ZJD-A系類介電常數(shù)測試儀

概述

介質(zhì)損耗和介電常數(shù)是各種電瓷、裝置瓷、電容器等陶瓷，還有復(fù)合材料等的一項(xiàng)重要的物理性質(zhì)，通過測定介質(zhì)損耗角正切tanδ及介電常數(shù)（ε），可進(jìn)一步了解影響介質(zhì)損耗和介電常數(shù)的各種因素，為提高材料的性能提供依據(jù)；儀器的基本原理是采用高頻諧振法，并提供了，通用、多用途、多量程的阻抗測試。它以單片計(jì)算機(jī)作為儀器的控制，測量核心采用了頻率數(shù)字鎖定，標(biāo)準(zhǔn)頻率測試點(diǎn)自動設(shè)定，諧振點(diǎn)自動搜索，Q值量程自動轉(zhuǎn)換，數(shù)值顯示等新技術(shù)，改進(jìn)了調(diào)諧回路，使得調(diào)諧測試回路的殘余電感減至zui低，并保留了原Q表中自動穩(wěn)幅等技術(shù)，使得新儀器在使用時(shí)更為方便，測量值更為精確。儀器能在較高的測試頻率條件下，測量高頻電感或諧振回路的Q值，電感器的電感量和分布電容量，電容器的電容量和損耗角正切值，電工材料的高頻介質(zhì)損耗，高頻回路有效并聯(lián)及串聯(lián)電阻，傳輸線的特性阻抗等。該儀器用于科研機(jī)關(guān)、學(xué)校、工廠等單位對無機(jī)非金屬新材料性能的應(yīng)用研究。儀器遵從標(biāo)準(zhǔn)：GB/T5594.4-1985。

儀器的技術(shù)指標(biāo)

1．Q值測量

a．Q值測量范圍：5～999。

b．Q值量程分檔：30、100、300、999、自動換檔。

c．標(biāo)稱誤差

      頻率范圍：25kHz～10MHz；

      固有誤差：≤5％±滿度值的2％；工作誤差：≤7％±滿度值的2％；

      頻率范圍：10MHz～50MHz；

      固有誤差：≤7％±滿度值的2％；工作誤差：≤10％±滿度值的2％。

2．電感測量

a．測量范圍：0.1μH～1H。

b．分    檔：分七個(gè)量程。

      0.1～1μH，    1～10μH，    10～100μH，

      0.1～lmH，     1～10mH，     10～100mH，   100 mH～1H。

3．電容測量

a．測量范圍：1～460pF(460pF以上的電容測量見使用規(guī)則)；

b．電容量調(diào)節(jié)范圍

      主調(diào)電容器：40～500pF；

      準(zhǔn)  確  度：150pF以下±1.5pF；150pF以上±1％；

      微調(diào)電容量：－3pF～0～＋3pF；

      準(zhǔn)  確  度：±0.2pF。

4．振蕩頻率

a．振蕩頻率范圍：25kHz～50MHz；

b．頻率分檔：

25～74kHz，    74～213kHz，    213-700kHz，    700kHz～1.95MHz，

1.95MHz～5.2MHz，    5.2MHz～17MHz，    17～50MHz。

c．頻率誤差：2×10-4±1個(gè)字。

5．Q合格指示預(yù)置功能，預(yù)置范圍：5～999。

6．儀器正常工作條件

a. 環(huán)境溫度：0℃～+40℃；

b．相對濕度：<80％；

c．電源：220V±22V，50Hz±2.5Hz。   

7．試樣尺寸

圓片形：厚度2+0.5mm，直徑為Φ30~40mm（ε<12時(shí)），Φ25~35mm（ε=12~30時(shí)），Φ15~20mm（ε>30時(shí)）

8．其他

a．消耗功率：約25W；

b．凈重：約7kg；

c. 外型尺寸：（l×b×h）mm：380×132×280。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1．本儀器適用于110V/220V , 50Hz+0.5Hz交流電，使用前要檢查市電電壓是否合適，采用穩(wěn)壓電源，以保證測試條件的穩(wěn)定。

