專利名稱：：一種測定樣品介電特性的裝置及其測定方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于對于電測量領(lǐng)域中對介電特性的測量，尤其涉及一種準(zhǔn)確測定樣品材料介電特性的儀器及方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：絕緣材料的介電特性對于材料的應(yīng)用有重要的價值。在工業(yè)上，介電特性中的介電損耗值分量造成能量損失，甚至設(shè)備損壞。在精密儀器制造方面，介電特性的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)對于儀器的性能也很重要，有時甚至是關(guān)鍵性的。因此，多年來已經(jīng)發(fā)展了不少測量介電特性的方法。但是目前這些方法還有一些不足之處1.通常只能測量平板形的樣品，而且對樣品的大小有要求，樣品面積不能太小。材料的介電特性隨著生產(chǎn)這種材料的地點、出廠批次不同會有變化。為了保證測量結(jié)果準(zhǔn)確，一般需從實際應(yīng)用的同一批材料上取樣。有時候，實際應(yīng)用的材料是較小的圓柱形棒材，很難截下足夠大小的平面形試樣。而目前尚未見到直接測量圓柱形或圓筒形試樣介電特性的儀器。2.現(xiàn)有測量介電特性方法的基本思路是做一個平板形電極的空氣電容器，測量放入和取出平板形試樣這兩種情況的電容量，再由此計算出試樣的介電特性。這樣的空氣電容器的電容量一般僅為幾pF。而小電容測量涉及到的問題很多。測量誤差較大，特別是空氣電容器與測量儀器之間的連接線會也引起明顯的誤差，而且這種誤差隨著被測電容量的變化而變。因此上述測量介電特性的方法有一些原理性的缺陷。如果能夠在測量過程中保持被測電容量不變，測量介電特性的過程就會變成一種替代測量，測量設(shè)備本身的測量誤差和連接線引起的誤差就會在兩次測量電容量的過程中被消去，介電特性的測量準(zhǔn)確度也就隨著提高。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)中對樣品形狀大小有要求和測量誤差大的兩點技術(shù)問題，本發(fā)明設(shè)計了一種介電特性測定的儀器和介電特性測定方法。本發(fā)明之一，一種測定樣品介電特性的裝置是這樣實現(xiàn)的所述裝置包括芯軸l、內(nèi)電極2、樣品層3、外電極4、絕緣墊圈5、內(nèi)電極引線(6a)和保護(hù)電極引線(6b、6c)，所述內(nèi)電極2長度可調(diào)；在所述芯軸1外依次套接有所述內(nèi)電極2、樣品層3和外電極4,所述內(nèi)電極2、樣品層3和外電極4的兩端設(shè)置有緊固結(jié)構(gòu)；所述內(nèi)電極引線6a—端和所述內(nèi)電極2連接；通過調(diào)整所述內(nèi)電極2的長度，用于當(dāng)所述樣品層3放入不同介質(zhì)進(jìn)行測量時電容量相同。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中問題，采用被測量替代測量法。通過測量有效電極改變的長度及相關(guān)計算，即可實現(xiàn)樣品介電特性的測定。所述內(nèi)電極包括有效電極部分和保護(hù)電極部分，所述保護(hù)電極部分設(shè)置在有效電極部分的兩端，且在有效電極部分和保護(hù)電極部分中間設(shè)置有所述絕緣墊圈5;所述絕緣墊圈5的位置可調(diào)，所述內(nèi)電極通過調(diào)節(jié)絕緣墊圈5的位置調(diào)節(jié)有效電極的長度，進(jìn)而調(diào)節(jié)內(nèi)電極2的長度。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中對樣品形狀和大小需要作出要求的技術(shù)問題，本發(fā)明采用了空心同軸型電容器，可以直接測定圓筒形樣品的介電特性。即所述芯軸l為中空聚四氟乙烯芯軸，所述內(nèi)電極2和外電極4的材質(zhì)為黃銅，所述樣品層中3的樣品為聚四氟乙烯材料和空氣。