Seis técnicas para medir las propiedades dieléctricas

Si piensa en las propiedades dieléctricas, probablemente sea en el contexto de los experimentos de física escolar sobre el almacenamiento de carga, o quizás en la forma en que la elección de los materiales dieléctricos influye en las características de un condensador con el que está trabajando. Sin embargo, resulta que las propiedades dieléctricas de los materiales son importantes para todo tipo de industrias por diferentes motivos. Por lo tanto, medir esas propiedades con precisión es importante en muchos contextos. Este artículo analiza algunas técnicas clave para medir las propiedades dieléctricas y algunas de las áreas de aplicación de cada una de ellas.

Técnicas de mediciónExisten varias técnicas para medir las propiedades dieléctricas, utilizando una combinación de instrumentos precisos, accesorios de prueba para mantener el material bajo prueba (MUT) y software que facilita la medición de factores complejos de permitividad y permeabilidad y muestra los resultados.

Keysight Technologies, por ejemplo, tiene instrumentos como analizadores de red, analizadores de impedancia y medidores LCR que pueden proporcionar resultados precisos a frecuencias aplicadas de hasta 1,5 THz. También ofrece accesorios que aplican las técnicas de medición de sonda coaxial, placa paralela, líneas de transmisión coaxial/guía de ondas, espacio libre y cavidad resonante que se muestran en la Figura 1.

¿Cómo funciona cada uno de estos y cuáles son sus ventajas y limitaciones?

Método de sonda coaxial El método de sonda coaxial es mejor para líquidos y materiales semisólidos (polvo). Es simple, conveniente, no destructivo y solo implica tomar una sola medición. Un sistema de medida típico consta de un analizador de red o de impedancia, una sonda coaxial y un software.

La elección de la sonda y el analizador depende de la frecuencia de medición, pero el rango general es de 10 MHz a 50 GHz. Hay sondas de alta temperatura que soportan –40 a 200 °C, y se pueden fabricar con una brida grande para que puedan medir materiales sólidos de superficie plana, así como líquidos y semisólidos. Las sondas delgadas son útiles para medir en tanques de fermentación, cámaras de reacción química y otros equipos con aberturas pequeñas, mientras que las sondas de alto rendimiento combinan muchas de estas características en un dispositivo que se puede esterilizar en autoclave, útil para los sectores alimentario, médico y químico. industrias

Método de línea de transmisión El método de línea de transmisión es una técnica de banda ancha para sólidos mecanizables, que coloca el MUT dentro de una línea de transmisión cerrada. La cobertura de frecuencia está limitada principalmente por el tamaño del titular de la muestra.

Método de espacio libre Los enfoques de espacio libre utilizan antenas para enfocar la energía de microondas sobre oa través de una losa de material. Este método sin contacto se puede aplicar a materiales a altas temperaturas y es especialmente útil en frecuencias de ondas milimétricas.

Método de cavidad resonante Las cavidades resonantes son estructuras de alto Q que resuenan a ciertas frecuencias. Una muestra del material afecta la frecuencia central y el factor Q de la cavidad, lo que a su vez permite calcular su permitividad. Por ejemplo, Keysight ofrece el resonador de cilindro partido 85072A de 10 GHz para este fin, así como resonadores dieléctricos de poste partido.

Método del condensador de placas paralelas El método del condensador de placas paralelas consiste en intercalar una lámina delgada de material entre dos electrodos para formar un condensador. El método funciona mejor para mediciones precisas y de baja frecuencia de láminas delgadas o líquidos.

Un sistema de medición típico que utiliza el método de placas paralelas consiste en un medidor LCR o analizador de impedancia.

Método de medición de la inductancia Este enfoque deriva la permeabilidad de un material midiendo su inductancia como si fuera un núcleo toroidal. El cable se enrolla alrededor del MUT y su inductancia se evalúa con respecto a los extremos del cable. Keysight ofrece el accesorio de prueba de material magnético 16454A, que forma una estructura ideal para inductores de una sola vuelta, ya que no pierde flujo cuando se le coloca un núcleo toroidal.

La Figura 3, a continuación, mapea los diversos enfoques y tipos de accesorios de prueba contra materiales bajo frecuencias de prueba y medición.

Software Los resultados de algunas mediciones dieléctricas pueden ser complejos de interpretar como mediciones de permitividad y permeabilidad. Un software como el paquete de medición de materiales Keysight N1500A puede facilitar el trabajo con un analizador de red, al guiar a los usuarios a través de la configuración de la prueba y las etapas de medición, y luego convertir los datos de parámetros S resultantes en los formatos que elija. El software admite una variedad de métodos de medición y modelos matemáticos para satisfacer las necesidades de la mayoría de las aplicaciones. También se puede requerir que el software modele cualquier interacción entre el accesorio y el MUT para permitir la extracción de las propiedades del material a granel.

Una técnica llamada desembebido permite respaldar una muestra con un respaldo dieléctrico en uno o ambos lados. Elimina matemáticamente los efectos del respaldo, por lo que solo se informan las propiedades electromagnéticas de la muestra. Esto es útil cuando una muestra no es lo suficientemente rígida o gruesa para sostenerse por sí misma, o cuando no se puede quitar de un sustrato.

Perfil del autorGiovanni D'Amore es gerente de marca de marketing en Keysight Technologies.