介電常數(shù)測試儀的設(shè)計(jì)與制作實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)

驗(yàn)

報(bào)

告實(shí)驗(yàn)題目實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

簡易介電數(shù)測試儀的計(jì)與制作了解多種測量介電常數(shù)的方法及其特點(diǎn)和適用范圍握替代法，比較法和諧振法測固體電介質(zhì)介電常數(shù)的原理和方法設(shè)計(jì)與制作的介電常數(shù)測試儀，測量壓電陶瓷的介電常數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理:介電體（又稱電介質(zhì)）最基本的物理性質(zhì)是它的介電性，對介電性的研究不但在電介質(zhì)材料的應(yīng)用上具有重要意義且也是了解電介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和激化機(jī)理的重要分析手段之一，探索高介電常數(shù)的電介質(zhì)材料，對電子工業(yè)元器件的小型化有著重要的意義。介電常數(shù)（又稱電容率）是反映材料特性的重要參量，電介質(zhì)極化能力越強(qiáng)，其介電常數(shù)就越大。測量介電常數(shù)的方法很多，常用的有比較法，替代法，電橋法，諧振法，Q表法，直流測量法和微波測量法等。各種方法各有特點(diǎn)和適用范圍，因而要根據(jù)材料的性能，樣品的形狀和尺寸大小及所需測量的頻率范圍等選擇適當(dāng)?shù)臏y量方法。介質(zhì)材料的介電常數(shù)一般采用相對介電常數(shù)

r

來表示用測量樣品的電容量，經(jīng)過計(jì)算求出

r

，它們滿足如下關(guān)系：

r

0

0

式為絕對介電常數(shù)

為真空介電常數(shù)，

F

，為樣品的有效面積樣品的厚度被測樣品的電容量常取頻率kHz時的電容一、替代法替代法電路圖如下所示待測電容

C（圖中是待測電容的介電損耗電XX

阻

(1k與信號源組成一簡單串聯(lián)電路關(guān)K，0調(diào)節(jié)信號源的頻率和電壓及限流電阻

，使安培計(jì)的讀數(shù)在毫安范圍恒定（并0保持儀器最高的有效位數(shù)

IK打到B電容CX

S和交流電阻箱

替,調(diào)和值，使I接近I。多次變換開關(guān)K的位SXSSS2置A反復(fù)調(diào)節(jié)

C和，使II。假定C上的介電損耗電阻與SSSXX標(biāo)準(zhǔn)電容箱的介電損耗電阻

相接近（RS

X

RS

X

S

。二、比較法比較法的電路圖如下所示，假定

C上的與接近（SSX

X

R

量

C上的電壓比即可求C：XSXX

S

（此時

可以不等）XS三、諧振法

諧振法測量電容的原理圖如下，由已知電感L1R（k和待測電容

C組成振蕩電路，改變信號源頻率回路諧振，伏特計(jì)上指示X最大，則電容可由下式求出：

X

4

1

f

式中f為頻率，L已知電感，

C為待測電容。X諧振替代法電路如圖所示的一端與待測電容

C串聯(lián)fX使電路達(dá)到諧振電容上的電壓達(dá)到極大值頻率

f準(zhǔn)電容C

S代替

C，調(diào)節(jié)使電路達(dá)到諧振，電容上的電壓再次達(dá)到極大值，此時XS

X

C。S四、電橋法

r12xs11x22sxxxr12xs11x22sxxx對于有損耗的電容器其固有電感可以忽略不計(jì)的條件下用串聯(lián)等效電路或并聯(lián)等效電路來表示圖所示損耗的電容器的介質(zhì)損耗在串聯(lián)等效電路中為tan；在并聯(lián)等效電路中為

，故只要測量出待測樣品的電容量和等效電阻R可測量出樣品的介電常數(shù)ε和介電損耗δ的數(shù)值。電橋的種類很多，主要有臂比電橋、臂乘電橋、變壓器比臂電橋、差動電橋等，現(xiàn)僅舉單邊變壓器比例臂電橋?yàn)槔瑓⒖茧娐啡鐖D所示。甸橋平衡時，平衡指使器為0，流過繞組N，N，及被測阻抗Z和標(biāo)準(zhǔn)阻抗Z的電流都相等，繞組N上的感應(yīng)電動勢E必會與被測阻抗Z上的壓降平衡，同樣繞組N上的感應(yīng)電動勢E必會與標(biāo)準(zhǔn)阻抗Z上的壓降平衡，故有因故

