材料的介电常数和介质损耗试验仪

ZJD-B型材料的介电常数和介质损耗试验仪

一、概述

ZJD-B型材料的介电常数和介质损耗试验仪是我公司新一代通用、多用途、多量程的阻抗测试仪器。它以单片计算机作为仪器的控制、测量核心，真正实现了介质损耗及介电常数测试仪的数字化，电容、电感、Q值、信号源频率都在一个液晶屏上展示出来。在你操作时，再也不用去注意量程和换算单位。在任何频率下，只要能找到谐振点，都能直接读出电感、电容值，大大扩展了电感的测量范围，而不再是固定的几个频率下才能测出电感值的大小。采用DDS数字直接合成方式的内部信号源，具有信号失真小，频率精确、信号幅度稳定的优点，更保证了测量精度的精确性。另外还采用了标准频率测试点自动设定，谐振点自动搜索，Q值量程手动或自动转换，自动稳幅等新技术，改进了调谐回路，使得调谐测试回路的残余电感减至，使得新表在使用时更为方便，测量值更为精确。

二、工作特性

1．Q值测量

a．Q值测量范围：2～1023。

b．Q值量程分档：30、100、300、1000、自动换档或手动换档。

c．标称误差

2．电感测量范围：14.5nH~8.14H

3．电容测量：1~ 460

注：大于直接测量范围的电容测量见使用规则

4．信号源频率覆盖范围

5．Q合格指示预置功能

预置范围：5～1000。

6．介质损耗及介电常数测试仪正常工作条件

a.  环境温度：0℃～+40℃；

b．相对湿度：<80％；

c．电源：220V±22V，50Hz±2.5Hz。

7．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。

三、工作原理

1．介质损耗及介电常数测试仪整机工作原理（见图二）

图  二

ZJD-B型介质损耗及介电常数测试仪的工作原理框图如图二所示。它以ATM128单片计算机作为控制核心，实现对各种功能的控制。DDS数字直接合成信号源为Q值测量提供了一个优质的高频信号。信号源输出一路送到程控衰减器和自动稳幅放大控制单元，该单元根据CPU的指令对信号衰减后送往信号激励放大器，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，检波后送到控制中心CPU去进行数据处理，

调谐电容传感器，不断地将电容变化的信息送往中心控制CPU。经处理后计算出电容值，再根据频率值计算出谐振时的频率值。   

为了频率调谐方便，CPU将信号源频率范围虚拟分为4个频段。工作频率值、频段、主调电容器、谐振电感值、Q值、Q值比较设置状态、Q值量程、手/自动状态、Q值的量程、Q值调谐指示带、，都由CPU送到液晶显示屏，同时显示出来，液晶显示屏如图三所示

图  三

整个显示屏共分为四行

行：左边  信号源频率指示，共6位。右边  信号源虚拟频段指示。

第二行：左边  调谐电容指示值，4位。 右边  电感指示值，4位。

第三行：左边  Q值指示值。右边  Q值合格比较状态（COMP OK 或 COMP NO）

第四行：左边  Q值量程，手动/自动（man/auto）切换指示/调谐点自动搜索指示

右边上部  Q值量程范围指示 

右边下部  Q值调谐光带指示 

四、结构特性

ZJD-B型介质损耗及介电常数测试仪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。见图四面板示意图。面板左半部是频率和Q值显示，操作按键和频率调谐旋纽所在部位。面板右半部是调谐回路的调谐电容器所在部位。

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。

A．前面板各功能键说明：

 图 四  前面板和外形示意图

1．液晶显示屏。

2．工作频段选择按键，每按一次，切换至低一个频段工作。

工作频段选择按键，每按一次，切换至高一个频段工作。

3．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。

4．器件谐振点搜索按键，显示屏第四行左部出现SWEEP时表示仪器正工作在自动搜索。如需退出搜索，再按此键。

5．频率调谐数码开关。

6．Q值合格比较值设定按键。

7．对应各工作频段的频率范围和标准测试频率表。

8．调谐回路的电容调谐旋钮。

9．电源开关

10．Q值量程自动/手动控制方式选择按键。

11.  Q值量程手动方式时，低一档量程选择按键。

Q值量程手动方式时，高一档量程选择按键。

B．后面板各功能键说明：

图  五  Q表后面板示意图

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（阻抗1kΩ）。

五、使用方法

介质损耗及介电常数测试仪是多用途的阻抗测量仪器，为了提高测量精度，除了使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。

b．如果你需要较精确地测量，请接通电源后，预热30分钟，将调谐电容从小到大缓慢地调一次，CPU将自动对显示的电容进行温度补偿，然后再进行测试。

c．调节主调电容的电容量时，特别注意当刻度调到或最小值时，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．先调调谐电容器到谐振点，即Q表读数达，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是调谐电容器谐振时读数，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。

