介电常数测试仪

ZJD-A系类介电常数测试仪

概述

介质损耗和介电常数是各种电瓷、装置瓷、电容器等陶瓷，还有复合材料等的一项重要的物理性质，通过测定介质损耗角正切tanδ及介电常数（ε），可进一步了解影响介质损耗和介电常数的各种因素，为提高材料的性能提供依据；仪器的基本原理是采用高频谐振法，并提供了，通用、多用途、多量程的阻抗测试。它以单片计算机作为仪器的控制，测量核心采用了频率数字锁定，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，数值显示等新技术，改进了调谐回路，使得调谐测试回路的残余电感减至zui低，并保留了原Q表中自动稳幅等技术，使得新仪器在使用时更为方便，测量值更为精确。仪器能在较高的测试频率条件下，测量高频电感或谐振回路的Q值，电感器的电感量和分布电容量，电容器的电容量和损耗角正切值，电工材料的高频介质损耗，高频回路有效并联及串联电阻，传输线的特性阻抗等。该仪器用于科研机关、学校、工厂等单位对无机非金属新材料性能的应用研究。仪器遵从标准：GB/T5594.4-1985。

仪器的技术指标

1．Q值测量

a．Q值测量范围：5～999。

b．Q值量程分档：30、100、300、999、自动换档。

c．标称误差

      频率范围：25kHz～10MHz；

      固有误差：≤5％±满度值的2％；工作误差：≤7％±满度值的2％；

      频率范围：10MHz～50MHz；

      固有误差：≤7％±满度值的2％；工作误差：≤10％±满度值的2％。

2．电感测量

a．测量范围：0.1μH～1H。

b．分    档：分七个量程。

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

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

3．电容测量

a．测量范围：1～460pF(460pF以上的电容测量见使用规则)；

b．电容量调节范围

      主调电容器：40～500pF；

      准  确  度：150pF以下±1.5pF；150pF以上±1％；

      微调电容量：－3pF～0～＋3pF；

      准  确  度：±0.2pF。

4．振荡频率

a．振荡频率范围：25kHz～50MHz；

b．频率分档：

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

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

c．频率误差：2×10-4±1个字。

5．Q合格指示预置功能，预置范围：5～999。

6．仪器正常工作条件

a. 环境温度：0℃～+40℃；

b．相对湿度：<80％；

c．电源：220V±22V，50Hz±2.5Hz。   

7．试样尺寸

圆片形：厚度2+0.5mm，直径为Φ30~40mm（ε<12时），Φ25~35mm（ε=12~30时），Φ15~20mm（ε>30时）

8．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。

实验步骤：

1．本仪器适用于110V/220V , 50Hz+0.5Hz交流电，使用前要检查市电电压是否合适，采用稳压电源，以保证测试条件的稳定。

2．开机预热15分钟，使仪器恢复正常状态后才能开始测试。

3．按部件标准制备好的陶瓷试样，两面用烧渗法被上银层，并分别焊上一根Φ0.8mm，30~40mm长的金属引线。引线材料为铜，表面镀银并浸锡。

4．选择适当的辅助线圈插入电感接线柱。根据需要选择振荡器频率，调节测试电路电容器使电路谐振。假定谐振时电容为C1，品质因素为Q1。

5． 将被测样品接在“CX”接线柱上。

6．再调节测试电路电容器使电路谐振，这时电容为C2，可以直接读出Q2，并且Q2= Q1－△Q，。

7．用游标卡尺量出试样的直径Φ和厚度d（分别在不同位置测得两个数据，再取其平均值）。

8.方形式样按其边长的4倍计算Φ值 

实验结果

1．tanδ和ε测定记录

实验数据按表1要求填写。

表1                  tanδ和ε测定记录表

2．计算

1）介电常数ε

ε=

式中：C---试样的电容量（PF）, C= C1－C2；

d---试样厚度（cm）；

Φ—试样直径（cm）。

2）介质损耗角正切tanδ

              tanδ=      *      =      *

3) Q值

               Q =    =     *

五、注意事项

