1、第三章第三章 电容元件介电参数测量电容元件介电参数测量一.电容器基本参数二.介质测量的电极系统三.电桥测量法概述四.西林电桥五.双T电桥六.谐振法七.高频测量技术八.电介质材料击穿实验 相对介电系数 r=C/Co，以绝缘材料为介质与以真空为介质制成同尺寸电容器的电容量之比值。物理含义：表示在单位电场中，单位体积内积蓄的静电能量的大小。是表征电介质极化并储存电荷的能力，是个宏观物理量 Co=oA/t o=(49109)-1(F/m)r=C/C0=tC/oA=0.03610-12tC/A对圆形平板试样r=0.144tC/D2 D-试样与电极直径(m)一、电容器基本参数上述计算没考虑边缘效应。电容量
2、C或相对介电系数 r损耗角正切tg(tan)或品质因子Q,Q=1/tg0真空介电系数，8.85410-12(F/m)A电容面积，m2t 电容厚度，m 介质损耗因子介质损耗：置于交流电场中的介质，以内部发热(温度升高)形式表现出来的能量损耗。介质损耗角：对电介质施加交流电压，介质内部流过的电流相位与电压相位之间夹角的余角。介质损耗角正切：对电介质施以正弦波电压，外施电压与相同频率的电流之间相角的余角的正切值tg。无功功率有功功率储存消耗WWtg介质损耗角示意图介质损耗角示意图物理意义用电路的概念来描述，可以把有介质损耗的绝缘体看成是电容和电阻并联或串联的等效阻抗，如图所示。tg：被测材料损耗角正
3、切Cs、Cp：串联、并联等值电容（F）Rs、Rp：串联、并联等值电阻（）并联、串联等值电路参数关系 当tg0.1时，可认为Cp=Cs，此时误差不大于1%。22111tgRRtgCCspsp两种等效电路两种等效电路实际中介质损耗是很微小的，一般不能用普通的功率表示来测损耗因数，而是把试样视为上述的等效阻抗。材料的r、tg与样品的形状、尺寸无关，与等效电路的选择无关，是材料的特征参数。r、tg与温度、频率、场强、湿度等有关，因此测量时必须注意测试条件及环境条件。电容的温度与容量误差编码电容的温度与容量误差编码二、介质测量的电极系统二电极系统、三电极系统图图3-1 平板电容的杂散电容平板电容的杂散电
4、容二电极：有的测试方法或设备只提供两个测量接头二电极：有的测试方法或设备只提供两个测量接头(如谐振法如谐振法)，故用二电极。故用二电极。二电极测量存在由边缘效应引起的二电极测量存在由边缘效应引起的边缘电容边缘电容(Ce)和电极和电极对地对地电容电容(Cg)，这两个使测量值偏大，即测量值，这两个使测量值偏大，即测量值(Cx)大于真值大于真值(Cp)。故。故有有:Cp=CxCgCe，但对于，但对于tg 却有测量值偏小的现象却有测量值偏小的现象。tgtgCtgCtgXXXp有功能量分量 消除Ce、Cg 的影响，接近均匀场，消除了Gs(表面漏导)对tg的影响。需要第三个测量端，调节麻烦，设备复杂，高频
5、时接线过多引起杂散电容。gh123三电极:xsCGtg表面漏导引起的介质损耗角正切增量 三电极测试系统三电极测试系统图图3-2 三电极系统的杂散电容三电极系统的杂散电容图图3-3 简单的二电极测试系统简单的二电极测试系统1、仪器的高压端2、仪器的接地端3、试样4、硬导线1、接地端 5、波纹管2、高压电极 6、测微螺丝3、试样 7、微调电容器4、接地电极 8、高压电极 图图3-4 测微电极的接触式二电极法测微电极的接触式二电极法1、厚度测量要求准确度高；2、试样与电极应屏蔽，以排除外场干拢。测量固体介质的介电系数和损耗角正切所用的电极可分为接触式电极与不接触式电极两大类。（1）接触式电极：是指与
6、被测材料紧密接触的电极。采用的电极材料有：表面粘贴（金属箔）、沉积金属层可以用喷绘（涂导电涂层）、烧制（烧银）、喷涂低熔点金属，镀膜（蒸发、溅射）等方法形成。（2）不接触式电极所谓不接触式电极就是在试样表面不粘贴或不涂敷任何导电材料而把试样放入已制作的金属板状电极之间，让金属电极与试样间（一边或二边）留一气体或液体间隙。不作电极；用二电极也能消除或减少边缘、对地、接线电容的影响；可测不能（或不易）做电极的材料，如泡沫、塑料、纸、薄膜；对薄膜或低损耗材料测量的准确度高。二电极系统中介电常数与损耗的计算 理想情况 Cp=CxCgCeCe边缘电容，Cg对地电容Cx、tgx为测试值，Cp、tg 为试样
