GB1409介電常數(shù)測試儀標(biāo)準(zhǔn)

GB1409介電常數(shù)測試儀標(biāo)準(zhǔn)

介電常數(shù)測試儀測量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻(包 括 米 波 波 長 在 內(nèi))下電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的推薦方法本標(biāo) 準(zhǔn) 規(guī) 定了在15H z-300M Hz的頻率范圍內(nèi)測量電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)的方法，并由此計(jì)算某些數(shù)值，如損耗指數(shù)。本標(biāo)準(zhǔn)中所敘述的某些方法，也能用于其他頻率下測量

本 標(biāo) 準(zhǔn) 適用于測量液體、易熔材料以及固體材料。測試結(jié)果與某些物理?xiàng)l件有關(guān)，例如頻率、溫度、濕度，在特殊情況下也與電場強(qiáng)度有關(guān)
有 時在 超 過 10 00V 的電壓下試驗(yàn)，則會引起一些與電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)無關(guān)的效應(yīng)，對此不予論述

2 規(guī)范性引用文件
下 列 文 件中的條款通過本標(biāo)準(zhǔn)的引用而成為本標(biāo)準(zhǔn)的條款。凡是注日期的引用文件，其隨后所有
的修改單(不包括勘誤的內(nèi)容)或修訂版均不適用于本標(biāo)準(zhǔn)，然而，鼓勵根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的版本。凡是不注日期的引用文件，其版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。
IEC 6 02 47:1978 液體絕緣材料相對電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電阻率的測量

3 術(shù)語和定義
下列 術(shù) 語 和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。
3. 1
相對 電 容 率 relativep ermittivity

電 容 器 的電極之間及電極周圍的空間全部充以絕緣材料時，其電容 Cx與同樣電極構(gòu)形的真空電
容C 之比:

式 中 :
E,— 相 對電容率;
CX — 充有絕緣材料時電容器的電極電容;
C — 真 空中電容器的電極電容。
在標(biāo) 準(zhǔn) 大 氣壓下，不含二氧化碳的于燥空氣的相對電容率?！傅扔?/span>1.00 0.7 3。因此，用這種電極構(gòu)
形在空氣中的電容C。來代替C?測量相對電容率。r時，也有足夠的度。
在 一 個 測量系統(tǒng)中，絕緣材料的電容率是在該系統(tǒng)中絕緣材料的相對電容率。r與真空電氣常數(shù)Eo的乘積

在 S 1制 中，電容率用法/米(F/m )表示。而且。在SI單位中，電氣常數(shù)。、為‘。=8. 854 X 10 12 F/m c 1 s6a丫10 日F廠m ’“ ““‘。。·? ? (2)
在本標(biāo)準(zhǔn)中，用皮法和厘米來計(jì)算電容，真空電氣常數(shù)為:E0= 0. 088 54 pF/cm

定義

介質(zhì)損耗角dielectric loss angle
由絕緣材料作為介質(zhì)的電容器上所施加的電壓與由此而產(chǎn)生的電流之間的相位差的余角。

介質(zhì)損耗因數(shù)，，dielectric dissipation factor

tan8損耗角a的正切。

〔介質(zhì)〕損耗指數(shù)
E,該材料的損耗因數(shù)
tan8與相對電容率:r的乘積

復(fù)相對電容率complex relative permittivi

式 中 :
E, 一復(fù)相對電容率;
鮮— 損耗指數(shù);
r一相對電容率;
tan8一介質(zhì)損耗因數(shù)。
注 :有損耗的電容器在任何給定的頻率下能用電容C和電阻R,的串聯(lián)電路表示，或用電容C,和電阻R,(或電導(dǎo)G, )的 并 聯(lián) 電 路表示

CP— 并聯(lián)電容;

R,— 并聯(lián)電阻。
雖然以并聯(lián)電路表示一個具有介質(zhì)損耗的絕緣材料通常是合適的，但在單一頻率下有時也需要以電容C,
和電阻R,的串聯(lián)電路來表示。
串聯(lián)元件與并聯(lián)元件之間，成立下列關(guān)系:

式(9), (10), (I)中C?R?C,,R,,tan6同式(7),(8)0
無論串聯(lián)表示法還是并聯(lián)表示法，其介質(zhì)損耗因數(shù)tans是相等的.
假如測量電路依據(jù)串聯(lián)元件來產(chǎn)生結(jié)果，且tan'8 太大而在式(9)中不能被忽略，則在計(jì)算電容率前必須先
計(jì)算并聯(lián)電容
本標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算和側(cè)量是根據(jù)電流(田=2兀/)正弦波形作出的
4 電氣絕緣材料的性能和用途
4. 1 電介質(zhì)的用途
電介 質(zhì) 一 般被用在兩個不同的方面:
用作 電氣 回路元件的支撐，并且使元件對地絕緣及元件之間相互絕緣;
用 作 電 容器介質(zhì)。
4.2 影響介電性能的因素
下 面分 別 討論頻率、溫度、濕度和電氣強(qiáng)度對介電性能的影響。
4.2. 1 頻率
因?yàn)?/span> 只 有 少數(shù)材料如石英玻璃、聚苯乙烯或聚乙烯在很寬的頻率范圍內(nèi)它們的。r和tans幾乎是恒定的，且被用作工程電介質(zhì)材料，然而一般的電介質(zhì)材料必須在所使用的頻率下測量其介質(zhì)損耗因數(shù)和
電容率。
電 容率 和介質(zhì)損耗因數(shù)的變化是由于介質(zhì)極化和電導(dǎo)而產(chǎn)生，醉重要的變化是極性分子引起的偶
極子極化和材料的不均勻性導(dǎo)致的界面極化所引起的。
4.2.2 溫度
損 耗 指 數(shù)在一個頻率下可以出現(xiàn)一個醉大值，這個頻率值與電介質(zhì)材料的溫度有關(guān)。介質(zhì)損耗因
數(shù)和電容率的溫度系數(shù)可以是正的或負(fù)的，這取決于在測量溫度下的介質(zhì)損耗指數(shù)醉大值位置。
4.2. 3 濕度
極 化 的 程度隨水分的吸收量或電介質(zhì)材料表面水膜的形成而增加，其結(jié)果使電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)
和直流電導(dǎo)率增大。因此試驗(yàn)前和試驗(yàn)時對環(huán)境濕度進(jìn)行控制是*的
注 :濕 度 的顯著影響常常發(fā)生在1MHz以下及微波頻率范圍內(nèi)
4.2.4 電場強(qiáng)度
存 在 界 面極化時，自由離子的數(shù)目隨電場強(qiáng)度增大而增加，其損耗指數(shù)醉大值的大小和位置也隨此
而變。
在較 高 的頻率下，只要電介質(zhì)中不出現(xiàn)局部放電，電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)與電場強(qiáng)度無關(guān)
5 試樣和電極
5.1 固體絕緣材料
5.1.1 試樣的幾何形狀
測定 材 料 的電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)，采用板狀試樣，也可采用管狀試樣

