基本介紹
- 中文名：介電係數法
- 外文名：Dielectric coefficient method
- 領域：輕工業
- 定義：測量介質的介電係數的方法
- 方法：集中電路法、傳輸線法、諧振法
- 有關術語：介電係數
簡介,套用,方法,
簡介
材料的介電性能通常用材料的介電係數表示，即材料在恆定電場作用下的介電性能。介電常數是相對介電常數與真空中絕對介電常數乘積。如果有高介電常數的材料放在電場中，電場的強度會在電介質內有可觀的下降。理想導體的相對介電常數為無窮大。介電係數法是指用於檢測材料介電係數的方法或將介電係數用於其他套用的技術。測量介電常數的方法主要有傳輸線法、集中電路法、諧振法、自由空間波法等等。
套用
材料的介電性能通常用材料的介電係數，即在恆定電場作用下的介電性能，介電常數是物體的重要物理性質，對介電常數的研究有重要的理論和套用意義。電氣工程中的電介質問題、電磁兼容問題、生物醫學、微波、電子技術、食品加工和地質勘探中，無一不利用到物質的電磁特性，對介電常數的測量提出了要求。在食品加工行業當中，儲藏、加工、滅菌、分級及質檢等方面都廣泛採用了介電常數的測量技術。例如，通過測量介電常數的大小，新鮮果蔬品質、含水率、發酵和乾燥過程中的一些指標都得到間接體現，此外，根據食品的介電常數、含水率確定殺菌時間和功率密度等工藝參數也是重要的套用之一。在路基壓實質量檢測和評價中，如果利用常規的方法，儘管測量結果比較準確，但工作量大、周期長、速度慢且對路面造成破壞。由於土體的含水量、溫度及密度都會對其介電特性產生不同程度的影響，因此，可以採用雷達對整個區域進行測試以反算出介電常數的數值，通過分析介電性得到路基的密度及壓實度等參數，達到快速測量路基的密度及壓實度的目的。此外，復介電常數測量技術還在水土污染的監測中得到了套用。並且還可通過對岩石介電常數的測量對地震進行預報。
介電常數的測量按材質分類可以分為對固體、液體、氣體以及粉末(顆粒)的測量。固體電介質在測量時套用最為廣泛，通常可以分為對固定形狀大小的固體和對形狀不確定的固體的測量。相對於固體，液體和氣體的測試方法較少。對於液體，可以採用波導反射法測量其介電常數，誤差在 5%左右。此外國家標準中給出了在 90℃、工頻條件下測量液體損耗角正切及介電常數的方法。對於氣體，具體測試方法少且精度都不十分高。有關文獻中給出一種測量方法，以測量共振頻率為基礎，在 LC 串聯諧振電路中產生震盪，利用數字頻率計測量諧振頻率，不斷改變壓強和記錄，當前壓強下諧振頻率，最後用作圖或者一元線性回歸法處理數據，得到電容變化率進而計算出相對介電常數。
方法
集中電路法是一種在低頻段將有耗材料填充電容，利用電容各參數以及測量得到的導納推出介電常數的一種方法。為了測量導納，通常用並聯諧振迴路測出 Q 值(品質因數)和頻率，進而推出介電常數。由於其最高頻率會受到最小電感的限制，這種方法的最高頻率一般是
100 MHz。最小電感一般為 10 nHz 左右。如果電感過小，高頻段雜散電容影響太大。如果頻率過高，則會形成駐波，改變諧振頻率同時輻射損耗驟然增加。但這種方法並不適用於低損材料。因為這種方法能測得的 Q 值只有 200 左右，使用網路分析儀測得 tan也只在 
左右。這種方法不但準確度不高，而且只能測量較低。
傳輸線法是網路法的一種，是將介質置入測試系統適當位置作為單連線埠或雙連線埠網路。雙連線埠情況下，通過測量網路的 s 參數來得到微波的電磁參數。早在 2002 年用傳輸反射法就能夠實現對任意厚度的樣品在任意頻率上進行復介電常數的穩定測量。
NRW T/R 法(即基於傳輸/反射參數的傳輸線法)的優勢是簡單、精度高並且適用於波導和同軸系統。但該方法在樣品厚度是測量頻率對應的半個波導波長的整數倍時並不穩定。同時此方法存在著多值問題，通常選擇不同頻率或不同厚度的樣品進行測量較浪費時間並且不方便。此外就是對於極薄的材料不能進行高精度測量。反射法測量介電常數的最早套用是Decreton 和 Gardial 在 1974 年通過測量開口波導系統的反射係數推導出待測樣品的介電常數。同軸反射法是反射法的推廣和深化，即把待測樣品等效為兩連線埠網路，通過網路分析儀測量該網路的散射係數，據此測試出材料的介電常數。結果顯示，同軸反射法在測量高損耗材料介電常數上有一定可行性，可以測量和計算大多數高損耗電介質的介電常數，對諧振腔法不能測量高損耗材料介電常數的情況有非常大的補充套用價值。2006 年又提出了一種測量低損耗薄膜材料介電常數的標量法。該方法運用了傳輸線法測量原理，首先測量待測介質損耗，間接得出反射係數，然後由反射係數與介電常數的關係式推出介質的介電常數。其薄膜可以分為低損耗、高損耗和高反射三類，通過實驗證明了三種薄膜的損耗隨頻率改變基本呈相同的變化趨勢，高頻稍有差別，允許誤差範圍內可近似。該方法切實可行，但不適用於測量表面粗糙的介質。有人提出了新的確定 Ka 波段毫米波損耗材料復介電常數的磁導率的測量方法並給出了確定樣品的復介電常數及磁導率的散射方程。此方法有下列優點：1) 計算復介電常數及磁導率方程組是去耦合的，不需要疊代；2) 被測量的頻率範圍比較寬；3) 與傳統方法相比消除了介電常數測量對樣品長度和參考面的位置的依賴性；4) 消除了 NRW 方法在某些頻點測量的不確定性。還有人將橢圓偏振法的電磁頻譜從可見光、紅外光擴展到毫米波段。橢圓偏振法用測量樣品反射波或者投射波相對於入射波偏振狀態的改變來計算光電特性和幾何參數。毫米波橢圓偏振法得到的復介電常數的虛部比實部低，即計算得到的虛部有一定誤差，但它對橢圓偏振法的進一步研究提供了重要的參考依據。
自由空間法其實也可算是傳輸線法。它的原理可參考由空間法與傳輸線法有所不同。傳輸線法要求波導。其測量系統樣品時，忽略波導損耗，短路段反射系線路傳輸法，通過測得傳輸和反射係數，改變樣品數據和頻率來得到介電常數的數值。自由空間法保存了線路傳輸法可以測量寬頻帶範圍的優點。自由空間法要求材料要有足夠的損耗，否則會在材料中形成駐波並且引起誤差。因此，這種方法只適用於高於 3 GHz 的高頻情況。其最高頻率可以達到 100 GHz。
