材料的介電常數(shù)和介質損耗試驗儀

ZJD-B型材料的介電常數(shù)和介質損耗試驗儀

一、概述

ZJD-B型材料的介電常數(shù)和介質損耗試驗儀是我公司新一代通用、多用途、多量程的阻抗測試儀器。它以單片計算機作為儀器的控制、測量核心，真正實現(xiàn)了介質損耗及介電常數(shù)測試儀的數(shù)字化，電容、電感、Q值、信號源頻率都在一個液晶屏上展示出來。在你操作時，再也不用去注意量程和換算單位。在任何頻率下，只要能找到諧振點，都能直接讀出電感、電容值，大大擴展了電感的測量范圍，而不再是固定的幾個頻率下才能測出電感值的大小。采用DDS數(shù)字直接合成方式的內(nèi)部信號源，具有信號失真小，頻率精確、信號幅度穩(wěn)定的優(yōu)點，更保證了測量精度的精確性。另外還采用了標準頻率測試點自動設定，諧振點自動搜索，Q值量程手動或自動轉換，自動穩(wěn)幅等新技術，改進了調諧回路，使得調諧測試回路的殘余電感減至，使得新表在使用時更為方便，測量值更為精確。

二、工作特性

1．Q值測量

a．Q值測量范圍：2～1023。

b．Q值量程分檔：30、100、300、1000、自動換檔或手動換檔。

c．標稱誤差

2．電感測量范圍：14.5nH~8.14H

3．電容測量：1~ 460

注：大于直接測量范圍的電容測量見使用規(guī)則

4．信號源頻率覆蓋范圍

5．Q合格指示預置功能

預置范圍：5～1000。

6．介質損耗及介電常數(shù)測試儀正常工作條件

a.  環(huán)境溫度：0℃～+40℃；

b．相對濕度：<80％；

c．電源：220V±22V，50Hz±2.5Hz。

7．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。

三、工作原理

1．介質損耗及介電常數(shù)測試儀整機工作原理（見圖二）

圖  二

ZJD-B型介質損耗及介電常數(shù)測試儀的工作原理框圖如圖二所示。它以ATM128單片計算機作為控制核心，實現(xiàn)對各種功能的控制。DDS數(shù)字直接合成信號源為Q值測量提供了一個優(yōu)質的高頻信號。信號源輸出一路送到程控衰減器和自動穩(wěn)幅放大控制單元，該單元根據(jù)CPU的指令對信號衰減后送往信號激勵放大器，同時對信號檢波后送出一直流控制信號到壓控信號源實現(xiàn)自動穩(wěn)幅。信號激勵部分輸出送到一個寬帶分壓器，由分壓器饋給測試調諧回路一個恒定幅度的信號。當測試回路處于諧振狀態(tài)時，在調諧電容CT兩端的信號幅度將是分壓器提供的信號幅度Q倍。在CT兩端取得的調諧信號被信號放大單元適當放大后送到檢波和數(shù)字取樣單元，檢波后送到控制中心CPU去進行數(shù)據(jù)處理，

調諧電容傳感器，不斷地將電容變化的信息送往中心控制CPU。經(jīng)處理后計算出電容值，再根據(jù)頻率值計算出諧振時的頻率值。   

為了頻率調諧方便，CPU將信號源頻率范圍虛擬分為4個頻段。工作頻率值、頻段、主調電容器、諧振電感值、Q值、Q值比較設置狀態(tài)、Q值量程、手/自動狀態(tài)、Q值的量程、Q值調諧指示帶、，都由CPU送到液晶顯示屏，同時顯示出來，液晶顯示屏如圖三所示

圖  三

整個顯示屏共分為四行

行：左邊  信號源頻率指示，共6位。右邊  信號源虛擬頻段指示。

第二行：左邊  調諧電容指示值，4位。 右邊  電感指示值，4位。

第三行：左邊  Q值指示值。右邊  Q值合格比較狀態(tài)（COMP OK 或 COMP NO）

第四行：左邊  Q值量程，手動/自動（man/auto）切換指示/調諧點自動搜索指示

右邊上部  Q值量程范圍指示 

右邊下部  Q值調諧光帶指示 

四、結構特性

ZJD-B型介質損耗及介電常數(shù)測試儀采用了較低的臺式機箱，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，其余都安裝在機內(nèi)底板上。見圖四面板示意圖。面板左半部是頻率和Q值顯示，操作按鍵和頻率調諧旋紐所在部位。面板右半部是調諧回路的調諧電容器所在部位。

