一、測試儀的基本構成與工作原理

1. 基本構成

一套完整的介電常數與介質損耗測試系統通常由三大部分構成：


高頻阻抗分析儀/精密LCR測試儀：作為核心主機，負責產生可編程測試信號（正弦波），精確測量被測件的等效并聯電容（Cp）與損耗因子（D）等阻抗參數。其精度與頻率范圍直接決定系統性能上限。


專用測試裝置（夾具）：通常為平板電容器系統（三電極或二電極系統），用于夾持和測量固體或液體樣品。包含主電極、保護電極和接地電極，以消除邊緣效應和雜散電容，確保電場均勻分布于被測樣品。



校準用標準件：包括用于“開路”、“短路”校準的標準件及已知精確介電性能的標準材料樣品，用于系統定期校驗與負載校準，保證測量結果的溯源性。

2. 核心測量原理

基于平板電容器模型。當測試夾具中未放置樣品（空氣介質）時，測量得到夾具自身的等效電容C0和損耗D0。放入被測樣品后，測得的電容值變為Cx，損耗值變為Dx。材料的相對介電常數εr和介質損耗角正切tanδ可通過以下公式計算：


相對介電常數εr ≈ Cx / C0（在特定幾何尺寸和校正條件下）


介質損耗角正切tanδ (D) ≈ Dx（經過系統誤差校正后）

現代化的測試儀內部集成微處理器和先進算法，能夠自動記錄和計算C0與Cx、D0與Dx，并直接顯示或輸出終的εr和tanδ數值，實現測試過程的自動化與智能化，提升效率和準確性。

二、遵循的核心國際與國家測試標準

為確保測量結果在全球范圍內的可比性與權威性，介電常數測試儀的設計與操作嚴格遵循一系列國際和國家級標準。主要標準包括：


GB/T 1409-2006：中國在電氣絕緣材料介電性能測試方面的基礎性與權威性標準，覆蓋工頻到高頻的廣泛頻率范圍。



ASTM D150-11(2018)：美國材料與試驗協會標準，全球范圍內被廣泛接受的商業與科研標準。


IEC 60250：國際電工委員會標準，為各國標準制定提供國際基準。



GB/T 5594.4-2015：專門針對結構陶瓷電子元器件的測試標準。



GB/T 1693-2007：針對橡膠類高分子材料的專用標準。

此外，針對特定材料或新興技術，還有一系列衍生或細分標準，如T/CSTM 00909 -2023（平行板電容法）、HG/T 2617-1994（片基）等。一臺優秀的測試儀應能通過合適的夾具和設置，滿足上述多種標準的要求。

三、現代高性能測試儀的關鍵性能指標

以符合LXI標準的新一代阻抗分析儀為核心構建的測試系統，展現了以下卓越性能：

1. 寬頻率范圍與高精度


測試頻率覆蓋從20Hz直至2MHz甚至5MHz（選配），分辨率可達10mHz。寬頻率范圍允許研究材料介電性能的頻率依賴性（頻散特性），對于分析材料極化機理至關重要。



基本測量精度高達0.1%，為獲得可靠的ε和tanδ數據提供基礎保證。



電容與損耗分辨力：電容（Cp）分辨率可達0.00001pF，損耗（D）顯示可達6位有效數字，確保極低損耗材料測量的敏感度與重復性。

2. 廣泛的測量參數與量程


除了直接輸出介電常數（ε）和損耗角正切（D），主機通常能測量所有相關阻抗參數：


主參量：電容(C)、電感(L)、電阻(R)、阻抗模值(|Z|)、導納模值(|Y|)。



副參量：損耗因子(D)、品質因數(Q)、等效串聯電阻(ESR)、等效并聯電阻(Rp)、電抗(X)、電納(B)、相位角(θ)以及直流電阻(DCR)。



顯示范圍：電容從0.00001pF至9.99999F，電阻從0.0001Ω至99.999MΩ，D值從0.00001至9.99999，覆蓋從超低損耗到高損耗的各種材料。

