电容与介质损耗角正切的测量(中).ppt

LOGO低频下 高频下 相对介电系数和介质损耗角正切的测量 极低频下 超高频下电容器高频参数及频率特性的测量第二章 电容与介质损耗角正切的测量LOGO低频下相对介电系数和介质损耗角正切的测量LOGO （一）低频下相对介电系数和介质损耗角正切的测量v1、电阻比例臂电容电桥v2、电感比例臂电桥-变压器电桥v3、自动平衡电桥v4、工业上常用电容和损耗测量仪1、电阻比例臂电容电桥v电阻比例臂电容电桥即为西林电桥v高压西林电桥（工作在工频、高压） v低压西林电桥（工作在音频、低压）高压西林电桥高压西林电桥原理图Z0ZxZ3Z4（1）西林电桥平衡条件电桥平衡条件： ZxZ4=Z3Z0代入电学参数，利用复数相等的条件，得到：1-ω2C4CxR4Rx=0，进而 tgδx=1/(ωCxRx)= ωC4R4Cx=C0R4/(R3(1+tg2δx))如果tgδx<0.1, 则Cx≈C0R4/R3（1）西林电桥平衡条件tgδx=1/(ωCxRx)= ωC4R4Cx=C0R4/R3v 由电桥平衡所得到的Cx、tgδx计算公式可知，电桥平衡是通过调节R3 、C4来实现的v 两者之间的关系，指出了正确调节电桥平衡的简捷方法：被测电容或介质材料试样损耗很小，接入电桥后，电容失衡是主要的 ，先调R3平衡电容Cx，当平衡到一定程度时调节C4才起作用，然后调 C4来平衡tgδx 。

tgδx平衡到一定程度，电容尚未完全平衡又突出，再 调R3 ，然后调C4 ，依次反复直到整个电桥平衡1）西林电桥平衡条件v 损耗角正切的直接法测量：电桥平衡时，tgδx=1/(ωCxRx)= ωC4R4 角频率和R4均为已知的， C4刻度可按照tgδx进行刻度，可直接读数例如：工频条件下， C4 单位采用微法表示，损耗角正切可表示为低通西林电桥的替代法测量原理替代法测量原理图西林电桥的替代法测量原理v 类似地，可以得到西林电桥的替代法测量原理优点与适用条件： v利用替代法可以消除接试样与不接试样两次测量 中的不变参数的杂散电容影响，从而提高了测量 的准确度 v但是，当试样的电容大于标准可变电容器的电容 值，不能采用替代法测量 v替代法适用于电压不太高的场合，一方面把高压 标准电容器作成标准可变的比较困难；另一方面 高压操作也不安全西林电桥提供了高压下测量的可能性v因为其调节元件R3和C4处于低压桥臂上v为保证绝对安全，在C、D接点安装放电隙，这样 即使试验中某些意外因素发生，如试样发生击穿 或表面放电时，放电隙可作安全指示，可使C、D 接地，保证安全操作2）影响西林电桥灵敏度的因素电流回路示意图（2）影响西林电桥灵敏度的因素v 西林电桥的灵敏度取决于电源电压U,提高电源电压，可增加 △iA,从而提高电桥灵敏度。

v 电桥灵敏度受限于指示器的灵敏度，即指示器的最小分辨能力 ，因此通常采用带放大器的高灵敏度振动式检流计指示其电 流灵敏度可达10mm/μA,电压灵敏度可达0.1mm/ μV v 通常选择样品的电容≥50pF，因为Cx大， △iA大 v 标准电容C0可以适当大些，但太大的话，会适得其反3）西林电桥的误差来源v 1.电桥指示器的灵敏度限制将引起测量误差电桥不平衡 性所引起的△iA没有达到平衡指示器所能检测的范围v 2.杂散电容与杂散漏电导的存在，会引起Zx的测量误差v 3.外界电磁场的影响外界电磁场的影响主要是高压电源 变压器和高压电极在周围空间所引起的电场，会在桥臂Zx 上引起附加电流而造成测量误差为了消除电场干扰引起 的测量误差，常采用屏蔽法、移相法和倒相法v 4.桥臂元件参数的误差以及参数漂移也会造成测量误差 例如R3电阻箱的基本误差为±0.1%此外，桥臂中的电阻 还存在电感，电容还存在漏导电阻，可变电容器存在零位 电容等均引起误差零位电容：电容器置于零的位置时，电容值并不等于零误差来源2）杂散电容与杂散漏电导的影响杂散电容与杂散漏电导的分布杂散阻抗与电源并联 ，不影响电桥平衡B点接地不存在杂散因 素杂散因素接线和元件对地电容元件间存在着杂散电容和杂散电导与桥臂元件并联， 直接影响测量的正确度， 造成测量误差这些杂散因素可以等效 地看成电桥四个节点上 都并联一RC接地阻抗。

