CN104931796B - 一种非接触式测量复合材料频域介电谱的方法 - Google Patents
一种非接触式测量复合材料频域介电谱的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种非接触式测量复合材料频域介电谱的方法，包括如下步骤：1、按需要在介电谱测试仪上通过预置软件输入测试电压、频率范围和频率间隔参数；2、将复合材料置于测试电极之间，调整上电极的高度，使电极间的距离大于复合材料厚度，即电极间同时存在复合材料和空气两种电介质；3、给电极施加变频电压激励，同时测量电流，计算得到对应频率下同时存在空气和复合材料的复电容；4、将复合材料从电极间取出，电极间只存在空气一种介质。给电极施加变频电压激励，同时测量电流，计算得到对应频率下的只有空气时的复电容；5、根据公式计算得到复合材料的复介电常数和介质损耗角正切。具有测量材料本身极化损耗和准确度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种对复合材料测量频域介电谱的技术，特别涉及一种非接触式测量复合材料频域介电谱的方法，该方法是采用一种非接触式电极，利用空气介电谱作为参考校准，结合空气与复合材料的串联模型，对复合材料频域介电谱进行测量的方法。
背景技术
频域介电谱是一种对复合材料的介电性能进行分析的重要工具。该方法测量交流电场作用下的材料极化响应，对不同电场频率进行逐点或扫频测量，从而获得被测物体的复介电常数与测量频率的关系。
现有的测试方法，对复合材料的进行频域介电谱测量时，其电极装置采用两块平行金属板电极，中间夹住被测物体。但是由于被测物体表面不够平整，容易和电极接触不够紧密而产生接触电阻，这会使得测量复合材料的损耗增大。对于一些材质偏软的复合绝缘材料，电极施加的压力会使得被测物体产生形变，从而能影响介电常数实部的测量值。此外，在低频范围内测量复合材料的介电谱，其介质损耗包含了直流电导造成的损耗和材料极化产生的损耗，而低频下得直流电导损耗远大于材料的极化损耗，因此难以检测出属于材料的极化损耗。
目前很多不同类型的电极装置被用来改善电极和被测材料表面的接触。比如在被测材料表面覆盖一层导电材料，例如镀金属薄膜，导电胶，金属箔等等。但是这些导电材料会面对各种各样的问题。例如铝容易产生氧化层，银在高温或高湿环境中容易发生迁移，金的成本太高。金属箔电极因为太薄，难以测定电极的尺寸和材料的厚度。齿状电极可以提高被测物体的测试电容和改善表面接触的问题，但是难以生产制作。液体电极例如水银和氯化钠水溶液则可能存在毒性或在接触被测材料表面的同时容易侵入材料内部，影响材料的介电性能。
发明内容
本发明的的目的在于解决现有技术中对复合材料进行频域介电谱测量时存在接触电阻和材料形变的干扰，同时进一步排除直流电导对介电谱的影响，提供一种非接触式测量复合材料频域介电谱的方法；该方法能够快速、准确地检测出复合材料的频域介电谱，为筛选合适的绝缘材料和判断绝缘老化提供可靠依据。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种非接触式测量复合材料频域介电谱的方法，包括以下步骤：
1)将复合材料置于测试电极之间，调整上电极的高度使得上电极与复合材料表面存在一定厚度的空气隙；
2)给电极施加变频电压激励，同时测量复合材料和空气两者介质同时存在时的外电路电流，然后根据不同频率下的电压和电流计算得到对应频率下的复合材料和空气整体复电容；
3)将复合材料从电极间取出。再次给电极施加与前一次测试相同的变频电压激励，同时测量只剩下空气介质时的外电路电流，然后根据不同频率下的电压和电流计算得到对应频率下的空气复电容。
4)利用复合材料和空气介质的串联模型，通过对两次测量得到的结果进行运算可以得到复合材料的复电容。
5)对复合材料的复电容进行转化即可得到反映材料介电性能的复介电常数图谱。
