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1、电气材料分析实验报告电气材料分析实验报告电桥和电极系统的原理及应用姓名：*班级：硕硕*班班学号：*指导教师：*日期：20132013 年年 1010 月月 1919 日日一、 实验名称电桥与宽带介电谱实验二、 实验目的相对介电常数和介质损耗角正切是绝缘材料的两个重要性能参数，在不同场合使用的绝缘材料对这两种介电性能有着不同的要求：对作为电容器介质的材料要求具有大的相对介电常数；对于高频或高压绝缘，通常要求有小的介质损耗角正切等等。为控制绝缘材料的生产或在绝缘系统中合理的选择绝缘材料，必须对其相对介电常数和介质损耗角正切进行测量。测量介质损耗角正切也可以判断绝缘材料其他方面的性能，例如电绝缘强度
2、、含湿量、老化等，并且绝缘材料化学结构的变化也可以从介电谱上得到反映，所以通常把介电常数和介质损耗角正切的测量作为研究绝缘材料结构和性能的一种手段。通过本次实验：1、 了解并掌握两种电桥及宽带介电谱系统的使用方法；2、 利用电桥和宽带介电谱系统测量绝缘材料的相对介电常数和介质损耗角正切。三、 实验原理（一） TR-10C 型介质损耗测试仪1、原理与简介电桥法是测量绝缘材料相对介电常数和介质损耗角正切的主要方法。电桥法的测量原理是吧被测试样作为一个桥臂，其他三个桥臂的阻抗是已知的，调节电桥达到平衡，根据平衡条件，求出饲养的并联等值电容和电阻，从而计算出试样的相对介电常数和损耗角正切。TR-10C
3、 型介质损耗测量仪是日本制造的变压器电桥，电压比例臂变压器电桥适用于做低压测量，其测量频率范围较宽。TR-10C 型电桥是一种可调频、调温的低压电桥，可以测量和研究介质的相对介电常数 r和介质损耗角正切tan 随频率（30HzMHz）或温度（-80200）的变化规律，被测介质的形态可以是固态、液态或粉末态，与此对应配套的电极有固体电极、液体电极和粉末电极系统。2、TR-10C 型介质损耗测量仪的测量范围为：电容 Cx 1PF200PF介质损耗角正切 tan 110-50.1测量频率 30HzMHz测量温度 -80200（二）2821 型精密损耗因素与电容测量电桥2821 型精密损耗因素和电容测
4、量电桥是一种高压工频电桥，它实际上是一只四臂都是电容的四电容电桥，下图 1 表示 2821 型电桥的测量原理。图中 CX为被测试样，CN为标准电容器，电容 C3、C4 用来平衡试样电容，与 C3 相串联的电阻 R3 用来平衡试样的损耗。一般 C4、R3 是可调的，测量时调节 C4、R3达到电桥平衡。图 1 2821 型电桥原理图2821 型电桥是一台瑞士产的测量灵敏度较高的电桥，一般情况下，相对介电常数和介质损耗角正切的测量准确度与电桥的测量灵敏度有关，提高测量灵敏度可通过提高测量电压和指示器的分辨能力来达到。2、2821 型电桥的测量范围为：电容 Cx 9PF10000PF介质损耗角正切 t
5、an 110-51测量频率 50Hz1.5kHz电压范围 02kV（三）宽带介电谱系统1、原理与简介介电谱本质上是表征介质极化强度随时间变化的特征，这可以表现在吸收电流、去极化电流等随时间变化的时域特性上，对这种时域特性进行傅里叶变换，可以得到随频率变化的评语特性，这个频域特性就是介电谱。宽带介电谱测量采用时域-频域法的测量原理，先测得与介质极化有关的电荷、电流或电压随时间变化的信息，再利用计算机快速采集数据，对大量数据进行统计处理，以及快速经过傅里叶变换，从而得出 、 、 随频率变化的介电谱。宽带介电谱测量系统包括低频模块和高频模块两大部分，其中低频模块为 Alpha-A 高性能频率分析仪，
6、高频模块为安捷伦 E4991A 射频阻抗/材料分析仪。2、系统组成与测量范围低频模块主框架分析仪为 Alpha-A 高性能频率分析仪，主分析仪框架配接试样单元 ZGS 时的工作和测量范围如下：频率：3Hz-20MHz交流电压：100V-3Vrms直流偏置电压：-40-+40V，70mA阻抗：0.01-1014电容：1fF-1F损耗因素：tan=10-5-104准确度：阻抗、电容、tan10-5相位角度0.6m安捷伦 E4991A 射频阻抗/材料分析仪的工作和测量范围为：频率：1MHz-3GHz输出交流电压：4.4710-3V -0.502V阻抗：0.1-5104试样电容值在 2pF-10pF
7、范围（4pF 左右最佳）tan：1.010-5-3.5测试频率：10-6Hz-3GHz温度范围：-150-+500四、 操作步骤（一）TR-10C 型介质损耗测量仪的操作过程如下：1）根据测量频率选用输入变压器，并选定“RATIO”为 b。2）合上“TRANS”盖板，将试样连接到“UNKNOWN” 。3）置面板中央旋钮到“BRIDGE BAL” ，置右边中央的旋钮到“ZERO BAL” ，调节旋钮“ZERO BAL C”和“CONDUCTANCE”到零平衡，从“CONDUCTANCE”读取相应的 0。4）调节旋钮“CONDUCTANCE0.001”时，应先调节“ZERO BAL”的“FINE”