本發(fā)明之二，一種利用上述測定樣品介電特性的裝置進(jìn)行測定的方法是這樣實現(xiàn)的所述方法采用被測量替代測量法，且所述電極長度可調(diào)整；即通過測量所述有效電極部分改變的長度及計算，實現(xiàn)樣品介電特性的測定；本方法用于當(dāng)測量樣品的介電特性時，降低有介質(zhì)和無介質(zhì)兩種情況的電容量值之差，采取一種替代測量的方法。在具體的方法中，在所述被測量替代測量法中，a,被測介質(zhì)是非空氣介質(zhì)，即放入被測介質(zhì)通過調(diào)節(jié)絕緣墊圈的位置而調(diào)節(jié)所述內(nèi)電極的長度，使得所述有效電極部分的軸向長度為A,計算同軸電容器的電容量d;b,被測介質(zhì)是空氣介質(zhì)，即樣品層是空氣通過調(diào)節(jié)絕緣墊圈的位置而調(diào)節(jié)所述內(nèi)電極的長度，使得所述有效電極部分的軸向長度為A,計算同軸電容器的電容量C2;c,測定被測介質(zhì)的介電特性由于通過調(diào)整內(nèi)電極的長度，兩次測量的電容量相同d=C2，準(zhǔn)確計算被測介質(zhì)的介電特性A。本發(fā)明之三，一種利用上述測定樣品介電特性的測定方法的應(yīng)用是由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明對于樣品的形狀和大小要求已突破現(xiàn)有技術(shù)中的只能對平板形樣品進(jìn)行測定的局限，而本方法既可以用于測量圓筒形樣品的介電特性，也可以測定對平板形樣品的介電特性。采用本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容對樣品進(jìn)行介電特性的測定，主要特點如下1.采用被測量替代測量法。通過測量有效電極改變的長度及相關(guān)計算，即可實現(xiàn)樣品介電特性的測定。2.制作了空心同軸型電容器，可以直接測定圓筒形樣品的介電特性；3.解決了小電容值(10pF以內(nèi))的介質(zhì)特性準(zhǔn)確測定的問題；可以推廣到平板形電極的空氣電容器測量中使用。測量圓筒形試樣的同軸型電容器的一個特點是有效電極的長度可變，使得放入試樣和移走試樣兩種情況下的電容量基本相同。這樣就使兩次電容量的測量成為一種被測量的替代測量的過程。電容量測量儀本身的測量誤差和連接線引起的誤差可在兩次測量電容量的過程中被消去，介電特性的測量準(zhǔn)確度也因而提高。當(dāng)然，計算試樣的介電特性時要計入兩次測量時有效電極長度不同這一因素。內(nèi)電極裝配體整個套在一根聚四氟乙烯的芯軸上，使得拆裝過程變得容易。芯軸是中空的，便于內(nèi)電極的三根連接線引出。上述技術(shù)方案只是本發(fā)明的一種實施方式，對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言，在本發(fā)明公開了應(yīng)用方法和原理的基礎(chǔ)上，很容易做出各種類型的改進(jìn)或變形，而不僅限于本發(fā)明上述具體實施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是優(yōu)選地，而并不具有限制性的意義。圖1為本發(fā)明中的同軸型電容器，裝上介質(zhì)試樣后的狀態(tài)結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖2為本發(fā)明中的同軸型電容器，以空氣為介質(zhì)時的狀態(tài)結(jié)構(gòu)剖面示意圖。下面將結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明上述各幅附圖作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。