在測 定 電容率需要較高精度時，誤差來自試樣尺寸的誤差，尤其是試樣厚度的誤差，因此厚
度應(yīng)足夠大，以滿足測量所需要的度。厚度的選取決定于試樣的制備方法和各點(diǎn)間厚度的變化。
對1%的度來講，1.5 mm的厚度就足夠了，但是對于更高度，采用較厚的試樣，例如
6 mm-12 mm 測量厚度必須使測量點(diǎn)有規(guī)則地分布在整個試樣表面上，且厚度均勻度在士1%內(nèi)。
如果材料的密度是已知的，則可用稱量法測定厚度選取試樣的面積時應(yīng)能提供滿足精度要求的試樣
電容。測量10 pF的電容時，使用有良好屏蔽保護(hù)的儀器。由于現(xiàn)有儀器的極限分辨能力約1 pF,因此
試樣應(yīng)薄些，直徑為10 cm或更大些
需要 測 低 損耗因數(shù)值時，很重要的一點(diǎn)是導(dǎo)線串聯(lián)電阻引人的損耗要盡可能地小，即被測電容和該
電阻的乘積要盡可能小同樣，被測電容對總電容的比值要盡可能地大點(diǎn)表示導(dǎo)線電阻要盡可
能低及試樣電容要小。第二點(diǎn)表示接有試樣橋臂的總電容要盡可能小，且試樣電容要大。因此試樣電
容取值為20 pF，在測量回路中，與試樣并聯(lián)的電容不應(yīng)大于約5 pF,
5. 1.2 電極系統(tǒng)
5. 1.2. 1 加到試樣上的電極
電極 可 選 用5.1.3中任意一種。如果不用保護(hù)環(huán)。而且試樣上下的兩個電極難以對齊時，其中一個
電極應(yīng)比另一個電極大些。已經(jīng)加有電極的試樣應(yīng)放置在兩個金屬電極之間，這兩個金屬電極要比試
樣上的電極稍小些。對于平板形和圓柱形這兩種不同電極結(jié)構(gòu)的電容計(jì)算公式以及邊緣電容近似計(jì)算
的經(jīng)驗(yàn)公式由表飛給出。
對于 介 質(zhì) 損耗因數(shù)的測量，這種類型的電極在高頻下不能滿足要求，除非試樣的表面和金屬板都非
常平整。圖〕所示的電極系統(tǒng)也要求試樣厚度均勻
5.1.2.2 試樣上不加電極
表 面 電導(dǎo) 率很低的試樣可以不加電極而將試樣插人電極系統(tǒng)中測量，在這個電極系統(tǒng)中，試樣的一
側(cè)或兩側(cè)有一個充滿空氣或液體的間隙。
平 板 電極 或圓柱形電極結(jié)構(gòu)的電容計(jì)算公式由表3給出。
下 面 兩 種型式的電極裝置特別合適
5. 1.2.2. 1 空氣填充測微計(jì)電極
當(dāng)試 樣 插 人和不插人時，電容都能調(diào)節(jié)到同一個值，不需進(jìn)行測量系統(tǒng)的電氣校正就能測定電容
率。電極系統(tǒng)中可包括保護(hù)電極
5. 1.2.2.2 流體排出法
在 電容 率 近似等于試樣的電容率，而介質(zhì)損耗因數(shù)可以忽略的一種液體內(nèi)進(jìn)行測量，這種測量與試樣厚度測量的精度關(guān)系不大。當(dāng)相繼采用兩種流體時，試樣厚度和電極系統(tǒng)的尺寸可以從計(jì)算公式中
消去
試樣 為 與 試驗(yàn)池電極直徑相同的圓片，或?qū)y微計(jì)電極來說，試樣可以比電極小到足以使邊緣效應(yīng)
忽略不計(jì)在測微計(jì)電極中，為了忽略邊緣效應(yīng)，試樣直徑約比測微計(jì)電極直徑小兩倍的試樣厚度。
5. 1.2.3 邊緣效應(yīng)
為 了避 免 邊緣效應(yīng)引起電容率的測量誤差，電極系統(tǒng)可加上保護(hù)電極。保護(hù)電極的寬度應(yīng)至少為
