一、引言：绝缘电气为什么要把介质损耗测出来

绝缘材料在电气设备中承担隔离电位的职责。理想状态下，它既不导电，也不消耗能量。实际材料并非如此：在交变电场的作用下，绝缘体内部会发生极化并伴随能量损耗，一部分电能被转化为热。这部分被转化的能量，就是介质损耗。

介质损耗在工程上的意义有两层。其一，它体现材料本身的品质。同样电场条件下，损耗大的材料发热更多。其二，它是设备长期运行的隐患来源。损耗带来的温升会使材料温度上升，而多数绝缘材料的损耗随温度升高而增大，温度与损耗互相推动，形成正反馈，局部温度可能持续攀升，加速材料老化，严重时引起绝缘击穿。

把介质损耗角正切测出来，等于把看不见的发热变成一个可以比较、可以追溯、可以判定的数字。有了这个数字，材料进厂检验、配方对比、工艺验证、老化评估才有共同的标尺。

本文介绍的这台设备，用于测量电气绝缘材料在高频条件下的介质损耗角正切与介电常数，依据 GB/T 1409-2006《测量电气绝缘材料在工频、音频、高频（包括米波波长在内）下电容率和介质损耗因数的推荐方法》开展测量，测试原理为高频谐振法。下面从测量对象、测量原理、整机结构、技术指标、操作流程、影响因素几个方面依次展开。

二、介质损耗与介质损耗角正切是什么

要理解测量对象，先要理解交变电场下绝缘材料的等效关系。把一块绝缘材料放进两个电极之间，就构成一个电容器。理想电容器只有电容，电流超前电压九十度，不消耗有功功率。真实绝缘材料除了电容，还带有损耗，可以等效为电容并联一个电阻，或者电容串联一个电阻。

在这种情形下，电流与电压之间的相位差不再是九十度，而是比九十度小了一个角度，这个角度称为介质损耗角，通常记作 δ。介质损耗角的正切 tanδ 就是这个角的对边与邻边之比，工程上称为介质损耗角正切，也常称为损耗因数。它本身是一个无量纲的数，数值越小说明材料在交变电场中的损耗越低。

tanδ 的物理含义可以这样理解：它等于材料在交变电场中消耗的有功功率与储存的无功功率之比。所以它衡量的不是材料"有多少电容"，而是"有多少电被浪费掉"。这一点很重要，介电常数与介质损耗角正切是两个取向不同的指标，一个看储能在什么水平，一个看耗能在什么水平。

工程记录中，tanδ 有时也写成 tgδ，两者含义一致，只是正切函数的记法不同，表达的都是同一个比值。

三、介电常数与介质损耗是怎么联系起来的

介电常数描述材料在外加电场下极化能力的强弱，通常记作 ε，相对介电常数则记作 εr。极化的方式有多种：电子极化、离子极化、偶极取向极化、界面极化。不同机制在不同频率段起作用，而且发生响应都需要时间。

这一点直接决定了损耗的来源。当外加电场的频率高到某一程度，某种极化机制来不及跟上电场的变化，极化就会滞后于电场，滞后带来的能量损失就表现为损耗。所以介质损耗角正切不是一个固定值，它会随频率变化而变化，在某些频率附近还会出现峰值。

也正因此，材料评价往往同时看两个量。介电常数反映这个材料在电场上装得下多少电，介质损耗角正切反映这个材料在交变电场里漏掉多少电。前者关系到器件体积与容量设计，后者关系到发热与运行稳定性。两者共同构成了绝缘材料电性能的基本描述。

四、为什么绝缘材料要分别看这两个量

实际选材中，两个量的用途并不相同。

介电常数用于判断材料能否作为电容器介质、能否用于高频电路的介质基板。介电常数偏高会使信号传播延迟增大，偏低则不利于器件小型化，不同用途对它有不同偏好。

介质损耗角正切用于判断材料在交变电场中的发热程度。对于高频电力设备、开关柜、变压器、互感器、电容器、电缆以及电子元器件而言，介质损耗角正切往往比介电常数更受关注，因为它直接对应温升。