1．圆片形试样的尺寸（Φ=38mm+1mm，d=2mm+0.5mm）要符合公差要求，两面烧渗银层、浸锡及焊接引出线要符合技术条件。

2．电压或频率的剧烈波动常使电桥不能达到良好的平衡，所以测定时，电压和频率要求稳定，电压变动不得大于1%，频率变动不得大于0.5%。

3．电极与试样的接触情况，对tanδ的测试结果有很大影响，因此烧渗银层电极要求接触良好、均匀，而厚度合适。

4．试样吸湿后，测得的tanδ值增大，影响测量精度，应严格避免试样吸潮。

5．在测量过程中，注意随时检查电桥本体屏蔽的情况，当电桥真正达到平衡，“本体-屏蔽”开关置于任何一边时，检查计光带均应zui小，而无大变化。

附录一、测试原理简介

一、仪器的工作原理

1．“Q”的定义

     Q表是根据串联谐振原理设计，以谐振电压的比值来定位Q值。“Q”表示元件或系统的“品质因数”，其物理含义是在一个振荡周期内贮存的能量与损耗的能量之比。对于电抗元件(电感或电容)来说，即在测试频率上呈现的电抗与电阻之比。

或       ………………………… (1)

图一

在图（一）所示的串联谐振电路中，所加的信号电压为Ui，频率为f，在发生谐振时：

      或……………………(2)

    回路中电流   ………………………………………(3)

故电容两端的电压  

                       ……………………………(4)

即谐振时电容上的电压与输入电压之比为Q。

2．整机工作原理

                                图二

仪器的工作原理框图如图二。它以89C51单片计算机作为控制核心，实现对各种功能的控制。压控信号源为Q值测量提供了一个优质的高频信号，频率从25kHz-50MHz，共分为七个波段。信号源的频率受频率调谐和数字锁定单元的控制。信号源输出一路送到程控衰减器和自动稳幅控制单元，该单元根据CPU的指令对信号衰减后送回信号激励单元，同时对信号检波后送出一直流控制信号到压控信号源实现自动稳幅。信号源的另一路输出送到频率计数电路，在这里完成对信号的整形，预计数，然后再送到CPU实现计数。信号激励部分输出送到一个宽带分压器，由分压器馈给测试调谐回路一个恒定幅度的信号。当测试回路处于谐振状态时，在调谐电容CT两端的信号幅度将是分压器提供的信号幅度Q倍。在CT两端取得的调谐信号被信号放大单元适当放大后送到检波和数字取样单元，检波后经数码取样转换，送到控制中心CPU去进行数据处理，同时再送给面板Q调谐指示表。由控制中心CPU处理过的频率值，Q值等其它需显示数据送到显示控制CPU，由显示控制CPU完成面板显示的控制。   

二、结构特性

    采用了较低的台式机箱，面板采用PC丝印面板，美观大方。各主要功能单元，除了显示部分为了显示方便和调谐测试回路、放大单元为了减小分布参数，安装在面板上外，其余都安装在机内底板上。见图三面板示意图。面板左半部是频率和Q值显示，操作按键和频率调谐钮所在部位。面板右半部是调谐回路的主，付调电容所在部位。仪器的频段控制，标频设定，谐振点搜索，Q值合格点设置都以轻触按键实现控制，频率调谐由数码开关完成，面板上无一可调电位器，极大地简化了操作，又提高了可靠性。

面板各功能键说明：

1．频率显示数码管，共5位。

2．频率单位指示灯，MHz或kHz。

3．器件Q值合格指示灯，超过已设置的值时灯亮。

4．Q值指示数码管，共3位。

5．工作频段选择按键，每按一次，切换至低一个频段工作。

6．工作频段指示灯，表格内为对应的频段工作频率范围。

                        图三  面板和外形示意图

7．工作频段选择按键，每按一次，切换至高一个频段工作。

8．工作频段内，标准测试频率设置按键，各段内标准测试频率见面板功能部分。

9．器件谐振点搜索按键，右上角指示灯亮时表示仪器正工作在自动搜索。如需退出搜索，再按此键。

10．频率调谐数码开关。

11．Q值合格比较值设定按键。

12．Q值调谐指示表。

13．对应各工作频段的电感测量范围和标准测试频率表。

14．调谐回路的付调谐电容器调谐旋钮，它与主调谐电容并联，旋钮上方对应的窗口内是该电容的变化范围指示刻度盘(－3～+3P)。

15．调谐回路的主调电容调谐旋钮，上方对应的窗口内为主调电容的电容值和谐振时对应的测试电感值刻度盘。

16．电源开关

17．测试回路接线柱，左边两个为电感接入端，右边两个为外接电容接入端。

后面板各功能键说明：

图四  仪器后面板示意图

1．～220V电源输入三芯插座，内含保险丝0.5A／220V。

2．信号源工作频率监测输出端（TTL电平，阻抗1kΩ）。

三、使用方法

该仪器是一种多用途的阻抗测量仪器，为了提高测量精度，除了使Q值测试回路本身残余参量尽可能地小，使耦合回路的频响尽可能地好之外，还要掌握正确的测试方法和残余参数修正方法。

