介電常數測試儀

一、概述

介質損耗和介電常數是各種電瓷、裝置瓷、電容器等陶瓷，還有復合材料等的一項重要的物理性質，通過測定介質損耗角正切tanδ及介電常數（ε），可進一步了解影響介質損耗和介電常數的各種因素，為提高材料的性能提供依據；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。它以單片計算機作為儀器的控制，測量核心采用了頻率數字鎖定，標準頻率測試點自動設定，諧振點自動搜索，Q值量程自動轉換，數值顯示等新技術，改進了調諧回路，使得調諧測試回路的殘余電感減至zui低，并保留了原Q表中自動穩幅等技術，使得新儀器在使用時更為方便，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損耗，高頻回路有效并聯及串聯電阻，傳輸線的特性阻抗等。該儀器用于科研機關、學校、工廠等單位對無機非金屬新材料性能的應用研究。儀器遵從標準：GB/T5594.4-1985。

二、儀器的技術指標

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則)；

b．電容量調節范圍

      主調電容器：40～500pF；

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

      微調電容量：－3pF～0～＋3pF；

      準  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個字。

5．Q合格指示預置功能，預置范圍：5～999。

6．儀器正常工作條件

a. 環境溫度：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），Φ25~35mm（ε=12~30時），Φ15~20mm（ε>30時）

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。

三、實驗步驟：

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，采用穩壓電源，以保證測試條件的穩定。

2．開機預熱15分鐘，使儀器恢復正常狀態后才能開始測試。

3．按部件標準制備好的陶瓷試樣，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．選擇適當的輔助線圈插入電感接線柱。根據需要選擇振蕩器頻率，調節測試電路電容器使電路諧振。假定諧振時電容為C1，品質因素為Q1。

5． 將被測樣品接在“CX”接線柱上。

6．再調節測試電路電容器使電路諧振，這時電容為C2，可以直接讀出Q2，并且Q2= Q1－△Q，。

7．用游標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數據，再取其平均值）。

8.方形式樣按其邊長的4倍計算Φ值 

四、實驗結果

1．tanδ和ε測定記錄

實驗數據按表1要求填寫。

表1                  tanδ和ε測定記錄表

2．計算

1）介電常數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）介質損耗角正切tanδ

              tanδ=      *      =      *

3) Q值

               Q =    =     *

五、注意事項

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條件。

2．電壓或頻率的劇烈波動常使電橋不能達到良好的平衡，所以測定時，電壓和頻率要求穩定，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，應嚴格避免試樣吸潮。

5．在測量過程中，注意隨時檢查電橋本體屏蔽的情況，當電橋真正達到平衡，“本體-屏蔽”開關置于任何一邊時，檢查計光帶均應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表是根據串聯諧振原理設計，以諧振電壓的比值來定位Q值。“Q”表示元件或系統的“品質因數”，其物理含義是在一個振蕩周期內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的電抗與電阻之比。

2．整機工作原理

儀器的工作原理框圖如圖二。它以89C51單片計算機作為控制核心，實現對各種功能的控制。壓控信號源為Q值測量提供了一個優質的高頻信號，頻率從25kHz-50MHz，共分為七個波段。信號源的頻率受頻率調諧和數字鎖定單元的控制。信號源輸出一路送到程控衰減器和自動穩幅控制單元，該單元根據CPU的指令對信號衰減后送回信號激勵單元，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自動穩幅。信號源的另一路輸出送到頻率計數電路，在這里完成對信號的整形，預計數，然后再送到CPU實現計數。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字取樣單元，檢波后經數碼取樣轉換，送到控制中心CPU去進行數據處理，同時再送給面板Q調諧指示表。由控制中心CPU處理過的頻率值，Q值等其它需顯示數據送到顯示控制CPU，由顯示控制CPU完成面板顯示的控制。   

二、結構特性

    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，安裝在面板上外，其余都安裝在機內底板上。見圖三面板示意圖。面板左半部是頻率和Q值顯示，操作按鍵和頻率調諧鈕所在部位。面板右半部是調諧回路的主，付調電容所在部位。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控制，頻率調諧由數碼開關完成，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。