7、真实值，C0-试样的真空电容值xgexgexxxpxxCCCtgCCCtgCCtgCtg1)(ogexoprCCCCCC当有一个电极或两个电极都比样品小时，杂散电场的存在导致杂散电容，并出现损耗。以Cf表示无损耗边缘电容，rCd表示有损耗边缘电容，则总的边缘电容为：Ce=rCd+Cf相对介电常数与损耗角正切可计算如下：dogfxrxgfxgfxxxdrpxxCCCCCCCCtgCCCtgCCCtgCtg1 实际情况实际情况三、电桥测量法概述 电桥法测量原理：把试样作为一个桥臂，其它三个桥臂电抗均为已知，调节电桥达到平衡，根据平衡条件，求出试样的并联等值电容和电阻从而求出试样的介电系数和损耗角正
8、切。范围广；精度高；频带宽；还可通过使用三电极来消除表面电导和边缘效应带来的测量 误差。电容电桥按电容电桥按测试使用频率测试使用频率可分为：可分为：超低频电桥：超低频电桥：0.01Hz 200Hz 音频电桥：音频电桥：20Hz 3MHz 双双T电桥：电桥：150MHz西林电桥西林电桥 超低频电桥：0.01Hz 200Hz适用于介电松弛在极低频时发生的介质的测量。图图3-5 超低频电桥超低频电桥在超低频时，介质的交流电导率一般接近于直流电导率，因此，可用电阻元件作为比例臂。音频电桥：20Hz 3MHz是测量介质参数r、tg的常用手段。可用于直接法或替代法的测量，后者具有较高的灵敏度。用于音频下测
9、试介质的典型电阻臂电容电桥，称为西林电桥。图图3-6 西林电桥西林电桥由于不采用可变电阻作为平衡元件，从而可以避免串联电感和并联电容带来的误差，因此可用于较高的频率。双T电桥：150MHz 由两个并联的T型网络构成的四端网络，当输出电流大小相等而相位相反时，输出端的电流为零，此时系统达到平衡。图图3-8 双双T电桥电桥信号源与检测器有公共的连接点，因此可以不用对称变压器。所有的杂散分量均能容易地被消除，与其他电桥相比，其工作频率可以高很多。四、西林电桥西林电桥分类 高压工频西林电桥 低压工频西林电桥 低压(高频)西林电桥 反接电桥 对角线接地西林电桥 大电容西林电桥图图3-9 西林电桥原理图西
10、林电桥原理图Cx、Rx为被测试样的等值并联电容、电阻R3、R4为比例臂CN为平衡试样电容的标准电容C4为平衡试样损耗角正切的可变电容根据交流电桥平衡条件ZxZ4=Z3ZN(3-4-1)ABxxxCjRZ11NNCjZ1Z3=R344411CjRZ(3-4-2)xNxtgCRRC23411NxCRRC34(3-4-3)44RCtgx分别带入(3-4-1)并解之，可得式中tgx为试样的损耗角正切。当tgxZ4，故有xNxxxNZZUCZUZZZUCU4411即得到 灵敏度与测试电压U，测试频率，以及标准电容CN成正比。误差分析 简单变化后得到相对误差与测试电压U，测试频率，输出电压U以及标准电容C
11、N的关系。4UZCUZZNxx 西林电桥分类 高压工频西林电桥 主要用于测量绝缘材料的相对介电常数和损耗角正切。电桥结构与组成元件.电桥B点,T的一端接地;CN,CX 处于高电位;CN,CX的阻抗R3、R4、C4，故电 压主要降在ZX、ZN 上，因而 操作(调R3、C4)很安全。.测量频率为工频(50Hz),较低杂散电容残余电感影响小。.R4是固定的，做成104/或103/则:tgX=R4C4=250 104/C4106C4 或为0.1C4，所以可以将C4校刻为tgX可以直接读数。图图3-11 高压工频西林电桥高压工频西林电桥ABR3R4C4CNCxRxTCD.测量时，被测量样品不接地，CN上
12、有高电压，调节困难，因而只能通过调节R3、C4使电桥平衡。电桥的灵敏度受到CN的限制，只能通过增高电源电压及指示仪表的分辨率来提高灵敏度。低压工频西林电桥 主要用于测量液体绝缘材料或有机薄膜材料的介电常数和损耗角正切。通常把电阻比例臂换成电容，以提高桥臂阻抗。此时实际上为四臂均为电容的音频电桥。3343RCtgCCCCxNx 图图3-12 低压工频西林电桥低压工频西林电桥低压高频西林电桥 简称低压西林电桥，主要在音频和高频下使用。电桥特点 使用频率高，常常采用电容连接点接地，以消除对地电容与电阻并联对损耗角正切造成的误差；由于电压低，常常把电源跨接在电阻比例臂上，以提高电桥的灵敏度。为消除Z3
13、、Z4对地电容对CN、Cx的影响，需要将Z3、Z4屏蔽。电桥平衡时，Cx，tgx可由下式计算：4434RCtgRRCCxNx图图3-13 低压高频西林电桥低压高频西林电桥BR3R4C4CNCxCD五、双T电桥两个并联的T型网络所构成的四端网络，当从两个T型网络输出的电流I2、I2在数值上相等，而相位相反，则输出电流为零，即电桥达到平衡。此时，像平衡电桥一样，输入端信号源的阻抗及输出端平衡指示器的阻抗均不会影响平衡条件。由于输入端电源的阻抗对于两个T型网络的作用是一样的，而输出端电压在平衡时对两个T型网络而言都是零，所以当电路平衡时，两个T型网络是相互独立的，与其他部分无关。这样每个网络都可以各
