液體介電常數測試方法的研究

不同的液體介質(zhì)材料具有不同的介電常數，因而測定液體介質(zhì)材料的介電常數在各學(xué)科之中就有非常重要的意義。詳細介紹了兩種測試液體介電常數方法，并根據測試原理設計了兩種測量液體介電常數的測試盒，且明確了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了提高測試精度的相關(guān)措施。

　　介電常數又稱(chēng)電容率或相對電容率， 表征電介質(zhì)材料或絕緣材料電性能的一個(gè)重要物理參數， 常用ε表示。不同的液體介質(zhì)材料具有不同的介電常數，因此測定液體介質(zhì)材料的介電常數在各學(xué)科之中就有非常重要的意義?；瘜W(xué)領(lǐng)域中的液體介電常數，它是溶劑的一個(gè)重要物理特性，它表征溶劑對溶質(zhì)分子溶劑化以及其隔開(kāi)離子的能力。介電常數越大的溶劑，具有越強的隔開(kāi)離子能力，具有越大的溶劑化能力。生物醫療領(lǐng)域的液體介電常數，其利用生物組織與器官的電特性及其變化規律，提取與人體生理、病理狀況相關(guān)的生物醫學(xué)信息。而油液監測是液體的介電常數的又一個(gè)重要應用領(lǐng)域，如食品安全檢測中，食用油介電常數的變化可以用來(lái)判定油在高溫加熱環(huán)境中或長(cháng)期存放環(huán)境中的質(zhì)量變化;如在高壓電技術(shù)中，檢測絕緣油質(zhì)量好壞的一種有效手段是測試其介質(zhì)損耗因子，由于過(guò)熱或氧化而引起油質(zhì)老化或混入其它微量雜質(zhì)時(shí)，在用化學(xué)方法尚不能察覺(jué)時(shí)，介質(zhì)損耗因數就已明顯的分辨出來(lái);油液分析診斷技術(shù)中，潤滑油液中的磨粒及污染度的監測是對機械設備進(jìn)行狀態(tài)監測與故障診斷的一個(gè)重要手段，當潤滑油逐漸劣化或被污染其介電常數會(huì )發(fā)生相應的變化，因此油液介電常數的變化蘊含著(zhù)機械設備的故障信息等等。下面簡(jiǎn)單介紹兩種常用的測試液體介電常數方法，并依此設計了兩種測量液體介電常數的測試盒。

1、液體介質(zhì)介電常數測試方法

　　液體材料在中、低頻下介電常數常用的測試方法有平板電容器測量法、圓柱電容器測量法，都是通過(guò)測量充滿(mǎn)介質(zhì)電容器的電容與真空電容(或空氣電容)比值來(lái)得到介電常數。在中低測試頻率下，因表面漏導對介電損耗因子影響巨大，一般采用三電極測量方法[6]。文中介紹的電容器樣品盒均采用三端測量。

　　1.1、平板理想電容器測量法

　　平板電容器由兩個(gè)彼此靠得很近的平行極板所組成， 兩極板的面積均為S、兩極板的間距為d(見(jiàn)圖1)。把兩極板間的電場(chǎng)看成是均勻電場(chǎng)，略去極板的邊緣效應，其沖入被測液體前的電容值(空氣εr=1)可寫(xiě)為

沖入被測液體后的電容值可寫(xiě)為：

因此被測液體的相對介電常數為：

圓柱理想電容器測量法：

圖2 圓柱電容器理論模型

　　圖2 所示為測定液體相對介電常數εr的圓柱電容器理論模型， 略去電極的邊緣效應，沖入被測液體前的電容值(空氣εr=1)可寫(xiě)為

沖入被測液體后的電容值可寫(xiě)為：

因此，被測液體的介電常數為：

液體介質(zhì)介電常數測試盒開(kāi)發(fā)

平板電容器測試盒

液體平板電容器測試盒示意圖

　　實(shí)際應用中平板電容器通常為三端電容器，如圖3 所示的液體平板電容器測試盒。此時(shí)液體介質(zhì)的測試電容C 介質(zhì)測量由兩部分電容構成，即

C 介質(zhì)測量=C 理論+C 附加=C 理論+C 系統+C 邊緣(7)

　　因此被測液體的介電常數為

采用了保護電極，其上、下電極之間的邊緣效應近似為零，即

C 邊緣≈0 （9）

　　對于低粘性的液體物質(zhì)，為了避免液體揮發(fā)(尤其高溫下)影響樣品檢測結果，平板電容器在特氟龍間隔體上設有三個(gè)密封圈。另需注意的是平板電容器測試盒進(jìn)行設計時(shí)，進(jìn)行測試的上、下電極的間隙應適中，保護電極的長(cháng)度至少是樣品厚的兩倍，下電極的直徑必須達到保護電極的外直徑長(cháng)度。