两个量放在一起看，还能帮助判别材料的状态。同一配方在受潮、老化、含杂质之后，介质损耗角正切通常会明显升高，而介电常数变化可能并不显著；反过来，配方中填料比例变化时，介电常数会有明显变化，而介质损耗角正切的变化相对有限。把两个量分开记录，更容易看清变化的来源，也便于在工艺调整时判断改动的方向。

五、测量方法：高频谐振法

测量介质损耗角正切的方法有多种，按频率与精度要求不同，有电桥法、谐振法、变压器比率臂法、传输线法等。本设备采用的是高频谐振法。

谐振法的基本思路是利用一个振荡回路。回路由电感与电容组成，在某一频率下感抗与容抗相等，回路处于谐振状态，此时回路中储存的能量在电感与电容之间来回交换，回路上的电压幅度在谐振时达到较高水平。

品质因数是谐振回路的一个关键参数，通常记作 Q，定义为谐振时回路储存能量与每周期损耗能量之比的倍数，在数值上等于谐振时电容或电感两端的电压与输入电压之比。Q 值越高，说明回路自身的损耗越小、回路的选频能力越强。

由于被测材料放进回路后会引入附加损耗，Q 值随之下降。Q 值下降的幅度就包含了被测材料的损耗信息，这就是用 Q 表测介质损耗的出发点。

六、Q 值变化法怎么把介质损耗读出来

具体的操作逻辑分为几步。

先让回路在不放样品时谐振，读出此时的 Q 值，并记下与样品夹具相关的初始刻度读值，这一步相当于建立基准。

然后把被测样品放进平板电容器，也就是样品夹具里，重新调谐使回路再次谐振，读出此时的 Q 值。

样品带来的损耗使 Q 值下降，把这个下降量与圆筒电容器的刻度读值变化结合起来，就可以换算出被测样品的介质损耗角正切值。圆筒电容器在这里承担指示部件的角色，它的分辨率达到 0.0033pF 量级，刻度变化能够被较为细致地分辨出来。

与此同时，平板电容器的刻度读值变化用于换算介电常数。样品放进去后等效电容发生改变，改变量取决于样品厚度与介电常数，因此读数前必须先测准试样厚度。

两步读数都建立在同一台仪器、同一回路状态、同一频率的前提上，所以测量时的频率必须锁定，不能在两次读数之间发生漂移，否则换算结果会失准。

七、两只测微电容器各管什么

整套测试装置由两只测微电容器组成，分工明确。

平板电容器用于夹持被测样品。它的极片尺寸为 φ25.4mm 与 φ50mm 两种规格，可根据样品尺寸选择，极片间距可调，读数用于换算介电常数，电极采用数显方式，便于读数与记录。

圆筒电容器是一只线性可变电容器，电容量线性为 0.33pF/mm±0.05pF，长度可调范围与分辨率不小于 0～20mm 与 ±0.01mm。它作为指示仪器配用，刻度读值变化用于换算介质损耗角正切。

两只电容器的读数必须配套使用。样品放进去，平板电容器的读数变化给出介电常数信息，圆筒电容器的读数变化给出损耗信息，二者对应的都是同一次谐振过程，读数顺序不能颠倒。

夹具插头间距为 25mm±1mm，插头间距的稳定性关系到回路一致性，装夹时要保持到位，避免插头未插实造成回路状态改变。

八、执行标准依据

本设备的测量依据为 GB/T 1409-2006《测量电气绝缘材料在工频、音频、高频（包括米波波长在内）下电容率和介质损耗因数的推荐方法》。这一方法标准规定了固体绝缘材料电容率与介质损耗因数的测量途径，覆盖工频、音频与高频几个频段，对试样制备、电极配置、测量条件与结果计算分别提出了要求。

使用中需要把握三点。其一，标准给出的是方法框架，具体到某一种材料、某一种频率，往往还有更细的行业标准或产品标准给出试样尺寸与预处理要求，执行时应以所委托检测任务指定的标准为准。其二，方法标准强调测量条件的记录，频率、温度、湿度、电场强度都会影响结果，报告中的数值必须连同条件一起给出，单独一个损耗值意义有限。其三，标准存在版本更替，实际执行以现行有效版本为准，引用到报告前建议核对标准的正式名称与年份号。

