中心議題：

• 同軸電纜芯線電容測量方法研究

解決方法：

• 利用同軸電纜芯線電容測量裝置
• 解決離線抽樣測量芯線電容的問題

前言

同(tong)軸(zhou)電(dian)纜(lan)和(he)高(gao)速(su)數(shu)字(zi)通(tong)訊(xun)電(dian)纜(lan)的(de)芯(xin)線(xian)電(dian)容(rong)，是(shi)影(ying)響(xiang)電(dian)纜(lan)傳(chuan)輸(shu)性(xing)能(neng)的(de)重(zhong)要(yao)參(can)數(shu)，將(jiang)同(tong)軸(zhou)電(dian)纜(lan)單(dan)位(wei)長(chang)度(du)電(dian)容(rong)控(kong)製(zhi)在(zai)允(yun)許(xu)範(fan)圍(wei)之(zhi)內(nei)，可(ke)以(yi)保(bao)證(zheng)電(dian)纜(lan)傳(chuan)輸(shu)阻(zu)抗(kang)的(de)均(jun)勻(yun)。測(ce)量(liang)成(cheng)品(pin)同(tong)軸(zhou)電(dian)纜(lan)電(dian)容(rong)，隻(zhi)需(xu)用(yong)電(dian)容(rong)測(ce)試(shi)儀(yi)的(de)兩(liang)個(ge)測(ce)試(shi)夾(jia)，分(fen)別(bie)連(lian)接(jie)到(dao)電(dian)纜(lan)的(de)內(nei)外(wai)兩(liang)個(ge)導(dao)體(ti)即(ji)可(ke)。而(er)對(dui)於(yu)沒(mei)有(you)加(jia)上(shang)外(wai)導(dao)體(ti)的(de)電(dian)纜(lan)絕(jue)緣(yuan)芯(xin)線(xian)，隻(zhi)有(you)一(yi)個(ge)內(nei)導(dao)體(ti)電(dian)極(ji)
，無(wu)法(fa)用(yong)電(dian)容(rong)測(ce)試(shi)儀(yi)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)。為(wei)此(ci)，我(wo)們(men)對(dui)如(ru)何(he)測(ce)量(liang)同(tong)軸(zhou)電(dian)纜(lan)芯(xin)線(xian)電(dian)容(rong)的(de)方(fang)法(fa)進(jin)行(xing)了(le)研(yan)究(jiu)。

1 同軸電纜電容

1．1 電容計算公式

式中：C為電纜單位長度電容(pF／m)；ε為絕緣介質的相對介電常數
；D為電纜的外導體內徑即絕緣層外徑(mm)
；d為電纜的內導體外徑(mm)。

由上式可知，電容的大小和內導體外徑、絕緣材料(不同材料ε不同)、外導體內徑(絕緣層外徑)
、發泡度(影響ε)相關。隻要D
、d、ε控製在一定範圍內，當內導體直徑d和絕緣層外徑D確定後，介電常數ε就決定了電纜的電容。

1．2 發泡度對電容的影響

發泡度就是發泡體中含多少百分比的氣體，可按下式計算：

式中：P為發泡度(％)；do-為基材原有的密度；d為發泡體的密度。
對於發泡電纜，ε與發泡度有直接聯係

，PE材料發泡度與電容的關係參見表1。 由表1可以看出，發泡度大時ε小

；發泡度小時εda。zaineidaotiwaijingjijueyuanwaijingquedingdeqingkuangxia，zhiyaokongzhifapaodudedaxiao
，jiunengkongzhidianrongzhi。fanguolai，celiangdianrongyouzhuyudianlanxinxianzaijichuguochengzhongjishitiaozhengfapaodu。

2 電容的測量

1．1小節中的電容計算公式可用於設計同軸電纜，在實際生產中內導體直徑、jueyuanwaijingdebianhua，huiyinqidianrongzhidebianhua。zhiyoutongguoceliang，cainengzhidaoshijidianrongzhi。dianrongtongchangyoulianggedianji
，dianjizhijianjiayijueyuanceng，ertongzhoudianlanxinxianzhiyouyigeneidaotidianji，waimianshijueyuanceng，yaoceliangxinxiandedianrong，xuzaijueyuancengwaimianzaishezhiyigedianji，zheyangjiuzuchengleyigeyuanzhutidianrong。