14、自分开考虑，并可以假定电源电压直接加于输入端，而输出端短路。图图3-14 双双T电桥原理图电桥原理图用于测量介质的电容与损耗的双T电桥。被测试点可以任意接在A端或B端。图图3-16 测量介质高频参数用双测量介质高频参数用双T电桥电桥C1RNC3DC2LALBCACBGAGBAB01122123 L RCCGCBNABC(3-5-5)011232121ANBALRGCCCCCC(3-5-6),BACC式中，式中，为不接样品时，两个标准空气电容的读数为不接样品时，两个标准空气电容的读数如果样品接在如果样品接在A端上，则以上两式分别变为：端上，则以上两式分别变为：01122122BNPABLRCCG
15、GCC(3-5-7)011232121ANBAPLRGCCCCCCC(3-5-8)式中，式中，CA、CB为接样品时两个标准空气电容器的读数；为接样品时两个标准空气电容器的读数；CP、GP分别为样品的等效并联电容及电导分别为样品的等效并联电容及电导。由上面四式，可得由上面四式，可得AAAPCCCC(3-5-9)BNBBNPCCCCRCCCCCRG32123212(3-5-10)ABNPPPPxCCCCCRCGRCtg3211(3-5-11)故故 由此可见，若以由此可见，若以RNC1C2/C3作为倍率，就可把作为倍率，就可把CB的值的值直接在表头上刻为损耗的读数。直接在表头上刻为损耗的读数。双双T
16、电桥的优点是：电桥的优点是：(1)信号源与检测器有公共的连接点接地，因此可以不用隔离变压器；(2)两并联支路均有一端接地，四个并联元件的杂散阻抗与电源并联，不影响测量结果。(3)因用替代法，结点对地电容也不影响测量结果。(4)只用一层屏蔽，能用于高频（直到30MHz）。电桥法的缺点：电桥法的缺点：(1)频率增高时，杂散电磁场的影响也增大；(2)电路结构为多环路，引起误差的“源”增多；(3)平衡指示器灵敏度要求高，易受外界干扰。测量频率在几兆以上时，电路的分布电容及元件剩余电感、电阻会使一般电桥在测量介质的介电常数和损耗产生很大的误差，此时必须改用谐振法测量。谐振法原理电路为简单的LC回路，如图
17、所示。CxCL图图3-17 谐振法原理图谐振法原理图 试样电容Cx可以根据接上试样与不接试样谐振时可变电容的读数差来求得。六、谐振法 变电阻法：把试样等效为串联等值电容Cs和电阻Rs，原理如图所示，测量时使接与不接试样电路分别达到谐振时的指示仪表读数不变，记下电阻变化量R，进而求出Rs。图图3-18 变电阻法原理图变电阻法原理图 试样等值电阻的常用求法：变阻法、变电导法、变Q值法、变电纳法及变频率法等。CsCLVRsRCx 变电导法：把试样看作并联等值电容与电导，如图所示。与变电阻法相似，根据二次谐振下可变电导G之差求出等值电导。变电阻和变电导优点：线路简单缺点：可变电阻的分布电容影响大，测量
18、频率不高，而且分辨率低，调节不易。图图3-19 变电导法原理图变电导法原理图CLVRPCPGCx 变电纳法：根据谐振曲线的半功率点的宽度C或f与回路R之间的关系来求回路电阻。变Q法：根据Q值的定义CRUUQc1CVULRUc图图3-20 变变Q法测量原理图法测量原理图如果Q值已知，即可求出线路电阻。图图3-21 变电纳法测量原理图变电纳法测量原理图变电纳法与变Q法是目前测量介质高频损耗用的最多的方法，其优点是方便可靠。其中变电纳法的分辨率优于变Q法，因此更适合用于测量低损耗介质材料的tg值。(1)变Q法测量原理 调节可变电容C使回路谐振，此时电流达到最大值。1.变Q法原理及Q表的使用U不变时，
19、Q值与Ur成比例，由此Q值可以直接由电容两端的电压来刻度。当知道Q值，谐振频率及电容C时即可根据式（3-6-1）求得电阻。CVULRUr图图3-22 变变Q法测量原理图法测量原理图RUIr电容两端的谐振电压CRUCIUrr1故故CRUUQr1(3-6-1)(2)利用Q表测量介质损耗角正切 如图所示为Q表测量原理图，L为谐振回路线圈；C为调谐电容；Q是以Q值刻度的用以指示电容两端电压的电子管电压表；G为高频信号源；V为高频电子管电压表，用来校准电源电压。Cp、Rp分别表示试样的并联等效电容与电阻。根据变Q法制成Q表，用于测量介质损耗时手续简单，使用方便，可在较高频率时使用。但与变电纳法仪器比较，