误差来源3）屏蔽法v 屏蔽法就是用金属屏将干扰源与被测样品隔离，是测量回 路不受干扰电场的影响，从而提高测量准确度屏蔽可以 减弱干扰电场的影响，但不能完全消除，而且当屏靠近被 测样品时将改变样品的电场分布，带来新的误差v 外界磁场可以在R3、R4与指示器所构成的闭合回路中产 生感应电流，从而在指示器中产生感应电势采用磁屏蔽 不能消除此影响，只能在一定程度上减弱通常采用改变 检流计中通过的电流方向，进行两次测量，减弱外加磁场 的影响根据两次测量值可求出：（误差来源3）倒相法倒相法电流矢量第一次测量 第二次测量利用电源电压正反相下进行两次测量，然后确定出被测试样 的Cx和tgδx （误差来源4）元件参数误差对 测量结果的影响±0.1%±0.05%±0.5%±0.3%（4）提高西林电桥准确度的途径v对地电容的消除方法v残余电感和零位电容的消除方法对地电容的影响v 漏导电阻的影响很小，可忽略，考虑对 地电容的影响杂散电容与杂散漏电导的分布漏导电阻的影响v 考虑漏导电阻时，只需要将对地漏导 电阻的影响加入R3和R4中杂散电容与杂散漏电导的分布v可从仪器结构和材料选取上采取一些措施，可使C、D对 地漏导电阻远大于R3、R4。

对地电容的消除方法v对地电容影响的减弱或消除最有效的办法是采用 屏蔽、保护和接地技术 v屏蔽主要是电屏蔽 v目前可采用两种方式：一是单个元件分别屏蔽， 如桥臂元件、变压器和指示器；二是整个电桥的 屏蔽屏蔽的基本思想v 基本思想：把元件用金属屏围起来，将屏施以一固定电位 ，或者连接在一固定电位的物体或节点（如接地点）上v 屏蔽看起来消除了： v 1.外界电场的影响和元件之间的耦合 v 2.元件之间的耦合 v 3.元件对地电容v 实际上，屏蔽方法是将各元件间分布电容和元件对地电容 分成了两部分： v 1.元件与屏的分布电容 v 2.屏对地的电容屏蔽的实施v实际上，屏蔽方法是将各元件间分布电容和元件 对地电容分成了两部分： v1.元件与屏的分布电容 v2.屏对地的电容屏接一固定电位，使元件与屏的分 布电容固定，可以事前测定该电容 ， 并在元件的参数中考虑进来加以修 正，从而降低或消除此影响消除屏对地的分布电容影响，最简单的 办法是让屏接地如无法接地，可使屏 对地的分布电容与电源、平衡指示器或 低阻抗桥臂并联，使之分布电容的影响 降低到可忽略不计的程度屏蔽的目的：v去除外电场的干扰；v消除电桥与周围物体的耦合以及电桥本身元件间 的耦合；v固定电桥元件的对地分布电容。

保护、接地技术v当频率更高时，采取上述措施仍不能消除对 地分布电容的影响，目前，主要采用保护、 接地技术v辅助臂支路接地—瓦格纳接地（适用于电源不 接地场合）v辅助电源接地（适用于电源接地场合）瓦格纳接地v 当反复调节使指示器一端接 D或接E，电桥都是平衡的 ，整个电桥才算调平衡此 时vZA、ZB的存在并不影响主 电桥的平衡，能消除桥臂对 地分布电容对测量结果的影 响 v 给三电极系统提供了一个保 护电极接地点，适合三电极 系统测量辅助电源接地v当调节电桥平衡，并调 节电源E0使之UCB=E0， 而相位差180°，此时C、 D均等于地电位，对地分 布电容不起作用残余电感和零位电容的消除方法L3‘L4‘中点接辅助 电容v在电阻R4中点接上一辅助空气可变电容器Ca（一 般选用1000pF可变电容器）低压西林电桥高压西林电桥R3，C4调节固定C0调节电阻臂接地电容臂接地电阻比例臂电容电桥低压西林电桥结构特点v与高压西林电桥原理相同 v结构上的差异来源于低压西林电桥的适用条件： 频率较高和测量电压低 v高压西林电桥用R3，C4调节电桥平衡，电阻臂连 接点接地； v低压西林电桥R3作成固定电阻，而用标准电容C0 调节电桥平衡，电容臂连接点接地； v一般采用瓦格纳接地。