具體實施例方式圖1為本發(fā)明中的同軸型電容器，裝上介質(zhì)試樣后的狀態(tài)結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖2為本發(fā)明中的同軸型電容器，以空氣為介質(zhì)時的狀態(tài)結(jié)構(gòu)剖面示意圖。被測樣品已取出。并通過調(diào)整內(nèi)電極長度和絕緣墊位置，使內(nèi)電極長度增加約一倍。取出樣品前后兩種情況下的電容值基本相等。剖面線為綴的材料為聚四氟乙烯，剖面線為^的材料為黃銅。所述裝置包括芯軸l、內(nèi)電極2、樣品層3、外電極4、絕緣墊圈、內(nèi)電極引線(6a)和保護(hù)電極引線(6b、6c),所述內(nèi)電極2長度可調(diào)；在所述芯軸1外依次套接有所述內(nèi)電極2、樣品層3和外電極4,所述內(nèi)電極2、樣品層3和外電極4的兩端設(shè)置有緊固結(jié)構(gòu)；所述內(nèi)電極引線6a—端和所述內(nèi)電極2連接；通過調(diào)整所述內(nèi)電極2的長度，用于當(dāng)所述樣品層3放入不同介質(zhì)進(jìn)行測量時電容量相同。所述內(nèi)電極2包括有效電極部分和保護(hù)電極部分。有效電極部分為內(nèi)電極A和內(nèi)電極B,所述保護(hù)電極部分包括等電位屏蔽環(huán)a和等電位屏蔽環(huán)b。所述等電位屏蔽環(huán)a和等電位屏蔽環(huán)b分別設(shè)置在有效電極部分的兩端，且在有效電極部分和保護(hù)電極部分中間設(shè)置有所述絕緣墊圈5;所述絕緣墊圈5的位置可調(diào)，所述內(nèi)電極2通過調(diào)節(jié)絕緣墊圏5的位置調(diào)節(jié)有效電極的長度，進(jìn)而調(diào)節(jié)內(nèi)電極2的長度。在所述內(nèi)電極層和芯軸中間還包含有一個聚四氟乙烯層7,起絕緣作用。且在該層7包含一個內(nèi)電極接觸環(huán)8，用于從內(nèi)電極2引出內(nèi)電極引線6a。所述芯軸1外的各層套接在芯軸1外側(cè)，后通過緊固螺帽9加以緊固操作。以聚四氟乙烯材料的介電特性測量為例。圖1和圖2中畫出了能適合圓筒形試樣的同軸型電容器。分別測量放入試樣和移走試樣兩種情況下的電容量就可求出試樣的介電特性。同軸型電容器的內(nèi)電極采用開爾文式的保護(hù)電極結(jié)構(gòu)。中間部分為有效電極部分，這是一個長23mm，外徑20mm,厚2mm的黃銅圓筒。兩端裝有保護(hù)電極部分，也是黃銅圓筒，外徑和厚度與有效電極一樣，但長度只有14mm。有效電極部分的兩端各有一個保護(hù)電極(圖1中a、b兩段銅環(huán))，三者套在一根絕緣的聚四氟乙烯芯軸上。有效電極和保護(hù)電極之間相互之間有0.lmm厚的薄層絕緣墊片，保證彼此之間的絕緣。有效電極和保護(hù)電極在測量過程中處于同一電位(地電位)，這樣就形成了開爾文式的保護(hù)電極結(jié)構(gòu)。這種開爾文式保護(hù)電極結(jié)構(gòu)使得邊緣效應(yīng)造成的不均勻電場只出現(xiàn)在保護(hù)電極處，有效電極部分的電場則呈均勻分布。測量時只有與有效電極部分相連的引線6a接到指零儀，與保護(hù)電極相應(yīng)的引線6b及6c則接地。因此只有與有效電極相應(yīng)的電容電流對測量電橋的平衡有作用。與邊緣效應(yīng)引起的電場畸變相應(yīng)的電容電流只存在于保護(hù)電極部分，直接流入地中，不影響測量過程。因此開爾文式保護(hù)電極結(jié)構(gòu)可消除邊緣效應(yīng)對測量過程的影響。內(nèi)電極裝配體整個套在一根聚四氟乙烯的芯軸上，使得拆裝過程變得容易。芯軸是中空的，便于內(nèi)電極的三根連接線引出。為了使得無介質(zhì)和有介質(zhì)兩種情況下的電容值接近相同，此種同軸型電容器的有效電極部分的長度可變。為了做到這一點，實際的有效電極部分分成了內(nèi)電極A和內(nèi)電極B兩段?？