20、准确度和分辨率都要差一些，故只能用之于测量损耗较大的场合。图图3-23 Q表电路原理图表电路原理图QCpRpRiRi为保护电阻为保护电阻 测量时，首先接入试样，调C使电路谐振，测得C1、Q1，其等效电路如图3-24所示。图中R为仪表内LC回路的有效电阻，利用等值转换将图3-24所示的电路转化为串联等效电路，如图3-25所示。RRpLC1+Cp图图3-24 并联等效电路并联等效电路图图3-25 串联等效电路串联等效电路RLRsCsRLC2图图3-26不接试样的等效电路不接试样的等效电路 测量时，首先接入试样，调C使电路谐振，测得C1、Q1，其等效电路如图3-24所示。图中R为仪表内LC回路的有效
21、电阻，利用等值转换将图3-24所示的电路转化为串联等效电路，如图3-25所示。RRpLC1+Cp图图3-24 并联等效电路并联等效电路图图3-25 串联等效电路串联等效电路RLRsCs图图3-25中，中，CS=C1+CppSpSpppSRCRCRtgRtgRRtg22222111)613()813(1，得及式，由式令(3-6-2)11QCRRss(3-6-3)由变由变Q法原理，知法原理，知RLC2图图3-26 不接试样的等效电路不接试样的等效电路 其次，拿掉试样后，调其次，拿掉试样后，调C使线路再次谐振，使线路再次谐振，测到测到C2、Q2，其等效电路如图，其等效电路如图3-26所示所示 此时，
22、有此时，有221QCR(3-6-4)由于两次谐振频率不变，且由于两次谐振频率不变，且L一样，因此两次谐振之一样，因此两次谐振之电容必相等，即电容必相等，即Cs=C1+Cp=C2 (3-6-5)由式由式(3-6-3)及及(3-6-4)，得，得(3-6-6)212111QQCRs由于由于C0一般很难估计，故一般很难估计，故C0是造成测量误差的主要源。是造成测量误差的主要源。如果试样电容大于调谐电容，则可把试样与标准可变电容串联接到相应的接头上。这样接法时，试样电容与损耗角正切可用下式求得：121222111212()xC CCCCC QC QtgQQ CC(3-6-9)(3-6-10)(3)Q表的
23、使用方法Q表的测量频率约在几十千赫到几十兆赫之间。高频表的测量频率约在几十千赫到几十兆赫之间。高频信号通过一个很小的电阻耦合到谐振回路。该电阻阻值信号通过一个很小的电阻耦合到谐振回路。该电阻阻值一般为一般为0.04,且有极小的剩余电感且有极小的剩余电感(O.07H）,标准调谐标准调谐电容的最大电容，一般为电容的最大电容，一般为500pF左右。为使回路能在整个左右。为使回路能在整个频段内谐振，频段内谐振，Q表均备有一套标准电感线圈，这些线圈决表均备有一套标准电感线圈，这些线圈决定了回路的定了回路的Q值。因此，要求线圈的值。因此，要求线圈的Q值要在值要在200C以上。以上。Q表在使用前应对表在使用
24、前应对Q值读数进行校正，校正的方法有值读数进行校正，校正的方法有两个。两个。一是用已知一是用已知Q值的标准线圈来校正。值的标准线圈来校正。但由于回路的但由于回路的参数会影响回路的参数会影响回路的Q值，因此用标准线圈来校正回路值，因此用标准线圈来校正回路Q值值时，还必须用回路的参量来进行修正，才能得到回路的时，还必须用回路的参量来进行修正，才能得到回路的真正真正Q值。因此这种方法只适应于残量已知的值。因此这种方法只适应于残量已知的Q表。表。二是二是利用谐振回路的谐振曲线在半功率点的宽度利用谐振回路的谐振曲线在半功率点的宽度C与谐振回与谐振回路电导路电导G的关系：的关系：即用此式来校正即用此式来校
25、正Q表的表的Q值。值。在使用在使用Q表测量绝缘材料的相对介电常数与损耗角正切表测量绝缘材料的相对介电常数与损耗角正切时，由于测试回路只有两个测量端，因此只能用二电极系时，由于测试回路只有两个测量端，因此只能用二电极系统的方法。测试装置如图统的方法。测试装置如图3-27所示。所示。测量时，为了减少引线电容对试样参数的影响，把带测量时，为了减少引线电容对试样参数的影响，把带有电极的试样放在比试样小得多的金属支柱上。上端电极有电极的试样放在比试样小得多的金属支柱上。上端电极用一根短粗的线接到用一根短粗的线接到Q表的高端。调节标准电容使线路谐表的高端。调节标准电容使线路谐振。第二次谐振时，为了减少引线