兩倍的試樣厚度，保護(hù)電極和主電極之間的間隙應(yīng)比試樣厚度小。假如不能用保護(hù)環(huán)，通常需對邊緣電
容進(jìn)行修正，表工給出了近似計(jì)算公式這些公式是經(jīng)驗(yàn)公式，只適用于規(guī)定的幾種特定的試樣形狀
此外 ，在 一個合適的頻率和溫度下，邊緣電容可采用有保護(hù)環(huán)和無保護(hù)環(huán)的(比較)測量來獲得，用
所得到的邊緣電容修正其他頻率和溫度下的電容也可滿足精度要求
5. 1.3 構(gòu)成電極的材料
5. 1.3. 1 金屬箔電極
用極 少 量 的硅脂或其他合適的低損耗粘合劑將金屬箔貼在試樣上。金屬箔可以是純錫或鉛，也可
以是這些金屬的合金，其厚度為100 pm，也可使用厚度小于10 I'm的鋁箔。但是，鋁箔在較高溫度下易形成一層電絕緣的氧化膜，這層氧化膜會影響測量結(jié)果，此時可使用金箔。
5. 1.3.2 燒熔金屬電極
燒 熔 金 屬電極適用于玻璃、云母和陶瓷等材料，銀是普遍使用的，但是在高溫或高濕下，采用 噴鍍金屬電極
鋅 或 銅 電極可以噴鍍在試樣上，它們能直接在粗糙的表面上成膜。這種電極還能噴在布上，因?yàn)樗?/span>
們不穿透非常小的孔眼。
5. 1.3.4 陰極蒸發(fā)或高真空蒸發(fā)金屬電極
假如 處 理 結(jié)果既不改變也不破壞絕緣材料的性能，而且材料承受高真空時也不過度逸出氣體，則本
方法是可以采用的。這一類電極的邊緣應(yīng)界限分明。
5.1.3.5 汞電極和其他液體金屬電極
把試 樣 夾 在兩塊互相配合好的凹模之間，凹模中充有液體金屬，該液體金屬必須是純凈的。汞電極
不能用于高溫，即使在室溫下用時，也應(yīng)采取措施，這是因?yàn)樗恼魵馐怯卸镜?/span>
伍德 合 金 和其他低熔點(diǎn)合金能代替汞。但是這些合金通常含有錫,錫象汞一樣，也是毒性元素。這些
合金只有在良好抽風(fēng)的房間或在抽風(fēng)柜中才能用于100℃以上，且操作人員應(yīng)知道可能產(chǎn)生的健康危害
5.1.3.6 導(dǎo)電漆
無論 是 氣干或低溫烘干的高電導(dǎo)率的銀漆都可用作電極材料。因?yàn)榇朔N電極是多孔的，可透過濕
氣，能使試樣的條件處理在涂上電極后進(jìn)行，對研究濕度的影響時特別有用。此種電極的缺點(diǎn)是試樣涂
上銀漆后不能馬上進(jìn)行試驗(yàn)，通常要求12 h以上的氣干或低溫烘干時間，以便去除所有的微量溶劑，否
則，溶劑可使電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)增加。同時應(yīng)注意漆中的溶劑對試樣應(yīng)沒有持久的影響。
要使 用 刷 漆法做到邊緣界限分明的電極較困難，但使用壓板或壓敏材料遮框噴漆可克服此局限。
但在*的頻率下，因銀漆電極的電導(dǎo)率會非常低，此時則不能使用。
5.1.3.7 石墨
一般 不 推 薦使用石墨，但是有時候也可采用，特別是在較低的頻率下。石墨的電阻會引起損耗的顯
著增大，若采用石墨懸浮液制成電極，則石墨還會穿透試樣。
5.1.4 電極的選擇
5.1.4.1 板狀試樣
考 慮 下 面兩點(diǎn)很重要:
a) 不 加 電極，測量時快而方便，并可避免由于試樣和電極間的不良接觸而引起的誤差。
b) 若 試 樣上是加電極的，由測量試樣厚度h時的相對誤差△h1h所引起的相對電容率的相對誤差 △。 r/: r可 由 下 式 得到