面板各功能鍵說明：

1．頻率顯示數碼管，共5位。

2．頻率單位指示燈，MHz或kHz。

3．器件Q值合格指示燈，超過已設置的值時燈亮。

4．Q值指示數碼管，共3位。

5．工作頻段選擇按鍵，每按一次，切換至低一個頻段工作。

6．工作頻段指示燈，表格內為對應的頻段工作頻率范圍。

7．工作頻段選擇按鍵，每按一次，切換至高一個頻段工作。

8．工作頻段內，標準測試頻率設置按鍵，各段內標準測試頻率見面板功能部分。

9．器件諧振點搜索按鍵，右上角指示燈亮時表示儀器正工作在自動搜索。如需退出搜索，再按此鍵。

10．頻率調諧數碼開關。

11．Q值合格比較值設定按鍵。

12．Q值調諧指示表。

13．對應各工作頻段的電感測量范圍和標準測試頻率表。

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

15．調諧回路的主調電容調諧旋鈕，上方對應的窗口內為主調電容的電容值和諧振時對應的測試電感值刻度盤。

16．電源開關

17．測試回路接線柱，左邊兩個為電感接入端，右邊兩個為外接電容接入端。

1．～220V電源輸入三芯插座，內含保險絲0.5A／220V。

2．信號源工作頻率監測輸出端（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修正方法。

1．測試注意事項

a．本儀器應水平安放，校準Q值指示的電表機械零點。

b．如果你需要較精確地測量，請接通電源后，預熱30分鐘，再進行測試。

c．調節主調電容的電容量時，特別注意當刻度調到zui大或zui小值時，不要用力繼續再調．

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．選擇適當的工作頻段和工作頻率；

c．將付調電容調至0；

d．調主調電容器到遠離諧振點(使Q值電表指示zui小)；

e．先調主調電容器到諧振，再調微調電容器到精確的諧振點；即Q表讀數達zui大，此讀數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是主調電容器諧振時讀數(微調電容讀數合計在內)，如諧振時C1的讀數很大，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。

因Q值量程是自動切換的，因此在調諧時，如遇量程自動轉換，應停頓一下，待Q值穩定后，根據讀數值變大或變小，確定繼續調電容的方向。

B．變容法

a．照直讀法“a-f”進行，記下諧振時電容讀數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的差數ΔC。

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

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

            
 C. 變頻法

a．按享讀法“a-f”進行，在頻率監視插座上接上精度優于

1×10-6的數字式頻率計數器，記下諧振時讀數C1和Q1以及頻率讀數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，Q1為諧振時Q表讀數，Q2是偏調后Q表讀數。

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．根據線圈大約電感值，在面板對照表上選擇一標準頻率，然后將訊號發生器調節到這一點標準頻率上；

c．微調電容刻度放在“0”上，調節主調電容到諧振，這時刻度盤所指的電容數為C1，度盤上所指電感值，乘以對照表上所指的倍數，就是線圈有效電感值(L)；

d．如要得到真實電感數(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，這時度盤的電感讀數乘以對應的倍數，就是所求真實電感讀數，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”(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，調主調電容器到zui大電容數值，調訊號源頻率到諧振，令諧振時頻率和指示調諧電容分別是f1和C1。然后將訊號源頻率調到f2(f2=n f1)，再調電容器度盤到諧振點，此時電容讀數為C2，根據下式即可求出分布電容量(測量時微調電容到零)。