儀器的頻段控制，標頻設定，諧振點搜索，Q值合格點設置都以輕觸按鍵實現(xiàn)控制，頻率調諧由數(shù)碼開關完成，面板上無一可調電位器，極大地簡化了操作，又提高了可靠性。

A．前面板各功能鍵說明：

 圖 四  前面板和外形示意圖

1．液晶顯示屏。

2．工作頻段選擇按鍵，每按一次，切換至低一個頻段工作。

工作頻段選擇按鍵，每按一次，切換至高一個頻段工作。

3．工作頻段內(nèi)，標準測試頻率設置按鍵，各段內(nèi)標準測試頻率見面板功能部分。

4．器件諧振點搜索按鍵，顯示屏第四行左部出現(xiàn)SWEEP時表示儀器正工作在自動搜索。如需退出搜索，再按此鍵。

5．頻率調諧數(shù)碼開關。

6．Q值合格比較值設定按鍵。

7．對應各工作頻段的頻率范圍和標準測試頻率表。

8．調諧回路的電容調諧旋鈕。

9．電源開關

10．Q值量程自動/手動控制方式選擇按鍵。

11.  Q值量程手動方式時，低一檔量程選擇按鍵。

Q值量程手動方式時，高一檔量程選擇按鍵。

B．后面板各功能鍵說明：

圖  五  Q表后面板示意圖

1．～220V電源輸入三芯插座，內(nèi)含保險絲0.5A／220V。

2．信號源工作頻率監(jiān)測輸出端（阻抗1kΩ）。

五、使用方法

介質損耗及介電常數(shù)測試儀是多用途的阻抗測量儀器，為了提高測量精度，除了使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

a．本儀器應水平安放。

b．如果你需要較精確地測量，請接通電源后，預熱30分鐘，將調諧電容從小到大緩慢地調一次，CPU將自動對顯示的電容進行溫度補償，然后再進行測試。

c．調節(jié)主調電容的電容量時，特別注意當刻度調到或最小值時，不要用力繼續(xù)再調．

d．被測件和測試電路接線柱間的接線應盡量短，足夠粗，并應接觸良好、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，以免人體感應影響造成測量誤差，有屏蔽的試件，屏蔽罩應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?shù)墓ぷ黝l段和工作頻率；

c．先調調諧電容器到諧振點，即Q表讀數(shù)達，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Q值(Qt)，則應先測出線圈分布電容C0，然后照下式修正：

C1是調諧電容器諧振時讀數(shù)，如諧振時C1的讀數(shù)很大，C0只占很小比例，則有效Q值(Qe)和真實Q值(QT)差別可以忽略。

當Q值量程選擇自動切換時，在調諧時，如遇量程自動轉換，應停頓一下，待Q值穩(wěn)定后，根據(jù)讀數(shù)值變大或變小，確定繼續(xù)調電容的方向。

B．變?nèi)莘?/span>

a．照直讀法“a-c"進行，記下諧振時電容讀數(shù)C1和Q1；

b．轉動主調電容，使Q值二次指示均為Q1的0.707時，記下此時兩次電容讀數(shù)的差數(shù)ΔC。

要想得到精確結果，則線圈的分布電容應加在C1之內(nèi)，并應使主調電容作多次偏調，然后取其平均讀數(shù)。

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

C. 變頻法

a．按直讀法“a-c"進行，記下諧振時讀數(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)，記下此時二次頻率讀數(shù)差值Δf。這時回路的真實QT為：

考慮到線圈的分布電容時，線圈的有效Q值為：

變頻法測量Q值一般表達式(未考慮分布電容)：

注：Δf是頻率偏調數(shù)，Q1為諧振時Q表讀數(shù)，Q2是偏調后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，按所需選一個合適的頻率以保證能諧振；

c．如要得到真實電感數(shù)(LT)，必須先測得電感分布電容量C0，如分布電容較小的話，在調到諧振點后，記下主調電容C1，然后再將主調電容量調在“C1+C0"值上，這時顯示屏L就是所求真實電感讀數(shù)，也可按以下公式計算求得：

f被測電感小于1μH時，按上法測得電感值還應減去儀器中測試回路本身剩余電感“L0"(QBG-3D L0=26nH)。

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，調調諧電容器到電容數(shù)值，調信號源頻率到諧振，當諧振時頻率和指示調諧電容分別是f1和C1。然后將信號源頻率調到 f2(f2=nf1)，調電容器到諧振點，此時電容讀數(shù)為C2，根據(jù)下式即可求出分布電容量。