2．開機(jī)預(yù)熱15分鐘，使儀器恢復(fù)正常狀態(tài)后才能開始測試。

3．按部件標(biāo)準(zhǔn)制備好的陶瓷試樣，兩面用燒滲法被上銀層，并分別焊上一根Φ0.8mm，30~40mm長的金屬引線。引線材料為銅，表面鍍銀并浸錫。

4．選擇適當(dāng)?shù)妮o助線圈插入電感接線柱。根據(jù)需要選擇振蕩器頻率，調(diào)節(jié)測試電路電容器使電路諧振。假定諧振時(shí)電容為C1，品質(zhì)因素為Q1。

5． 將被測樣品接在“CX”接線柱上。

6．再調(diào)節(jié)測試電路電容器使電路諧振，這時(shí)電容為C2，可以直接讀出Q2，并且Q2= Q1－△Q，。

7．用游標(biāo)卡尺量出試樣的直徑Φ和厚度d（分別在不同位置測得兩個(gè)數(shù)據(jù)，再取其平均值）。

8.方形式樣按其邊長的4倍計(jì)算Φ值 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1．tanδ和ε測定記錄

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按表1要求填寫。

表1                  tanδ和ε測定記錄表

2．計(jì)算

1）介電常數(shù)ε

ε=

式中：C---試樣的電容量（PF）, C= C1－C2；

d---試樣厚度（cm）；

Φ—試樣直徑（cm）。

2）介質(zhì)損耗角正切tanδ

              tanδ=      *      =      *

3) Q值

               Q =    =     *

五、注意事項(xiàng)

1．圓片形試樣的尺寸（Φ=38mm+1mm，d=2mm+0.5mm）要符合公差要求，兩面燒滲銀層、浸錫及焊接引出線要符合技術(shù)條件。

2．電壓或頻率的劇烈波動常使電橋不能達(dá)到良好的平衡，所以測定時(shí)，電壓和頻率要求穩(wěn)定，電壓變動不得大于1%，頻率變動不得大于0.5%。

3．電極與試樣的接觸情況，對tanδ的測試結(jié)果有很大影響，因此燒滲銀層電極要求接觸良好、均勻，而厚度合適。

4．試樣吸濕后，測得的tanδ值增大，影響測量精度，應(yīng)嚴(yán)格避免試樣吸潮。

5．在測量過程中，注意隨時(shí)檢查電橋本體屏蔽的情況，當(dāng)電橋真正達(dá)到平衡，“本體-屏蔽”開關(guān)置于任何一邊時(shí)，檢查計(jì)光帶均應(yīng)zui小，而無大變化。

附錄一、測試原理簡介

一、儀器的工作原理

1．“Q”的定義

     Q表是根據(jù)串聯(lián)諧振原理設(shè)計(jì)，以諧振電壓的比值來定位Q值。“Q”表示元件或系統(tǒng)的“品質(zhì)因數(shù)”，其物理含義是在一個(gè)振蕩周期內(nèi)貯存的能量與損耗的能量之比。對于電抗元件(電感或電容)來說，即在測試頻率上呈現(xiàn)的電抗與電阻之比。

或       ………………………… (1)

圖一

在圖（一）所示的串聯(lián)諧振電路中，所加的信號電壓為Ui，頻率為f，在發(fā)生諧振時(shí)：

      或……………………(2)

    回路中電流   ………………………………………(3)

故電容兩端的電壓  

                       ……………………………(4)