低压西林电桥调节C0固定R3的原因？v测量频率较高，和测量电压低 v测量频率较高，若仍采用十进可变电阻箱R3调节 电桥平衡，则电阻的杂散电容、残余电感影响大 ，而且随着调节位置的改变而变化，将造成大的 误差 v测量电压低，调节标准电容C0也是比较安全的消除低压西林电桥杂散电容的方法1v 为使对地分布电容不与电阻臂并 联，影响tgδx测量的准确度，常 采用电容连接点接地，这样（C 点和D点）对地分布电容与试样 和标准电容C0并联，只要在电 桥设计上加以考虑，可事先加以 校正而减弱其影响v B点对地分布电容与指示器并联 ，不影响电桥平衡，由于指示器 内阻很低，对其灵敏度的影响不 大消除低压西林电桥杂散电容的方法2v低压西林电桥测量频率较高，外来电场和杂散电 容的耦合对测量结果的影响显得比较突出，必须 采取措施来加以消除或减弱其影响v 为了消除Z3、Z4对地分布电容的影响，通常把Z3、Z4屏蔽起来，将屏与B点相 连接；v 为了消除外电场的影响以及桥外带电物体间的杂散电容耦合，可以将整个电桥 用接地屏进行屏蔽；v 为了消除R3、R4的固有杂散电容对tgδx测量的影响，可调节 C4的零位电容 大小，使消除低压西林电桥杂散电容的方法3v 瓦格纳接地以及替代法 v 与直接法不同之处是把可 调标准电容器CN与试样并 联，原来C0桥臂采用固定 标准电容器。

v 替代法之所以能够提高测 量准确度，是因为电容与 损耗角正切都是两次测量 的差值因此，测量中不 变的参量以及R3和R4上杂 散电容与残余电感都不会 影响测量结果低压西林电桥的替代法低压西林电桥的替代法电桥的指示器v电桥平衡指示器可采用听筒、电子伏特计、零点 指示器等v为了提高测量灵敏度还可采用带有放大器的测量 放大器和电子射线示波器作平衡指示器采用示波器作电桥平衡指示器v 当采用示波器做指示器时，它把电桥对角线上（A、B） 的电压直接接到示波器Y输入端；电桥平衡时，Y输入信 号电压为零，示波器屏上将呈一水平线v 为了调节方便，有时将电源电压加到示波器X输入端如 果电桥不平衡，指示器两端电压Ug与电源电压U之间存在 相位差，则荧光屏上呈现一椭圆图形；如果电桥的电抗分 量达平衡，则椭圆变成一倾斜线；如果电桥的电阻分量也 达到平衡，即Ug=0，则直线呈水平位置v 因此，可根据荧光屏的图形有目的地进行电桥平衡调节二、电感比例臂电桥——变压器电桥v 低压西林电桥v 音频 低压v 可以采用瓦格纳接地减弱电桥杂散电容随频率增 加的影响 v 但是，反复调主电桥和辅助电桥的平衡，测量复 杂，测量时间变长。

电桥对比 电感电桥的电感比例臂来代替 西林电桥的电阻比例臂电感比例臂电桥——变压器电桥v不需采用辅助桥臂等特殊措施就 可以大大地降低杂散电容对测量 的影响 v最简单的变压器电桥是利用紧耦 合的电感比例臂来代替西林电桥 的电阻比例臂而作成的 v桥臂AD、BD由二个耦合系数接 近于1的线圈W1、W2所组成 W1、W2线圈绕在高导磁材料（ 如坡墨合金等）制成的磁环上电感比例臂电桥——变压器电桥v测量原理v杂散电容的影响v电容和损耗的平衡变压器电桥的测量原理电桥平衡时，流经检 流计的电流为零，有 ：平衡关系式为：线圈W1、W2的电电阻：R1、R2； 线圈W1、W2的电电感：L1、L2； 两电电感耦合臂的互感：M变压器电桥的测量原理平衡关系式为：采用紧耦合，有：又根据紧耦合的电感比例臂电桥：桥臂阻抗之比是一实数，它等于线圈的端电压之比，等于线圈匝数之比变压器电桥的测量原理vW1/W2匝数精度目前可做到10-7 v当W1=W2时，Zx测量准确度主要决定于Z0的准 确度，只要Z0精度高，Zx测量准确度就高，从而 实现高精度测量平衡时的电桥参数关系：变压器电桥受杂散电容的影响v变压器电桥的杂散电容可归结于四 个结点的。