8、平衡电容分量，则平衡“0.001”旋钮比较容易。5）面板中央旋钮不动，置右边中央旋钮到“MEAS” ，调节旋钮“CAPACITANCE”和“CONDUCTANCE”到电桥平衡，如超出量程，可扩大量程使用“YS-1GC BOX” 。6）当频率高于 100kHz 时，要求“EARTH BAL”和“BRIDGE BAL”两个位置上都达到精细平衡。7）达到平衡后，从“CAPACITANCE”和“CONDUCTANCE”转盘上读取相应的 Cx和 值则 =( 0)2 10 12=式中 Ca 是通过电极面积和试样厚度计算获得的 r=1 时的电容=1 3.62 10 12 式中 r 为电极半径，d 为试样厚度
9、，均以 cm 为单位。（二）2821 型电桥的操作如下：1）检查接线和整个测量系统是否正确无误。2）合上总电源，开启三个电源开关，将电压升到设定值 500V（02kV） 。3）桥体转换开关由“GUARD”转至“BRIDGE” 。4）先调节 C，使零点指示器指针读数尽可能小，逐步提高灵敏度后再调节C，使指针读数再降低。5）调节 tan，使指针进一步降低，提高灵敏度后可进一步调节。6）反复调节 C 和 tan，使“SENSITIVITY”提高到“6”时指针读数达到最低值，从转盘上读取相应的 C 和 tan 值。7）把零点指示器“SENSITIVITY”降到“1” ，电源电压降到零，桥体转换开关置于
10、“GUARD” ，关掉三个电源开关，切断总电源。（三）CONCEPT80 宽带介电谱操作程序：低频测试程序：1、开启设备面板上的相应控制按钮（MAIN，LOAD，VACUUM） 。设备预热 10 分钟后，再打开计算机桌面上 WinDETA 操作软件；2、在 WinDETA 软件中填写试样参数（输入试样名称、试样厚度、试样直径） ，设计实验顺序过程（温度及频率范围） ；3、夹好试样，打开液氮阀门，开始低频实验；4、每次实验结束手动保存实验数据。高频测试程序：1、开启高频阻抗分析仪 HP4991A，关闭低频系统，并预热至少1 小时。2、打开计算机桌面上 WinDETA 操作软件，选择 4991A
11、操作系统，开始高频系统实验校准。3、高频校准结束时，检测校准结果。电容必须小于 20pF，电阻值 50。加持好试样，开始高频实验。4、在 WinDEAT 软件中填写试样参数（输入试样名称、试样厚度、试样直径） ，设计实验程序过程（温度及频率范围） ；5、每次实验结束手动保存实验数据。6、关闭介电测试面板上的所有开关，关闭计算机，关闭主电源。五、 实验结果与分析（一）（一）TR-10C 型电桥电极直径为 37mm，计算面积为 10.75cm2，试样厚度为 2.16mm已知为 10-9b=1 时的电容为r=1 3.62 10 12 =( 0)2 10 12=测量及计算结果：=0.2300=0.43
12、5Cx=24.45pF=3.7cm计算得：Ca=4.4pF= 5.56Tan=0.0267结果分析：本次实验的材料为硅橡胶，从实验结果来看，测得的硅橡胶的介电常数较大，说明硅橡胶应该是一种分子极性较强的材料。测得的介质损耗角正切在 10-2数量级，相比于一般的绝缘材料，这个损耗值也是较大的。（二）（二） 2821 型电桥电极直径为 49.7mm，计算面积为 19.4cm2，试样厚为 2.16mm Tan 为直读参数=1 时的电容为r=1 3.62 10 12 =测量与计算结果：Cx=35.02pF=4.97cm计算得：Ca=7.94pF= 4.41Tan=0.0452结果分析：本实验的实验材料
13、与上面的完全一样，是同一块硅橡胶材料。比较两次测得的结果可以发现，用 2821 型精密电桥测得的相对介电常数较小，而介质损耗角正切较大。（三）（三）宽带介电谱测试系统试样为 LDPE 掺杂 2%三氧化二铝，温度为恒定温度 20.221. 测试过程动态显示绘图如下图二 掺杂低密度聚乙烯介电谱图以下是有 matlab 绘制的介电常数的实部与虚部以及介质损耗角正切值随频率变化的关系曲线：图三 随频率变化关系曲线图四 随频率变化关系曲线图五 介质损耗角正切值随频率的变化曲线结果分析：1、由图三可以看出，随着频率的升高，试样的介电常数的实部呈现逐渐下降的趋势。该变化对应于图二中的红色曲线，由于图二中纵坐标范围的关系使得其变化很不明显。当然，介电常数的实部只是在一个很小的范围内（2.42.5 之间）变化。2、由图四可以看出，试样介电常数的虚部随频率变化与介电谱中蓝线对应的损耗的变化趋势一致，这是因为介质损耗角正切值等于介电常数的虚部与实部的比值，由于介电常数的实部变化范围很小（如第一点中分析的） ，故其虚部的变化趋势与介质损耗角正切值的变化趋势一致。3、由图五可以看出，介质损耗角正切在频率为 1Hz 到大约 2MHz 的范围内基本呈现稳定而略有下降的趋势，在 3MHz 左右的点上出现最小值，然后材料的介质损耗角正切随频率的增大开始迅速增大。期变化趋势与介电谱中对应的变化趋势完全一致。