1．测试注意事项

a．本仪器应水平安放，校准Q值指示的电表机械零点。

b．如果你需要较精确地测量，请接通电源后，预热30分钟，再进行测试。

c．调节主调电容的电容量时，特别注意当刻度调到zui大或zui小值时，不要用力继续再调．

d．被测件和测试电路接线柱间的接线应尽量短，足够粗，并应接触良好可靠，以减少因接线的电阻和分布参数所带来的测量误差。

e．被测件不要直接搁在面板顶部，离顶部一公分以上，必要时可用低耗损的绝缘材料如聚苯乙烯等做成的衬垫物衬垫。

f．手不得靠近试件，以免人体感应影响造成测量误差，有屏蔽的试件，屏蔽罩应连接在低电位端的接线柱。

2．高频线圈的Q值测量(基本测量法)

A．直接法

a．将按测线圈接在“Lx”接线柱上；

b．选择适当的工作频段和工作频率；

c．将付调电容调至0；

d．调主调电容器到远离谐振点(使Q值电表指示zui小)；

e．先调主调电容器到谐振，再调微调电容器到精确的谐振点；即Q表读数达zui大，此读数即为被测电感的有效Q值(Qe)，若需得到被测电感的真实Q值(Qt)，则应先测出线圈分布电容C0，然后照下式修正：

C1是主调电容器谐振时读数(微调电容读数合计在内)，如谐振时C1的读数很大，C0只占很小比例，则有效Q值(Qe)和真实Q值(QT)差别可以忽略。

因Q值量程是自动切换的，因此在调谐时，如遇量程自动转换，应停顿一下，待Q值稳定后，根据读数值变大或变小，确定继续调电容的方向。

B．变容法

a．照直读法“a-f”进行，记下谐振时电容读数C1和Q1；

b．转动主调电容，使Q值二次指示均为Q1的0.707时，记下此时两次电容读数的差数ΔC。

倘要得到精确结果，则线圈的分布电容应加在C1之内，并应使主调电容作多次偏调，然后取其平均读数。

测Q值较高的线圈时，Q值下降到0.707 Q1时，电容偏调很小，读数误差较大，这时可将主电容作较大偏调(10％以内)，记下偏调数ΔC和偏调后的Q值读数Q2，这时Q值表达式为：

C. 变频法

a．按享读法“a-f”进行，在频率监视插座上接上精度优于

1×10-6的数字式频率计数器，记下谐振时读数C1和Q1以及频率读数f0。

b．改变信号源的频率使Q值二次指示为Q1的0.707(一次容性失谐，一次感性失谐)，记下此时二次频率读数差值Δf。这时回路的真实QT为：

考虑到线圈的分布电容时，线圈的有效Q值为：

变频法测量Q值一般表达式(未考虑分布电容)：

注：Δf是频率偏调数，Q1为谐振时Q表读数，Q2是偏调后Q表读数。

3．高频线圈电感值的测量

a．将被测线圈接在“Lx”接线柱上，接触要良好；

b．根据线圈大约电感值，在面板对照表上选择一标准频率，然后将讯号发生器调节到这一点标准频率上；

c．微调电容刻度放在“0”上，调节主调电容到谐振，这时刻度盘所指的电容数为C1，度盘上所指电感值，乘以对照表上所指的倍数，就是线圈有效电感值(L)；

d．如要得到真实电感数(LT)，必须先测得电感分布电容量C0，如分布电容较小的话，在调到谐振点后，记下主调电容C1，然后再将主调电容量调在“C1+C0”值上，这时度盘的电感读数乘以对应的倍数，就是所求真实电感读数，也可按以下公式计算求得：

f被测电感小于1μH时，按上法测得电感值还应减去仪器中测试回路本身剩余电感“L0”(本仪器L0=0.027μH)。

4．高频线圈分布电容C0的测量

A．倍频率法

如线圈的分布电容较大，可用此法作近似测试。

将被测线圈按在“Lx”接线柱上，调主调电容器到zui大电容数值，调讯号源频率到谐振，令谐振时频率和指示调谐电容分别是f1和C1。然后将讯号源频率调到f2(f2=n f1)，再调电容器度盘到谐振点，此时电容读数为C2，根据下式即可求出分布电容量(测量时微调电容到零)。