　　2.2、圓柱電容器測試盒

　　測量中圓柱電容器通常設計為三端電容器，見(jiàn)圖4。液體介質(zhì)的測試電容C 介質(zhì)測量由兩部分電容構成，即

C 介質(zhì)測量=C 理論+C 附加=C 理論+C 系統+C 邊緣(10)

　　由于采用了保護電極之后,其內、外電極之間的邊緣效應近似為零，即

C 邊緣≈0 (11)

　　被測液體的介電常數可寫(xiě)為：

從公式(12)可以看出，當圓柱越長(cháng)，電容越大;當兩圓柱面間的間隙越小，電容越大。測試盒進(jìn)行設計時(shí)，兩圓柱面間的間隙應適中，間隙太小，圓柱電容器容易被擊穿;間隙過(guò)大時(shí)，其體積又將過(guò)大。

液體介質(zhì)圓柱電容器示意圖

　　圖4 為液體圓柱體電容器測試盒，一方面因為其采用保護電極減少了邊緣效應對測量結果的影響，同時(shí)由于測量?jì)?、外電極處于金屬容器部，屏蔽了外界電磁場(chǎng)的干擾;另一方面減少了測量液體由于熱膨脹效應產(chǎn)生的誤差，極大地提高了測量精度。與平板電容器相比，圓柱電容器更不易受到干擾，因此測試精度就更高。

　　2.3、減少電極極化效應對測試影響

　　液體樣品中含有大量的自由離子并由其產(chǎn)生電流電導，這將引起電極極化效應，降低低頻時(shí)介電常數、電導的測量精度。由于電極偏振引起的極化電荷層的厚度獨立于樣品厚度，因此通常通過(guò)增加電極間的間隔來(lái)降低極化電荷層阻抗與樣品阻抗的比率，提高測量結果的精度。實(shí)際中設計好的測試盒，電極間的間隙應根據實(shí)際測量需要進(jìn)行適中設計。

　　2.4、樣品電容器附加電容精密測定

　　樣品電容器的附加電容與被測樣品電容相并聯(lián)，對于各種不同的測量而言它始終是個(gè)常量(恒定實(shí)數值)，這里提供一個(gè)基于差分法的校準程序。處于室溫環(huán)境下測試頻率不小于100 kHz 的樣品電容器，其理論電容值C0 幾何尺寸與實(shí)際樣品電容器真實(shí)電容值C0 真值之間存在定差值，且C0 幾何尺寸塏C0 真值。使用樣品電容器，對介質(zhì)材料進(jìn)行測試，得到的介質(zhì)測量電容為

C 介質(zhì)測量=ε 介質(zhì)測量C0 幾何尺寸=ε 介質(zhì)真值C0 真值+C 附加(13)

　　樣品介質(zhì)為空氣測試時(shí)，C 附加為

C 附加=ε 空氣測量C0 幾何尺寸-ε 空氣真值C0 真值(14)

　　樣品介質(zhì)為已知液體測試時(shí)，C 附加為

C附加=ε液體測量C0幾何尺寸-ε 液體真值C0 真值(15)

　　因此，可以得到若ε 空氣真值=1，則

為樣品電容器校準中常用基準液體室溫下介電常數值。假設已知液體為乙醇(C2H6O)，其室溫環(huán)境下可由表1 得介電常數真值為24.3，則C0 真值就可以通過(guò)公式(17)得到，隨后可以通過(guò)公式(18)得到就樣品電容器的附加電容C 附加

未知液體測試結果

　　室溫下使用Novocontrol Concept80 寬頻介電譜儀測試阻抗系統， 樣品電容器經(jīng)差分校準程序校準后(其中平板電容器的補償電容為1.32 pf，圓柱電容器的補償電容為7.53 pf) 測得的液體介電數， 其中圖5 為揚中市中遠有機硅有限公司生產(chǎn)的二甲基硅油介電常數; 圖6 為國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的分析純AR 丙三醇(甘油)介電常數。圖中可以看出介電常數測試結果與測試頻率有關(guān)，且與表1 所公布的值相比偏小，這可能是由于粘稠液體取樣時(shí)不可避免地產(chǎn)生了氣泡;使用平板電容器與使用圓柱電容器的測試結果相比，其測試結果穩定性更好，精度更高。

結語(yǔ)

　　詳細介紹了兩種測試液體介電常數方法，其中平板電容器的測量簡(jiǎn)單方便，但穩定性稍差，易受干擾;而圓柱電容器的結構比較穩定，不易受到干擾，因此測試精度就更高。同時(shí)給出了提高測試精度的相關(guān)措施， 如樣品電容器附加電容精密測定， 通過(guò)增加液體樣品測量盒中電極間的間隔來(lái)減小電極極化對測量精度的影響。