即諧振時(shí)電容上的電壓與輸入電壓之比為Q。

2．整機(jī)工作原理

                                圖二

儀器的工作原理框圖如圖二。它以89C51單片計(jì)算機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)對各種功能的控制。壓控信號源為Q值測量提供了一個(gè)優(yōu)質(zhì)的高頻信號，頻率從25kHz-50MHz，共分為七個(gè)波段。信號源的頻率受頻率調(diào)諧和數(shù)字鎖定單元的控制。信號源輸出一路送到程控衰減器和自動穩(wěn)幅控制單元，該單元根據(jù)CPU的指令對信號衰減后送回信號激勵(lì)單元，同時(shí)對信號檢波后送出一直流控制信號到壓控信號源實(shí)現(xiàn)自動穩(wěn)幅。信號源的另一路輸出送到頻率計(jì)數(shù)電路，在這里完成對信號的整形，預(yù)計(jì)數(shù)，然后再送到CPU實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。信號激勵(lì)部分輸出送到一個(gè)寬帶分壓器，由分壓器饋給測試調(diào)諧回路一個(gè)恒定幅度的信號。當(dāng)測試回路處于諧振狀態(tài)時(shí)，在調(diào)諧電容CT兩端的信號幅度將是分壓器提供的信號幅度Q倍。在CT兩端取得的調(diào)諧信號被信號放大單元適當(dāng)放大后送到檢波和數(shù)字取樣單元，檢波后經(jīng)數(shù)碼取樣轉(zhuǎn)換，送到控制中心CPU去進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)再送給面板Q調(diào)諧指示表。由控制中心CPU處理過的頻率值，Q值等其它需顯示數(shù)據(jù)送到顯示控制CPU，由顯示控制CPU完成面板顯示的控制。   

二、結(jié)構(gòu)特性

    采用了較低的臺式機(jī)箱，面板采用PC絲印面板，美觀大方。各主要功能單元，除了顯示部分為了顯示方便和調(diào)諧測試回路、放大單元為了減小分布參數(shù)，安裝在面板上外，其余都安裝在機(jī)內(nèi)底板上。見圖三面板示意圖。面板左半部是頻率和Q值顯示，操作按鍵和頻率調(diào)諧鈕所在部位。面板右半部是調(diào)諧回路的主，付調(diào)電容所在部位。儀器的頻段控制，標(biāo)頻設(shè)定，諧振點(diǎn)搜索，Q值合格點(diǎn)設(shè)置都以輕觸按鍵實(shí)現(xiàn)控制，頻率調(diào)諧由數(shù)碼開關(guān)完成，面板上無一可調(diào)電位器，極大地簡化了操作，又提高了可靠性。

面板各功能鍵說明：

1．頻率顯示數(shù)碼管，共5位。

2．頻率單位指示燈，MHz或kHz。

3．器件Q值合格指示燈，超過已設(shè)置的值時(shí)燈亮。

4．Q值指示數(shù)碼管，共3位。

5．工作頻段選擇按鍵，每按一次，切換至低一個(gè)頻段工作。

6．工作頻段指示燈，表格內(nèi)為對應(yīng)的頻段工作頻率范圍。

                        圖三  面板和外形示意圖

7．工作頻段選擇按鍵，每按一次，切換至高一個(gè)頻段工作。

8．工作頻段內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)測試頻率設(shè)置按鍵，各段內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)測試頻率見面板功能部分。

9．器件諧振點(diǎn)搜索按鍵，右上角指示燈亮?xí)r表示儀器正工作在自動搜索。如需退出搜索，再按此鍵。

10．頻率調(diào)諧數(shù)碼開關(guān)。

11．Q值合格比較值設(shè)定按鍵。

12．Q值調(diào)諧指示表。

13．對應(yīng)各工作頻段的電感測量范圍和標(biāo)準(zhǔn)測試頻率表。

14．調(diào)諧回路的付調(diào)諧電容器調(diào)諧旋鈕，它與主調(diào)諧電容并聯(lián)，旋鈕上方對應(yīng)的窗口內(nèi)是該電容的變化范圍指示刻度盤(－3～+3P)。

15．調(diào)諧回路的主調(diào)電容調(diào)諧旋鈕，上方對應(yīng)的窗口內(nèi)為主調(diào)電容的電容值和諧振時(shí)對應(yīng)的測試電感值刻度盤。

16．電源開關(guān)

17．測試回路接線柱，左邊兩個(gè)為電感接入端，右邊兩個(gè)為外接電容接入端。

后面板各功能鍵說明：

圖四  儀器后面板示意圖

1．～220V電源輸入三芯插座，內(nèi)含保險(xiǎn)絲0.5A／220V。

2．信號源工作頻率監(jiān)測輸出端（TTL電平，阻抗1kΩ）。

三、使用方法

該儀器是一種多用途的阻抗測量儀器，為了提高測量精度，除了使Q值測試回路本身殘余參量盡可能地小，使耦合回路的頻響盡可能地好之外，還要掌握正確的測試方法和殘余參數(shù)修正方法。

