基于LCR表与阻抗分析仪的介电常数测量技术方案

在材料科学与电气工程领域，介电常数是评估绝缘材料性能的关键参数之一。利用LCR表（电感-电容-电阻测试仪）和阻抗分析仪测量介电常数，具有频率范围宽（20 Hz – 1 GHz）、测量精度高、操作简便等优势，已成为实验室和工业检测中的主流方法。本文介绍一种基于阻抗测量技术的介电常数评估方案，重点阐述平行板法的原理、误差控制及系统构成。

一、测量原理与方法

介电常数（εᵣ）反映材料在电场中的极化能力，通常以复数形式表示：εᵣ* = εᵣ′ - jεᵣ″。其实部εᵣ′表示能量存储能力，虚部εᵣ″反映能量损耗，常通过损耗角正切tanδ = εᵣ″/εᵣ′来表征。测量中，采用平行板电容法，依据ASTM D150标准，将被测材料（MUT）置于两电极之间，形成平板电容器，通过测量其电容值C和损耗因子D，结合几何参数计算介电常数。

二、关键测量技术：平行板法

为提高测量精度，需采用“保护电极”结构，防止边缘电场形成杂散电容，确保测量电流仅通过被测材料。根据电极与材料的接触方式，可分为接触式与非接触式两种。

接触式电极法操作简单，适用于表面平整的固体或液体材料。将电极直接压紧MUT，测量其并联电容Cₚ和损耗D，代入公式：

其中A为电极面积，tₘ为材料厚度，ε₀为真空介电常数。但该方法易受“气隙”影响——即使表面光滑，微小空气层也会引入显著误差，尤其对高介电常数或薄样品，误差可超10%。

非接触式电极法通过两次测量消除气隙影响：首次测量电极间为空气时的电容Cₛ₁，第二次插入MUT后测得Cₛ₂，结合电极间隙t₉与材料厚度tₘ，利用差值法计算εᵣ。该方法无需薄膜电极，精度中等，适用于常规检测。

为实现高精度测量，推荐在MUT表面蒸镀或喷涂薄膜电极，彻底消除气隙，虽增加制样步骤，但可获得最接近真实值的结果。

三、测量系统构成

典型系统由三部分组成：精密阻抗分析仪（如E4990A、E4980A）、专用测试夹具（如16451B或16453A介电测试夹具）及配套软件。16451B适用于30 MHz以下固体材料，16453A则支持高达1 GHz的宽频测量，满足高频材料表征需求。软件可自动完成数据采集、参数计算与结果输出，提升效率。

四、误差控制与注意事项

测量前需预热仪器20分钟，进行清“0”校准。样品应平整、厚度均匀，避免局部电场畸变。测试频率应覆盖实际应用频段，以分析εᵣ和tanδ的频率依赖性。同时，施加电压（如5V、10V）也应保持一致，避免非线性响应干扰。

五、结语

基于LCR与阻抗分析仪的介电常数测量方案，结合保护电极与多步测量法，可在宽频带内实现高精度评估。根据精度与效率需求，灵活选择接触或非接触方法，配合标准化设备与软件，为材料研发、质量控制提供可靠数据支持。