什么是介电常数

2016/7/8 14:37:48 人评论 次浏览 分类:物位测量  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/860.html

介电常数是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比,它用于衡量绝缘体储存电能的性能。

 介电常数代表了电介质的极化程度(即对电荷的束缚能力)。介电常数越大,对电荷的束缚能力越强。


电容器容量随两极板之间填充不同的介质而不同,同一种介质的影响是相同的。介质不同,介电常数不同。

介电常数常用测量方法

一般来说,目前测量介电常数的常用方法主要包括波导法、谐振腔法、自由空间法和神经网络法。下面简要介绍这四种方法的原理、特点和发展现状等。

1、波导法测量介电常数

波导法基于经典的NRW传输/反射法原理进行测量,通过矢量网络分析仪(VNA)测得S常数,根据一定算法计算求解出单次的传输系数与单次反射系数,并依此求解出待测样品的介电常数与磁导率。算法求解不涉及超越方程,容易计算推导,但由于传输系数的相位模糊性会产生多值解和厚度谐振问题,故需要选择合适的样品厚度,一般厚度取1/4的波导波长。波导法常用于3GHz以上的高频段测量,测量精度较高,适用于薄片材料测量,但对介质损耗、样本尺寸、表明平整等要求较高,且装置结构比较复杂,需SOLT校准。

2、谐振腔法测量介电常数

谐振腔法的测试原理是通过放置待测介质之前和之后,谐振腔的谐振频率f与品质因数Q发生的差异,反推出待测介质的介电常数和磁导率。根据填充程度的不同可分为微扰法、部分填充法和全部填充法。微扰法的测量简单易行,适用于较小尺寸、较低介电常数值和低损耗材料如液体、粉末等的测量,测试精度高。部分填充法一般用于矫正,难以进行精确计算。

谐振法的具体方法有很多,如矩形腔法、谐振腔微扰法、微带线谐振器法、带状线谐振器法、介质谐振器法、高Q值法等,并且不断有新的方法出现和改善。


3、自由空间法测量介电常数

自由空间法属于微波法,测试原理参考传输线理论,通过发射天线辐射出电磁波,在自由空间传播并到达待测介质时,利用电磁波传输原理,一部分电磁波在到达待测介质表面时会透射与反射,利用以接收天线为主的接收系统并配合矢量网络分析测得传输和反射系数,并代入后续的算法处理反演推导出待测介质的电磁参数。该方法具有非接触特性和非损坏性,适合高温测试,测量频带范围宽,最高频率可以达到100GHz,适用于超高频率的毫米波测量,不受待测样品状态限制,主要测量液体薄膜等。但系统设计复杂,样品尺寸大,需对样品进行切片等处理,只适用于高于3GHz的高频情况。

4、神经网络法测量介电常数

随着计算机技术发展和大数据网络的应用,出现了通过神经网络测量介电常数的方法。其原理是利用大量已知介电常数介质的微波夹具的S参数对神经网络进行训练后,利用训练好的神经网络对未知介质的介电常数进行分析测量。神经网络法的核心是基于微波夹具的S参数进行数据的训练。相对于传统的介电常数测量方法,神经网络法结合了微波法和大数据分析法,简化了测试难度,灵活性高,可以有效避免求解过程中的多值问题、S参数校准问题,适应性较广。但由于不是严格的解析解,测试精度还需提高。总体来讲,基于神经网络法测量介电常数在工程应用中具有很大发展空间。

常见物质介电常数表

昌晖仪表从维基百科整理了以下常见物质介电常数供大家使用,比如空气的介电常数为1.00058986±0.00000050(at STP, for 0.9 MHz),很轻松就可以从下表查到。


物质                                                                            相对介电常数


真空Vacuum                                                               1(by definition)
空气Air                                                                        1.00058986±0.00000050(at STP, for 0.9 MHz)
聚四氟乙烯PTFE/Teflon                                               2.1
聚乙烯Polyethylene/XLPE                                           2.25
聚酰亚胺Polyimide                                                      3.4
聚丙烯Polypropylene                                                  2. 2-2.36
聚苯乙烯Polystyrene                                                   2.4-2.7
二硫化碳Carbon disulfide                                           2.6
聚酯薄膜;胶带Mylar                                                  3.1
纸Paper                                                                      3.85
电活性聚合物Electroactive polymers                          2-12
云母Mica                                                                    3-6
二氧化硅Silicon dioxide                                              3.9
蓝宝石Sapphire                                                           8.9-11.1(anisotropic)
混凝土Concrete                                                          4.5
派热克斯玻璃(一种耐热玻璃)Pyrex(Glass)                     4.7(3.7–10)
氯丁橡胶Neoprene                                                     6.7
橡胶Rubber                                                                 7
金刚石Diamond                                                          5.5-10
盐Salt                                                                          3-15
石墨Graphite                                                              10-15
硅Silicon                                                                     11.68
氮化硅Silicon nitride                                                   7-8(polycrystalline, 1MHz)
氨Ammonia                                                                26, 22, 20, 17(−80, −40, 0, 20℃)
甲醇Methanol                                                             30
乙二醇,乙烯乙二醇Ethylene glycol                            37
糠醛;[有化] 呋喃甲醛Furfural                                    42.0
甘油;丙三醇Glycerol                                                 41.2, 47, 42.5(0, 20, 25℃)
水Water                                                                     88, 80.1, 55.3, 34.5(0, 20, 100, 200℃)for visible light: 1.77
氢氟酸Hydrofluoric acid                                            175, 134, 111, 83.6 -73℃, -42℃, -27 °C, 0℃)
肼;[无化] 联氨;酰肼Hydrazine                                52.0(20℃)
甲酰胺Formamide                                                      84.0 (20℃)
硫酸Sulfuric acid                                                        84-100(20-25℃)
过氧化氢Hydrogen peroxide                                     128aq-60(-30~25℃)
氢氰酸Hydrocyanic acid                                            158.0-2.3(0-21℃)
二氧化钛Titanium dioxide                                          86-173
钛酸锶Strontium titanate                                           310
钛酸锶钡Barium strontium titanate                           500
钛酸钡Barium titanate                                               1200-10,000(20-120℃)
锆钛酸铅Lead zirconate titanate                                500-6000
共轭聚合物Conjugated polymers                              1.8-6up to 100,000
钛酸铜钙Calcium copper titanate                              250,000



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