Ef— 試 樣浸人所用流體的相對電容率，對于在空氣中的測量則。r等于to

對 于 相對 電容率為10以上的無孔材料，可采用沉積金屬電極。對于這些材料，電極應(yīng)覆蓋在試樣
的整個表面上，并且不用保護(hù)電極。對于相對電容率在3-10之間的材料，能給出高精度的電極是金
屬箔、汞或沉積金屬，選擇這些電極時要注意適合材料的性能。若厚度的測量能達(dá)到足夠精度時，試樣
上不加電極的方法方便而更可取。假如有一種合適的流體，它的相對電容率已知或者能很準(zhǔn)確地測出，
則采用流體排出法是好的。
5. 1.4.2 管狀試樣
對 管 狀 試樣而言，合適的電極系統(tǒng)將取決于它的電容率、管壁厚度、直徑和所要求的測量精度。
一般情況下，電極系統(tǒng)應(yīng)為一個內(nèi)電極和一個稍為窄一些的外電極和外電極兩端的保護(hù)電極組成，外電
極和保護(hù)電極之間的間隙應(yīng)比管壁厚度小對小直徑和中等直徑的管狀試樣，外表面可加三條箔帶或
沉積金屬帶，中間一條用作為外電極(測量電極)，兩端各有一條用作保護(hù)電極。內(nèi)電極可用汞，沉積金
屬膜或配合較好的金屬芯軸。
高 電容 率 的管狀試樣，其內(nèi)電極和外電極可以伸展到管狀試樣的全部長度上，可以不用保護(hù)電極
大直 徑 的 管狀或圓筒形試樣，其電極系統(tǒng)可以是圓形或矩形的搭接，并且只對管的部分圓周進(jìn)行試
驗(yàn)。這種試樣可按板狀試樣對待，金屬箔、沉積金屬膜或配合較好的金屬芯軸內(nèi)電極與金屬箔或沉積金
屬膜的外電極和保護(hù)電極一起使用。如采用金屬箔做內(nèi)電極，為了保證電極和試樣之間的良好接觸，需
在管內(nèi)采用一個彈性的可膨脹的夾具。
對 于 非常 準(zhǔn)確的測量，在厚度的測量能達(dá)到足夠的精度時，可采用試樣上不加電極的系統(tǒng)。對于相
對電容率。r不超過10的管狀試樣，方便的電極是用金屬箔、汞或沉積金屬膜。相對電容率在10以
上的管狀試樣，應(yīng)采用沉積金屬膜電極;瓷管上可采用燒熔金屬電極。電極可像帶材一樣包覆在管狀試
樣的全部圓周或部分圓周上。
5.2 液體絕緣材料
5.2. 1 試驗(yàn)池的設(shè)計(jì)
對 于低 介 質(zhì)損耗因數(shù)的待測液體，電極系統(tǒng)重要的特點(diǎn)是:容易清洗、再裝配(必要時)和灌注液
體時不移動電極的相對位置。此外還應(yīng)注意:液體需要量少，電極材料不影響液體，液體也不影響電極
材料，溫度易于控制，端點(diǎn)和接線能適當(dāng)?shù)仄帘?/span>;支撐電極的絕緣支架應(yīng)不浸沉在液體中，還有，試驗(yàn)池
不應(yīng)含有太短的爬電距離和尖銳的邊緣，否則能影響測量精度
滿足 上 述 要求的試驗(yàn)池見圖2一圖4 電極是不銹鋼的，用硼硅酸鹽玻璃或石英玻璃作絕緣。圖2
和圖3所示的試驗(yàn)池也可用作電阻率的測定，IEC 60247;1978對此已詳細(xì)敘述
由于 有 些 液體如氯化物，其介質(zhì)損耗因數(shù)與電極材料有明顯的關(guān)系，不銹鋼電極不總是合適的
有時，用鋁和杜拉鋁制成的電極能得到比較穩(wěn)定的結(jié)果。試驗(yàn)池的準(zhǔn)備
應(yīng) 用 一 種或幾種合適的溶劑來清洗試驗(yàn)池，或用不含有不穩(wěn)定化合物的溶劑多次清洗?？梢酝ㄟ^
化學(xué)試驗(yàn)方法檢查其純度，或通過一個已知的低電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的液體試樣測量的結(jié)果來確定
當(dāng)試驗(yàn)池試驗(yàn)幾種類型的絕緣液體時，若單獨(dú)使用溶劑不能去除污物，可用一種柔和的擦凈劑和水來清
潔試驗(yàn)池的表面若使用一系列溶劑清洗時則后要用沸點(diǎn)低于100℃的分析級的石油醚來再次
清洗，或者用任一種對一個已知低電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的液體測量能給出正確值的溶劑來清洗，并且
這種溶劑在化學(xué)性質(zhì)上與被試液體應(yīng)是相似的。推薦使用下述方法進(jìn)行清洗。
試 驗(yàn) 池 應(yīng)全部拆開，*地清洗各部件，用溶劑回流的方法或放在未使用溶劑中攪動反復(fù)洗滌方法
均可去除各部件上的溶劑并放在清潔的烘箱中，在110℃左右的溫度下烘十30 min
待試 驗(yàn) 池 的各部件冷卻到室溫，再重新裝配起來。池內(nèi)應(yīng)注人一些待試的液體，停幾分鐘后，倒出
此液體再重新倒人待試液體，此時絕緣支架不應(yīng)被液體弄濕。
在 上述 各 步驟中，各部件可用干凈的鉤針或鉗子巧妙地處理，以使試驗(yàn)池有效的內(nèi)表面不與手接觸注 1: 在 同種質(zhì)量油的常規(guī)試驗(yàn)中，上面所說的清洗步驟可以代之為在每一次試驗(yàn)后用沒有殘留紙屑的千紙簡單地
擦 擦 試 驗(yàn) 池 。
注 2: 采 用溶劑時，有些溶劑特別是苯、四抓化碳、甲苯、二甲苯是有毒的，所以要注意防火及毒性對人體的影響，此
外 ，抓 化 物 溶 劑 受 光 作 用會分解。
5.2.3 試驗(yàn)池的校正
當(dāng)需 要 高 精度測定液體電介質(zhì)的相對電容率時，應(yīng)首先用一種已知相對電容率的校正液體(如苯)
來測定“電極常數(shù)”。
“電 極 常 數(shù)”C。的確定按式(14):

來計(jì)算液體未知相對電容率EX o

式 中 :
= Co一C
_CX一Cg
C
Cg— 校 正電容;
Co— 空 氣中電極裝置的電容;
C— 電 極常數(shù);
CX — 電 極裝置充有被試液體時的電容;
Ex— 液 體的相對電容率。

假如 Co IC 。和Cx值是在:。是已知的某一相同溫度下測定的，則可求得精度的。x值。

采用 上 述 方法測定液體電介質(zhì)的相對電容率時，可保證其測得結(jié)果有足夠的精度，因?yàn)樗擞?/span>于寄生電容或電極間隙數(shù)值的不準(zhǔn)確測量所引起的誤差。
6 測f方法的選擇
測量 電 容 率和介質(zhì)損耗因數(shù)的方法可分成兩種:零點(diǎn)指示法和諧振法。
6.1 零點(diǎn)指示法適用于頻率不超過50 MHz時的測量。測量電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)可用替代法;也就
是在接人試樣和不接試樣兩種狀態(tài)下，調(diào)節(jié)回路的一個臂使電橋平衡。通常回路采用西林電橋、變壓器
電橋(也就是互感藕合比例臂電橋)和并聯(lián)T型網(wǎng)絡(luò)。變壓器電橋的優(yōu)點(diǎn):采用保護(hù)電極不需任何外加
附件或過多操作，就可采用保護(hù)電極;它沒有其他網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)。
6.2 諧振法適用于10 kHz一幾百MHz的頻率范圍內(nèi)的測量。該方法為替代法測量，常用的是變電抗
法。但該方法不適合采用保護(hù)電極。

