电气材料分析实验报告一一电桥和电极系统的原理及应用姓名：*班级学号硕*班指导教师：*日期：2013年10月19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、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和介质损耗角正切tan5随频率(30Hz3MHz)或温度(-80C200C )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 Cx1PF200PF介质损耗角正切tan6IXIO ,0.1测量频率30Hz3 MHz测量温度-80C200C(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12821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Cx9PF10000PF介质损耗角正切tan6测量频率50Hz 1.5kHz电压范围0 2kV（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 、Y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，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：3p Hz-20MHz交流电压：100p V-3Vrms直流偏置电压：-40-+40V, 70mA阻抗：0.01Q -1014Q电容：IfF-lF损耗因素：tan6 =105-104准确度：阻抗、电容、tan6 10 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：4.47X10 3V -0.502V阻抗：0.1Q-5X104。试样电容值在2pF-10pF范围（4pF左右最佳）tan6 : 1.0X10-5-3.5测试频率：10*6Hz-3GHz温度范围：-150C-+500C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”为丫 b。2）合上“TRANS”盖板，将试样连接到“UNKNOWN”。3）置面板中央旋钮到“BRIDGEBAL”，置右边中央的旋钮到“ZERO BAL”, 调节旋钮 “ZEROBALC”和 “CONDUCTANCE” 到零平衡，从 “CONDUCTANCE” 读取相应的Y 0。4）调节旋钮“CONDUCTANCEX0.001”时，应先调节“ZERO BAL”的“FINE”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-1GCBOX”。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Y 值则, Yb （/ - ro）an 2nf . Cx X 10T2式中Ca是通过电极面积和试样厚度计算获得的E r=l时的电容1 r2 12G = X-X10-12F3.6 a式中r为电极半径，d为试样厚度，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tan8 ,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tanB ,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tan6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“GUARD”，关掉三个电源开关，切断总电源。（三）CONCEPTS0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）o 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 50Q o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（_） TR-10C型电桥电极直径为37mm,计算面积为10.7501?,试样厚度为2.16mm*己知为I。-弓=1时的电容为1 r2 Ca=-X-xW-12F 3.6 a.父Yb(yf -yo)an - 2tt/ - Cx X 10-12Cx 勺=瓦测量及计算结果：Vo=O.23OV=0.435Cx=24.45pF(p =3.7cm计算得：Ca=4.4pF sr = 5.56 Tan6=0.0267结果分析：本次实验的材料为硅橡胶，从实验结果来看，测得的徒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顶-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）2821型电桥电极直径为49.7mm,Tan6为直读参数计算面积19.4cm2,试样厚为2.16mm弓=1时的电容为1 r2?Ca=XvX10-12F3.6 a_CX勺-3测量与计算结果：Cx=35.02pFp =4.97cm计算得:Ca=7.94pFsr = 4.41Tan6=0.0452结果分析：本实验的实验材料与上面的完全一样，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）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20.22EL测试过程动态显示绘图如下LDPE 242GH-A12O3-2WT%-TR E ATE 09_0 Tsp. C20.22 AC Volt p/rrntJ-l OO10-21b1001。11021。31041()516107108Frequency HzIrf - *.SKCT，免心 oUHf)厂：， ： - .i.WN(业_目)有一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:图四亍随频率变化关系曲线10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。