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．將微調電容器度盤調至零，主調電容器度盤調到zui大電容值C1； 

c．調訊號源頻率，使回路諧振，該頻率為f1；

d．取下被測線圈，換上一個能在主調電容器調節范圍內和十倍于f1頻率諧振的電感；

e．訊號源調到10 f1位置，調節主調電容器到諧振點；

f．將被測線圈接在"Cx”兩端，調節主調電容器達諧振，此時視電容讀數是增加還是減小。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“Cx”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．選一個適當的諧振電感接到“Lx”的兩端；

b．將微調電容調至零，主調電容器調到zui大值附近，令這個電容是C1，如未知電容是小數值的，C1應調到較小電容值附近，以便達到盡可能高的分辨率；

c．調訊號源的頻率，使測試回路諧振，令諧振器Q的讀數為Q1；

d．將被測電容接在“Cx”兩端，調主調電容器，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，調節主調電容器到諧振，此時主調電容量讀數為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，這時合格指示燈亮儀器同時嗚叫提醒，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Q合格指示燈亮，同時儀器發出嗚叫聲，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合格指示燈就亮，同時儀器發出嗚叫。如需取消已設置的合格值，只需拿去被測元件，待Q值指示0時，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，然后再按一下標準頻率設置按鍵，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，右上角指示燈亮時，儀器就進入搜索狀態。

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在頻率覆蓋區間內，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，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。

頻率調諧采用了數碼開關，它能辨別使用者的要求，來調節頻率變化的速率(頻率變化值／檔)，在你快速轉換該開關時，頻率變化速率也加快。當你緩慢調節開關時，頻率變化速率也慢下來，zui低可小于分辨力。因此在調諧時接近所需的頻率時，應放緩調節速度。當你調節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。實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。

四、維修

1．新購儀器的檢查

新購的儀器能選用LKI-2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，電容讀數等多次測得數及測試環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-2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

儀器是比較精密的阻抗測量儀器，在合理使用和注意保養情況下，才能保證長期穩定和較高的測試精度。

a．熟悉本說明書，正確地使用儀器；

b．使儀器經常保持清潔、干燥；

c．本儀器保用期為一年，如發現機械故障或失去準確度，可以原封送回本廠，免費修理。

附表一  LKI-2電感組

附：在測量Q值時附加說明

3．電感組

Q表是根據串聯諧振和電壓比值原理工作的，Q表的指示Q值是包括被測件的有效Q值及測試回路固有殘量在內的整個諧振回路有效Q值，必須用Q表測試回路殘量修正Q表的指示Q值，這是Q表測量的一個重要特點。

附表二  各Q值均值回路指示 和測試回路平均殘量修正系數表

Qe：標準有效Q值

在一般情況下，Q表作為低精度儀器使用或利用Q表對線圈作比較測量時，可不必對殘量的影響進行修正。

Q值測量誤差可按Q值參考標準不同分為二類。

我廠采用的一種是以Q表生產廠家所提供并經計量部門審核的均值回路標準指示值Qen為參考標準，Q表指示Q值Qi的相對誤差由下式表示：

δQi=[(Qi-Qen)÷Qen]× 100％

式中Qi為標有Qen值標準量具在Q表上的實際指示值。

注：修正系數主要用于用戶測量一個器件Q值時，根據指示的Qi值換算出較準礎的Q值。

五、產品的交收檢驗

1．檢驗環境要求：

a．環境溫度：20℃±2℃  相對濕度<50％；

b．供電電源：220V±10V  50Hz±1Hz。

2．檢驗設備要求：

a．設備應在計量后的有效使用期內。

3．Q值指示檢驗

a．檢驗設備：ZJD-A標準線圈一套；

b．把標準Q值線圈接入ZJD-A電感接線柱上；

c．選擇標準Q值線圈所規定的檢定頻率；

d．ZJD-A表的Q值讀數與標準線圈的本機均值，Qen 間的相對誤差應符合二.1.C條固有誤差所規定。

本機均值系數見附表二。

4．調諧電容器準確度檢驗

a. 測試時應斷開Q表電源；

b．設備連接如圖五所示，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：30-550pF、±5pF；

   測試精度：30-550pF±0.1％、±5pF±0.05pF；

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.b條規定。

5．頻率指示誤差檢驗

a．設備連接

c．頻率計數器技術要求

   測量范圍：10Hz-100MHz；

   測量誤差：<1×10-6；

   測量靈敏度：<30mV；

d．測試線要求：高頻電纜$YV-50-3；

e．Q表頻率指示值與頻率計數器讀數值間的誤差應符合二.4.C條規定。