一种测定样品介电特性的装置及其测定方法和应用

摘要

本发明涉及一种准确测定样品材料介电特性的仪器及方法和应用。所述装置包括芯轴1、内电极2、样品层3、外电极4、绝缘垫圈5、内电极引线6a和保护电极引线6b、6c，所述内电极2长度可调；在所述芯轴1外依次套接有所述内电极2、样品层3和外电极4，所述内电极2、样品层3和外电极4的两端设置有紧固结构；所述内电极引线6a一端和所述内电极2连接。介质试样安装在同轴型电容器中。同轴型电容器的内电极采用保护电极型的结构，以消除边缘效应的影响。有效电极的长度可变，使得放入试样有介质和移走试样无介质两种情况下的电容量基本相同。于是通过测量有效电极改变的长度及相关计算，即可实现样品介电特性的测定。

说明书

技术领域：

本发明属于对于电测量领域中对介电特性的测量，尤其涉及一种准确测定样品材料介电特性的仪器及方法和应用。

背景技术：

绝缘材料的介电特性对于材料的应用有重要的价值。在工业上，介电特性中的介电损耗值分量造成能量损失，甚至设备损坏。在精密仪器制造方面，介电特性的准确数据对于仪器的性能也很重要，有时甚至是关键性的。因此，多年来已经发展了不少测量介电特性的方法。但是目前这些方法还有一些不足之处：

1.通常只能测量平板形的样品，而且对样品的大小有要求，样品面积不能太小。材料的介电特性随着生产这种材料的地点、出厂批次不同会有变化。为了保证测量结果准确，一般需从实际应用的同一批材料上取样。有时候，实际应用的材料是较小的圆柱形棒材，很难截下足够大小的平面形试样。而目前尚未见到直接测量圆柱形或圆筒形试样介电特性的仪器。

2.现有测量介电特性方法的基本思路是做一个平板形电极的空气电容器，测量放入和取出平板形试样这两种情况的电容量，再由此计算出试样的介电特性。这样的空气电容器的电容量一般仅为几pF。而小电容测量涉及到的问题很多。测量误差较大，特别是空气电容器与测量仪器之间的连接线会也引起明显的误差，而且这种误差随着被测电容量的变化而变。因此上述测量介电特性的方法有一些原理性的缺陷。如果能够在测量过程中保持被测电容量不变，测量介电特性的过程就会变成一种替代测量，测量设备本身的测量误差和连接线引起的误差就会在两次测量电容量的过程中被消去，介电特性的测量准确度也就随着提高。

发明内容：

为了克服现有技术中对样品形状大小有要求和测量误差大的两点技术问题，本发明设计了一种介电特性测定的仪器和介电特性测定方法。

本发明之一，一种测定样品介电特性的装置是这样实现的

所述装置包括芯轴1、内电极2、样品层3、外电极4、绝缘垫圈5、内电极引线(6a)和保护电极引线(6b、6c)，所述内电极2长度可调；

在所述芯轴1外依次套接有所述内电极2、样品层3和外电极4，所述内电极2、样品层3和外电极4的两端设置有紧固结构；所述内电极引线6a一端和所述内电极2连接；

通过调整所述内电极2的长度，用于当所述样品层3放入不同介质进行测量时电容量相同。

为了解决现有技术中问题，采用被测量替代测量法。通过测量有效电极改变的长度及相关计算，即可实现样品介电特性的测定。所述内电极包括有效电极部分和保护电极部分，所述保护电极部分设置在有效电极部分的两端，且在有效电极部分和保护电极部分中间设置有所述绝缘垫圈5；所述绝缘垫圈5的位置可调，所述内电极通过调节绝缘垫圈5的位置调节有效电极的长度，进而调节内电极2的长度。

为了解决现有技术中对样品形状和大小需要作出要求的技术问题，本发明采用了空心同轴型电容器，可以直接测定圆筒形样品的介电特性。即所述芯轴1为中空聚四氟乙烯芯轴，所述内电极2和外电极4的材质为黄铜，所述样品层中3的样品为聚四氟乙烯材料和空气。

本发明之二，一种利用上述测定样品介电特性的装置进行测定的方法是这样实现的：

所述方法采用被测量替代测量法，且所述电极长度可调整；即通过测量所述有效电极部分改变的长度及计算，实现样品介电特性的测定；本方法用于当测量样品的介电特性时，降低有介质和无介质两种情况的电容量值之差，采取一种替代测量的方法。

在具体的方法中，在所述被测量替代测量法中，

a，被测介质是非空气介质，即放入被测介质

通过调节绝缘垫圈的位置而调节所述内电极的长度，使得所述有效电极部分的轴向长度为l₁，计算同轴电容器的电容量C₁；

b，被测介质是空气介质，即样品层是空气

通过调节绝缘垫圈的位置而调节所述内电极的长度，使得所述有效电极部分的轴向长度为l₂，计算同轴电容器的电容量C₂；

c，测定被测介质的介电特性

由于通过调整内电极的长度，两次测量的电容量相同：C₁＝C₂，准确计算被测介质的介电特性ε_r。

本发明之三，一种利用上述测定样品介电特性的测定方法的应用是：

由于采用了上述的技术方案，本发明对于样品的形状和大小要求已突破现有技术中的只能对平板形样品进行测定的局限，而本方法既可以用于测量圆筒形样品的介电特性，也可以测定对平板形样品的介电特性。

