常数 |
3 用平行板法测量介电常数
当使用阻抗分析仪测量介电常数时，通常采用平行板法。平行板法在ASTM D150标准中又称为3端子法，其原理是通过在两个电极之间插入一个材料或液体薄片组成一个电容器，(注: 在本文以下部分中，被测材料无论是固体还是液体均用MUT 表示。) 然后测量其电容，根据测量结果计算介电常数。
图2液体夹具示意图
图2接地电极，可以消除边缘电容所导致的测量误差。保护电极会吸收边缘的电场，所以在电极之间测得的电容只是由流经介电材料的电流形成，这样便可以获得准确的测量结果。当结合使用主电极和保护电极时，主电极称为被保护电极(guarded electrode)。
WK 6500B 相对介电常数测试
Wayne Kerr 6500B 精密阻抗分析仪，软件选配有材料测试软件（订购代码/K），这个软件只能安装在精密阻抗分析仪上，不能安装在6500P 的高频LCR 表上。通过这个软件可以更容易的计算出相对介电常数的相关参数，软件界面如下：
介电常数测试参数：
E𝑟∗ 相对介电常数复数值
E𝑟′相对介电常数实部
E′′r相对介电常数虚部
tan δ损耗因子D 损耗因子
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