如取 n=2，則為：C0=(C1－4C2) /3

若取不同C1進行多次測量后取一個平均值，則測試結果將較為準確。

B．自然頻率法(此法可獲得較準確的結果)

a．將被測線圈接在“Lx"接線柱上；

b．調諧電容器調到電容值C1； 

c．調信號源頻率，使回路諧振，該頻率為f1；

d．取下被測線圈，換上一個能在調諧電容器調節(jié)范圍內(nèi)和十倍于f1頻率諧振的電感；

e．信號源調到10 f1位置，調節(jié)調諧電容器到諧振點；

f．將被測線圈接在“Cx"兩端，調節(jié)調諧電容器達諧振，此時視電容讀數(shù)是增加還是減小。若增加，則應將振蕩器頻率調高些，若減小，則頻率調低些。

g．再取下被測線圈，調節(jié)主調電容達到諧振；

h．重復步驟“f"、“g"直到某一頻率，被測線圈接上“C"兩端和不接上均不改變諧振點，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. 在測量范圍內(nèi)的小于主調電容量的電容器的測量

a．選一個適當?shù)闹C振電感接到“Lx"的兩端；

b．將調諧電容器調到值附近，令這個電容是C1，如未知電容是小數(shù)值的，C1應調到較小電容值附近，以便達到盡可能高的分辨率；

c．調信號源的頻率，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，調節(jié)調諧電容器，使測試電路再諧振，令新的調諧電容值為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．大于調諧電容量的電容器用可替代法測量

a. 取一只適當容量的標準電容量，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．取下標準電容器，將被測電容接到“Cx"接線柱，調節(jié)調諧電容器到諧振，此時主調電容量讀數(shù)為C2，則Cx可由下式得到：

               Cx = C3 + C1－C2

6．Q合格預置功能使用

Q合格預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，當該元件Q值超過某一給定值即為合格，這時液晶顯示屏顯示“OK"，儀器同時嗚叫提醒，這樣可減輕工人視力疲勞，同時大大加快了測試速度。

Q合格預置的步驟：

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諧測試回路，使Q值讀數(shù)指示在所需預置Q值位置上；

c．按一下Q值合格比較按鍵，使顯示屏第三行右邊顯示“COMP OK或NO"，同時儀器發(fā)出嗚叫聲，此時該功能設置就結束了；

d．換上要測試的器件，微調諧振電容至諧振點，如果該器件的Q值大于設定的Q值，Q合格指示“OK"，同時儀器發(fā)出嗚叫。如需取消已設置的合格值，只要再按一下設置鍵即可。

7．標準測試頻率按鍵的使用

如果你需在標準測試頻率點上，測試器件時，你可以先按頻段選擇鍵選擇好標準頻率所在的工作頻段，然后再按一下標頻按鍵（具體標準測試頻率印在面板上），儀器就會替你自動準確地設置好測試頻率，省去你花時間去調節(jié)頻率。

8．諧振點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，你就可用該功能來幫你尋找出它的諧振頻率點。步驟如下：

a．把元件接以接線柱上；

b．主調電容調到中間位上（大概）；

c．按一下搜索按鍵，顯示屏左下部顯示“SWEEP"，儀器就進入搜索狀態(tài)。

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

如果臨時要退出搜索狀態(tài)，可再按一次搜索鍵，儀器會退出搜索操作。

9．頻率調諧開關的使用。

ZJD-B介質損耗及介電常數(shù)測試儀的頻率調諧采用了數(shù)碼開關，它能辨別使用者的要求，來調節(jié)頻率變化的速率(頻率變化值／檔)，在你快速調節(jié)該開關時，頻率變化速率也加快。當你緩慢調節(jié)開關時，頻率變化速率也慢下來，可小于分辨力。因此在調諧時接近所需的頻率時，應放緩調節(jié)速度。當你調節(jié)的頻率超出工作頻段的頻率時，儀器會自動選擇低一個或高一個頻段工作。

六、維修

1．新購儀器的檢查

新購的儀器能先用LKI-1電感組，將各個電感在各個不同頻率測試Q值，把測試的情況，例使用的電感號，測試頻率Q讀數(shù)，電容讀數(shù)等多次測得數(shù)及測試環(huán)境條件逐一詳細記錄，并把記錄保存起來，以供以后維修時作參考。