1．測試注意事項(xiàng)

a．本儀器應(yīng)水平安放，校準(zhǔn)Q值指示的電表機(jī)械零點(diǎn)。

b．如果你需要較精確地測量，請接通電源后，預(yù)熱30分鐘，再進(jìn)行測試。

c．調(diào)節(jié)主調(diào)電容的電容量時(shí)，特別注意當(dāng)刻度調(diào)到zui大或zui小值時(shí)，不要用力繼續(xù)再調(diào)．

d．被測件和測試電路接線柱間的接線應(yīng)盡量短，足夠粗，并應(yīng)接觸良好可靠，以減少因接線的電阻和分布參數(shù)所帶來的測量誤差。

e．被測件不要直接擱在面板頂部，離頂部一公分以上，必要時(shí)可用低耗損的絕緣材料如聚苯乙烯等做成的襯墊物襯墊。

f．手不得靠近試件，以免人體感應(yīng)影響造成測量誤差，有屏蔽的試件，屏蔽罩應(yīng)連接在低電位端的接線柱。

2．高頻線圈的Q值測量(基本測量法)

A．直接法

a．將按測線圈接在“Lx”接線柱上；

b．選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l段和工作頻率；

c．將付調(diào)電容調(diào)至0；

d．調(diào)主調(diào)電容器到遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)(使Q值電表指示zui小)；

e．先調(diào)主調(diào)電容器到諧振，再調(diào)微調(diào)電容器到精確的諧振點(diǎn)；即Q表讀數(shù)達(dá)zui大，此讀數(shù)即為被測電感的有效Q值(Qe)，若需得到被測電感的真實(shí)Q值(Qt)，則應(yīng)先測出線圈分布電容C0，然后照下式修正：

C1是主調(diào)電容器諧振時(shí)讀數(shù)(微調(diào)電容讀數(shù)合計(jì)在內(nèi))，如諧振時(shí)C1的讀數(shù)很大，C0只占很小比例，則有效Q值(Qe)和真實(shí)Q值(QT)差別可以忽略。

因Q值量程是自動切換的，因此在調(diào)諧時(shí)，如遇量程自動轉(zhuǎn)換，應(yīng)停頓一下，待Q值穩(wěn)定后，根據(jù)讀數(shù)值變大或變小，確定繼續(xù)調(diào)電容的方向。

B．變?nèi)莘?/span>

a．照直讀法“a-f”進(jìn)行，記下諧振時(shí)電容讀數(shù)C1和Q1；

b．轉(zhuǎn)動主調(diào)電容，使Q值二次指示均為Q1的0.707時(shí)，記下此時(shí)兩次電容讀數(shù)的差數(shù)ΔC。

倘要得到精確結(jié)果，則線圈的分布電容應(yīng)加在C1之內(nèi)，并應(yīng)使主調(diào)電容作多次偏調(diào)，然后取其平均讀數(shù)。

測Q值較高的線圈時(shí)，Q值下降到0.707 Q1時(shí)，電容偏調(diào)很小，讀數(shù)誤差較大，這時(shí)可將主電容作較大偏調(diào)(10％以內(nèi))，記下偏調(diào)數(shù)ΔC和偏調(diào)后的Q值讀數(shù)Q2，這時(shí)Q值表達(dá)式為：

C. 變頻法

a．按享讀法“a-f”進(jìn)行，在頻率監(jiān)視插座上接上精度優(yōu)于

1×10-6的數(shù)字式頻率計(jì)數(shù)器，記下諧振時(shí)讀數(shù)C1和Q1以及頻率讀數(shù)f0。

b．改變信號源的頻率使Q值二次指示為Q1的0.707(一次容性失諧，一次感性失諧)，記下此時(shí)二次頻率讀數(shù)差值Δf。這時(shí)回路的真實(shí)QT為：

