西安交通大学物理仿真实验1.doc

大学物理仿真实验
介电常数的测量实验

大学物理开放性试验
——介电常数的测量实验
一、实验简介：
电介质最基本的物理性质是它的介电性，对介电性的研究不但在电介质材料的应用上具有重意义，而且也是了解电介质的分子结构和激化机理的重要分析手段之一。所以说介电常数是物理学、材料科学和工程技术等各个领域中反映各种材料特性的重要参数。电介质极化能力越强，其介电常数就越大。探索高介电常数的电介材料，对电子工业元件的小型化有着重要的意义。测量介电常数的方法有很多。常用的有比较法、潜代法、电桥法、谐振法、Q表法、直流测量法和微波量法等。本实验利用DP-5型介电谱仪测量物质在交变电场中介电常数。DP-5型介电谱仪内置带有锁相环（PLL）的宽范围正弦频率合成信号源和由乘法器、同步积分器、移相器等组成的放大测量电路，具有弱信号检测和网络分析的功能。对填充介质的平板电容的激励信号的正交分量（实部和虚部）进行比较、分离、测量，从而测量出ε和损耗角正切tg。
二、实验原理：
本实验利用DP－5型介电谱仪测量物质在交变电场中介电常数。DP－5型介电谱仪内置带有锁相环的宽范围正弦频率合成信号源和由乘法器，同步积分器，移相器等组成的测量放大电路，具有弱信号检测和网络分析功能。对填充介质的平板电容的激励信号的正交分量进行比较，分离，测量，从而测出介电常数和损耗角正切tg。

三、实验仪器：
介电谱仪、示波器、介质盒。
1、介电谱仪：
（1）输出：与外设配套仪器示波器相连，由拨码开关输出选择（10）控制观察机内重要信号，当数码为(0),(1),(2),(3),时分别观察信号源输出信号（正弦波），进入乘法器之前的测量信号（正弦波），参考信号（方波）和1KC带通信号（正弦波）。

（2）电极：与填充样品的两电极（1，3）分别相连。
（3）相位：多圈刻度的电位器（RC移相器组件）用来调整基准信号和参考信号间位相差为 π/2（即相互正交）。
判断相互正交的依据是测量基准信号的虚部为0。具体操作如下：
在整机正常工作的状态下，按下基准/样品键，弹出实部/虚部键，输出选择数码置“3”，轻轻转动多圈刻度电位器，直至ＤＶＭ 显示“零”或零值附近；与此同时用示波器可以观察到1KC带通信号（正弦波）幅度由大变小直至零位附近，这表明基准信号与参考信号正交。
（4）基准/样品：键按下时测量基准信号，键弹出时测量样品信号。
（5）实部./虚部：正交状态下，键按下时测量信号的实部，键弹出时（返回正交状态）测量信号的虚部。
（6）频段：与频率拨码开关（9）配合设置信号源频率。如按下键（×0.1KHz）拨码开关数码为95，则信号源锁定频率为“9。5KHz”，键全部弹出时为高频段（×10KHz），信号源锁定频率为“10KHz――990KHz”，因超出本机锁相放大器工作频率而舍弃。
（7）电源：开启电源，220伏交流经将压，整流，稳压，为系统提供＋12，－12，＋5，－5伏电源和DVM显示用电源。
（8）锁定：信号源频率锁定指示器，改变信号源频率时，必须待指示器亮度稳定无闪烁时方可测量。低频段（×0.01KHz）亮度稍有闪烁，属正常现象。
（9）频率：拨码开关与频段（6）键配合设置信号源频率
（10）输出选择：除了选择观察信号外，数码置“2”时，使系统呈“零输出”状态。用于系统调零。
（11）测量结果显示器DVM，单位毫伏。
2、介质盒:

介质盒里面放置的就是待测的介质，实验中使用的介质是一个塑料薄膜。薄膜放置在两个光滑的金属圆柱体中间，两个金属体分别是两个电极，在薄膜上加了测试电压。

3、示波器：
示波器用来观察介电谱仪的输出信号的波形。介电谱仪的输出信号的波形和频率又它的输出选择控制按钮控制。 

四、实验内容：
1、初设
按下基准/样品键，弹出实部/虚部键，信号源频率锁定为“4.5KHz”，输出选择数码置“0”。
2、信号观察
注意观察锁定指示器亮度由绿色到红色的过程，与此同时示波器上观察到一个逐步稳定的4.5KHz的正弦信号。然后将输出选择数码置于“1”，“2”，”3”,观察示波器上波形变化并识别。
3、正交与调零
将输出选择数码置于“3”，轻轻转动多圈刻度电位器，直至DVM显示“零”或零值附近。按下实部/虚部键，调节后面板上的电位器，使DVM显示1V附近。弹出实部/虚部键，复查正交情况。如果DVM显示偏离零值有所增大，继续转动多圈刻度电位器，使DVM显示回到零值附近。在正交时如果DVM显示偏离零值较大（>5mV），需调零。
4、信号初测
在正交情况下，按下基准/样品键，按下实部/虚部键，DVM显示基准信号的实部；弹出基准/样品键，按下实部/虚部键，显示样品信号的实部；弹出基准/样品键，弹出实部/虚部键，显示样品信号的虚部。
对于测试频率4.5KHz，介电常数为30K 分别选5组不同的频率，测量并计算介电常数及相应的损耗角正切。分析比较不同的频率对测试结果的影响。
五、实验数据记录：
频率
实部
虚部
介电常数
损耗角正切
4.5kHz
49
224
612.42*A/d
0.22
5.0kHz
50
245
656.45*A/d
0.20
5.5kHz
49
266
722.26*A/d
0.18
6.0kHz
50
287
768.98*A/d
0.17
6.5kHz
50
307
822.57*A/d
0.16

六、实验结论：
随着测试频率的增大，损耗角正切不断减小，介电常数不断增大。
七、思考题：
思考一下为什么测试公式可以简化，以及用数学语言去说明为什么测试过程中要注意保持电路的正交状态？
答：1、因为本系统测量时通过移相微调电路使VS和 Vr同相，即 VS的虚部为0，因此公式可以简化。
2、电压的实部和虚部通过开关型乘法器IC2和 п/2移相器IC3实现分离后测量，若不保持电路的正交状态，则会将复数的虚部和实部混杂在一起测量，无法将虚部和实部完全分开。