当Q值量程选择自动切换时，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-c”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。

要想得到精确结果，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．按直读法“a-c”进行，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，按所需选一个合适的频率以保证能谐振；

c．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，这时显示屏L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”(QBG-3D L0=26nH)。

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，调调谐电容器到电容数值，调信号源频率到谐振，当谐振时频率和指示调谐电容分别是f1和C1。然后将信号源频率调到 f2(f2=nf1)，调电容器到谐振点，此时电容读数为C2，根据下式即可求出分布电容量。

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．调谐电容器调到电容值C1； 

c．调信号源频率，使回路谐振，该频率为f1；

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

e．信号源调到10 f1位置，调节调谐电容器到谐振点；

f．将被测线圈接在“Cx”两端，调节调谐电容器达谐振，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“C”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. 在测量范围内的小于主调电容量的电容器的测量

a．选一个适当的谐振电感接到“Lx”的两端；

b．将调谐电容器调到值附近，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．调信号源的频率，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，调节调谐电容器，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．大于调谐电容量的电容器用可替代法测量

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，调节调谐电容器到谐振，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，这时液晶显示屏显示“OK”，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，使显示屏第三行右边显示“COMP OK或NO”，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“OK”，同时仪器发出呜叫。如需取消已设置的合格值，只要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，然后再按一下标频按键（具体标准测试频率印在面板上），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，显示屏左下部显示“SWEEP”，仪器就进入搜索状态。

仪器从工作频率一直搜索到工作频率，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。

ZJD-B介质损耗及介电常数测试仪的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)，在你快速调节该开关时，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，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。

六、维修

1．新购仪器的检查

新购的仪器能先用LKI-1电感组，将各个电感在各个不同频率测试Q值，把测试的情况，例使用的电感号，测试频率Q读数，电容读数等多次测得数及测试环境条件逐一详细记录，并把记录保存起来，以供以后维修时作参考。