2．1 測量途徑分析

2．1．1 金屬箔作為外電極

在絕緣層外麵繞包一層銅箔或鋁箔等金屬箔，測量內導體和金屬箔之間的電容。由於金屬箔繞包的鬆緊、疊縫空隙等因素，會對測量結果造成較大影響。
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2．1．2 水銀作為電極

zaiyigeguanzhuangrongqizhongfangrudaodiandeshuiyin，jiangdianlanxinxianjinrushuiyinzhong，celiangneidaotiheshuiyindianjizhijiandedianrongzhi。youyushuiyinmidujiaoda，xinxianjinruqizhong
，duijueyuancengyouyidingdeyali，rongyishisuliaodengruanxingcailiaobianxing
，gaibianyuanyoudejihechicun，erqiegaifangfazaiceliangzhonghuichanshengshuiyinzhengfa，wuranhuanjing
，buliyushentijiankang。

2．1．3 用普通清水作為電極

將清水注入管狀容器
，電纜芯線浸入水中
，測量內導體和水電極之間的電容值。該方法成本低
，安全無汙染。

2．2 芯線電容測量裝置

2．2．1 測量裝置結構

按2．1．2及2．1．3小節提出的測量方法，均需要製作一個專門的電容測量裝置。根據待測電纜直徑、長度，考慮測量誤差等因素，設計製作了一個測量裝置(結構示意見圖1)。 2．2．2 測量裝置韻設計要求

底盤有足夠的麵積和質量，以保持裝置的穩定，立柱長時相應增加底盤麵積；立柱長度根據樣品長度設計
；絲杆長度主要考慮樣品浸入水中對準刻線時的調節範圍
，至少有30mm的可調範圍
；樣品固定板隨升降螺母轉動而上下移動，靜止時，其上下活動問隙盡可能小


；為了減小環境中電磁場的幹擾，要采取屏蔽措施。

2．2．3 測量原理

將(jiang)被(bei)測(ce)樣(yang)品(pin)下(xia)端(duan)用(yong)絕(jue)緣(yuan)物(wu)質(zhi)封(feng)住(zhu)端(duan)口(kou)，放(fang)入(ru)盛(sheng)有(you)自(zi)來(lai)水(shui)的(de)容(rong)器(qi)
，利(li)用(yong)樣(yang)品(pin)固(gu)定(ding)板(ban)將(jiang)樣(yang)品(pin)固(gu)定(ding)。由(you)於(yu)水(shui)是(shi)導(dao)電(dian)液(ye)體(ti)

，流(liu)動(dong)性(xing)好(hao)，能(neng)夠(gou)均(jun)勻(yun)地(di)包(bao)裹(guo)在(zai)絕(jue)緣(yuan)層(ceng)外(wai)麵(mian)，在(zai)水(shui)中(zhong)插(cha)入(ru)一(yi)根(gen)導(dao)線(xian)(裸銅線)，相當於在絕緣層外增加一個電極。將電容測試儀的測量夾，分別連接到內外兩個導體
，即可測量外導體和內導體之間的電容值。

2．2．4 電容測試儀的選擇

根據被測樣品對電容測量結果示值誤差的要求，選擇電容測試儀的準確度等級。滿足電容測試儀誤差小於等於1／3樣品測量結果的允許誤差，例如，芯線電容測量結果允許誤差±0．6pF，則電容測試儀的示值誤差要小於等於±0．2pF。也可以選用LCR數字電橋測量電容。
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2．2．5 長度測量儀器選擇

根據樣品長度測量需要，選擇1m或2m
，分辨率1mmdegangzhichi。weileceliangfangbian

，bagangzhichigudingzaiyiduanzhuangyoudangbandemubanshang

，dangbandechuizhiduanmianzhenghaoduizhungangzhichiqidianduan。celiangshizhiyaobadianlanyiduandingzhudangbanjiukeliangquguidingdechangdu，bingbiaozhukexian。

2．2．6 溫度測量儀器的選擇

可選擇玻璃溫度計或數字式溫度表，測量範圍0～50℃，分辨率0．5℃。溫度計插入容器中不影響樣品插入的位置。

2．3 芯線電容測量步驟

2．3．1 樣品長度的選擇

為了減小測量誤差，樣品要有足夠長度，使長度測量誤差所引起的電容測量結果誤差可以忽略。經過誤差分析
，樣品長度可選500至1500mm，太長不便於操作。測量前，先在樣品上量取一定長度(例如從底端開始量取500mm)用記號筆畫上刻線。

2．3．2 樣品底端的絕緣處理

因樣品底端浸入水中
，需要做絕緣處理。為了減小邊緣效應的影響，絕緣封頭的厚度大於兩倍的樣品絕緣層厚度，絕緣材料可選擇：a．凡士林：封頭容易
，有足夠的絕緣電阻，用500V兆歐表測量絕緣電阻大於500MΩ。可以即做即用，但容易變形損壞絕緣封頭
，隻適用於即時測量。b．玻璃膠：封頭容易，有足夠的絕緣電阻，用500V兆歐表測量絕緣電阻大於500MΩ。膠體固化前也可以用於測量，但容易變形損壞絕緣封頭。膠體固化後不易變形
，適宜製作校準棒的封頭，可多次使用。