26、造成的系统误差，要把振。第二次谐振时，为了减少引线造成的系统误差，要把试样引线的高端断开，并保持引线的位置不变。但尽管如试样引线的高端断开，并保持引线的位置不变。但尽管如此，引线对地电容对测量的影响仍无法排除。因此，对于此，引线对地电容对测量的影响仍无法排除。因此，对于较精确的测量，应采用测微电极，特别是在高频（较精确的测量，应采用测微电极，特别是在高频（10兆兆赫）下测量，更应如此。赫）下测量，更应如此。变电纳法与变变电纳法与变Q法相比，优点是分辨率及灵敏度都比法相比，优点是分辨率及灵敏度都比较高，适于测量较高，适于测量损耗较小损耗较小的样品。的样品。图图3-28所示的为变电纳法原理图。图中
27、电感线圈与信所示的为变电纳法原理图。图中电感线圈与信号源线圈相耦合，以提供谐振回路中的高频信号。号源线圈相耦合，以提供谐振回路中的高频信号。C1、C2为调谐电容，为调谐电容，V为高频电压表，为高频电压表，Cx为待测试样。为待测试样。图图3-28 变电纳法测量原理图变电纳法测量原理图C1C2VMCx将原理图简化为图将原理图简化为图3-29所示的等效电路。所示的等效电路。L、R为线为线圈的等效电感与电阻；圈的等效电感与电阻；C为线圈以外包括为线圈以外包括C1、C2的总等的总等效电容；效电容；U为线圈中的感应电动势。显然回路电为线圈中的感应电动势。显然回路电流流.1UIRj LGj C图图3-29
28、变电纳法等效电路图变电纳法等效电路图LRGCUc.ILRGCUc.IR.1UIRj LGj C时，可得：时，可得：C即为谐振曲线的宽度，它与回路的电导有关。在一即为谐振曲线的宽度，它与回路的电导有关。在一定定q值下，测得曲线的宽度即可求得回路的电导通常取值下，测得曲线的宽度即可求得回路的电导通常取q=2，即，即Uc/Uy=0.707，该点称为，该点称为“曲线的半功率点曲线的半功率点”。此。此时时 Gt=C/2t3-30图图3-30 用变电纳法测量介质的电容及损耗角正切时，需用变电纳法测量介质的电容及损耗角正切时，需作两次测量作两次测量。第一次测量时接人样品，调节。第一次测量时接人样品，调节C1
29、、C2，求得求得C，；第二次测量时不接样品，重复上述步骤，；第二次测量时不接样品，重复上述步骤，在同一在同一q值下得到值下得到C0,分别求出有、无样品时的总电分别求出有、无样品时的总电导，其差即为等效电导，即导，其差即为等效电导，即而而 与变与变Q法一样，变电纳法的测量线路只有两个法一样，变电纳法的测量线路只有两个测量端，因此，也只能采用二电极测量方法。接线时测量端，因此，也只能采用二电极测量方法。接线时也应尽量减小分布电容的影响，为此大部分变电纳法也应尽量减小分布电容的影响，为此大部分变电纳法的仪器都带有测微电极，此种仪表使用频率的范围为的仪器都带有测微电极，此种仪表使用频率的范围为50kH
30、z-100MHz。七、高频测试技术 在介质测量中除了仪表本身精度外，接线的分布在介质测量中除了仪表本身精度外，接线的分布电容、引线的剩余电阻和电感等都是造成测量误差的电容、引线的剩余电阻和电感等都是造成测量误差的重要根源。重要根源。特别是在高频下，分布参数及剩余参数的影响，特别是在高频下，分布参数及剩余参数的影响，可能会使所测结果失去意义。下面将着重讨论引线的可能会使所测结果失去意义。下面将着重讨论引线的电容、电阻、电感对被测元件的影响及消除方法电容、电阻、电感对被测元件的影响及消除方法。如图如图3-31所示，分布电容所示，分布电容C0并联在试样的两端，使并联在试样的两端，使所测电容不是所测电
31、容不是Cx，而是，而是Co Cx，而损耗角正切，而损耗角正切tgx则为则为:1.分布参数对测量结果的影响分布参数对测量结果的影响 显见分布电容的存在，使得测得的电容偏大，而损显见分布电容的存在，使得测得的电容偏大，而损耗角正切偏小。耗角正切偏小。pxRCCtg01测图图3-31 接线分布电容的影响示意接线分布电容的影响示意CxCNC0 对图对图3-32所示的电桥，所示的电桥，A、B两点的对地电容跨两点的对地电容跨接在两个电容臂上，如果用替代法测量，因为包含分接在两个电容臂上，如果用替代法测量，因为包含分布电容的总电容很难估计，这些杂散电容将会造成损布电容的总电容很难估计，这些杂散电容将会造成损