考慮到線圈的分布電容時(shí)，線圈的有效Q值為：

變頻法測量Q值一般表達(dá)式(未考慮分布電容)：

注：Δf是頻率偏調(diào)數(shù)，Q1為諧振時(shí)Q表讀數(shù)，Q2是偏調(diào)后Q表讀數(shù)。

3．高頻線圈電感值的測量

a．將被測線圈接在“Lx”接線柱上，接觸要良好；

b．根據(jù)線圈大約電感值，在面板對照表上選擇一標(biāo)準(zhǔn)頻率，然后將訊號發(fā)生器調(diào)節(jié)到這一點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)頻率上；

c．微調(diào)電容刻度放在“0”上，調(diào)節(jié)主調(diào)電容到諧振，這時(shí)刻度盤所指的電容數(shù)為C1，度盤上所指電感值，乘以對照表上所指的倍數(shù)，就是線圈有效電感值(L)；

d．如要得到真實(shí)電感數(shù)(LT)，必須先測得電感分布電容量C0，如分布電容較小的話，在調(diào)到諧振點(diǎn)后，記下主調(diào)電容C1，然后再將主調(diào)電容量調(diào)在“C1+C0”值上，這時(shí)度盤的電感讀數(shù)乘以對應(yīng)的倍數(shù)，就是所求真實(shí)電感讀數(shù)，也可按以下公式計(jì)算求得：

f被測電感小于1μH時(shí)，按上法測得電感值還應(yīng)減去儀器中測試回路本身剩余電感“L0”(本儀器L0=0.027μH)。

4．高頻線圈分布電容C0的測量

A．倍頻率法

如線圈的分布電容較大，可用此法作近似測試。

將被測線圈按在“Lx”接線柱上，調(diào)主調(diào)電容器到zui大電容數(shù)值，調(diào)訊號源頻率到諧振，令諧振時(shí)頻率和指示調(diào)諧電容分別是f1和C1。然后將訊號源頻率調(diào)到f2(f2=n f1)，再調(diào)電容器度盤到諧振點(diǎn)，此時(shí)電容讀數(shù)為C2，根據(jù)下式即可求出分布電容量(測量時(shí)微調(diào)電容到零)。

如取n=2，則為：C0=（C1－4C2）/ 3。

若取不同C1進(jìn)行多次測量后取一個(gè)平均值，則測試結(jié)果將較為準(zhǔn)確。

B．自然頻率法(此法可獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果)

a．將被測線圈接在“Lx”接線柱上；

b．將微調(diào)電容器度盤調(diào)至零，主調(diào)電容器度盤調(diào)到zui大電容值C1； 

c．調(diào)訊號源頻率，使回路諧振，該頻率為f1；

d．取下被測線圈，換上一個(gè)能在主調(diào)電容器調(diào)節(jié)范圍內(nèi)和十倍于f1頻率諧振的電感；

e．訊號源調(diào)到10 f1位置，調(diào)節(jié)主調(diào)電容器到諧振點(diǎn)；

f．將被測線圈接在"Cx”兩端，調(diào)節(jié)主調(diào)電容器達(dá)諧振，此時(shí)視電容讀數(shù)是增加還是減小。若增加，則應(yīng)將振蕩器頻率調(diào)高些，若減小，則頻率調(diào)低些。

g．再取下被測線圈，調(diào)節(jié)主調(diào)電容達(dá)到諧振；

h．重復(fù)步驟“f”、“g”直到某一頻率，被測線圈接上“Cx”兩端和不接上均不改變諧振點(diǎn)，這一頻率即為被測線圈的自然諧振頻率f2，它的C0數(shù)值為：

          C0=C1 (f1／f2)2

注：測量中所需輔助線圈可由LKI-l電感組提供便利。

5．電容器容量的測量

A. 小于460pF電容器的測量

a．選一個(gè)適當(dāng)?shù)闹C振電感接到“Lx”的兩端；

b．將微調(diào)電容調(diào)至零，主調(diào)電容器調(diào)到zui大值附近，令這個(gè)電容是C1，如未知電容是小數(shù)值的，C1應(yīng)調(diào)到較小電容值附近，以便達(dá)到盡可能高的分辨率；