7 試驗(yàn)步驟
7. 1 試樣的制備
試樣 應(yīng) 從 固體材料上截取，為了滿足要求，應(yīng)按相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)方法的要求來制備。
GB/T 1409-2006
應(yīng)精 確 地 測量厚度，使偏差在士(0.2 %士。.005m m)以內(nèi)，測量點(diǎn)應(yīng)均勻地分布在試樣表面。必要
時，應(yīng)測其有效面積。
7.2 條件處理
條 件 處 理應(yīng)按相關(guān)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行。
7.3 測f
電氣 測 量 按本標(biāo)準(zhǔn)或所使用的儀器(電橋)制造商推薦的標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的方法進(jìn)行。
在 1 M H z或更高頻率下，必須減小接線的電感對測量結(jié)果的影響。此時，可采用同軸接線系統(tǒng)(見
圖1所示)，當(dāng)用變電抗法測量時，應(yīng)提供一個固定微調(diào)電容器。
8 結(jié)果
8.1 相對電容率E,
試樣 加 有 保護(hù)電極時其相對電容率。r可按公式(1)計(jì)算，沒有保護(hù)電極時試樣的被測電容,Cl 包括
了一個微小的邊緣電容Ce，其相對電容率為:

式 中 :
E,— 相 對電容率;
,Cl — 沒 有保護(hù)電極時試樣的電容;
C,— 邊 緣電容;
Co — 法向極間電容;
Co 和 C 。能從表1計(jì)算得來。
必要 時 應(yīng) 對試樣的對地電容、開關(guān)觸頭之間的電容及等值串聯(lián)和并聯(lián)電容之間的差值進(jìn)行校正。
測微 計(jì) 電 極間或不接觸電極間被測試樣的相對電容率可按表2、表3中相應(yīng)的公式計(jì)算得來。
8.2 介質(zhì)損耗因數(shù)tan8
介質(zhì) 損 耗 因數(shù)tans按照所用的測量裝置給定的公式，根據(jù)測出的數(shù)值來計(jì)算。
8.3 精度要求
在第 5章 和附錄A中所規(guī)定的精度是:電容率精度為士1%，介質(zhì)損耗因數(shù)的精度為士(5%士
0.000 5)。這些精度至少取決于三個因素:即電容和介質(zhì)損耗因數(shù)的實(shí)測精度;所用電極裝置引起的這
些量的校正精度;極間法向真空電容的計(jì)算精度(見表1).
在較 低 頻 率下，電容的測量精度能達(dá)士(0.1 %士。02p F)，介質(zhì)損耗因數(shù)的測量精度能達(dá)士(2%士
0.0000 5)。在較高頻率下，其誤差增大，電容的測量精度為士(0.5 %士0.1 p F)，介質(zhì)損耗因數(shù)的測量
精度為士(2%土。.000 2).
對 于 帶 有保護(hù)電極的試樣，其測量精度只考慮極間法向真空電容時有計(jì)算誤差。但由被保護(hù)電極
和保護(hù)電極之間的間隙太寬而引起的誤差通常大到百分之零點(diǎn)幾，而校正只能計(jì)算到其本身值的百分
之幾。如果試樣厚度的測量能到士。.005 mm，則對平均厚度為1. 6 mm的試樣，其厚度測量誤差
能達(dá)到百分之零點(diǎn)幾。圓形試樣的直徑能測定到士0. 1%的精度，但它是以平方的形式引人誤差的，綜
合這些因素，極間法向真空電容的測量誤差為10.5%e
對 表面 加 有電極的試樣的電容，若采用測微計(jì)電極測量時，只要試樣直徑比測微計(jì)電極足夠小，則
只需要進(jìn)行極間法向電容的修正。采用其他的一些方法來測量兩電極試樣時，邊緣電容和對地電容的
計(jì)算將帶來一些誤差，因?yàn)樗鼈兊恼`差都可達(dá)到試樣電容的2%-40%。根據(jù)目前有關(guān)這些電容資料，
計(jì)算邊緣電容的誤差為10%，計(jì)算對地電容的誤差為25 。因此帶來總的誤差是百分之幾十到百分之
幾。當(dāng)電極不接地時，對地電容誤差可大大減小。
采用 測 微 計(jì)電極時，數(shù)量級是。.03的介質(zhì)損耗因數(shù)可測到真值的士0.0003 ，數(shù)量級0.0002 的介質(zhì)損耗因數(shù)可測到真值的士。.000 05。介質(zhì)損耗因數(shù)的范圍通常是。.000 1-0. 1，但也可擴(kuò)展到。.1
以上。頻率在10 MH:和20 MHz之間時，有可能檢測出。.00002的介質(zhì)損耗因數(shù)。1-5的相對電容
率可測到其真值的士20o，該精度不僅受到計(jì)算極間法向真空電容測量精度的限制，也受到測微計(jì)電極
系統(tǒng)誤差的限制。
9 試驗(yàn)報(bào)告
試驗(yàn) 報(bào) 告中應(yīng)給出下列相關(guān)內(nèi)容:
絕緣 材 料的型號名稱及種類、供貨形式、取樣方法、試樣的形狀及尺寸和取樣日期(并注明試樣厚度
和試樣在與電極接觸的表面進(jìn)行處理的情況);
試樣 條 件 處理的方法和處理時間;
電極 裝 置類型，若有加在試樣上的電極應(yīng)注明其類型;
測量 儀 器;
試 驗(yàn) 時 的溫度和相對濕度以及試樣的溫度;
施 加 的 電壓;
施加 的 頻 率;
相對 電容 率。r(平均值);
介質(zhì) 損 耗 因數(shù)tans(平均值);
試 驗(yàn) 日 期;
相對 電 容 率和介質(zhì)損耗因數(shù)值以及由它們計(jì)算得到的值如損耗指數(shù)和損耗角，必要時，應(yīng)給出與溫
度和頻率的關(guān)系。

A. 1 西林電橋

A.1.1 概述
西林 電橋 是測量電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的經(jīng)典的裝置。它可使用從低于工頻(50H z-60H z)
直至100 kHz的頻率范圍，通常測定50 pF-1 000 pF的電容(試樣或被試設(shè)備通常所具有的電容)
這是 一 個 四臂回路(圖A.1) 。其中兩個臂主要是電容(未知電容Cx和一個無損耗電容C,)。另外
兩臂(通常稱之為測量臂)由無感電阻R，和R:組成，電阻R,在未知電容Cx的對邊上，測量臂至少被
一個電容C,分流一般地說，電容C:和兩個電阻R,和R:中的一個是可調(diào)的
如果 采 用 電阻R、和(純)電容 C 的串聯(lián)等值回路來表示電容 Cx，則圖A.1 所示的電橋平衡時
導(dǎo)出:

由于 頻 率 范圍的不同，實(shí)際上電橋構(gòu)造會有明顯的不同。例如一個50p F-10 00p F的電容在
50 Hz時的阻抗為60 Md2-3 Md2，在100 kHz時的阻抗為3 000 Q-1 500 S1
頻率 為 100k Hz時，橋的四個臂容易有相同數(shù)量級的阻抗，而在50H z-60H z的頻率范圍內(nèi)則是不可能的。因此，出現(xiàn)了低頻和(相對)高頻兩種不同形式的電橋。
A. 1. 2 低頻電橋
一般 為 高 壓電橋，這不僅是由于靈敏度的緣故，也因?yàn)樵诘皖l下正是高電壓技術(shù)特別對電介質(zhì)損耗
關(guān)注的問題。電容臂和測量臂兩者的阻抗大小在數(shù)量級上相差很多，結(jié)果，絕大部分電壓都施加在電容Cx和C}上，使電壓分配不平衡上面給出的電橋平衡條件只是當(dāng)?shù)蛪涸Ω邏涸帘螘r才成
立。同時，屏蔽必須接地，以保證平衡穩(wěn)定。如圖A. 2所示。屏蔽與使用被保護(hù)的電容C、和C、是一
致的，這個保護(hù)對于Ch來說是*的。
由于 選 擇 不同的接地方法，實(shí)際上形成了兩類電橋。
A.1.2.1 帶屏蔽的簡單西林電橋
橋 的 B 點(diǎn)(在測量臂邊的電源接線端子)與屏蔽相連并接地。
屏 蔽 能很 好地起到防護(hù)高壓邊影響的作用，但是增加了屏蔽與接到測量臂接線端 M和N的各根
導(dǎo)線之間電容.此電容承受跨接測量臂兩端的電壓這樣會引人一個通常使tans的測量精度限于
0.1%數(shù)量級的誤差，當(dāng)電容cx和Cw不平衡時尤為顯著。
A.1. 2. 2 帶瓦格納(Wagner)接地電路的西林電橋
圖 A. 2 示出了使電橋測量臂接線端與屏蔽電位相等的方法。這種方法是通過使用外接輔助橋臂
Z, .Z.(瓦格納接地電路)，并使這兩個輔助橋臂的中間點(diǎn)P接到屏蔽并接地。調(diào)節(jié)輔助橋臂(實(shí)際為
Zu)以使在Z,和Z?上的電壓分別與電橋的電容臂和測量臂兩端的電壓相等顯然，這個解決方法包
括兩個橋即主橋AMNB和輔橋AMPB(或ANPB)同時平衡。通過檢測器從一個橋轉(zhuǎn)換到另一個橋逐
次地逼近平衡而終達(dá)到二者平衡用這種方法精度可以提高一個數(shù)量級，這時，實(shí)際上該精度只決定
于電橋元件的精密度。

必 須 指 出，只有當(dāng)電源的兩端可以對地絕緣時才使用上述特殊的解決方法。如果不可能對地絕緣，
則必須使用更復(fù)雜的裝置(雙屏蔽電橋)
A.1.3 高頻西林電橋
這種 電 橋 通常在中等的電壓下工作，是比較靈活方便的一種電橋;通常電容CN是可變的(在高壓
電橋中電容C、通常是固定的)，比較容易采用替代法。
由于 不 期 望電容的影響隨頻率的增加而增加，因此仍可有效使用屏蔽和瓦格納接地線路
A.1 .4 關(guān)于檢測器的說明
當(dāng)西 林 電橋的 B點(diǎn)接地時，必須避免檢測器的不對稱輸人(這在電子設(shè)備中是常有的)。
然 而這 樣 的檢測器只要接地輸人端總是連接于P點(diǎn)，就能與裝有瓦格納接地線路的電橋一起
使用
A.2 變壓器電橋(電感比例臂電橋)
A. 2. 1 概述
這 種 電 橋的原理比西林電橋簡單。其結(jié)構(gòu)原理見圖A.3 .
當(dāng) 電橋 平 衡時，復(fù)電抗Z、和ZM之間的比值等于電壓矢量U 和U:間的比值。如果電壓矢量的比
值是已知的，便可從已知的Zx,推導(dǎo)出Zx。在理想電橋中比例U,/U :是一個系數(shù) K，這樣 ZK- K ZH
實(shí)際上ZM的幅角直接給出ax
變壓 器 電 橋比西林電橋有很大的優(yōu)點(diǎn)，它允許將屏蔽和保護(hù)電極直接接地且不需要附加的輔助
橋臂。
這 種 電橋 可在從工頻到數(shù)十MHz的頻率范圍內(nèi)使用。比西林電橋使用的頻率范圍寬。由于頻率
范圍的不同，橋的具體結(jié)構(gòu)也不相同
A.2.2 低頻電橋
通 常是 一 個高壓電橋(更精密，電壓U，是高壓，U:是中壓)，這種電橋的技術(shù)與變壓器的技術(shù)有關(guān)。
可 采 用 兩類電源:
l 電源 電壓直接加到一個繞組上，另一個繞組則起變壓器次級繞組的作用。
2) 將 電源加到初級繞組上(見圖A.3) ，而電橋的兩個繞組是由兩個分開的次級線路組成或是由
一個 帶 有 中 間 抽 頭 能使獲得電壓U,和U 的次級繞組組成
與所 有 的 測量變壓器一樣，電橋存在誤差(矢量比U,/U :與其理論值之間的差) 這種誤差隨負(fù)載
而變化尤其是U 和U2之間的相位差，它會直接影響tans的測量值。
因此 ，必 須對電橋進(jìn)行校正，這可以用一個無損耗電容CN(與在西林電橋中使用的相似)代替Z、進(jìn)
行。如果C、與Cx的值相同.這實(shí)際上是替代法，測試前應(yīng)校正。但由于C、很少是可調(diào)的，因此負(fù)載
的變化對Cx不再有效。電橋在恒定負(fù)載下工作是可能的，如圖A.4所示:當(dāng)測量CN時，用一個轉(zhuǎn)換開
關(guān)把CX接地，反之亦然。這時對于高壓繞組來說兩個負(fù)載的總和是恒定的。(嚴(yán)格地說，低壓邊也應(yīng)
該用一個相似的裝置，但由于連在低壓邊的負(fù)載很小，盡管采用這樣處理很容易，但意義小。)
另外 ，若 用并聯(lián)在電壓IJ上的一個純電容C、校正時，承受電壓U2的測量阻抗ZM組成如下:
) 如 果 U:和U,是同相的(理想情況)，則用一個純電容CM組成。
2) 如 果U:超前U,，則用一個電容C?和一個電阻R?組成
3) 如 果 Ue滯后于U,，則電阻Ret,應(yīng)變成負(fù)的 這就是說，為了重新建立平衡必須在U,一邊并
人 一 個 電 阻 形 成 電流分量。其實(shí)并不存在適用于高壓的可調(diào)高電阻，因此通常阻性電流分量
是用 一 個 輔 助 繞 組 來獲得的，這個輔助繞組提供一個與U,同相的低電壓U3(圖A.5 )
注 :不 可 在蛛 匕串接 一個電阻 因?yàn)槿绻麑㈦娮杞釉陔娙萜骱竺鏁茐?/span> C,測量極和保護(hù)極間的等電位;如果將
電 阻接 到 C、 前 面 的高壓導(dǎo)線上，則電阻(內(nèi))電流也將包括保護(hù)電路的電流，這就可能無法校正
這些 論 述 同 樣 適 用 于 上 述 第二 種情況的電阻R} 但在低壓邊容易將三個電阻R?R:和側(cè)以星形聯(lián)接來得到一個與電容并聯(lián)的可調(diào)高值電阻。如圖八.5下面的虛線所示。這時有