九、整机架构与设计思路

从整机来看，这套设备由信号源、谐振回路、显示与控制、测微电容器组件、夹具与外设几个部分组成。

信号源采用 DDS 直接数字频率合成方式，输出频率覆盖高频范围，频率稳定度较好，为谐振点的寻找提供了基础。控制核心采用单片计算机，具备频率数字锁定、标准频率测试点自动设定、谐振点自动搜索、Q 值量程自动转换等功能，读数以数字方式显示。

调谐回路经过改进设计，回路的残余电感被控制到较低程度。残余电感属于寄生参数，它会使实际谐振频率偏离理论值，也会影响读数的准确程度，把它压低有助于减小系统误差。仪器同时保留了原 Q 表中自动稳幅的技术，使回路在测量过程中保持稳定幅度。

测微电容器组件属精密机械构件，平板电容器与圆筒电容器分别对应样品夹持与损耗指示两项功能，二者的间距调节与刻度读值都依靠测微杆完成，分辨率达到 0.01mm 级。夹具插头负责把电容器组件接入回路，插头间距保持一致是回路可重复的前提。

十、主要技术指标

信号源：DDS 信号

频率范围：10KHz-70MHz　10KHz-100MHz

Q 值测量范围：2～1023

Q 值量程分档：30、100、300、1000、自动换档或手动换档

电感测量范围：4.5nH-10mH

电容直接测量范围：1～460pF

主电容调节范围：30～540pF

电容准确度：150pF 以下±1.5pF；150pF 以上±1%

型号频率指示误差：1*10-6 ±1

Q 值合格指示预置功能范围：5～1000

Q 值自动锁定，无需人工搜索

Q 表正常工作条件：

a. 环境温度：0℃～+40℃

b. 相对湿度：<80％

c. 电源：220V±22V，50Hz±2.5Hz

其他：

a. 消耗功率：约 25W

b. 净重：约 7kg

c. 外型尺寸：（l×b×h）mm：380×132×280

产品配置：

a. 测试主机一台

b. 电感一套

c. 夹具一套

性能特点：

平板电容器　极片尺寸：φ25.4mm\φ50mm　极片间距可调范围和分辨率：≥10mm，±0.01mm

圆筒电容器　电容量线性：0.33pF/mm±0.05pF　长度可调范围和分辨率：≥0～20mm，±0.01mm

夹具插头间距：25mm±1mm

夹角损耗角正切值：≤4×10－4（1MHz 时）

数显电极

附表一 介质损耗测试系统主要技术参数一览表所载参数：

平板电容极片 Φ50mm/Φ25.4mm

间距可调范围≥15mm

夹具插头间距 25mm±0.01mm

测微杆分辨率 0.001mm

夹具损耗角正切值≦4×10-4（1MHz）

可选频率范围 20KHz-100MHz、20KHz-70MHz、200KHz-160MHz

频率指示误差 3×10-5±1 个字

主电容调节范围 30-500/18-220pF

主调电容误差<1%或 1pF

Q 测试范围 2～1023

以上各项按资料原文逐条列出，数值、单位与书写形式未作改动。需要说明的是，资料正文技术指标栏所列频率范围为 10KHz-70MHz 与 10KHz-100MHz，附表所列可选频率范围为 20KHz-100MHz、20KHz-70MHz、200KHz-160MHz，两处指向的可能是不同配置，本文分别列出、未作合并，实际以订购配置与设备铭牌为准。

十一、Q 值测量范围与量程分档怎么读

Q 值测量范围为 2～1023，这个跨度接近三个数量级。量程分档给出 30、100、300、1000 四档，并支持自动换档或手动换档。

分档的意义在于保证读数精度。同一个数显装置在不同量程下的分辨能力不同，量程偏高则小数值处的读数粗略，量程偏低则大数值处可能溢出。把 2～1023 的总范围切成四档，每一档内都能保持较好的分辨。

