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)果與某些物理條件有關(guān)，例如頻率、溫度、濕度，在特殊情況下也與電場強度有關(guān)
有 時在 超 過 10 00V 的電壓下試驗，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。「等于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，則在計算電容率前必須先
計算并聯(lián)電容
本標(biāo)準(zhǔn)中的計算和側(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、濕度和電氣強度對介電性能的影響。
4.2. 1 頻率
因為 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。因此試驗前和試驗時對環(huán)境濕度進行控制是*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 電場強度
存 在 界 面極化時，自由離子的數(shù)目隨電場強度增大而增加，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表示導(dǎo)線電阻要盡可
能低及試樣電容要小。第二點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)的電容計算公式以及邊緣電容近似計算
的經(jīng)驗公式由表飛給出。
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)的尺寸可以從計算公式中
消去
試樣 為 與 試驗池電極直徑相同的圓片，或?qū)y微計電極來說，試樣可以比電極小到足以使邊緣效應(yīng)
忽略不計在測微計電極中，為了忽略邊緣效應(yīng)，試樣直徑約比測微計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)可加上保護電極。保護電極的寬度應(yīng)至少為
兩倍的試樣厚度，保護電極和主電極之間的間隙應(yīng)比試樣厚度小。假如不能用保護環(huán)，通常需對邊緣電
容進行修正，表工給出了近似計算公式這些公式是經(jīng)驗公式，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環(huán)和無保護環(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，因為它
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，這是因為它的蒸氣是有毒的
伍德 合 金 和其他低熔點合金能代替汞。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。因為此種電極是多孔的，可透過濕
氣，能使試樣的條件處理在涂上電極后進行，對研究濕度的影響時特別有用。此種電極的缺點是試樣涂
上銀漆后不能馬上進行試驗，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電極組成，外電
極和保護電極之間的間隙應(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行試
驗。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 試驗池的設(shè)計
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。試驗池的準(zhǔn)備
應(yīng) 用 一 種或幾種合適的溶劑來清洗試驗池，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)試驗池試驗幾種類型的絕緣液體時，若單獨使用溶劑不能去除污物，可用一種柔和的擦凈劑和水來清
潔試驗池的表面若使用一系列溶劑清洗時則后要用沸點低于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行清洗。
試 驗 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 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)試驗中，上面所說的清洗步驟可以代之為在每一次試驗后用沒有殘留紙屑的千紙簡單地
擦 擦 試 驗 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，因為它消除了由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:零點指示法和諧振法。
6.1 零點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?；芈凡捎梦髁蛛姌颉⒆儔浩?/span>
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:采用保護電極不需任何外加
附件或過多操作，就可采用保護電極;它沒有其他網(wǎng)絡(luò)的缺點。
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電極。

7 試驗步驟
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 保護電極時其相對電容率。r可按公式(1)計算，沒有保護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)電容之間的差值進行校正。
測微 計 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算精度(見表1).
在較 低 頻 率下，電容的測量精度能達士(0.1 %士。02p F)，介質(zhì)損耗因數(shù)的測量精度能達士(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 有保護電極的試樣，其測量精度只考慮極間法向真空電容時有計算誤差。但由被保護電極
和保護電極之間的間隙太寬而引起的誤差通常大到百分之零點幾，而校正只能計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
能達到百分之零點幾。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，若采用測微計電極測量時，只要試樣直徑比測微計電極足夠小，則
只需要進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
計算將帶來一些誤差，因為它們的誤差都可達到試樣電容的2%-40%。根據(jù)目前有關(guān)這些電容資料，
計算邊緣電容的誤差為10%，計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，該精度不僅受到計算極間法向真空電容測量精度的限制，也受到測微計電極
系統(tǒng)誤差的限制。
9 試驗報告
試驗 報 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 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 日 期;
相對 電 容 率和介質(zhì)損耗因數(shù)值以及由它們計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，也因為在低頻下正是高電壓技術(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。屏蔽與使用被保護的電容C、和C、是一
致的，這個保護對于Ch來說是*的。
由于 選 擇 不同的接地方法，實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(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P接到屏蔽并接地。調(diào)節(jié)輔助橋臂(實際為
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，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，它允許將屏蔽和保護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
行。如果C、與Cx的值相同.這實際上是替代法，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 因為如果將電阻接在電容器后面會破壞 C,測量極和保護極間的等電位;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)計這種網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)也容易有效地屏蔽。但其缺
點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 的測微計電極系統(tǒng)是哈特遜(Haztsh。二)改進的，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，測微計電極的電容校正可用與測
微計電極系統(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 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過程中試驗頻率應(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)，則計算公式為:

屏蔽

在 一 個 線路兩點之間的接地屏蔽，可消除這兩點之間的所有的電容，而被這兩個點的對地電容所代
替。因此，導(dǎo)線屏蔽和元件屏蔽可任意運用在那些各點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 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。
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，可以在兩個觸點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(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為電橋的一輸出端需接地
諧波 可 能 會掩蓋或改變平衡點，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