3. 高速測試與智能化功能



超高速測量：快速度可達200次/秒（高頻下），特別適用于自動化生產線上的快速點檢與全檢。



自動電平控制(ALC)：保持被測件兩端的電壓或流過的電流恒定，確保測量條件的一致性，特別適用于非線性材料。



列表掃描測試：可預設多10個不同頻率、電平或偏置的測試點進行自動掃描，一鍵獲取材料在不同條件下的性能譜圖。



內置比較器與分選功能：提供10檔分選和計數功能，搭配Handler接口可直接用于自動化生產線，實現合格品與不良品的自動分揀。

4. 強大的校準與連接能力



高級校準功能：支持點頻和全頻段（掃頻）的開路/短路校正，以消除測試夾具和引線的雜散參數影響；支持負載校正，使用已知標準件進一步提高特定頻率點的絕對精度。



多種信號源內阻可選：如30Ω、50Ω、100Ω等，便于與其他品牌儀器數據對比或滿足不同測試標準要求。



豐富的接口：標配RS232C、USB（主機/設備）、LAN（以太網）接口，可選GPIB（IEEE488）、HANDLER接口，便于組建自動化測試系統、遠程控制和數據采集。



數據存儲與導出：內部可存儲多組儀器設置文件，通過U盤可直接將測量結果（如CSV格式）或屏幕截圖（BMP格式）導出，方便數據管理。

四、操作流程與關鍵注意事項

1. 樣品準備與電極選擇


固體樣品應平整、均勻，厚度測量精確。常見樣品直徑為Φ38mm或Φ50mm。

根據樣品特性（如軟質、薄膜、表面不平整）選擇接觸電極法、薄膜電極法或非接觸電極法。測試裝置可精確調整電極間距，分辨率可達10μm。

2. 系統連接與預熱


正確連接測試夾具（通常為四端對：Hcur、Hpot、Lcur、Lpot）至主機。確保所有接地可靠。


儀器開機后需預熱不少于15分鐘，以達到穩定的工作狀態和標稱精度。

3. 執行校準（“清零”）


掃頻清零：對儀器預存的多個頻率點進行開路和短路校準，適用于寬帶測試。


點頻清零：針對當前使用的單一測試頻率進行開路和短路校準，精度更高。


負載校準：使用已知介電常數的標準樣品在特定頻率點進行校準，可進一步提升該點的絕對測量精度。更換樣品規格后需重新進行負載校準。

4. 設置測試參數并測量


在主機上設置所需的測試頻率（如1kHz、10kHz、1MHz）、測試信號電平（電壓或電流，如1Vrms）、測試速度（快/中/慢）以及測量功能（通常選擇Cp-D，即并聯電容-損耗因子）。



將樣品放入夾具，確保接觸良好。啟動測量，儀器將直接顯示或通過計算得到εr和tanδ值。

5. 避免誤差的措施


保持夾具清潔：電極和樣品引腳的清潔度直接影響接觸電阻和測量穩定性。



消除雜散效應：對于高阻抗（如小電容）樣品，需通過接地屏蔽減少雜散電容；對于低阻抗樣品，使用四端對連接法減少引線電感和電阻的影響。



環境控制：盡量在標準環境溫度（如23±5℃）和濕度下測量，避免溫漂影響。

五、典型應用領域

介電常數與介質損耗測試儀的應用已滲透到眾多高科技與基礎產業領域：


電氣絕緣材料研發與質檢：評估變壓器油、電纜絕緣層、環氧樹脂、云母、陶瓷絕緣子等材料的絕緣性能與長期可靠性。


電子陶瓷與元器件：測試MLCC（多層陶瓷電容器）、微波介質陶瓷、壓電陶瓷（如PZT）的介電性能，這是決定濾波器、諧振器、電容器件性能的關鍵。


高分子與復合材料：研究共混物、納米復合材料、功能高分子（如PVDF）的介電譜，分析分子運動、相變、填料分散性等。



液晶顯示材料：測量液晶盒的電容與損耗，用于表征液晶分子取向和響應特性。



半導體材料與基板：評估硅、砷化鎵等半導體基板以及低溫共燒陶瓷（LTCC）、高頻PCB板材的介電特性。



能源材料：如燃料電池電解質、超級電容器電極材料的介電性能研究。



科研與教育：在大學和研究所的物理、化學、材料實驗室中，用于基礎電介質物理現象的教學與研究。