一种基于平行板电容法的介电常数测量治具及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于平行板电容法的介电常数测量治具及测量方法，属于材料测量应用技术领域。测量治具包括电极系统、滑架系统、厚度测量系统和底板；电极系统包括上极板、下极板、支撑柱和三角支架；滑架系统包括旋转手轮、滚珠螺杆、滑轨、滑块，旋转手轮与滚珠螺杆相连，滑块在滑轨上移动，电极系统的上极板固定在滑块上，通过旋转手轮控制滑块移动并带动上极板移动；厚度测量系统用于随着滑块的移动测量上极板的相对位移。通过将被测量样品放置在上极板与下极板之间，利用读取的平行板电容器的电容值计算样品介电常数，减小边缘效应，提高测量结果的精度以及满足不同尺寸的试验样品需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于平行板电容法的介电常数测量治具及测量方法
本专利技术属于材料测量应用
，更具体地，涉及一种基于平行板电容法的介电常数测量治具及测量方法。
技术介绍
介电常数是非常重要的电磁参数，它能表征材料容纳感生极化电荷能力或者说极化性质。根据频率范围、材料性能和材料的尺寸，常用的测量方法可分为：平行板电容法、传输线法、同轴探头法、自由空间法等等。虽然测试方法多种多样，但是每一种方法都存在着自身的适用条件及购置成本等制约因素。平行板电容法是一种最经典、最原始的测量方法，通过在两个电极之间加入被测样品组成电容器，然后测量其电容，根据测量结果计算介电常数。该方法操作简单，但是由于引线的电感、电阻以及电容器边缘效应等的影响，使得测量的电容值有较大误差，从而导致测量的介电常数不够精确。影响测量精度的因素还包括极板之间定位精度，比如其平行度和同轴度，特别是在测量很薄的样品时，极板间距的微小偏差都会引起较大的测量误差。市面上一些简易的平行板电容测量装置由于其上下极板固定，无法满足多种尺寸的测量样品需求。因此有必要设计一种能够减少边缘效应、提高测量精度以及适用于多尺寸样品的介电常数高精度测量方法以及测量治具。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于平行板电容法的介电常数测量治具及测量方法，旨在减小边缘效应、提高测量结果的精度以及满足不同尺寸的试验样品需求。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于平行板电容法的介电常数测量治具，包括：电极系统、滑架系统、厚度测量系统和底板，用于跟阻抗分析仪(例如日置公司(HIOKI)的IM3570)相配合检测出样品的电容值，得到样品的介电常数。所述电极系统用于与被测样品构成平行板电容器，从而根据测得的电容值推算样品介电常数。电极系统包括上极板、下极板、支撑柱和三角支架。所述上极板连接支撑柱，通过三角支架与滑架系统固定连接，能够上下移动。所述下极板通过支撑柱固定在底板上。进一步地，所述上、下极板均为金属材料制成，上极板和下极板半径大小相等，以R表示；样品要求为圆片形固体材料，半径为r，厚度为d，两面平行。样品厚度d＜＜R；同时半径r小于极板半径R，这样可以在样品中得到平行的电场。所述滑架系统与电极系统中的上极板连接，用于精密控制上极板上下滑动，包括旋转手轮、滚珠螺杆、滑轨、滑块。所述旋转手轮与滚珠螺杆相连，所述电极系统内的上极板固定在滑块上，通过旋转手轮精准控制滑块上下移动。所属滑轨限定了滑块地移动范围，使滑块上下垂直移动。进一步地，作为测量夹具中心支柱的滑架系统，其与两极板的距离L远大于两极板测量间距，减小装置部分对测量结果的影响。进一步地，滑轨支架开孔与滑块开孔的同轴度紧密配合，保证滑块移动的垂直度。所述厚度测量系统由光栅尺构成，其固定在滑架系统上，用来精确测量上极板垂直移动的位移。本专利技术另一方面提供了一种基于平行板电容法的介电常数测量方法，包括以下步骤：(1)将被测量样品放置在下极板上(平行板电容器越靠近中间部分的磁场越均匀，选取的样品半径小于极板半径)，通过旋转手轮使上极板与下极板正好夹住样品。用阻抗分析仪的四端子探头分别夹持在上极板和下极板上，使测量治具与阻抗分析仪构成完整的介电常数测量系统；(2)读取平行板电容器的电容值Cp。由于样品半径小于极板，所测电容值实际是样品及空气的并联混合电容。考虑双电极系统边缘电容的影响，需要对边缘电容进行修正，修正后的电容值经验公式为：从中得到介电常数计算公式为；其中d是两极板间距，R是极板半径，r是样品半径，ε0是真空介电常数，值为8.854×10-12F/m。上述(2)式考虑了边缘效应的修正，因此给出的介电常数具有较高的精度。(3)为进一步提高介电常数的测量精度，本专利技术提出一种结合有限元分析的介电常数高精度测量方法，具体包括：(3.1)根据电容器结构参数，利用(2)式得到的样品介电常数作为初始值，在有限元软件中搭建平板电容器仿真模型，进行有限元计算，得到电容值CFEM。