32、耗角正切测量的误耗角正切测量的误差。差。图图 3-32 注意到，当试样损耗不十分大时，其并联等效电容注意到，当试样损耗不十分大时，其并联等效电容Cp，与串联等效电容，与串联等效电容Cs近乎相等，故有近乎相等，故有由图可知：由图可知：接线电阻与电感的影响。图接线电阻与电感的影响。图3-33中，中，R、L为接线的电阻与电感；为接线的电阻与电感；Cs、Rs表示试样的串联等效电容与电阻；表示试样的串联等效电容与电阻；Cs、Rs表示接线与试样组合起来表示接线与试样组合起来的串联等效电容和电阻。的串联等效电容和电阻。图图3-33 引线电阻、电引线电阻、电感对电桥影响示意图感对电桥影响示意图RLCpRp(G
33、p)RLCsRsCsRsRpCpLCCss11或者或者LCCss11即即sssLCCC21(3-7-1)tg表示接线电阻及电感引起的损耗角正切的误差。由式表示接线电阻及电感引起的损耗角正切的误差。由式（3-7-2）可见，频率越高，损耗也越大，故在高频下（例）可见，频率越高，损耗也越大，故在高频下（例如大于如大于10MHz)测量时，必须采取防护措施来消除或减弱接测量时，必须采取防护措施来消除或减弱接线的影响。线的影响。式中，式中，Cp及及Cp 分别为试样的并联等效电容及接线与试样组合分别为试样的并联等效电容及接线与试样组合的总的并联等效电容。的总的并联等效电容。2.提高测量精度的方法提高测量精度
34、的方法(1)测微电极的使用测微电极的使用使用测微电极时，由于试样与电极直接接在线圈上，使用测微电极时，由于试样与电极直接接在线圈上，剩余也阻和电感可以做得很小，同时，由于电极系统保留在剩余也阻和电感可以做得很小，同时，由于电极系统保留在线路内，在有试样和无试样测量时，接线电容都不变，因此，线路内，在有试样和无试样测量时，接线电容都不变，因此，可以减小测试误差。由于电极系统本身的电容被用作调谐电可以减小测试误差。由于电极系统本身的电容被用作调谐电容，故调谐电容引起的影响也得以消除。容，故调谐电容引起的影响也得以消除。测量时，把样品夹在二电极之间，样品一般应略小于测量时，把样品夹在二电极之间，样品
35、一般应略小于电极尺寸。这样，无论有无样品，接线的电感和电阻都不变。电极尺寸。这样，无论有无样品，接线的电感和电阻都不变。第二次测量时，移去样品，调小电极间距使电容回到原来值。第二次测量时，移去样品，调小电极间距使电容回到原来值。由于测量时消除了电极剩余电感和电阻的影响，因而可在高由于测量时消除了电极剩余电感和电阻的影响，因而可在高频下进行精密测量。频下进行精密测量。测微电极的缺点：测微电极的缺点：电容刻度没有像精密标准电容那样准确，电容刻度没有像精密标准电容那样准确，同时又不是直读（要在校正后做出相应的计算图表），因同时又不是直读（要在校正后做出相应的计算图表），因此，使用不太方便。这个缺点，
36、在低频时可通过在电极上此，使用不太方便。这个缺点，在低频时可通过在电极上并联一只标准电容来克服。当样品与电极的直径相同时，并联一只标准电容来克服。当样品与电极的直径相同时，电极的边缘电容略有变化，故一般都是使样品的直径小于电极的边缘电容略有变化，故一般都是使样品的直径小于电极直径，并取其差值为样品厚度的两倍，这样做，边缘电极直径，并取其差值为样品厚度的两倍，这样做，边缘电容、对地电容的影响即可忽略。电容、对地电容的影响即可忽略。(2)屏蔽措施屏蔽措施屏蔽的作用是：屏蔽的作用是：（1）消除外磁场的干扰；）消除外磁场的干扰；（2）消除元件之间的耦合；）消除元件之间的耦合；（3）使固定元件的对地电容
37、不影响测量精度。）使固定元件的对地电容不影响测量精度。八、电介质材料击穿试验所谓击穿试验是指在一定条件一下（在一定温度、所谓击穿试验是指在一定条件一下（在一定温度、湿度等条件）逐渐提高加在电介质试样上的电压，直至使湿度等条件）逐渐提高加在电介质试样上的电压，直至使样品破坏为止的试验。使试样发生破坏时的电压称为样品破坏为止的试验。使试样发生破坏时的电压称为击穿击穿电压电压。由于介质材料的击穿电压与试样的厚度有关，因此，。由于介质材料的击穿电压与试样的厚度有关，因此，衡量介质材料的抗电强度通常用平均击穿电场强度来表征，衡量介质材料的抗电强度通常用平均击穿电场强度来表征，即即BBUEd（3-8-1）
38、式中：式中：EB为平均击穿场强（为平均击穿场强（MV/m）；）；UB为击穿电压（为击穿电压（MV）；）；d为试样厚度（为试样厚度（m）。）。不同介质材料的击穿场强差别极大不同介质材料的击穿场强差别极大，因此，击穿，因此，击穿场强表征了材料的固有特性。但由于击穿机理不同，场强表征了材料的固有特性。但由于击穿机理不同，材料在不同电压（交流、直流、脉冲）下击穿的情况材料在不同电压（交流、直流、脉冲）下击穿的情况也不一样，为此击穿试验也相应分为交流击穿、直流也不一样，为此击穿试验也相应分为交流击穿、直流击穿、脉冲击穿等不同类型。击穿、脉冲击穿等不同类型。如同测量电介质材料的电阻率及介电特性一样，如同测
