一、測試儀的基本構(gòu)成與工作原理

1. 基本構(gòu)成

一套完整的介電常數(shù)與介質(zhì)損耗測試系統(tǒng)通常由三大部分構(gòu)成：


高頻阻抗分析儀/精密LCR測試儀：作為核心主機，負責(zé)產(chǎn)生可編程測試信號（正弦波），精確測量被測件的等效并聯(lián)電容（Cp）與損耗因子（D）等阻抗參數(shù)。其精度與頻率范圍直接決定系統(tǒng)性能上限。


專用測試裝置（夾具）：通常為平板電容器系統(tǒng)（三電極或二電極系統(tǒng)），用于夾持和測量固體或液體樣品。包含主電極、保護電極和接地電極，以消除邊緣效應(yīng)和雜散電容，確保電場均勻分布于被測樣品。



校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)件：包括用于“開路”、“短路”校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件及已知精確介電性能的標(biāo)準(zhǔn)材料樣品，用于系統(tǒng)定期校驗與負載校準(zhǔn)，保證測量結(jié)果的溯源性。

2. 核心測量原理

基于平板電容器模型。當(dāng)測試夾具中未放置樣品（空氣介質(zhì)）時，測量得到夾具自身的等效電容C0和損耗D0。放入被測樣品后，測得的電容值變?yōu)镃x，損耗值變?yōu)镈x。材料的相對介電常數(shù)εr和介質(zhì)損耗角正切tanδ可通過以下公式計算：


相對介電常數(shù)εr ≈ Cx / C0（在特定幾何尺寸和校正條件下）


介質(zhì)損耗角正切tanδ (D) ≈ Dx（經(jīng)過系統(tǒng)誤差校正后）

現(xiàn)代化的測試儀內(nèi)部集成微處理器和先進算法，能夠自動記錄和計算C0與Cx、D0與Dx，并直接顯示或輸出終的εr和tanδ數(shù)值，實現(xiàn)測試過程的自動化與智能化，提升效率和準(zhǔn)確性。

二、遵循的核心國際與國家測試標(biāo)準(zhǔn)

為確保測量結(jié)果在全球范圍內(nèi)的可比性與權(quán)威性，介電常數(shù)測試儀的設(shè)計與操作嚴格遵循一系列國際和國家級標(biāo)準(zhǔn)。主要標(biāo)準(zhǔn)包括：


GB/T 1409-2006：中國在電氣絕緣材料介電性能測試方面的基礎(chǔ)性與權(quán)威性標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋工頻到高頻的廣泛頻率范圍。



ASTM D150-11(2018)：美國材料與試驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，全球范圍內(nèi)被廣泛接受的商業(yè)與科研標(biāo)準(zhǔn)。


IEC 60250：國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)，為各國標(biāo)準(zhǔn)制定提供國際基準(zhǔn)。



GB/T 5594.4-2015：專門針對結(jié)構(gòu)陶瓷電子元器件的測試標(biāo)準(zhǔn)。



GB/T 1693-2007：針對橡膠類高分子材料的專用標(biāo)準(zhǔn)。

此外，針對特定材料或新興技術(shù)，還有一系列衍生或細分標(biāo)準(zhǔn)，如T/CSTM 00909 -2023（平行板電容法）、HG/T 2617-1994（片基）等。一臺優(yōu)秀的測試儀應(yīng)能通過合適的夾具和設(shè)置，滿足上述多種標(biāo)準(zhǔn)的要求。

三、現(xiàn)代高性能測試儀的關(guān)鍵性能指標(biāo)

以符合LXI標(biāo)準(zhǔn)的新一代阻抗分析儀為核心構(gòu)建的測試系統(tǒng)，展現(xiàn)了以下卓越性能：

1. 寬頻率范圍與高精度


測試頻率覆蓋從20Hz直至2MHz甚至5MHz（選配），分辨率可達10mHz。寬頻率范圍允許研究材料介電性能的頻率依賴性（頻散特性），對于分析材料極化機理至關(guān)重要。



基本測量精度高達0.1%，為獲得可靠的ε和tanδ數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)保證。



電容與損耗分辨力：電容（Cp）分辨率可達0.00001pF，損耗（D）顯示可達6位有效數(shù)字，確保極低損耗材料測量的敏感度與重復(fù)性。

2. 廣泛的測量參數(shù)與量程


除了直接輸出介電常數(shù)（ε）和損耗角正切（D），主機通常能測量所有相關(guān)阻抗參數(shù)：


主參量：電容(C)、電感(L)、電阻(R)、阻抗模值(|Z|)、導(dǎo)納模值(|Y|)。



副參量：損耗因子(D)、品質(zhì)因數(shù)(Q)、等效串聯(lián)電阻(ESR)、等效并聯(lián)電阻(Rp)、電抗(X)、電納(B)、相位角(θ)以及直流電阻(DCR)。



顯示范圍：電容從0.00001pF至9.99999F，電阻從0.0001Ω至99.999MΩ，D值從0.00001至9.99999，覆蓋從超低損耗到高損耗的各種材料。