本发明的工作原理：本发明利用复合材料与电极非接触式的方法，用空气介电谱作为参考校准，结合空气与复合材料的串联模型，测量复合材料的频率介电谱。
本发明所采用的技术原理：频域介电谱将常规的工频复电容和介损测量扩展到低频和高频阶段。在各种频率的正弦电压驱动下，通过测量流过试品的电流峰值和相位，计算出被测试品在不同频率下的复介电常数以及损耗因数，并形成介电谱。分析不同复合材料的介电谱，可以得到其介电特性，从而为筛选合适的绝缘材料和判断绝缘老化提供可靠依据。
外加电场作用下，介质的介电常数是综合反映介质极化微观过程的宏观物理量。因为电介质通常具有具有电导和极化的双重特性，对电介质施加交流电压U*时，电流会产生幅值和相位的变化，外电路的电流即：
I*＝jωC*U*，
式中，I*代表外电路的电流，C*代表介质复电容，ε*表示电介质的介电性能通常用复介电常数，ω代表角频率，j代表复数符号，U*代表交流电压；根据复介电常数ε*与复电容C*的关系可以得到：
式中，ε*是复介电常数，复介电常数的实部ε′代表电介质中的电容效应，虚部ε″代表电介质中由于电导或极化产生的损耗，C*是复电容，tanδ是介质损耗角正切，d代表测试试片的厚度，A代表测试电极的面积。
非接触式频域介电谱测量采用平行平板式电极，将平板状的复合材料置于电极之间但不与上电极直接接触。复合材料和空气介质构成的合电容Ctot等于复合材料的电容Csample和空气介质的电容Cair的串联，即：
式中，Ctot是复合材料和空气介质构成的合电容，Csample是复合材料的电容，Cair是空气介质的电容。
通过对电极施加同样的交流电压测量两次，一次在电极间不放入复合材料测得只有空气存在时的Cair，第二次电极间放入了复合材料测量得到Ctot，由此复合材料Csample也就可以通过下式求得：
式中，Ctot是复合材料和空气介质构成的合电容，Csample是复合材料的电容，Cair是空气介质的电容。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、采用非接触式测量复合材料的频域介电谱时，避免了上电极表面和材料直接接触时产生的接触电阻对材料复介电常数虚部造成的影响。
2、电极无需施加压力在复合材料表面，因此避免了测量时的材料形变，提高了对材料复介电常数实部的测量准确度。
3、测试时加入了空气电介质，空气在干燥的情况下其电导接近无穷小，因此可以排除了复合材料直流电导对其介电损耗的影响，由此得到的复介电常数虚部频谱图只包含了材料本身极化产生的损耗，能够更为准确的反映材料本身的计划特性，为筛选合适的介质材料和判断材料老化提供可靠依据。
附图说明
图1是非接触式介电谱结构图；图中：1表示上电极，2表示下电极，3表示复合材料，4表示支架，5表示屏蔽箱。
图2是本发明的非接触式测量复合材料频域介电谱的方法的测试流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明提出一种非接触式测量复合材料频域介电谱的方法，利用空气介电谱作为参考校准，结合空气与复合材料的串联模型，测量复合材料的频率介电谱。如图2所示，本发明采用的是IDAX-300介电谱测试系统，所述的测试过程包括如下步骤：
1、按需要在介电谱测试仪上通过预置软件输入测试电压，频率范围，频率间隔等参数。
2、将下电极2固定在支架4上。
3、将复合材料3(复合材料的厚度为d2，复合材料的面积为a1)置于测试电极之间。要求试片的面积a2大于电极面积a1。
4、调整上电极1的高度，使得电极间距离d1大于复合材料3的厚度d2，因此电极间同时存在空气和复合材料3两种电介质。
5、将电极系统置于屏蔽箱5内，防止外界电磁干扰对测量结果产生影响。
6、给电极施加变频电压激励，同时测量电流，介电谱测试仪利用不同频率下的电压和电流计算得到对应频率下同时存在空气和复合材料3的复电容Ctot。
7、将复合材料3从电极间取出，电极间只存在空气一种电介质。给电极施加变频电压激励，同时测量电流，介电谱测试仪根据不同频率下的电压和电流计算得到对应频率下的只有空气时的复电容Cair。