39、量电介质材料的电阻率及介电特性一样，材料的击穿试验也与周围环境的情况关系很大。因此材料的击穿试验也与周围环境的情况关系很大。因此试验必须在严格规定的条件一下进行。试验必须在严格规定的条件一下进行。1.试样电极与媒质试样电极与媒质 由于一般介质材料无论宏观上或微观上都存在或多由于一般介质材料无论宏观上或微观上都存在或多或少的缺笨，这些缺陷随初，地分布在材料体内。而或少的缺笨，这些缺陷随初，地分布在材料体内。而击穿通常都是发生在有缺陷的地方，因此，为一了暴击穿通常都是发生在有缺陷的地方，因此，为一了暴露材料的缺点，要求材料的电极面积不能过小。另外，露材料的缺点，要求材料的电极面积不能过小。另外，测
40、试中为避免表面飞弧，要求试样的表面积也不能过测试中为避免表面飞弧，要求试样的表面积也不能过小，根据国家标准的规定（小，根据国家标准的规定（GB140878），试样尺），试样尺寸应符合表寸应符合表3-l的规定。的规定。表表3-1 各类试样的尺寸各类试样的尺寸图图 3-34 当试样耐压很高时，为了有效地消除表面飞弧，光靠增当试样耐压很高时，为了有效地消除表面飞弧，光靠增加试样面积是不够的，有时需要把样品做成凹槽状加试样面积是不够的，有时需要把样品做成凹槽状，而把电，而把电极置于槽中参看图极置于槽中参看图3-34。电极一般采用烧渗法或喷徐法制。电极一般采用烧渗法或喷徐法制作金属层电极（例如作金属层电
41、极（例如Ag、Al、Cu等）。一般两个对称的凹槽等）。一般两个对称的凹槽电极（图电极（图3-34b所示）要比单面凹槽电极（图所示）要比单面凹槽电极（图3-34a所示）更能所示）更能获得均匀的电场。为方便起见凹槽也可制成球形，但无论获得均匀的电场。为方便起见凹槽也可制成球形，但无论哪种形状，为使电场均匀分布，必须使凹槽半径与样品中心哪种形状，为使电场均匀分布，必须使凹槽半径与样品中心厚度之比满足一定要求，例如当电场均匀度误差小于厚度之比满足一定要求，例如当电场均匀度误差小于2时，时，图图3-34a所示的形状的比值应大于所示的形状的比值应大于67，图，图3-34b所示的形状的比所示的形状的比值应大
42、于值应大于35.5等。等。图图3-35及表及表3-2给出固体电介质材料耐电压试验时常用给出固体电介质材料耐电压试验时常用的电极形状及尺寸（国标的电极形状及尺寸（国标GB1408一一78）。）。图图 3-35表表3-2 电极的尺寸电极的尺寸 在测量诸如有机薄膜、云母片等薄形材料在测量诸如有机薄膜、云母片等薄形材料的击穿场强时，由于材料很薄，不可能依靠的击穿场强时，由于材料很薄，不可能依靠增加厚度来获得均匀电场，在这种情况下，增加厚度来获得均匀电场，在这种情况下，必须加上适当的媒质，如图必须加上适当的媒质，如图3-36所示，此时，所示，此时，电极边缘媒质和介质中的电场强度之比与它电极边缘媒质和介质
43、中的电场强度之比与它们的导纳有关，即们的导纳有关，即 为了正确评价介质材料的击穿场强，通常取多次试验为了正确评价介质材料的击穿场强，通常取多次试验的算术平均值作为击穿场强值，即的算术平均值作为击穿场强值，即图图 3-36由式（由式（3-8-4）及式（）及式（3-8-5）可知，为提高介质）可知，为提高介质中电场的均匀性，降低边缘效应，对于介质而言，应中电场的均匀性，降低边缘效应，对于介质而言，应选择介电系数或电导较大的材料作为媒质。但应该注选择介电系数或电导较大的材料作为媒质。但应该注意，媒质的意，媒质的与与G选择过大会引起媒质的发热，从而导选择过大会引起媒质的发热，从而导致较大的测量误差。致较
44、大的测量误差。2.加压方式加压方式 一般而论，介质材料的击穿除与所加电压有关以一般而论，介质材料的击穿除与所加电压有关以外，还与加压时间有关。由此可以有两种不同的试验外，还与加压时间有关。由此可以有两种不同的试验方式：一是连续提高电压直至击穿为止；二是加上一方式：一是连续提高电压直至击穿为止；二是加上一定数值的电压，测量从加压至发生击穿所要的时间。定数值的电压，测量从加压至发生击穿所要的时间。根据国家标准（根据国家标准（GB140878）的规定，击穿试）的规定，击穿试验中有三种加压方式，即连续加压、步进加压及缓慢验中有三种加压方式，即连续加压、步进加压及缓慢加压。加压。步进加压指首先用连续加压