c．調(diào)訊號源的頻率，使測試回路諧振，令諧振器Q的讀數(shù)為Q1；

d．將被測電容接在“Cx”兩端，調(diào)主調(diào)電容器，使測試電路再諧振，令新的調(diào)諧電容值為C2和指示Q值為Q2。

被測電容的有效電容為Cx= C1－C2

電容器損耗角正切為

電容器的有效并聯(lián)電阻為

C0為回路諧振電感的自身電容。

B．大于460pF電容器用替代法測量

a. 取一只適當(dāng)容量的標(biāo)準(zhǔn)電容量，其容量為C3，將它接在“Cx”接線柱上。

b．按5A／a-c各測試步驟；

c．取下標(biāo)準(zhǔn)電容器，將被測電容接到"Cx”接線柱，調(diào)節(jié)主調(diào)電容器到諧振，此時(shí)主調(diào)電容量讀數(shù)為C2，則Cx可由下式得到：

         Cx=C3+ C1－C2

6．Q合格預(yù)置功能使用

Q合格預(yù)置功能特別適用于工廠需大批量測試某同規(guī)格元件的Q值時(shí)，當(dāng)該元件Q值超過某一給定值即為合格，這時(shí)合格指示燈亮儀器同時(shí)嗚叫提醒，這樣可減輕工人視力疲勞，同時(shí)大大加快了測試速度。

Q合格預(yù)置的步驟：

a．選擇要求的測試頻率；

b．用一只合格元件或一只輔助線圈調(diào)諧測試回路，使Q值讀數(shù)指示在所需預(yù)置Q值位置上；

c．按一下Q值合格比較按鍵，使Q合格指示燈亮，同時(shí)儀器發(fā)出嗚叫聲，此時(shí)該功能設(shè)置就結(jié)束了；

d．換上要測試的器件，微調(diào)諧振電容至諧振點(diǎn)，如果該器件的Q值大于設(shè)定的Q值，Q合格指示燈就亮，同時(shí)儀器發(fā)出嗚叫。如需取消已設(shè)置的合格值，只需拿去被測元件，待Q值指示0時(shí)，再按一下設(shè)置鍵即可。

7．標(biāo)準(zhǔn)測試頻率按鍵的使用

如果你需在標(biāo)準(zhǔn)測試頻率點(diǎn)上，測試器件時(shí)，你可以先按頻段選擇鍵選擇好標(biāo)準(zhǔn)頻率所在的工作頻段，然后再按一下標(biāo)準(zhǔn)頻率設(shè)置按鍵，儀器就會替你自動準(zhǔn)確地設(shè)置好測試頻率，省去你花時(shí)間去調(diào)節(jié)頻率。

8．諧振點(diǎn)自動搜索功能的使用

如果你對電感元件無法確定它的數(shù)值時(shí)，你就可用該功能來幫你尋找出它的諧振頻率點(diǎn)。步驟如下：

a．把元件接以接線柱上；

b．主調(diào)電容調(diào)到中間位上(大概)；

c．按一下搜索按鍵，右上角指示燈亮?xí)r，儀器就進(jìn)入搜索狀態(tài)。

儀器從zui低工作頻率一直搜索到zui高工作頻率，如果你的元件諧振點(diǎn)在頻率覆蓋區(qū)間內(nèi)，搜索結(jié)束后，將會自動停在元件的諧振頻率點(diǎn)附近。

如果臨時(shí)要退出搜索狀態(tài)，可再按一次搜索鍵，儀器會退出搜索操作。

9．頻率調(diào)諧開關(guān)的使用。

頻率調(diào)諧采用了數(shù)碼開關(guān)，它能辨別使用者的要求，來調(diào)節(jié)頻率變化的速率(頻率變化值／檔)，在你快速轉(zhuǎn)換該開關(guān)時(shí)，頻率變化速率也加快。當(dāng)你緩慢調(diào)節(jié)開關(guān)時(shí)，頻率變化速率也慢下來，zui低可小于分辨力。因此在調(diào)諧時(shí)接近所需的頻率時(shí)，應(yīng)放緩調(diào)節(jié)速度。當(dāng)你調(diào)節(jié)的頻率超出工作頻段的頻率時(shí)，儀器會自動選擇低一個(gè)或高一個(gè)頻段工作。實(shí)際的各工作頻段頻率范圍比面板上提供的頻率范圍略寬一些。