自动换档适合批量测量，仪器根据当前 Q 值自动选择合适的档位；手动换档适合对测量过程要求严格的场合，操作者自行确定档位，避免测量途中因换档造成读数跳变。

此外还有 Q 值合格指示预置功能，预置范围 5～1000。设定一个判据值之后，仪器可以对测量结果作合格与否的提示，适合来料检验一类需要快速判断的场合。

十二、频率范围与 DDS 信号源

频率是这类测量的核心条件之一。材料在某一频率下的介质损耗角正切，换到另一个频率就不适用，因此记录结果时频率必须同时给出。

本设备采用 DDS 直接数字频率合成信号源。这种方式的频率设置由数字控制，切换方便、稳定度好、相位噪声较低，适合需要在一个较宽范围内取多个频点的测量任务。

设备提供了从千赫级到百兆级的频率覆盖，可满足绝缘材料在高频段的测量需求。对于需要在多个频点比较损耗变化的场合，可以在同一试样上依次设定不同频率、逐点谐振读数，得到损耗随频率变化的趋势。

使用中需要注意，频率指示误差为 1*10-6 ±1（附表列为 3×10-5±1 个字），指仪器显示频率与实际输出频率之间的偏差范围。对于绝大多数材料测试而言，这一偏差在可接受范围内；但若要做频率精度要求较高的比较，应在同一台仪器、同一次开机状态下完成整组测量，以减少仪器状态差异带来的影响。

十三、调谐回路的残余电感与稳幅功能

调谐回路的残余电感是这类仪器的一项关键指标。所谓残余电感，是指回路中去除有意设置的谐振电感之外，由接线、开关、夹具等引入的寄生电感。它不参与测量目的，却会改变实际谐振条件。

残余电感偏大时，实际谐振频率会低于理论值，读出的 Q 值也会受影响，尤其在较高频段，寄生参数的影响更明显。因此资料中把调谐回路改进、残余电感减小作为一项设计要点。

自动稳幅功能则是另一个保证。回路的激励幅度如果没有稳定控制，测量过程中幅度波动会被误读为 Q 值变化。有了稳幅，回路幅度维持在稳定水平，Q 值变化才更真实地反映样品引入的损耗。

两项措施配合，使两次读数之间的差异更容易归因到样品本身，而不是归因到仪器状态。

十四、电极系统与间距控制

电极系统承担把样品引入回路的功能，包括平板电容器的两块极片、测微杆以及夹具插头。

极片尺寸提供 φ25.4mm 与 φ50mm 两种规格。极片面积会影响等效电容的大小，样品尺寸较小时宜选配较小的极片，样品较大时可选用较大极片，使样品能完整覆盖极片区域，避免边缘效应带来偏差。

极片间距依靠测微杆调节，分辨率为 0.01mm 级。间距读数直接进入介电常数的换算，间距读数偏差会按比例传递到结果里，因此每次调整后都要确认读数稳定，并且记录采用的间距值。

附表所列的测微杆分辨率为 0.001mm，与正文所列的 0.01mm 属不同口径，前者对应测量装置的分辨能力，后者对应日常读数使用的分辨位，均按原文列出，实际使用时以设备随机资料标定的分辨率为准。

极片平行度是电极系统的另一项要求。两极片若不平行，样品各处的电场强度就不一致，等效厚度也随之改变，测出的电容与损耗都会带有附加误差。资料提出定期检查平行度、偏差不超过 0.02mm，正是出于这一考虑。

十五、试样制备与厚度测量

试样制备对测量结果的影响，往往比仪器本身的精度更大。以下几点需要把握。

试样应平整，两面尽量平行。表面有凸起、划痕、毛刺或明显翘曲，会使样品与极片之间出现空气隙。空气的介电常数远低于固体绝缘材料，气隙的存在会拉低测得的电容，使算出的介电常数偏小，同时也会改变损耗读数。