45、的速度升至击穿电压的步进加压指首先用连续加压的速度升至击穿电压的50，而后按每级升压值为击穿电压的，而后按每级升压值为击穿电压的510的值逐级的值逐级加压，各级之间的间隔时间为加压，各级之间的间隔时间为1分钟，每级的升压速度应分钟，每级的升压速度应尽量快。升压标准见表尽量快。升压标准见表3-4。表表3-3 连续加压的升压速度连续加压的升压速度 缓慢升压是用连续加压的速度升至击穿的缓慢升压是用连续加压的速度升至击穿的50，以后降低升压速度，直至击穿为止，参见表以后降低升压速度，直至击穿为止，参见表3-5。表表3-5 缓慢加压的速度缓慢加压的速度表表3-4 步进加压的升压值步进加压的升压值3.击穿
46、试验种类击穿试验种类 击穿试验种类有直流、交流及脉冲电压试验等。下面分击穿试验种类有直流、交流及脉冲电压试验等。下面分别简单介绍。别简单介绍。(1)直流击穿试验直流击穿试验 直流击穿试验是研究电子材料与元器件时最常使用的直流击穿试验是研究电子材料与元器件时最常使用的试验方法之一。这是因为一般电子元器件（例如，电容、试验方法之一。这是因为一般电子元器件（例如，电容、电缆等）通常是在直流电压下工作的缘故。当交流试验变电缆等）通常是在直流电压下工作的缘故。当交流试验变压器的量容不能满足要求时也可以代之以直流试验。压器的量容不能满足要求时也可以代之以直流试验。直流耐电压试验的直流电压系统如图直流耐电压
47、试验的直流电压系统如图3-37所示。工频电所示。工频电压经升压变压器升压、整流及滤波后，提供给测试电路。压经升压变压器升压、整流及滤波后，提供给测试电路。图图3-37 直流电压系统框图直流电压系统框图 整流通常有半波整流及全波整流两种，在要求高电压的场合整流通常有半波整流及全波整流两种，在要求高电压的场合也常常采用倍压整流的方式。倍压整流的原理如图也常常采用倍压整流的方式。倍压整流的原理如图3-38所示。所示。图图3-38 简单的倍压整流电路简单的倍压整流电路 这种电路的输出端这种电路的输出端C2上的电压可达到输入端峰值电压的二上的电压可达到输入端峰值电压的二倍。如果需要更高的电压，可采用多级
48、倍压电路。多级倍压整倍。如果需要更高的电压，可采用多级倍压电路。多级倍压整流的脉冲系数较大，实际应用中一般不超过流的脉冲系数较大，实际应用中一般不超过5级。级。为使试样击穿时，试验装置不因过负荷而烧坏，必须加设为使试样击穿时，试验装置不因过负荷而烧坏，必须加设保护电路。这可用三极管这类放大器及可控硅元件等实现。保护电路。这可用三极管这类放大器及可控硅元件等实现。直流高压装置的脉动系数一般要求小于直流高压装置的脉动系数一般要求小于5，输出电流应大，输出电流应大于于10mA，电压等级可根据试验要求设计。目前我国已有近百万，电压等级可根据试验要求设计。目前我国已有近百万伏的直流高压设备。伏的直流高压
49、设备。直流高压的测量，一般用分压法在高压线路的直流高压的测量，一般用分压法在高压线路的低端串入取样电阻，通过计算测出高电压。在电压不低端串入取样电阻，通过计算测出高电压。在电压不十分高的情况下，也可用高压静电计直接测出高压值。十分高的情况下，也可用高压静电计直接测出高压值。(2)交流击穿试验 交流击穿试验对被测试样的考验一般比直流试验交流击穿试验对被测试样的考验一般比直流试验要严格一些，因此工程上所指的击穿场强一般都指工要严格一些，因此工程上所指的击穿场强一般都指工频下的击穿场强。频下的击穿场强。交流击穿试验的电源系统包括试验变压器、调压交流击穿试验的电源系统包括试验变压器、调压器、电压测量系
50、统以及保护装置等。器、电压测量系统以及保护装置等。交流电源系统通常由变压器升压供给，但当试验电压交流电源系统通常由变压器升压供给，但当试验电压很高时，用一台变压器达到需要的电压是十分困难的，为很高时，用一台变压器达到需要的电压是十分困难的，为此可采用多台升压变压器串联的方法，参看图此可采用多台升压变压器串联的方法，参看图3-39。图图3-39 变压器串联接法变压器串联接法 变压器串联时，由于变压器置于高电位，必须注意变压变压器串联时，由于变压器置于高电位，必须注意变压器的绝缘，对后面的器的绝缘，对后面的变压器变压器(T2、T3)更要注意此问题。另更要注意此问题。另外变压器设计应留有充分的余量，