3. 高速測試與智能化功能



超高速測量：快速度可達200次/秒（高頻下），特別適用于自動化生產(chǎn)線上的快速點檢與全檢。



自動電平控制(ALC)：保持被測件兩端的電壓或流過的電流恒定，確保測量條件的一致性，特別適用于非線性材料。



列表掃描測試：可預(yù)設(shè)多10個不同頻率、電平或偏置的測試點進行自動掃描，一鍵獲取材料在不同條件下的性能譜圖。



內(nèi)置比較器與分選功能：提供10檔分選和計數(shù)功能，搭配Handler接口可直接用于自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)合格品與不良品的自動分揀。

4. 強大的校準(zhǔn)與連接能力



高級校準(zhǔn)功能：支持點頻和全頻段（掃頻）的開路/短路校正，以消除測試夾具和引線的雜散參數(shù)影響；支持負載校正，使用已知標(biāo)準(zhǔn)件進一步提高特定頻率點的絕對精度。



多種信號源內(nèi)阻可選：如30Ω、50Ω、100Ω等，便于與其他品牌儀器數(shù)據(jù)對比或滿足不同測試標(biāo)準(zhǔn)要求。



豐富的接口：標(biāo)配RS232C、USB（主機/設(shè)備）、LAN（以太網(wǎng)）接口，可選GPIB（IEEE488）、HANDLER接口，便于組建自動化測試系統(tǒng)、遠程控制和數(shù)據(jù)采集。



數(shù)據(jù)存儲與導(dǎo)出：內(nèi)部可存儲多組儀器設(shè)置文件，通過U盤可直接將測量結(jié)果（如CSV格式）或屏幕截圖（BMP格式）導(dǎo)出，方便數(shù)據(jù)管理。

四、操作流程與關(guān)鍵注意事項

1. 樣品準(zhǔn)備與電極選擇


固體樣品應(yīng)平整、均勻，厚度測量精確。常見樣品直徑為Φ38mm或Φ50mm。

根據(jù)樣品特性（如軟質(zhì)、薄膜、表面不平整）選擇接觸電極法、薄膜電極法或非接觸電極法。測試裝置可精確調(diào)整電極間距，分辨率可達10μm。

2. 系統(tǒng)連接與預(yù)熱


正確連接測試夾具（通常為四端對：Hcur、Hpot、Lcur、Lpot）至主機。確保所有接地可靠。


儀器開機后需預(yù)熱不少于15分鐘，以達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)和標(biāo)稱精度。

3. 執(zhí)行校準(zhǔn)（“清零”）


掃頻清零：對儀器預(yù)存的多個頻率點進行開路和短路校準(zhǔn)，適用于寬帶測試。


點頻清零：針對當(dāng)前使用的單一測試頻率進行開路和短路校準(zhǔn)，精度更高。


負載校準(zhǔn)：使用已知介電常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)樣品在特定頻率點進行校準(zhǔn)，可進一步提升該點的絕對測量精度。更換樣品規(guī)格后需重新進行負載校準(zhǔn)。

4. 設(shè)置測試參數(shù)并測量


在主機上設(shè)置所需的測試頻率（如1kHz、10kHz、1MHz）、測試信號電平（電壓或電流，如1Vrms）、測試速度（快/中/慢）以及測量功能（通常選擇Cp-D，即并聯(lián)電容-損耗因子）。



將樣品放入夾具，確保接觸良好。啟動測量，儀器將直接顯示或通過計算得到εr和tanδ值。

5. 避免誤差的措施


保持夾具清潔：電極和樣品引腳的清潔度直接影響接觸電阻和測量穩(wěn)定性。



消除雜散效應(yīng)：對于高阻抗（如小電容）樣品，需通過接地屏蔽減少雜散電容；對于低阻抗樣品，使用四端對連接法減少引線電感和電阻的影響。



環(huán)境控制：盡量在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度（如23±5℃）和濕度下測量，避免溫漂影響。

五、典型應(yīng)用領(lǐng)域

介電常數(shù)與介質(zhì)損耗測試儀的應(yīng)用已滲透到眾多高科技與基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域：


電氣絕緣材料研發(fā)與質(zhì)檢：評估變壓器油、電纜絕緣層、環(huán)氧樹脂、云母、陶瓷絕緣子等材料的絕緣性能與長期可靠性。


電子陶瓷與元器件：測試MLCC（多層陶瓷電容器）、微波介質(zhì)陶瓷、壓電陶瓷（如PZT）的介電性能，這是決定濾波器、諧振器、電容器件性能的關(guān)鍵。


高分子與復(fù)合材料：研究共混物、納米復(fù)合材料、功能高分子（如PVDF）的介電譜，分析分子運動、相變、填料分散性等。



液晶顯示材料：測量液晶盒的電容與損耗，用于表征液晶分子取向和響應(yīng)特性。



半導(dǎo)體材料與基板：評估硅、砷化鎵等半導(dǎo)體基板以及低溫共燒陶瓷（LTCC）、高頻PCB板材的介電特性。



能源材料：如燃料電池電解質(zhì)、超級電容器電極材料的介電性能研究。



科研與教育：在大學(xué)和研究所的物理、化學(xué)、材料實驗室中，用于基礎(chǔ)電介質(zhì)物理現(xiàn)象的教學(xué)與研究。