LKI-1電感組是測試時作輔助電感用的，不能把這些電感當作高精度的標準電感看待。隨著測試環(huán)境條件不同，測得電感器Q值和分布電容可能略有不同。

2．使用和保養(yǎng)

介質損耗及介電常數(shù)測試儀是比較精密的阻抗測量儀器，在合理使用和注意保養(yǎng)情況下，才能保證長期穩(wěn)定和較高的測試精度。

a．熟悉本說明書，正確地使用儀器；

b．使儀器經(jīng)常保持清潔、干燥；

c．本儀器保用期為18個月，如發(fā)現(xiàn)機械故障或失去準確度，可以原封送回本廠，免費修理。

3．電感組

LKI-1電感組是測試作輔助用的，它含有9個屏蔽罩屏蔽的電感。這些電感具有較高的Q值。各電感的電感量等數(shù)據(jù)如附表一。

附表一  LKI-1電感組

附：介質損耗及介電常數(shù)測試儀在測量Q值時附加說明

ZJD-B型介質損耗及介電常數(shù)測試儀，在測試Q值時，已對調試回路殘量進行了修正，故不需要對Q值進行均值修正

七、產(chǎn)品的交收檢驗

1．檢驗環(huán)境要求

a．環(huán)境溫度：20℃±2℃  相對濕度<50％；

b．供電電源：220V±10V  50Hz±1Hz；

c．被檢設備要預熱30分鐘以上。

2．檢驗設備要求

a．設備應在計量后的有效使用期內(nèi)；

b．檢驗設備應按儀器規(guī)定預熱。

3．Q值指示檢驗

a．檢驗設備：BQG-2標準線圈一套；

b．把標準Q值線圈接入介質損耗及介電常數(shù)測試儀電感接線柱上；

c．選擇標準Q值線圈所規(guī)定的檢定頻率；

d．介質損耗及介電常數(shù)測試儀的Q值讀數(shù)的相對誤差應符合二.1.C條固有誤差所規(guī)定。

本機均值系數(shù)見附表二。

4．調諧電容器準確度檢驗

a. 測試時如發(fā)現(xiàn)干擾，應斷開內(nèi)部信號源，主調電容從小到大緩慢地調一次；

b．設備連接如圖六所示，連接線應盡量短，盡可能減小分布電容；

c．電容測試儀技術指標

測試范圍：10-550pF、±5pF；

測試精度：10-550pF±0.1％、±5pF±0.05pF；

圖  六

d．調諧電容器刻度盤上指示值與電容測試儀指示值之間誤差應符合二.3.條規(guī)定。

5．頻率指示誤差檢驗

a．設備連接如圖七所示

圖  七

b．從后面板的頻率監(jiān)測端用BNC電纜連至頻率計數(shù)器輸入端；

c．頻率計數(shù)器技術要求

測量范圍：10Hz-1000MHz；

測量誤差：<1×10^-6；

測量靈敏度：<30mV；

d．測試線要求：高頻電纜SYV-50-3；

e．介質損耗及介電常數(shù)測試儀頻率指示值與頻率計數(shù)器讀數(shù)值間的誤差應符合二.4條規(guī)定。

附：

介質損耗測試裝置

使用說明

一. 概述

介質損耗測試裝置與ZJD-B型介質損耗及介電常數(shù)測試儀配用，能對絕緣材料進行高頻介質損耗角正切值和介電常數(shù)的測試。

二. 工作特性

1.平板電容器

極片尺寸：φ25.4mm

極片間距可調范圍和分辨率：≥10mm，±0.01mm

2.園筒電容器

電容量線性：0.33pF / mm±0.05 pF

長度可調范圍和分辨率：≥0～20mm，±0.01mm

3.夾具插頭間距：25mm±1mm

4.夾角損耗角正切值：≤4×10^－4（1MHz時）

三. 工作原理：

本測試裝置是由二只測微電容器組成，平板電容器一般用來夾持被測樣品，園筒電容器是一只分辨率高達0.0033pF的線性可變電容器，配用介質損耗及介電常數(shù)測試儀作為指示儀器，絕緣材料的損耗角正切值是通過被測樣品放進平板電容器和不放進樣品的Q值變化，由園筒電容器的刻度讀值變化值而換算得到的。同時，由平板電容器的刻度讀值變化而換算得到介電常數(shù)。