(3.2)计算有限元结果与测量结果的误差ΔC＝CFEM-Cp，利用ΔC修正介电常数，修正公式为(3.3)将修正后的介电常数代入有限元模型进行验算，如果计算得到电容值与测量值仍有误差，可重复上述过程，直到误差满足要求。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：(1)本专利技术提出了一种基于平行板电容法的测量样品介电常数的测量方法和测量治具，测量方法原理和实验操作简单，同时成本低廉。(2)本专利技术中的测量夹具的上、下极板通过圆柱形支撑柱分别与滑架系统和底板相连，上下极板固定得更加稳定不会晃动，上极板在上下平移时能更好的保证与下极板的平行度和同轴度。(3)本专利技术中电极系统的上下极板半径R和样品厚度d满足R＞＞d，减小了边缘效应对测量的影响。作为测量夹具中心支柱的滑架系统部分，其与两极板的距离L远大于样品厚度d，减小了装置部分对测量结果的影响。(4)本专利技术中测量夹具的滑架系统利用了半径较大的旋转手轮，调节更加方便，极板距离调整更为精确。(5)本专利技术中测量夹具的厚度测量系统与滑架系统相固定，利用光栅尺测量上下极板间的间距，可以获得小于1μm的定位精度，对于非常薄的样品的精确测量非常重要。(6)本专利技术的测量方法中，利用经验公式评估并修正边缘效应的误差影响，可以获得较高的测量精度。(7)本专利技术提出使用有限元技术进行数据的处理和优化，理论上可以完全消除边缘效应的影响，得到样品介电常数的精确值。有限元仿真的结果和修正公式所得结果进行对比，验证了测量方法的有效性。附图说明图1是本专利技术提出的基于平行板电容法的介电常数测量治具的结构示意图；图2是测量治具电极系统的结构示意图；图3是测量治具滑架系统的结构示意图；图4是Ansys有限元软件中平行板电容器的仿真图；其中，1为电极系统、2为滑架系统、3为厚度测量系统、4为上极板、5为下极板、6为支撑柱、7为三角支架、8为底板、9为滑轨、10为旋转手轮、11为滑块、12为滚珠螺杆、13为空气域、14为上下电极板、15为测量样品。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供了一种基于平行板电容法的介电常数测量治具，包括：电极系统、滑架系统、厚度测量系统和底板，用于跟阻抗分析仪(例如日置公司(HIOKI)的IM3570)相配合检测出样品的电容值，得到样品的介电常数。所述电极系统用于与被测样品构成平行板电容器，从而根据测得的电容值推算样品介电常数。电极系统包括上极板、下极板、支撑柱和三角支架。所述上极板连接支撑柱，通过三角支架与滑架系统固定连接，能够上下移动。所述下极板本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于平行板电容法的介电常数高精度测量治具，其特征在于，包括电极系统、滑架系统、厚度测量系统和底板；所述电极系统包括上极板、下极板、支撑柱和三角支架，上极板连接支撑柱通过三角支架固定在滑架系统上，下极板通过支撑柱固定在底板上；所述滑架系统包括旋转手轮、滚珠螺杆、滑轨、滑块，旋转手轮与滚珠螺杆相连，滑块在滑轨上移动，所述电极系统的上极板固定在滑块上，通过旋转手轮控制滑块移动并带动上极板移动；所述厚度测量系统用于随着滑块的移动测量上极板的相对位移。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于平行板电容法的介电常数高精度测量治具，其特征在于，包括电极系统、滑架系统、厚度测量系统和底板；所述电极系统包括上极板、下极板、支撑柱和三角支架，上极板连接支撑柱通过三角支架固定在滑架系统上，下极板通过支撑柱固定在底板上；所述滑架系统包括旋转手轮、滚珠螺杆、滑轨、滑块，旋转手轮与滚珠螺杆相连，滑块在滑轨上移动，所述电极系统的上极板固定在滑块上，通过旋转手轮控制滑块移动并带动上极板移动；所述厚度测量系统用于随着滑块的移动测量上极板的相对位移。


2.如权利要求1所述的测量治具，其特征在于，所述滑轨限定了滑块的移动范围，使滑块上下垂直移动。


3.如权利要求1所述的测量治具，其特征在于，所述上极板和下极板均为金属材料。


4.如权利要求1所述的测量治具，其特征在于，所述上极板和下极板为圆形，半径大小相等。


5.如权利要求1所述的测量治具，其特征在于，所述厚度测量系统包括光栅尺，固定在滑架系统上。


6.一种基于平行板电容法的介电常数测量方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘开锋，任心怡，李冬，周磊，陈德智，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42