试样厚度应逐点测量，不宜只测一处。厚度进入介电常数换算公式，厚度误差按同样比例传递到结果。测厚时应避开边缘与凸起部位，取多点取平均，记录测量位置与工具。

试样尺寸应能完整覆盖极片，边缘宜略大于极片外沿，防止电场在边缘处分布不均。

对含水分敏感的材料，应在规定的温湿度条件下放置规定时间后再测，并在报告中记录预处理条件。受潮会明显抬高介质损耗角正切，若预处理不一致，两次测量之间就缺少可比性。

十六、标准操作流程与使用规范

其一是，开机前检查环境条件。环境温度应在 0℃～+40℃，相对湿度低于 80%，并确认供电为 220V±22V、50Hz±2.5Hz，接地可靠。

其二是，检查设备外观与夹具。确认极片洁净无油污、无划痕，测微杆转动顺畅，夹具插头插接到位，插头间距符合 25mm±1mm 的要求。

其三是，按测量要求设定频率。选择与试验方法规定一致的频点，锁定频率，并在测量过程中保持不变。

其四是，建立空载基准。在不放样品的情况下调谐至谐振，记录此时的 Q 值与圆筒电容器初始刻度读值。

其五是，测量试样厚度。在多点测量后记录厚度值，用于后续介电常数换算。

其六是，放入样品并调谐。把试样平稳放入平板电容器两极片之间，避免夹入杂质或造成样品变形，重新调谐至谐振，记录此时的 Q 值与圆筒电容器刻度读值。

其七是，按需要切换量程。若读数落在当前量程的边缘，允许范围内可切换到合适档位后重新读取；切换档位后应确认读数稳定再记录。

其八是，计算两项结果。依据 Q 值变化量与圆筒电容器刻度读值变化量，换算介质损耗角正切；依据平板电容器刻度读值变化量与试样厚度，换算介电常数。

其九是，重复测量取平均。在相同条件下对同一试样至少测两次，两次结果差异明显时应查找原因后重测，不宜直接取用单次数据。

其十是，测量完毕按规定复位。取下样品，清洁极片，把测微杆与夹具恢复到初始状态，关闭电源，填写记录。

十七、影响测量结果的关键因素

一是频率条件。不同频率下损耗机制不同，结果必须连同频率记录。

二是温度。温度升高通常会使介质损耗角正切增大，测量中应记录环境温度，必要时控制温度稳定。

三是湿度与试样含湿量。水分是极性分子，对损耗的影响十分明显，试样受潮会使读数偏高。

四是试样表面的气隙。气隙会改变等效电容，既影响介电常数，也影响损耗读数，样品平整与适度夹持都要留意。

五是试样厚度测量的准确性。厚度误差会按比例传递到介电常数结果。

六是夹具状态。极片平行度、表面洁净程度、插头接触情况都会改变回路状态。

七是读数时刻的一致性。两次读数之间应保持同一调谐状态与同一频率，之间不能有其它操作干扰。

八是操作者读数习惯。刻度读值需读取到规定位数，并以同一视线角度读取，减少人为读数偏差。

十八、数据记录、换算与判读

记录内容应当完整。一份可用的记录至少包含：试样编号与材料名称、试样厚度、测量频率、环境温度与相对湿度、空载 Q 值与圆筒电容器初始刻度、加载后 Q 值与圆筒电容器刻度、平板电容器刻度读值及变化量、计算所得介电常数与介质损耗角正切、测量日期与操作者。

换算环节要把握两点。其一，两组读值必须来自同一次谐振过程，若中途更换频率或改动回路，则基准失效，需重新建立。其二，单位与量纲要统一，长度用毫米、电容用皮法，避免混用造成数量级错误。

判读环节建议结合两个量一起看。若介质损耗角正切异常偏高而介电常数变化不大，应优先排查试样受潮、表面污染或夹具接触问题；若介电常数明显偏离而介质损耗角正切基本正常，则可考虑配方中填料比例、试样厚度测量或气隙因素。两量同向变化时，往往提示材料本身状态确实发生了变化。