但 是 ，可 調(diào) 側(cè) 量 電 容C必須是純電容性的或已知其損耗低(在西林電橋中的測量電容C:不需滿足這些苛刻要求 )。
A.2.3 高頻電橋
上面 的 一 些敘述也同樣適用于高頻電橋。但由于它不再是一個高壓電橋，因此承受電壓U，的臂
能容易地引人可調(diào)元件;替代法在此適用
還應(yīng) 指 出，帶有分開的初級繞組的電橋允許電源和檢測器互換位置。其平衡與在次級繞組中對應(yīng)
的安匝數(shù)的補(bǔ)償相符
A.2.4 關(guān)于檢測器的說明
由于 測 量 臂的一端接地的，因此不必要使用對稱輸人的檢測器
A.3 并聯(lián)T型網(wǎng)絡(luò)
在 并 聯(lián) T型網(wǎng)絡(luò)橋路中，從振蕩器經(jīng)過兩個 T形網(wǎng)絡(luò)流向檢測器的兩股電流在檢測器輸人處是大
小相等而方向相反的。在這個電路中，振蕩器和檢測器都能有一端接地;且在有些可能電路中試樣和用
于平衡的每一個可變元件也有一端接地。
圖 A. 6 出示了只使用電阻和電容簡單的并聯(lián)T型網(wǎng)絡(luò)。測量電介質(zhì)材料常用的電路的原
理如圖A.7所示。這種電路的平衡條件如下(在開路的X,X端子之間)

實(shí)際上是將一個可變電容器接到X,X端，且其電容Cv和它的電導(dǎo)改變了L和RF的表觀值，使電
路達(dá)到平衡;然后再將試樣接到X,X端，通過調(diào)節(jié)電容Cv和C*恢復(fù)電橋平衡。
此 時 :
試樣電容等于Cv的減少量Acv;
試樣的電導(dǎo)G:

式 中 :

'
在 50 k Hz到50M Hz的頻率范圍內(nèi)能方便地設(shè)計(jì)這種網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)也容易有效地屏蔽。但其缺
點(diǎn)是平衡隨頻率的變化太靈敏，以致于電源頻率的諧波很不平衡。為了能拓寬頻率范圍，必須改變或換
接電橋元件，在較高頻率下接線和開關(guān)阻抗(若使用開關(guān)時)會引人很大的誤差。
A. 4 諧振法(Q表法)
諧振 法 或 Q表法是在10k Hz到260M Hz的頻率范圍內(nèi)使用。它的原理是基于在一個諧振電路
中感應(yīng)一個已知的弱小電壓時，測量在該電路出現(xiàn)的電壓。圖A. 8表示這種電路的常用形式，在線路
中通過一個共用電阻R將諧振電路藕合到振蕩器上，也可用其他的禍合方法。
操作 程 序 是在規(guī)定的頻率下將輸人電壓或電流調(diào)節(jié)到一個已知值，然后調(diào)節(jié)諧振電路達(dá)到大諧振，觀察此時的電壓Uo 然后將試樣接到相應(yīng)的接線端上，再調(diào)節(jié)可變電容器使電路重新諧振，觀察新
的電壓U 的值。
在接 人 試 樣并重新調(diào)節(jié)線路時，只要R,G <Q 見圖A.8 )其 總電容幾乎保持不變。試樣電容近似于
AC，即是可變電容器電容的變化量
試樣 的損 耗因數(shù)近似為:

式中:
C— 電路中的總電容，包括電壓表以及電感線圈本身的電容;
Q,.Q o— 分別為有無試樣聯(lián)接時的 Q值。
測量誤差主要來自兩臺指示器的標(biāo)定刻度以及在連線中尤其是在可變電容器和試樣的連線中所引
人的阻抗。對于高的損耗因數(shù)值，R,G < 1的條件可能不成立，此時上面引出的近似公式不成立。
A.5 變電納法(變電抗法)
圖 1所 示 的測微計(jì)電極系統(tǒng)是哈特遜(Haztsh。二)改進(jìn)的，被用于消除在高頻下因接線和測量電容
器的串聯(lián)電感和串聯(lián)電阻對測量值產(chǎn)生的誤差。在這樣的系統(tǒng)中，是由于在測微電極中使用了一個與
試樣連接的同軸回路，不管試樣在不在電路中，電路中的電感和電阻總是相對地保持恒定。夾在兩電極
之間的試樣，其尺寸與電極尺寸相同或小于電極尺寸。除非試樣表面和電極表面磨得很平整，否則在試
樣放到電極系統(tǒng)里之前，必須在試樣上貼一片金屬箔或類似的電極材料。在試樣抽出后，調(diào)節(jié)測微計(jì)電
極，使電極系統(tǒng)得到同樣的電容。
按 電容 變 化仔細(xì)校正測微計(jì)電極系統(tǒng)后，使用時則不需要校正邊緣電容、對地電容和接線電容。其
缺點(diǎn)是電容校正沒有常規(guī)的可變多層平板電容器那么精密且同樣不能直接讀數(shù)。
在低 于 1MHz的頻率下，可忽略接線的串聯(lián)電感和電阻的影響，測微計(jì)電極的電容校正可用與測
微計(jì)電極系統(tǒng)并聯(lián)的一個標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容來校正
在 接 和 未接試樣時電容的變化量是通過這個電容器來測得。
在測 微 計(jì) 電極中，次要的誤差來源于電容校正時所包含的電極的邊緣電容，此邊緣電容是由于插人
一個與電極直徑相同的試樣而稍微有所變化。實(shí)際上只要試樣直徑比電極直徑小2倍試樣厚度，就可
消除這種誤差
首 先將 試 樣放在測微計(jì)電極間并調(diào)節(jié)測量電路參數(shù)。然后取出試樣，調(diào)節(jié)測微計(jì)電極間距或重新
調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電容器來使電路的總電容回到初始值。
按 表 2 計(jì)算試樣電容CP。

式中:
AC— 接人試樣后，在諧振的兩側(cè)當(dāng)檢測器輸人電壓等于諧振電壓的抓習(xí)2時可變電容器M,
(圖 ” 的 兩 個 電 容 讀數(shù)之差
AC— 在除去試樣后與上述相同情況下的兩電容讀數(shù)差。
值得注意的是在整個試驗(yàn)過程中試驗(yàn)頻率應(yīng)保持不變。
注:貼在試樣上的電極的電阻在高頻下會變得相當(dāng)大，如果試樣不平整或厚度不均勻，將會引起試樣損耗因數(shù)的明
顯增 加 。 這種變得明顯起來的頻率效應(yīng)，取決于試樣表面的平整度，該頻率也可低到 10M Hz,因此，必須在
10 M Hz 及更高的頻率下，且沒有貼電極的試樣上做電容的損耗因數(shù)的附加側(cè)量。假設(shè)Cw和tan丙 為不貼電
極的 試 樣 的電容和損耗因數(shù)，則計(jì)算公式為:

屏蔽

在 一 個 線路兩點(diǎn)之間的接地屏蔽，可消除這兩點(diǎn)之間的所有的電容，而被這兩個點(diǎn)的對地電容所代
替。因此，導(dǎo)線屏蔽和元件屏蔽可任意運(yùn)用在那些各點(diǎn)對地的電容并不重要的線路中;變壓器電橋和帶
有瓦格納接地裝置的西林電橋都是這種類型的電路
從 另 一 方面來說，在采用替代法電橋里，在不管有沒有試樣均保持不變的線路部分是不需要屏
蔽的。
實(shí) 際上 ，在電路中將試樣、檢測器和振蕩器的連線屏蔽起來。并盡可能將儀器封裝在金屬屏蔽里，
可以防止觀察者的身體(可能不是地電位或不固定)與電路元件之間的電容變化。
對于 100 k Hz數(shù)量級或更高的頻率，連線應(yīng)可能短而粗，以減小自感和互感;通常在這樣的頻率下
即使一個很短的導(dǎo)線其阻抗也是相當(dāng)大的，因此若有幾根導(dǎo)線需要連接在一起，則這些導(dǎo)線應(yīng)盡可能的
連接于一點(diǎn)。
如果 使 用 一個開關(guān)將試樣從電路上脫開，開關(guān)在打開時它的兩個觸點(diǎn)之間的電容必須不引人測量
誤差。在三電極測量系統(tǒng)中，要做到這點(diǎn)，可以在兩個觸點(diǎn)間接人一個接地屏蔽，或是用兩個開關(guān)串聯(lián)，
當(dāng)這兩個開關(guān)打開時，將它們之間的連線接地，或?qū)⒉唤拥厍姨幱跀嚅_狀態(tài)的電極接地。

電橋的振蕩器和檢測器
A. 7. 1 交流電壓源
滿足 總諧 波分量小于 1%的電壓和電流的任一電壓源。
A.7 .2 檢測器
下 列 各 類檢測器均可使用，并可以帶一個放大器以增加靈敏度:
1) 電 話(如需要可帶變頻器);
2) 電 子電壓表或波分析器;
3) 陰極 射線示波器;
4) “電 眼”調(diào)節(jié)指示器;
5) 振 動 檢流計(jì)(僅用于低頻)。
在 電橋 和檢測器中間需加一個變壓器，用它來匹配阻抗或者因?yàn)殡姌虻囊惠敵龆诵杞拥?/span>
諧波 可 能 會掩蓋或改變平衡點(diǎn)，調(diào)節(jié)放大器或引人一個低通濾波器可防止該現(xiàn)象 對測量頻率的
二次諧波有40 dB的分辨率是合適的