3. Методы измерения.

Диэлектрическая проницаемость и потери полимеров зачастую исследованы в диапазоне от 10^-4 Гц до оптических частот. В зависимости от частоты применяют различные методы исследования.

Частотные области применимости различных методов представлены на рис. 8

Рис. 8. Частотные области применимости различных диэлектрических методов измерения.

3.1. Мостовые методы.

Для измерения эквивалентных емкости и сопротивления образца наиболее широко применяется схема типа моста Уитстона, в которой неизвестные величины сравниваются с эталонными компонентами. Одной из таких схем является универсальный мост Шеринга, позволяющий с высокой точностью измерять свойства диэлектриков в диапазоне частот от 10 до 10⁵ Гц (область звуковых частот). Схема такого моста показана на рис.9. В уравновешенном состоянии, когда индикатор показывает нулевое напряжение в диагонали моста, имеем обычное соотношение плечевых импедансов:

Рис. 9. Схема двойного моста Шеринга

В измерительных плечах используются одинаковые сопротивления, а параллельно сопротивлению 1 подключается небольшой переменный конденсатор для уравновешивания неизвестной проводимости в плече 4. Обычно при измерениях используется метод замещения. Вначале мост уравновешивается при отсутствии ячейки (переключатель S разомкнут). Затем подключается ячейка с образцом (переключатель S замкнут), и мост уравновешивается. Емкость ячейки С_х компенсируется уменьшением С₄, а ее проводимость G_х — увеличением С₄. Два условия баланса моста дают, при ,

(1)

Рис. 11. Схема экранированного двойного моста Шеринга с заземлением Вагнера

Точность измерений с помощью мостов звуковой частоты зависит от того, насколько удается исключить паразитные импедансы, которые возникают между различными деталями моста, значения которых неизвестны и зависят от расположения компонентов и даже от расположения оператора. Таким образом, уравнения баланса (5.15) в действительности справедливы при условии I₁ = I₂ и I₃ = I₄, означающем, что паразитные емкости между зажимами индикатора и землей отсутствуют. С этой точки зрения мост Шеринга представляет собой особенно удачную конструкцию, так как в нем можно обеспечить практически полное экранирование компонентов друг от друга. Во-первых, отсутствие последовательных соединений между емкостью и сопротивлением в каждом из плечей моста облегчает экранирование. Во-вторых, к генератору частоты может быть подключен делитель напряжения, так что клеммы индикатора при балансе моста находятся при потенциале земли, как показано на рис. 11. В такой схеме, получившей название заземления Вагнера, процедура измерений сводится к следующему. Вначале мост уравновешивается как обычно, затем одна из клемм индикатора соединяется с землей и с помощью схемы Вагнера мост снова уравновешивается. Это немного разбалансирует мост, который снова уравновешивается, и т.д. до тех пор, пока не выполнятся одновременно два условия — мост уравновешен, а клеммы индикатора заземлены. При этих условиях все компоненты моста могут быть экранированы, а в ячейке может использоваться охранный электрод.

Применяя все меры предосторожности, с помощью моста Шеринга можно достичь высокой точности измерений во всем рабочем диапазоне частот.

Ниже 10^-2 Гц уравновешивание моста становится очень длительным процессом, поскольку период колебаний таков, что приходится долго ожидать после каждой подстройки моста, чтобы увидеть изменение амплитуды выходного сигнала на детекторе. Измерения с помощью мостовых методов могут быть ускорены при помощи систем автоматической балансировки, в которых используется встроенный в петлю обратной связи фазочувствительный индикатор, позволяющий менять установки эталонного плеча. Несмотря на это, мостовые методы во многих случаях вытесняются методами, использующими компьютеры, хотя и обеспечивают измерение более низких значений диэлектрических потерь.

При высоких частотах использование мостовых методов все еще возможно, при условии применения специальных мер для устранения растущего влияния паразитных индуктивностей, но для частот выше 10⁶ следует применять резонансные методы.