1設(shè)Z等效為R和C的串聯(lián)電路，則有

1(R)jjx令等式兩邊實(shí)部和虛部分別相等，則有

XX

NN

12

S

CX

X

rrrrrr實(shí)驗(yàn)儀器：信號源一臺，多用表一塊，電容箱一個，交流電阻箱一個，壓電陶瓷一個，電感器一個，導(dǎo)線若干，黃銅片二片，泡沫塑料一塊。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.所給儀器、元件和用具、采用替代法易的介電常數(shù)測試儀，測量壓電陶瓷的介電常數(shù)ε。2.用比較法設(shè)計(jì)一臺簡易的介電常數(shù)測試儀，測量壓電陶瓷的介電常數(shù)ε。3.用諧振法和諧振替代法設(shè)計(jì)一臺簡易的介電常數(shù)測試儀壓電陶瓷的介電常數(shù)ε。諧振替代法，每個直接測量量各測6，并做誤差分析數(shù)據(jù)處理:壓電陶瓷:

0.063mm

0.043mm1.替代:I1.6050,0.0381

∴

r

Cd

0.03818.85

2.4285

/m2.比較:V,V,C0.0400s

∴

X

0.04003.57SSVX

F∴

r

Cd

0.05018.853.14

3.19343.諧振:

∵∵V

,

f748.28∴

1CfL2

0.0453

∴

r

Cd

3.1424.784

34.諧振替代:123456748.28751.09747.53747.54748.47747.93f)

平均

標(biāo)準(zhǔn)差VRV)R

3.9705.867

3.9605.865

3.9645.865

3.9615.865

3.9685.861

3.9345.865C(

F)

0.04390.04360.04390.04390.04380.04380.0438170.0001169∴

C0.043817X

F∴

r

Cd

0.2723.1424.784

3測量精度與電感L和信號源頻率f的測量精度無關(guān)，只取決于標(biāo)準(zhǔn)電容箱C的精度,而該電阻箱準(zhǔn)確度為100.5%100.65%100.0012%10

s∴

0.001

F∴U

(t)A

91.11)2C

)

1.3318

U

0.95

U

00∵

r

42)20∴U

r

UUU0.063(C)H)24(D)2()2)4()HD0.043817X

0.1582868∴

0.1582868

∴

r

(2.70.4)

3

/實(shí)驗(yàn)分析：1.當(dāng)實(shí)驗(yàn)室無專用測量電容的儀器，但有標(biāo)準(zhǔn)可變電容箱或標(biāo)準(zhǔn)可變電容器時，可采用替代法設(shè)計(jì)一簡易的電容測試儀來測量電容法的優(yōu)點(diǎn)是對儀器的要求不高于引線參數(shù)可以抵消測量精度只取決于標(biāo)準(zhǔn)可變電容箱或標(biāo)準(zhǔn)可變電容器讀數(shù)的精度待測電容與標(biāo)準(zhǔn)可變電容的損耗相差不大該方法具有較高的測量精度。2.當(dāng)

C

X

較小時，用替代法測量，標(biāo)準(zhǔn)可變電容箱的有效位數(shù)損失太大，可采用比較法時電路引入的參量少量精度與標(biāo)準(zhǔn)電容箱的精度密切相關(guān)慮到

C和R均是十進(jìn)制旋鈕調(diào)節(jié)法真正調(diào)SS

S

V

用比較法只能部分修正電壓差帶來的誤差。3.使用諧振替代法測量時若

C較小，線圈和引線的分布電容，伏特計(jì)的輸入電X容等都對測量結(jié)構(gòu)有影響頻率的波動和讀數(shù)精度都將對測量結(jié)果有很大的影響，若不采取其他措施，將導(dǎo)致式

4

12

f

2

L

計(jì)算的電容產(chǎn)生很大誤差，而且

C越小，測量誤差越大。X4.諧振替代法的特點(diǎn)是電路簡單、測量方便、測量精度與電