梢酝ㄟ^調(diào)換內(nèi)電極B段與絕緣墊片的順序，使得內(nèi)電極B段與內(nèi)電極A段絕緣而與等電位屏蔽環(huán)b段直接接觸成為保護(hù)電極部分的一部分(見圖1),從而在調(diào)整內(nèi)電極有效長度的同時，保持了整個裝置的長度不變。有效電極外面再套一個"高壓電極"，即外電極。這也是一個黃銅圓筒。內(nèi)徑26,，厚2隨。有效電極和"高壓電極"兩者保持同軸，即兩者有同一根中軸線。有效電極和外電極之間有3mm的間隙。當(dāng)此間隙為空氣間隙時，夕卜電極、有效電極部分和兩個保護(hù)電極部分一起就形成了一個"同軸電容器"。第一種情況沒有介質(zhì)，即電容為空氣電容器設(shè)有效電極的軸向長度為力，外徑為r，有效電極和"高壓電極"之間的間隙為&則同軸電容器的電容量為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>第二種情況放入^皮測介質(zhì)在內(nèi)電極外套上一個聚四氟乙烯材料的圓筒形試樣。試樣的內(nèi)徑正好等于內(nèi)電極的外徑。試樣圓筒的厚度等于原來內(nèi)外電極的間隙&。然后再在圓筒形聚四氟乙烯試樣外面套上原來的外電極-"高壓電極"。這樣就又構(gòu)成了一個同軸型電容器。為了使電容值與第一種情況時基本相同，必須適當(dāng)調(diào)整內(nèi)電極的長度。設(shè)此時內(nèi)電極長度為厶則電容量從(1)式變成為廣—2^gQgr/2。、h_7Ty、ZJIn-其中的&為被測材料聚四氟乙烯試樣的相對介電常數(shù)，也就是試樣介質(zhì)特性的同相分量。為了使兩次電容量的測量成為一種替代測量的過程，應(yīng)該使放入試樣和移走試樣兩種情況下的電容量基本相同。這樣可使電容量測量儀本身的測量誤差和連接線引起的誤差可在兩次測量電容量的過程中被消去，介電特性的測量準(zhǔn)確度也就隨著提高。從(1)和(2)式可知，使G和G相等的條件是A=4(3)或/廣丄/i(4)換句話說，第二次測量時，有效電極部分的長度應(yīng)該縮短到1/&，這樣就能達(dá)到使G和G相等的條件。例如，從文獻(xiàn)中查得聚四氟乙烯試樣的相對介電常數(shù)約為2.O,所以第二次測量時，有效電極部分的長度應(yīng)該縮短到原來的一半。如果介電常數(shù)不是正好等于2.0,電極的有效長度可以調(diào)整。例如做一些直徑和有效電極相同的導(dǎo)電薄片，和有效電極的一半連在一起，就調(diào)整了兩次測量過程中有效電極長度的變化量，從而適應(yīng)介電常數(shù)不等于2.0的情況，使得兩次測量的電容量仍非常接近，滿足替代測量的要求。表l為用圖1、2所示裝置對圓柱形聚四氟乙烯試樣在有介質(zhì)和無介質(zhì)的情況分別進(jìn)行了20次測量結(jié)果。同時給出了有介質(zhì)和無介質(zhì)兩種情況下介質(zhì)損耗測量值平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和殘差，從表中的數(shù)據(jù)可以看出。所有的殘差均小于3cr,因此可以認(rèn)為這些數(shù)據(jù)都是有效的。表l聚四氟乙烯介質(zhì)損耗測量結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>注1.表中tanA和tan&的標(biāo)準(zhǔn)差，是單次測量的標(biāo)準(zhǔn)差，按貝塞爾公式求得2.表中tan5的標(biāo)準(zhǔn)差是指平均值的標(biāo)準(zhǔn)差。權(quán)利要求1一種測定樣品介電特性的裝置，其特征在于所述裝置包括芯軸(1)、內(nèi)電極(2)、樣品層(3)、外電極(4)、絕緣墊圈(5)、內(nèi)電極引線(6a)和保護(hù)電極引線(6b、6c)，所述內(nèi)電極(2)長度可調(diào)；在所述芯軸(1)外依次套接有所述內(nèi)電極(2)、樣品層(3)和外電極(4)，所述內(nèi)電極(2)、樣品層(3)和外電極(4)的兩端設(shè)置有緊固結(jié)構(gòu)；所述內(nèi)電極引線(6a)一端和所述內(nèi)電極(2)連接；本裝置用于通過調(diào)整所述內(nèi)電極(2)的長度，使所述樣品層(3)放入不同介質(zhì)進(jìn)行測量時電容量相同。