介电常数测量

内容概览

高频涡流检测法测量介电常数

高频涡流测量设备不仅可用于表征导电材料的电导率和磁导率相关特性，还可用于绝缘体的介电常数表征。这是基于涡流系统会产生电场和磁场，而电场分布受所产生场内介电常数影响这一事实。该效应可用于非接触式介电常数表征。应用包括：

材料分选（塑料、金属氧化物、陶瓷等）
成分评估（混凝土、液体）
化学反应评估（固化、双组分浇注化合物）

SURAGUS 提供用于高频表征的单点测量工具、成像工具和在线传感器。特别是通过高频阻抗分析进行的在线介电常数测量具有以下优势：

SURAGUS 提供多种传感器类型，通常根据测量任务进行定制，主要致力于平面基材的测试，或表征管道或特定容器中的液体、粉末和其他物质。欢迎联系我们的团队讨论具体的测试任务。

理论与背景 - 介电常数对涡流线圈阻抗的影响

恒定频率下的麦克斯韦方程组 (1 – 4) 表明，样品的电导率和介电常数会影响涡流线圈的阻抗。此处，磁场 H 具有磁通密度 B，随角频率 ω 随时间变化，产生一个与样品电导率无关的旋转电场 E (3)。电流密度 J 取决于样品的电导率 σ (7)，而位移电流密度 JD 取决于待测材料的介电常数 ε (6)。这种效应在传统的低频涡流检测方案中并不显著，但在高频检测系统中变得清晰可见。使用 SURAGUS EddyCus 高频涡流系统的研究和研究成果已在某些应用中发表并经过同行评审。（参见 S. Gäbler, H. Heuer and G. Heinrich, “Measuring and Imaging Permittivity of Insulators Using High-Frequency Eddy-Current Devices,” in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 64, no. 8, pp. 2227-2238, Aug. 2015, doi: 10.1109/TIM.2015.2390851.）

什么是介电常数？

介电常数（Permittivity）也被称为电容率。介电常数描述了电介质在电场中储存静电能的相对能力。材料的相对介电常数越小，绝缘性能越好。当介质被施加电场时，会产生感应电荷以削弱电场。原始施加电场（真空中）与最终电场的比值称为介电常数，它也与频率有关。

介电常数的相关性

高科技时代的到来导致了高科技材料的变化和需求，新技术的出现对材料提出了新的性能要求，包括微波介质陶瓷、PCB 材料、半导体材料、手机天线材料、手机外壳材料、电磁屏蔽材料和介电材料等，在高科技应用中都会发生变化。这需要更高的电磁波传输速度和更低的信号传播损耗，这意味着应用中所使用的材料需要具有更高的介电常数和更低的介电损耗。介电材料满足了这些严苛的要求。

单位是什么？

介电常数的标准国际单位是法拉每米 (F/m 或 F·m-1)。真空中的介电常数称为真空介电常数 ε0，ε0 ≈ 8.854187817…×10⁻¹² F/m。介电常数通常由相对介电常数 εr 表示，它是绝对介电常数 ε 与真空介电常数 ε0 的比值。

如何测量介电常数？

目前已有许多测量介电常数的方法，每种方法都适用于特定的频率、材料和应用等。

方法	适用场景	优点	局限性
开口同轴探头法	液体、生物标本、半固体	易于操作	由于频率较低，不适用于复杂的电子设备
传输线法	主要用于测试具有大 εr 的低中损耗材料	精度高，适用于任何频率	多值问题，对形状和尺寸有要求，对薄膜和粗糙表面的精度较低
谐振法	在 1GHz - 10GHz 表现良好，适用于低损耗材料	精度高，易于操作	损耗角正切不准确，误差源多
自由空间法	在 3GHz - 100GHz 表现良好	无需直接接触，测量范围广	驻波引起的误差

开口同轴探头法作为一种无损检测方法已使用多年。在这种方法中，探头压在标本上或浸入液体中，测量反射系数并用于确定介电常数。

传输线法是一种流行的宽带测量方法。在该方法中，仅假设基波波导模式（同轴线中的 TEM 模式和波导中的 TE 模式）传播。在进行测量之前必须进行校准。

谐振法提供高精度并假设 TE 或 TM 传播模式。谐振测量是获得介电常数和磁导率最准确的方法。然而，该方法可测量的材料频率和损耗特性
存在限制。

自由空间法适用于宽带应用，并仅假设 TEM 传播模式。自由空间测量允许在高温或恶劣环境下对受测材料 (MUT) 进行测量，并且通常在宽带频率下运行。

工业界在实验室中应用以下方法：

DEA/DSC 分析

介电分析 (DEA) 或介电固化监测是一种用于确定固化状态的热分析技术。DEA 通过测量介电常数的电学特性来跟踪材料的固化状态。介电常数 (ε) 与材料中的能量储存有关。

差示扫描量热法 (DSC) 是研究聚合物的一种方法，例如测量随固化状态变化的玻璃化转变温度 Tg。

DETA 分析

介电热分析 (DETA) 是通过测量交变电场下试样的介电系数和介电损耗随温度、频率或时间的变化来分析材料的过程，以评估材料的物理和化学变化。