如取n=2，则为：C0=（C1－4C2）/ 3。

若取不同C1进行多次测量后取一个平均值，则测试结果将较为准确。

B．自然频率法(此法可获得较准确的结果)

a．将被测线圈接在“Lx”接线柱上；

b．将微调电容器度盘调至零，主调电容器度盘调到zui大电容值C1； 

c．调讯号源频率，使回路谐振，该频率为f1；

d．取下被测线圈，换上一个能在主调电容器调节范围内和十倍于f1频率谐振的电感；

e．讯号源调到10 f1位置，调节主调电容器到谐振点；

f．将被测线圈接在"Cx”两端，调节主调电容器达谐振，此时视电容读数是增加还是减小。若增加，则应将振荡器频率调高些，若减小，则频率调低些。

g．再取下被测线圈，调节主调电容达到谐振；

h．重复步骤“f”、“g”直到某一频率，被测线圈接上“Cx”两端和不接上均不改变谐振点，这一频率即为被测线圈的自然谐振频率f2，它的C0数值为：

          C0=C1 (f1／f2)2

注：测量中所需辅助线圈可由LKI-l电感组提供便利。

5．电容器容量的测量

A. 小于460pF电容器的测量

a．选一个适当的谐振电感接到“Lx”的两端；

b．将微调电容调至零，主调电容器调到zui大值附近，令这个电容是C1，如未知电容是小数值的，C1应调到较小电容值附近，以便达到尽可能高的分辨率；

c．调讯号源的频率，使测试回路谐振，令谐振器Q的读数为Q1；

d．将被测电容接在“Cx”两端，调主调电容器，使测试电路再谐振，令新的调谐电容值为C2和指示Q值为Q2。

被测电容的有效电容为Cx= C1－C2

电容器损耗角正切为

电容器的有效并联电阻为

C0为回路谐振电感的自身电容。

B．大于460pF电容器用替代法测量

a. 取一只适当容量的标准电容量，其容量为C3，将它接在“Cx”接线柱上。

b．按5A／a-c各测试步骤；

c．取下标准电容器，将被测电容接到"Cx”接线柱，调节主调电容器到谐振，此时主调电容量读数为C2，则Cx可由下式得到：

         Cx=C3+ C1－C2

6．Q合格预置功能使用

Q合格预置功能特别适用于工厂需大批量测试某同规格元件的Q值时，当该元件Q值超过某一给定值即为合格，这时合格指示灯亮仪器同时呜叫提醒，这样可减轻工人视力疲劳，同时大大加快了测试速度。

Q合格预置的步骤：

a．选择要求的测试频率；

b．用一只合格元件或一只辅助线圈调谐测试回路，使Q值读数指示在所需预置Q值位置上；

c．按一下Q值合格比较按键，使Q合格指示灯亮，同时仪器发出呜叫声，此时该功能设置就结束了；

d．换上要测试的器件，微调谐振电容至谐振点，如果该器件的Q值大于设定的Q值，Q合格指示灯就亮，同时仪器发出呜叫。如需取消已设置的合格值，只需拿去被测元件，待Q值指示0时，再按一下设置键即可。

7．标准测试频率按键的使用

如果你需在标准测试频率点上，测试器件时，你可以先按频段选择键选择好标准频率所在的工作频段，然后再按一下标准频率设置按键，仪器就会替你自动准确地设置好测试频率，省去你花时间去调节频率。

8．谐振点自动搜索功能的使用

如果你对电感元件无法确定它的数值时，你就可用该功能来帮你寻找出它的谐振频率点。步骤如下：

a．把元件接以接线柱上；

b．主调电容调到中间位上(大概)；

c．按一下搜索按键，右上角指示灯亮时，仪器就进入搜索状态。

仪器从zui低工作频率一直搜索到zui高工作频率，如果你的元件谐振点在频率覆盖区间内，搜索结束后，将会自动停在元件的谐振频率点附近。

如果临时要退出搜索状态，可再按一次搜索键，仪器会退出搜索操作。

9．频率调谐开关的使用。

频率调谐采用了数码开关，它能辨别使用者的要求，来调节频率变化的速率(频率变化值／档)，在你快速转换该开关时，频率变化速率也加快。当你缓慢调节开关时，频率变化速率也慢下来，zui低可小于分辨力。因此在调谐时接近所需的频率时，应放缓调节速度。当你调节的频率超出工作频段的频率时，仪器会自动选择低一个或高一个频段工作。实际的各工作频段频率范围比面板上提供的频率范围略宽一些。