基于LCR表與阻抗分析儀的介電常數測量技術方案

在材料科學與電氣工程領域，介電常數是評估絕緣材料性能的關鍵參數之一。利用LCR表（電感-電容-電阻測試儀）和阻抗分析儀測量介電常數，具有頻率范圍寬（20 Hz – 1 GHz）、測量精度高、操作簡便等優勢，已成為實驗室和工業檢測中的主流方法。本文介紹一種基于阻抗測量技術的介電常數評估方案，重點闡述平行板法的原理、誤差控制及系統構成。

一、測量原理與方法

介電常數（ε?）反映材料在電場中的極化能力，通常以復數形式表示：ε?* = ε?′ - jε?″。其實部ε?′表示能量存儲能力，虛部ε?″反映能量損耗，常通過損耗角正切tanδ = ε?″/ε?′來表征。測量中，采用平行板電容法，依據ASTM D150標準，將被測材料（MUT）置于兩電極之間，形成平板電容器，通過測量其電容值C和損耗因子D，結合幾何參數計算介電常數。

二、關鍵測量技術：平行板法

為提高測量精度，需采用“保護電極”結構，防止邊緣電場形成雜散電容，確保測量電流僅通過被測材料。根據電極與材料的接觸方式，可分為接觸式與非接觸式兩種。

接觸式電極法操作簡單，適用于表面平整的固體或液體材料。將電極直接壓緊MUT，測量其并聯電容C?和損耗D，代入公式：

其中A為電極面積，t?為材料厚度，ε?為真空介電常數。但該方法易受“氣隙”影響——即使表面光滑，微小空氣層也會引入顯著誤差，尤其對高介電常數或薄樣品，誤差可超10%。

非接觸式電極法通過兩次測量消除氣隙影響：首次測量電極間為空氣時的電容C??，第二次插入MUT后測得C??，結合電極間隙t?與材料厚度t?，利用差值法計算ε?。該方法無需薄膜電極，精度中等，適用于常規檢測。

為實現高精度測量，推薦在MUT表面蒸鍍或噴涂薄膜電極，徹底消除氣隙，雖增加制樣步驟，但可獲得最接近真實值的結果。

三、測量系統構成

典型系統由三部分組成：精密阻抗分析儀（如E4990A、E4980A）、專用測試夾具（如16451B或16453A介電測試夾具）及配套軟件。16451B適用于30 MHz以下固體材料，16453A則支持高達1 GHz的寬頻測量，滿足高頻材料表征需求。軟件可自動完成數據采集、參數計算與結果輸出，提升效率。

四、誤差控制與注意事項

測量前需預熱儀器20分鐘，進行清“0”校準。樣品應平整、厚度均勻，避免局部電場畸變。測試頻率應覆蓋實際應用頻段，以分析ε?和tanδ的頻率依賴性。同時，施加電壓（如5V、10V）也應保持一致，避免非線性響應干擾。

五、結語

基于LCR與阻抗分析儀的介電常數測量方案，結合保護電極與多步測量法，可在寬頻帶內實現高精度評估。根據精度與效率需求，靈活選擇接觸或非接觸方法，配合標準化設備與軟件，為材料研發、質量控制提供可靠數據支持。