采用本发明的技术内容对样品进行介电特性的测定，主要特点如下：

1.采用被测量替代测量法。通过测量有效电极改变的长度及相关计算，即可实现样品介电特性的测定。

2.制作了空心同轴型电容器，可以直接测定圆筒形样品的介电特性；

3.解决了小电容值(10pF以内)的介质特性准确测定的问题；可以推广到平板形电极的空气电容器测量中使用。

测量圆筒形试样的同轴型电容器的一个特点是有效电极的长度可变，使得放入试样和移走试样两种情况下的电容量基本相同。这样就使两次电容量的测量成为一种被测量的替代测量的过程。电容量测量仪本身的测量误差和连接线引起的误差可在两次测量电容量的过程中被消去，介电特性的测量准确度也因而提高。当然，计算试样的介电特性时要计入两次测量时有效电极长度不同这一因素。内电极装配体整个套在一根聚四氟乙烯的芯轴上，使得拆装过程变得容易。芯轴是中空的，便于内电极的三根连接线引出。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

附图说明：

图1为本发明中的同轴型电容器，装上介质试样后的状态结构剖面示意图；

图2为本发明中的同轴型电容器，以空气为介质时的状态结构剖面示意图。

下面将结合具体实施方式对本发明上述各幅附图作进一步详细的说明。

具体实施方式：

图1为本发明中的同轴型电容器，装上介质试样后的状态结构剖面示意图；

图2为本发明中的同轴型电容器，以空气为介质时的状态结构剖面示意图。被测样品已取出。并通过调整内电极长度和绝缘垫位置，使内电极长度增加约一倍。取出样品前后两种情况下的电容值基本相等。剖面线为的材料为聚四氟乙烯，剖面线为的材料为黄铜。

所述装置包括芯轴1、内电极2、样品层3、外电极4、绝缘垫圈、内电极引线(6a)和保护电极引线(6b、6c)，所述内电极2长度可调；

在所述芯轴1外依次套接有所述内电极2、样品层3和外电极4，所述内电极2、样品层3和外电极4的两端设置有紧固结构；所述内电极引线6a一端和所述内电极2连接；

通过调整所述内电极2的长度，用于当所述样品层3放入不同介质进行测量时电容量相同。

所述内电极2包括有效电极部分和保护电极部分。有效电极部分为内电极A和内电极B，所述保护电极部分包括等电位屏蔽环a和等电位屏蔽环b。所述等电位屏蔽环a和等电位屏蔽环b分别设置在有效电极部分的两端，且在有效电极部分和保护电极部分中间设置有所述绝缘垫圈5；所述绝缘垫圈5的位置可调，所述内电极2通过调节绝缘垫圈5的位置调节有效电极的长度，进而调节内电极2的长度。

在所述内电极层和芯轴中间还包含有一个聚四氟乙烯层7，起绝缘作用。且在该层7包含一个内电极接触环8，用于从内电极2引出内电极引线6a。

所述芯轴1外的各层套接在芯轴1外侧，后通过紧固螺帽9加以紧固操作。

以聚四氟乙烯材料的介电特性测量为例。图1和图2中画出了能适合圆筒形试样的同轴型电容器。分别测量放入试样和移走试样两种情况下的电容量就可求出试样的介电特性。同轴型电容器的内电极采用开尔文式的保护电极结构。中间部分为有效电极部分，这是一个长23mm，外径20mm，厚2mm的黄铜圆筒。两端装有保护电极部分，也是黄铜圆筒，外径和厚度与有效电极一样，但长度只有14mm。有效电极部分的两端各有一个保护电极(图1中a、b两段铜环)，三者套在一根绝缘的聚四氟乙烯芯轴上。有效电极和保护电极之间相互之间有0.1mm厚的薄层绝缘垫片，保证彼此之间的绝缘。有效电极和保护电极在测量过程中处于同一电位(地电位)，这样就形成了开尔文式的保护电极结构。这种开尔文式保护电极结构使得边缘效应造成的不均匀电场只出现在保护电极处，有效电极部分的电场则呈均匀分布。测量时只有与有效电极部分相连的引线6a接到指零仪，与保护电极相应的引线6b及6c则接地。因此只有与有效电极相应的电容电流对测量电桥的平衡有作用。与边缘效应引起的电场畸变相应的电容电流只存在于保护电极部分，直接流入地中，不影响测量过程。因此开尔文式保护电极结构可消除边缘效应对测量过程的影响。内电极装配体整个套在一根聚四氟乙烯的芯轴上，使得拆装过程变得容易。芯轴是中空的，便于内电极的三根连接线引出。