2．3．3 樣品位置調整

將jiang樣yang品pin小xiao心xin放fang入ru容rong器qi內nei
，並bing固gu定ding在zai固gu定ding板ban中zhong。容rong器qi內nei注zhu入ru清qing水shui
，注zhu入ru量liang以yi樣yang品pin插cha入ru後hou水shui麵mian不bu超chao過guo規gui定ding的de位wei置zhi為wei宜yi。調tiao節jie升sheng降jiang螺luo母mu，使shi被bei測ce電dian纜lan的de垂chui直zhi位wei置zhi緩huan慢man下xia降jiang，直zhi到dao水shui麵mian對dui準zhun樣yang品pin上shang預yu先xian標biao注zhu的de長chang度du刻ke線xian。

2．3．4 電容測試儀連接

將電容測試儀的兩個測試夾分別連接到樣品的內外兩個導體
，即可測量電容(內導體與水電極之間的電容值)。

2．3. 5 電容測試儀的使用要求

(1)電容測試儀機殼要連同屏蔽設施接地；
(2)youyuceliangdianrongdezhijiaoxiao，shiyongqianbixuduidianrongceshiyizuolingdianxiaozhun，yijianxiaolingweiwuchadeyingxiang。xiaozhunlingweiqian，yaoshilianggeceliangjiazhijiandejuliyushijiceliangshidejulijibenxiangtong

；
(3) 設置儀器參數：工作頻率：10kHz
；速度：慢速；測試信號電平：0．3V或1V(在顯示值穩定的情況下，選低電平測試)。

2．3．6 單位長度電容的計算

式中：C為樣品的單位長度電容(pF／m)：C1為電容測試儀測量的樣品實際長度電容值(pF)；L為樣品浸入水中的長度(m)

設樣品浸入水中的長度為500mm，電容測試儀顯示值為25．02pF，就可以測得單位長度電容為：

2．3．7 測量數據記錄

測量電容數據要形成記錄，以便於連續監控電容值的變化。記錄內容應包括但不限於以下內容：
(1)被測電纜的相關信息，如型號規格、工藝控製要求等；
(2)測量時間、樣品長度、測量數據、測量人員；
(3)測量儀器的相關信息
，如型號、準確度等級
、製造廠
、編號，檢定／校準日期等；
(4)測量時的環境條件
，如溫度、濕度，以及測量容器中的水溫；

2．3．8 數據圖表

利用同軸電纜芯線電容測量裝置
，測量型號為50-5芯線，各時段樣品的測量結果及變化曲線見表2。隻要在數據表(電子版)中輸入數據，就會自動繪製曲線。該圖表可以監視芯線電容的變化情況。

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2．3．9 溫度對電容的影響。

不同絕緣材料的電纜芯線，其電容隨溫度變化而改變。例如如表3所示。 測ce量liang電dian容rong時shi要yao考kao慮lv溫wen度du帶dai來lai的de誤wu差cha。實shi際ji情qing況kuang下xia同tong軸zhou電dian纜lan芯xin線xian的de發fa泡pao度du不bu同tong，溫wen度du影ying響xiang程cheng度du也ye不bu同tong。為wei了le減jian小xiao溫wen度du對dui測ce量liang結jie果guo的de影ying響xiang，要yao測ce量liang容rong器qi中zhong的de水shui溫wen，根gen據ju實shi測ce溫wen度du
，將jiang測ce量liang結jie果guo修xiu正zheng到dao20℃時的電容值。

2．4 電容測量結果的誤差來源分析

(1)用於測量芯線電容值的電容測試儀(LCR數字電橋TH2819A)的基本允許誤差：±0．05％；
(2)量取芯線長度時的測量誤差。以75Ω電纜為例，一般為50pF／m
，長度測量誤差約為±0．5mm，電容誤差為±0．025pF
，相對誤差為±0．05％；
(3)芯線浸入水中時刻線與水麵相切，調節位置時視覺誤差帶來的測量誤差，約為±0．5 mm，電容誤差為±0．025 pF
，相對誤差為±0．05％；
(4)外部電磁幹擾對顯示值波動、讀數估計帶來的測量誤差。由實際測量時估計
，約±0．005pF，相對誤差為±0．01％：
(5)測量過程中的溫度變化引起的誤差，若溫度變化±3℃，約±0．05 pF，相對誤差為±0．1％；
(6)由測量重複性引起的測量誤差，從實際測量情況看約±0．005 pF，相對誤差為±0．01％。