2根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測定樣品介電特性的裝置，其特征在于所述內(nèi)電極(2)包括有效電極部分和保護(hù)電極部分，所述保護(hù)電極部分設(shè)置在有效電極部分的兩端，且在有效電極部分和保護(hù)電極部分中間設(shè)置有所述絕緣墊圈(5);所述絕緣墊圈(5)的位置可調(diào)，所述內(nèi)電極(2)通過調(diào)節(jié)絕緣墊圈(5)的位置調(diào)節(jié)有效電極的長度，進(jìn)而調(diào)節(jié)內(nèi)電極的長度。3根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種測定樣品介電特性的裝置，其特征在于所述芯軸(1)為中空聚四氟乙烯芯軸，所述內(nèi)電極(2)和外電極(4)的材質(zhì)為黃銅。4應(yīng)用根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的一種測定樣品介電特性裝置的一種測定樣品介電特性的方法，其特征在于所述方法釆用被測量替代測量法，且所述電極長度可調(diào)整；即通過測量所述有效電極部分改變的長度并進(jìn)行計算，實現(xiàn)樣品介電特性的測定；本方法用于當(dāng)測量樣品的介電特性時，降低有介質(zhì)和無介質(zhì)兩種情況的電容量值之差，采取一種替代測量的方法。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種測定樣品介電特性的方法，其特征在于在所述被測量替代測量法中，a，被測介質(zhì)是非空氣介質(zhì)，即放入被測介質(zhì)通過調(diào)節(jié)絕緣墊圈的位置而調(diào)節(jié)所述內(nèi)電極的長度，使得所述有效電極部分的軸向長度為A,計算同軸電容器的電容量Ci;b,被測介質(zhì)是空氣介質(zhì)，即樣品層是空氣通過調(diào)節(jié)絕緣墊圏的位置而調(diào)節(jié)所述內(nèi)電極的長度，使得所述有效電極部分的軸向長度為/2,計算同軸電容器的電容量C2;c，測定被測介質(zhì)的介電特性由于通過調(diào)整內(nèi)電極的長度，兩次測量的電容量相同d=C2，準(zhǔn)確計算被測介質(zhì)的介電特性6。6.根據(jù)權(quán)利要求4-5之一所述的一種測定樣品介電特性的方法的應(yīng)用，其特征在于所述方法用于測量圓筒形樣品的介電特性和平板形樣品的介電特性。全文摘要本發(fā)明涉及一種準(zhǔn)確測定樣品材料介電特性的儀器及方法和應(yīng)用。所述裝置包括芯軸1、內(nèi)電極2、樣品層3、外電極4、絕緣墊圈5、內(nèi)電極引線6a和保護(hù)電極引線6b、6c，所述內(nèi)電極2長度可調(diào)；在所述芯軸1外依次套接有所述內(nèi)電極2、樣品層3和外電極4，所述內(nèi)電極2、樣品層3和外電極4的兩端設(shè)置有緊固結(jié)構(gòu)；所述內(nèi)電極引線6a一端和所述內(nèi)電極2連接。介質(zhì)試樣安裝在同軸型電容器中。同軸型電容器的內(nèi)電極采用保護(hù)電極型的結(jié)構(gòu)，以消除邊緣效應(yīng)的影響。有效電極的長度可變，使得放入試樣有介質(zhì)和移走試樣無介質(zhì)兩種情況下的電容量基本相同。于是通過測量有效電極改變的長度及相關(guān)計算，即可實現(xiàn)樣品介電特性的測定。文檔編號G01R27/26GK101183125SQ20071017890公開日2008年5月21日申請日期2007年12月7日優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日發(fā)明者張鐘華,李正坤,青賀,冰韓,璐黃申請人:中國計量科學(xué)研究院