Шесть методов измерения диэлектрических свойств

Если вы вообще задумываетесь о диэлектрических свойствах, то, вероятно, это связано со школьными экспериментами по физике по накоплению заряда или, возможно, с тем, как выбор диэлектрических материалов влияет на характеристики конденсатора, с которым вы работаете. Однако оказывается, что диэлектрические свойства материалов имеют значение для самых разных отраслей промышленности по разным причинам. Поэтому точное измерение этих свойств важно во многих контекстах. В этой статье рассматриваются некоторые ключевые методы измерения диэлектрических свойств и некоторые области применения каждого из них.

Методы измеренияСуществует несколько методов измерения диэлектрических свойств с использованием комбинации точных приборов, испытательных приспособлений для удержания испытуемого материала (MUT) и программного обеспечения, которое упрощает измерение сложных коэффициентов диэлектрической и проницаемости и отображение результатов.

Например, у компании Keysight Technologies есть такие инструменты, как анализаторы цепей, анализаторы импеданса и измерители LCR, которые могут обеспечивать точные результаты на применяемых частотах до 1,5 ТГц. Компания также предлагает приспособления, в которых применяются коаксиальный зонд, параллельная пластина, коаксиальные/волноводные линии передачи, методы измерения в свободном пространстве и резонансной полости, показанные на рисунке 1.

Как работает каждый из них, каковы их преимущества и ограничения?

Метод коаксиального зонда Метод коаксиального зонда лучше всего подходит для жидкостей и полутвердых (порошковых) материалов. Это простой, удобный, неразрушающий метод, требующий проведения только одного измерения. Типичная измерительная система состоит из анализатора цепей или анализатора импеданса, коаксиального зонда и программного обеспечения.

Выбор зонда и анализатора зависит от частоты измерения, но общий диапазон составляет от 10 МГц до 50 ГГц. Существуют высокотемпературные датчики, выдерживающие температуру от –40 до 200°C, и они могут быть изготовлены с большим фланцем, чтобы с их помощью можно было измерять твердые материалы с плоской поверхностью, а также жидкости и полутвердые вещества. Тонкие зонды полезны для измерений в бродильных чанах, камерах химических реакций и другом оборудовании с небольшими отверстиями, тогда как высокопроизводительные зонды сочетают в себе многие из этих характеристик в устройстве, которое можно стерилизовать в автоклаве, что полезно для пищевой, медицинской и химической промышленности. отрасли.

Метод линии передачи. Метод линии передачи представляет собой широкополосный метод обработки твердых тел, обрабатываемых механической обработкой, который помещает MUT внутри закрытой линии передачи. Частотный охват ограничен главным образом размером держателя образца.

Метод свободного пространства. В методах свободного пространства используются антенны для фокусировки микроволновой энергии на плите материала или через нее. Этот бесконтактный метод можно применять к материалам при высоких температурах и особенно полезен на частотах миллиметровых волн.

Метод резонансной полости. Резонансные полости представляют собой структуры с высокой добротностью, которые резонируют на определенных частотах. Образец материала влияет на центральную частоту и добротность резонатора, что, в свою очередь, позволяет рассчитать его диэлектрическую проницаемость. Например, компания Keysight предлагает для этой цели резонатор с разъемным цилиндром 85072A 10 ГГц, а также диэлектрические резонаторы с разъемным штырем.

Метод с параллельными пластинами. Метод с параллельными пластинами предполагает размещение тонкого листа материала между двумя электродами для формирования конденсатора. Этот метод лучше всего подходит для точных низкочастотных измерений тонких листов или жидкостей.

Типичная измерительная система, использующая метод параллельных пластин, состоит из измерителя LCR или анализатора импеданса.

Метод измерения индуктивности. Этот подход определяет проницаемость материала путем измерения его индуктивности, как если бы это был тороидальный сердечник. Провод наматывается на испытуемый прибор, и его индуктивность оценивается по отношению к концам провода. Компания Keysight предлагает приспособление для испытания магнитных материалов 16454A, которое представляет собой идеальную конструкцию для одновитковых индукторов, поскольку не пропускает магнитный поток при установке в него тороидального сердечника.