8、根据下式计算得到复合材料的复介电常数ε*＝ε′+jε″和介质损耗角正切tanδ：
式中，Csample是复合材料的电容，Cair是电极间只有空气时测量的复电容值，Ctot是空气和复合材料同时存在电极间时测量的复电容值；Re[CSample/Cair]是复合材料的电容与空气和复合材料合电容的实部之比，Im[Ctot-Cair]是电极间只有空气时的电容与空气和复合材料合电容的虚部之差，ε′是复介电常数的实部，虚部ε″是复介电常数的实部，tanδ是介质损耗角正切，距离比例系数dr＝d2/d1，K是空气电容与空气和复合材料合电容的实部之比，K＝Re[Ctot/Cair]，a1是复合材料的面积，d2是复合材料的厚度，d1是复合材料加上空气的厚度。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种非接触式测量复合材料频域介电谱的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在介电谱测试仪上通过预置软件输入测试电压的参数、频率范围的参数和频率间隔的参数；
步骤2、将复合材料置于测试电极之间，调整上电极的高度，使得电极间的距离大于复合材料厚度，即电极间同时存在复合材料和空气两种电介质；
步骤3、给电极施加变频电压激励，同时测量电流，计算得到同时存在空气和复合材料的复电容Ctot的频率特性曲线；
步骤4、将复合材料从电极间取出，电极间只存在空气一种介质；给电极施加变频电压激励，同时测量电流，计算得到对应频率下的只有空气时的复电容Cair的频率特性曲线；
步骤5、当电极间同时存在空气介质和复合材料时，电路可等效成复合材料的电容Csample和空气介质的电容Cair的串联；利用上述步骤3和步骤4分别测量得到的复电容Ctot和Cair，结合电容串联公式，即可得到复合材料Csample的频率特性曲线；
步骤6、根据复介电常数，介质损耗角正切和复电容之间的计算公式，通过计算得到复合材料的复介电常数ε*和介质损耗角正切tanδ的频率特性曲线。
2.根据权利要求1所述的非接触式测量复合材料频域介电谱的方法，其特征在于，在步骤1中：所述测试电压的峰值设定为200V，频率范围设置为0.0001Hz～1000Hz，并且间隔相应的频率；测试试片的电容最小值为10-12法拉，测试试片的电容最大值为10-6法拉。
3.根据权利要求1所述的非接触式测量复合材料频域介电谱的方法，其特征在于，在步骤5中，所述求复合材料Csample的电容串联公式为：
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式中，Ctot是复合材料和空气介质构成的合电容，Csample是复合材料的电容，Cair是空气介质的电容。
4.根据权利要求1所述的非接触式测量复合材料频域介电谱的方法，其特征在于，在步骤6中，根据复介电常数，介质损耗角正切和复电容之间的计算公式计算得到复合材料的复介电常数ε*和介质损耗角正切tanδ：
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式中，Csample是复合材料的电容，Cair是电极间只有空气时测量的复电容值，Ctot是空气和复合材料同时存在电极间时测量的复电容值；Re[CSample/Cair]是复合材料的电容与空气和复合材料合电容的实部之比，Im[Ctot-Cair]是电极间只有空气时的电容与空气和复合材料合电容的虚部之差，ε′是复介电常数的实部，虚部ε″是复介电常数的实部，tanδ是介质损耗角正切，距离比例系数dr＝d2/d1，K＝Re[Ctot/Cair]，K是空气电容与空气和复合材料合电容的实部之比，a1是复合材料的面积，d2是复合材料的厚度，d1是复合材料加上空气的厚度。
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