LKI-1电感组是测试时作辅助电感用的，不能把这些电感当作高精度的标准电感看待。随着测试环境条件不同，测得电感器Q值和分布电容可能略有不同。

2．使用和保养

介质损耗及介电常数测试仪是比较精密的阻抗测量仪器，在合理使用和注意保养情况下，才能保证长期稳定和较高的测试精度。

a．熟悉本说明书，正确地使用仪器；

b．使仪器经常保持清洁、干燥；

c．本仪器保用期为18个月，如发现机械故障或失去准确度，可以原封送回本厂，免费修理。

3．电感组

LKI-1电感组是测试作辅助用的，它含有9个屏蔽罩屏蔽的电感。这些电感具有较高的Q值。各电感的电感量等数据如附表一。

附表一  LKI-1电感组

附：介质损耗及介电常数测试仪在测量Q值时附加说明

ZJD-B型介质损耗及介电常数测试仪，在测试Q值时，已对调试回路残量进行了修正，故不需要对Q值进行均值修正

七、产品的交收检验

1．检验环境要求

a．环境温度：20℃±2℃  相对湿度<50％；

b．供电电源：220V±10V  50Hz±1Hz；

c．被检设备要预热30分钟以上。

2．检验设备要求

a．设备应在计量后的有效使用期内；

b．检验设备应按仪器规定预热。

3．Q值指示检验

a．检验设备：BQG-2标准线圈一套；

b．把标准Q值线圈接入介质损耗及介电常数测试仪电感接线柱上；

c．选择标准Q值线圈所规定的检定频率；

d．介质损耗及介电常数测试仪的Q值读数的相对误差应符合二.1.C条固有误差所规定。

本机均值系数见附表二。

4．调谐电容器准确度检验

a. 测试时如发现干扰，应断开内部信号源，主调电容从小到大缓慢地调一次；

b．设备连接如图六所示，连接线应尽量短，尽可能减小分布电容；

c．电容测试仪技术指标

测试范围：10-550pF、±5pF；

测试精度：10-550pF±0.1％、±5pF±0.05pF；

图  六

d．调谐电容器刻度盘上指示值与电容测试仪指示值之间误差应符合二.3.条规定。

5．频率指示误差检验

a．设备连接如图七所示

图  七

b．从后面板的频率监测端用BNC电缆连至频率计数器输入端；

c．频率计数器技术要求

测量范围：10Hz-1000MHz；

测量误差：<1×10^-6；

测量灵敏度：<30mV；

d．测试线要求：高频电缆SYV-50-3；

e．介质损耗及介电常数测试仪频率指示值与频率计数器读数值间的误差应符合二.4条规定。

附：

介质损耗测试装置

使用说明

一. 概述

介质损耗测试装置与ZJD-B型介质损耗及介电常数测试仪配用，能对绝缘材料进行高频介质损耗角正切值和介电常数的测试。

二. 工作特性

1.平板电容器

极片尺寸：φ25.4mm

极片间距可调范围和分辨率：≥10mm，±0.01mm

2.园筒电容器

电容量线性：0.33pF / mm±0.05 pF

长度可调范围和分辨率：≥0～20mm，±0.01mm

3.夹具插头间距：25mm±1mm

4.夹角损耗角正切值：≤4×10^－4（1MHz时）

三. 工作原理：

本测试装置是由二只测微电容器组成，平板电容器一般用来夹持被测样品，园筒电容器是一只分辨率高达0.0033pF的线性可变电容器，配用介质损耗及介电常数测试仪作为指示仪器，绝缘材料的损耗角正切值是通过被测样品放进平板电容器和不放进样品的Q值变化，由园筒电容器的刻度读值变化值而换算得到的。同时，由平板电容器的刻度读值变化而换算得到介电常数。

四. 使用方法

被测样品的准备

1.被测样品要求为园形，直径25.4～27mm，这是减小因样品边缘泄漏和边缘电场引起的误差的有效办法。样品厚度可在1～5mm之间，如太薄或太厚则测试精度就会下降，样品要尽可能平直。

2.下面推荐一种能提高测试精确性的方法：准备二片厚0.05mm的园形锡膜，直径和平板电容器极片一致，锡膜两面均匀地涂上一层薄薄的凡士林，它起粘着作用，又能排除接触面之间残余空气，把

锡膜再粘在平板电容器两个极片上，粘好后，极片呈镜面状为佳，

然后放上被测样品。

测试顺序

1.先要详细了解配用ZJD-B表的使用方法，操作时，要避免人体感应的影响。

2.把介质损耗及介电常数测试仪主调电容置于较小电容量。

3.把本测试装置插到介质损耗及介电常数测试仪测试回路的“电容”两个端子上。

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（材料的工作频率），调5.节测试电路电容器使电路谐振。（配套使用的LKI-1电感组能满足要求）。

6.调节平板电容器测微杆，使二极片相接为止，读取刻度值记为D_O。

7.再松开二极片，把被测样品插入二极片之间，调节平板电容器，到二极片夹住样品止（注意调节时要用测微杆，以免夹得过紧或过松），这时能读取新的刻度值，记为D₁，这时样品厚度D₂= D₁－D₀。

8.把园筒电容器置于5mm处。

9.改变介质损耗及介电常数测试仪的主调电容，使之谐振，读得Q值。

10.先顺时针方向，后逆时针方向，调节园筒电容器，读取当介质损耗及介电常数测试仪指示Q值为原值的一半时测微杆上二个刻度值，取这二个值之差，记为M₁。

11.再调节园筒电容器，使介质损耗及介电常数测试仪再次谐振。

a.取 出 平 板 电 容 器 中 的 样 品 ，这 时介质损耗及介电常数测试仪 又 失 谐，调 节 平 板电容器，b.使再谐振，读取测微杆上的读值D₃，其变化值为 D₄= D₃－D₀。

和h款操作一样，得到新的二个值之差，记为M₂。

3. 计算测试结果

被测样品的介电常数：Σ＝D₂ / D₄

被测样品的损耗角正切值：tgδ＝K（M₁－M₂ ）/ 15.5

式中：K为圆筒电容器线性变化率，一般为0.33 / mm。

4. 其他应用使用方法

使用本测试装置和介质损耗及介电常数测试仪配用，对绝缘材料以及其他高阻性能的薄材，列如：优质纸张、优质木材、粉压片料等，进行相对测量，其测试方法就非常简便、实用，采取被测样品和标准样品相比较方法，就能灵敏地区别二者之间的轻微差别，例如含水量、配用原料变动等等。

测试时先把标准样品放入平板电容器，调节介质损耗及介电常数测试仪频率，谐振后读得Q值，再换上被测样品，调节园筒电位器，再谐振，看Q值变化，如Q值变化很小，说明标准样品和被测样品高频损耗值一致，反之说明二者性能有区别，如园筒电容器调节不能再谐振，通过调节介质损耗及介电常数测试仪频率才能谐振，且频率变化较大，说明被测样品和标准样品的配用原材料相差较大。

五. 维修方法

本测试装置是由精密机械构件组成的测微设备，所以在使用和

保存时要避免振动和碰撞，要求在不含腐蚀气体和干燥的环境中使用和保存，用户不能自行拆装，否则其工作性能就不能保证，如测

试夹具受到碰撞，或者作为定期检查，要检测以下几个指标：

平板电容器二极片平行度不超过0.02mm。

园筒电容器的轴和轴同心度误差不超过0.1mm。

保证二个测微杆0.01mm分辨率。

用精密电容测量仪（±0.01pF分辨率）测量园筒电容器，电容呈线性率，从0~20mm，每隔1mm测试一点，要求符合工作特性要求。