四. 使用方法

被測樣品的準備

1.被測樣品要求為園形，直徑25.4～27mm，這是減小因樣品邊緣泄漏和邊緣電場引起的誤差的有效辦法。樣品厚度可在1～5mm之間，如太薄或太厚則測試精度就會下降，樣品要盡可能平直。

2.下面推薦一種能提高測試精確性的方法：準備二片厚0.05mm的園形錫膜，直徑和平板電容器極片一致，錫膜兩面均勻地涂上一層薄薄的凡士林，它起粘著作用，又能排除接觸面之間殘余空氣，把

錫膜再粘在平板電容器兩個極片上，粘好后，極片呈鏡面狀為佳，

然后放上被測樣品。

測試順序

1.先要詳細了解配用ZJD-B表的使用方法，操作時，要避免人體感應的影響。

2.把介質損耗及介電常數(shù)測試儀主調電容置于較小電容量。

3.把本測試裝置插到介質損耗及介電常數(shù)測試儀測試回路的“電容"兩個端子上。

4.選擇適當?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（材料的工作頻率），調5.節(jié)測試電路電容器使電路諧振。（配套使用的LKI-1電感組能滿足要求）。

6.調節(jié)平板電容器測微桿，使二極片相接為止，讀取刻度值記為D_O。

7.再松開二極片，把被測樣品插入二極片之間，調節(jié)平板電容器，到二極片夾住樣品止（注意調節(jié)時要用測微桿，以免夾得過緊或過松），這時能讀取新的刻度值，記為D₁，這時樣品厚度D₂= D₁－D₀。

8.把園筒電容器置于5mm處。

9.改變介質損耗及介電常數(shù)測試儀的主調電容，使之諧振，讀得Q值。

10.先順時針方向，后逆時針方向，調節(jié)園筒電容器，讀取當介質損耗及介電常數(shù)測試儀指示Q值為原值的一半時測微桿上二個刻度值，取這二個值之差，記為M₁。

11.再調節(jié)園筒電容器，使介質損耗及介電常數(shù)測試儀再次諧振。

a.取 出 平 板 電 容 器 中 的 樣 品 ，這 時介質損耗及介電常數(shù)測試儀 又 失 諧，調 節(jié) 平 板電容器，b.使再諧振，讀取測微桿上的讀值D₃，其變化值為 D₄= D₃－D₀。

和h款操作一樣，得到新的二個值之差，記為M₂。

3. 計算測試結果

被測樣品的介電常數(shù)：Σ＝D₂ / D₄

被測樣品的損耗角正切值：tgδ＝K（M₁－M₂ ）/ 15.5

式中：K為圓筒電容器線性變化率，一般為0.33 / mm。

4. 其他應用使用方法

使用本測試裝置和介質損耗及介電常數(shù)測試儀配用，對絕緣材料以及其他高阻性能的薄材，列如：優(yōu)質紙張、優(yōu)質木材、粉壓片料等，進行相對測量，其測試方法就非常簡便、實用，采取被測樣品和標準樣品相比較方法，就能靈敏地區(qū)別二者之間的輕微差別，例如含水量、配用原料變動等等。

測試時先把標準樣品放入平板電容器，調節(jié)介質損耗及介電常數(shù)測試儀頻率，諧振后讀得Q值，再換上被測樣品，調節(jié)園筒電位器，再諧振，看Q值變化，如Q值變化很小，說明標準樣品和被測樣品高頻損耗值一致，反之說明二者性能有區(qū)別，如園筒電容器調節(jié)不能再諧振，通過調節(jié)介質損耗及介電常數(shù)測試儀頻率才能諧振，且頻率變化較大，說明被測樣品和標準樣品的配用原材料相差較大。

五. 維修方法

本測試裝置是由精密機械構件組成的測微設備，所以在使用和

保存時要避免振動和碰撞，要求在不含腐蝕氣體和干燥的環(huán)境中使用和保存，用戶不能自行拆裝，否則其工作性能就不能保證，如測

試夾具受到碰撞，或者作為定期檢查，要檢測以下幾個指標：

平板電容器二極片平行度不超過0.02mm。

園筒電容器的軸和軸同心度誤差不超過0.1mm。

保證二個測微桿0.01mm分辨率。

用精密電容測量儀（±0.01pF分辨率）測量園筒電容器，電容呈線性率，從0~20mm，每隔1mm測試一點，要求符合工作特性要求。