十九、日常维护与保养

这套装置由精密机械构件组成，使用和保存都要避免振动与碰撞，存放环境应干燥、不含腐蚀性气体。

日常使用后应及时清洁极片。残留的粉末、油污或指纹会改变极片表面状况，也会影响下次测量的重复性。清洁时使用柔软无绒的材质，避免用硬物刮擦。

测微杆应保持洁净、转动顺畅，不使用时应回到不受力的位置，避免长期单侧受力造成变形。环境湿度偏高时，可在存放处放置干燥剂，或按设备要求定期通电除湿。

设备不宜自行拆装。测微电容器与回路的装配关系经过标定，擅自拆开会影响工作性能，一旦出现异常，应联系专业人员处理。

对长期停用的设备，重新启用前应做一次状态检查，确认读数正常、夹具无异常后再用于正式测量。

二十、检测夹具的定期检查

资料给出了夹具定期检查的具体指标，可作为期间核查的依据。

平板电容器两极片的平行度偏差不超过 0.02mm。

圆筒电容器的轴与轴的同心度误差不超过 0.1mm。

两个测微杆应保持 0.01mm 的分辨率。

用精密电容测量仪，其分辨率为 ±0.01pF，测量圆筒电容器，电容随长度变化应呈线性。具体做法是从 0～20mm 区间每隔 1mm 测一个点，检查读数是否符合工作特性要求。

上述检查可在设备受到碰撞之后立即进行，也可按周期定期进行。检查记录应与设备使用记录一并保存，作为测量结果可靠性的旁证。

二十一、典型应用场景

其一是，绝缘材料进厂检验。对绝缘纸、绝缘薄膜、层压板、树脂浇注件等材料测定介质损耗角正切与介电常数，作为来料合格判定的依据之一。

其二是，复合材料与陶瓷材料研究。陶瓷、玻璃、复合材料的电性能研究常需要在高频段了解极化的频率依赖关系，多频点测量有助于判断极化机制。

其三是，电容器与电子元器件生产。介质材料的损耗直接关系到电容器温升与寿命，测量结果是选材与工艺调整的参考。

其四是，电缆与电力设备制造。电缆绝缘、互感器、变压器绝缘件在高频或工频条件下的损耗评估，可用于对比不同批次的材料一致性。

其五是，科研机构与高等院校。材料科学、电子工程方向的实验室常用此类设备研究材料的介电行为，为配方与工艺研究提供数据。

其六是，第三方检测与质量监督。检测机构在承接委托检验时，需要按标准方法测量并提供原始记录，此类设备可承担相应的测量任务。

其七是，薄膜与柔性材料评估。对薄膜类试样，通过选择合适极片与间距，可在不损伤样品的前提下完成测量。

其八是，液体样品的介电特性研究。资料配有液体电极，用于液体的介电性能测试，实际使用时应按相应的操作要求执行。

二十二、介质损耗测试设备的发展趋势

其一是，频率覆盖向两端延伸。低端向更低频段扩展以覆盖工频与音频，高端向更高频段扩展以适应高速电路的评估需求。

其二是，读数方式数字化。由指针式与刻度式读数向数字显示过渡，配合自动换档与自动锁定，降低人为读数偏差。

其三是，自动化程度提高。谐振点自动搜索、量程自动转换、结果自动计算等功能逐步成为常规配置，减少操作步骤与人为干预。

其四是，测量条件记录更完整。把频率、温度、湿度等条件与结果绑定记录，满足数据可追溯的要求，便于在不同时间、不同实验室之间比较数据。

其五是，与数据处理工具结合。测量数据可直接导出，便于纳入材料数据库，用于长周期对比与趋势分析。

二十三、结语

绝缘电气领域里，介质损耗角正切与介电常数是两个基础而实用的指标。一个回答材料损耗多少，一个回答材料储能多少，两者共同构成材料电性能的基本刻画。高频谐振法用 Q 值的下降量把损耗信息读出来，用平板电容器的读值变化把介电常数算出来，方法直接、数据可复算。

把测量做准，关键不在仪器单方面，而在于条件是否统一、试样是否规范、夹具是否稳定、读数是否同源。频率锁定、基准一致、厚度测准、试样平整这几件事做到位，数据才有比较的价值。