介电常数测量

内容概述

高频涡流检测中的介电常数测量

高频涡流测量设备不仅可用于表征导电材料的导电率和磁导率相关特性，还可用于绝缘体的介电常数表征。其原理在于涡流系统会产生电场和磁场，其中电场分布受场内介电常数的影响。此效应可用于非接触式介电常数表征。应用领域包括：

物料分拣（塑料、金属氧化物、陶瓷等）
成分评估（固体、液体）
化学反应评估（固化，双组分浇铸材料）

SURAGUS提供用于高频特性分析的单点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显著优势。

SURAGUS提供多种传感器类型，通常根据测量任务进行定制，主要用于平面基材测试，或对管道及特定容器中的液体、粉末及其他物质进行特性分析。欢迎随时联系我们的团队，共同探讨具体测试任务。

理论与背景——介电常数对涡流线圈阻抗的影响

对于恒定频率的麦克斯韦方程组（1–4），样品的导电率和介电常数会影响涡流线圈的阻抗。此处，磁场H（磁通密度B随时间以角频率ω变化）会产生旋转电场E，该电场与样品导电率无关（3）。电流密度J取决于样品的导电率σ（7），而位移电流密度JD则取决于待测材料的介电常数ε（6）。该效应在传统低频涡流检测方案中不显著，但在高频检测系统中则变得明显。采用SURAGUS EddyCus高频涡流系统的相关研究已发表并通过同行评审，适用于特定应用场景。（参见S. Gäbler、H. Heuer与G. Heinrich合著《高频涡流设备在绝缘体介电常数测量与成像中的应用》，发表于《IEEE仪器与测量学报》第64卷第8期，2227-2238页，2015年8月， doi: 10.1109/TIM.2015.2390851. )

什么是介电常数？

介电常数，又称介电常数。介电常数描述了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，其绝缘性能越优。当介质受到电场作用时，会产生感应电荷以削弱电场强度。原始施加电场（真空条件下）与最终电场强度的比值即为介电常数，该数值同时与频率相关。

介电常数的意义

高科技时代的到来带来了对高科技材料的需求与变革，新技术的涌现为材料提出了新的性能要求，包括微波介电陶瓷、PCB材料、半导体材料、手机天线材料、手机外壳材料、电磁屏蔽材料及介电材料等，都将在高科技应用中发生转变。这要求更高的电磁波传输速度和更低的信号传播损耗，意味着应用材料需具备更高的介电常数和更低的介电损耗。介电材料恰好满足这些严苛要求。

什么是单位？

电容率的标准国际单位制单位是法拉每米（F/m 或 F·m⁻¹）。真空中的介电常数称为真空介电常数ε0，其数值约为8.854187817…×10⁻¹² F/m。介电常数通常用相对介电常数εr表示，该值等于绝对介电常数ε与真空介电常数ε0的比值。

如何测量介电常数？

已开发出多种测量介电常数的方法，每种方法均适用于特定频率、材料、应用场景等。

方法	适用场景	优势	极限
开放式同轴探针	液体、生物、标本、半固体	操作简便	由于频率较低，不适用于复杂电子设备
输电线路	主要用于测试介电常数εr较大的低损耗和中等损耗材料	高精度，任意频率	多值问题，对形状和尺寸的要求，薄膜和粗糙表面上的低精度
共振法	在1GHz至10GHz频段表现优异，适用于低损耗材料	精度高，操作简便	损耗正切值不准确，存在多重误差源
可用空间	在3GHz至100GHz频段内表现优异	无需直接接触，测量范围广	驻波引起的误差

开端同轴探针法作为一种无损检测方法已应用多年。该方法中，探针被压在试样上或浸入液体中，通过测量反射系数来确定介电常数。

传输线法是一种广泛应用的宽带测量方法。该方法仅假设基本波导模式（同轴线中的TEM模式和波导中的TE模式）能够传播。在进行测量前必须完成校准。

谐振法具有高精度特性，且假定材料采用TE或TM传播模式。谐振测量是获取介电常数和磁导率最精确的方法。然而，该方法对可测材料的频率范围及损耗特性存在限制
。

自由空间法适用于宽带应用，且仅考虑TEM传播模式。自由空间测量可在高温或恶劣环境下对被测材料（MUT）进行测试，通常能在宽频带范围内工作。

工业界正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通过测量介电常数等电学特性来追踪材料的固化状态。介电常数（ε）与材料的能量存储能力相关。

差示扫描量热法（DSC）是研究聚合物的一种方法，例如测量玻璃化转变温度Tg，该温度会随固化状态的变化而变化。

DETA分析

介电热分析（DETA）是通过测量试样在交变电场中随温度、频率或时间变化的介电常数和介电损耗，来分析材料物理化学变化的过程。