为了使得无介质和有介质两种情况下的电容值接近相同，此种同轴型电容器的有效电极部分的长度可变。为了做到这一点，实际的有效电极部分分成了内电极A和内电极B两段。可以通过调换内电极B段与绝缘垫片的顺序，使得内电极B段与内电极A段绝缘而与等电位屏蔽环b段直接接触成为保护电极部分的一部分(见图1)，从而在调整内电极有效长度的同时，保持了整个装置的长度不变。

有效电极外面再套一个“高压电极”，即外电极。这也是一个黄铜圆筒。内径26mm，厚2mm。有效电极和“高压电极”两者保持同轴，即两者有同一根中轴线。有效电极和外电极之间有3mm的间隙。当此间隙为空气间隙时，外电极、有效电极部分和两个保护电极部分一起就形成了一个“同轴电容器”。

第一种情况：没有介质，即电容为空气电容器

设有效电极的轴向长度为l₁，外径为r，有效电极和“高压电极”之间的间隙为δ，则同轴电容器的电容量为

$C_1=\frac{2\pi {ϵ}_0{l}_1}{\ln \frac{r+\delta }{r1}}...\left(1\right)$

第二种情况：放入被测介质

在内电极外套上一个聚四氟乙烯材料的圆筒形试样。试样的内径正好等于内电极的外径。试样圆筒的厚度等于原来内外电极的间隙δ。。然后再在圆筒形聚四氟乙烯试样外面套上原来的外电极-“高压电极”。这样就又构成了一个同轴型电容器。为了使电容值与第一种情况时基本相同，必须适当调整内电极的长度。设此时内电极长度为l₂

则电容量从(1)式变成为

$C_2=\frac{2\pi {ϵ}_0{ϵ}_r{l}_2}{\ln \frac{r+\delta }{r}}...\left(2\right)$

其中的ε_r为被测材料聚四氟乙烯试样的相对介电常数，也就是试样介质特性的同相分量。

为了使两次电容量的测量成为一种替代测量的过程，应该使放入试样和移走试样两种情况下的电容量基本相同。这样可使电容量测量仪本身的测量误差和连接线引起的误差可在两次测量电容量的过程中被消去，介电特性的测量准确度也就随着提高。从(1)和(2)式可知，使C₁和C₂相等的条件是

l₁＝ε_rl₂        (3)

或

$l_2=\frac{1}{{ϵ}_r}{l}_1...\left(4\right)$

换句话说，第二次测量时，有效电极部分的长度应该缩短到1/ε_r，这样就能达到使C₁和C₂相等的条件。例如，从文献中查得聚四氟乙烯试样的相对介电常数约为2.0，所以第二次测量时，有效电极部分的长度应该缩短到原来的一半。如果介电常数不是正好等于2.0，电极的有效长度可以调整。例如做一些直径和有效电极相同的导电薄片，和有效电极的一半连在一起，就调整了两次测量过程中有效电极长度的变化量，从而适应介电常数不等于2.0的情况，使得两次测量的电容量仍非常接近，满足替代测量的要求。

表1为用图1、2所示装置对圆柱形聚四氟乙烯试样在有介质和无介质的情况分别进行了20次测量结果。同时给出了有介质和无介质两种情况下介质损耗测量值平均值、标准差和残差，从表中的数据可以看出。所有的残差均小于3σ，因此可以认为这些数据都是有效的。

  表1聚四氟乙烯介质损耗测量结果  序号  有介质  C_X1＝10.11510pF  无介质  C_X2＝10.02707pF tanδ(×10^-7)  测量结果  tanδ₁(×10^-7)  残差  v₁(×10^-7)  测量结果  tanδ₂(×10^-7)  残差  v₂(×10^-7) tanδ₁-tanδ₂(×10^-7)  1  2114  280.3  1058  92.45 1056  2  2002  168.3  547  -418.55 1455  3  1608  -225.7  422  -543.55 1186  4  1311  -522.7  497  -468.55 814  5  1712  -121.7  1398  432.45 314  6  1436  -397.7  784  -181.55 652  7  1687  -146.7  842  -123.55 845  8  2245  411.3  1356  390.45 889  9  1388  -445.7  1079  113.45 309  10  2195  361.3  990  24.45 1205  11  2300  466.3  894  -71.55 1406  12  2146  312.3  909  -56.55 1237  13  1394  -439.7  1221  255.45 173  14  1178  -655.7  622  -343.55 556  15  1780  -53.7  1564  598.45 216  16  2057  223.3  974  8.45 1083  17  2324  490.3  1466  500.45 858  18  2198  364.3  1258  292.45 940  19  1101  -732.7  739  -226.55 362  20  2498  664.3  691  -274.55 1807  平均值  1833.7  /  965.55  / 868.15  标准差  427.1167  /  333.4325  / 101.1108

注：1.表中tanδ₁和tanδ₂的标准差，是单次测量的标准差，按贝塞尔公式求得

2.表中tanδ的标准差是指平均值的标准差。