3 水電容測試儀

隨(sui)著(zhe)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)和(he)計(ji)算(suan)機(ji)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)
，利(li)用(yong)水(shui)作(zuo)為(wei)測(ce)量(liang)電(dian)極(ji)的(de)動(dong)態(tai)測(ce)量(liang)儀(yi)器(qi)一(yi)水(shui)電(dian)容(rong)測(ce)試(shi)儀(yi)已(yi)開(kai)始(shi)在(zai)高(gao)端(duan)產(chan)品(pin)中(zhong)應(ying)用(yong)。該(gai)儀(yi)器(qi)能(neng)在(zai)線(xian)動(dong)態(tai)測(ce)量(liang)電(dian)纜(lan)(未加屏蔽層的芯線)的單位長度電容量，並可預置電容控製值輸出反饋信號
，通過控製擠出速度或牽引速度自動控製電纜的單位長度電容量。

3．1 測量原理

水電容測試儀由測量管、測量信號發生器
、顯示器等組成(見圖2)。測(ce)量(liang)信(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)正(zheng)弦(xian)波(bo)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)同(tong)時(shi)加(jia)到(dao)浸(jin)沒(mei)於(yu)水(shui)中(zhong)的(de)測(ce)量(liang)管(guan)中(zhong)的(de)測(ce)量(liang)電(dian)極(ji)和(he)保(bao)護(hu)電(dian)極(ji)
，測(ce)量(liang)電(dian)極(ji)上(shang)的(de)電(dian)流(liu)通(tong)過(guo)被(bei)測(ce)電(dian)纜(lan)的(de)電(dian)容(rong)流(liu)回(hui)電(dian)源(yuan)地(di)線(xian)
，在(zai)信(xin)號(hao)源(yuan)電(dian)壓(ya)和(he)頻(pin)率(lv)固(gu)定(ding)時(shi)
，流(liu)過(guo)電(dian)容(rong)的(de)電(dian)流(liu)與(yu)電(dian)容(rong)量(liang)大(da)小(xiao)成(cheng)正(zheng)比(bi)。 即：
I=uωC (5)
式中：u為電容兩端的電壓；ω為電流的角頻率；C為電容量。
根據公式可以看出，隻要測得電流的大小即可測量出電容的大小。通過測量信號發生器的轉換將測量信號送顯示器顯示。

3．2 水電容測試儀的校準

3．2．1 校準原理

根gen據ju水shui電dian容rong測ce試shi儀yi的de測ce量liang原yuan理li，選xuan擇ze一yi根gen已yi知zhi電dian容rong值zhi的de校xiao準zhun棒bang，放fang入ru測ce量liang管guan中zhong模mo擬ni電dian纜lan，測ce量liang校xiao準zhun棒bang的de電dian容rong值zhi，以yi此ci確que定ding儀yi器qi的de測ce量liang誤wu差cha。

3．2．2 校準棒的選擇

(1)玻璃校準棒。可以向製造廠商購得
，出廠時提供參考值
，例如：115．6±0．5pF／m。用戶可利用校準棒對水電容測試儀進行現場校準。這種校準棒絕緣層為玻璃
，穩定性好
，但價格較高，容易受衝擊力如碰撞、跌落而損壞，特別是長度較長的校準棒更要小心使用。我省暫時無法開展玻璃校準棒的量值溯源。
(2)過程產品，如同軸電纜芯線(隻有內導體和絕緣層的絕緣導線)。測(ce)量(liang)何(he)種(zhong)規(gui)格(ge)的(de)電(dian)纜(lan)
，可(ke)選(xuan)該(gai)規(gui)格(ge)電(dian)纜(lan)。校(xiao)準(zhun)前(qian)，需(xu)要(yao)先(xian)在(zai)專(zhuan)用(yong)測(ce)量(liang)裝(zhuang)置(zhi)上(shang)測(ce)得(de)該(gai)電(dian)纜(lan)的(de)電(dian)容(rong)值(zhi)
，才(cai)能(neng)利(li)用(yong)該(gai)校(xiao)準(zhun)棒(bang)對(dui)水(shui)電(dian)容(rong)測(ce)試(shi)儀(yi)進(jin)行(xing)校(xiao)準(zhun)。這(zhe)種(zhong)校(xiao)準(zhun)棒(bang)絕(jue)緣(yuan)層(ceng)是(shi)塑(su)料(liao)，如(ru)聚(ju)乙(yi)烯(xi)，取(qu)材(cai)容(rong)易(yi)，成(cheng)本(ben)低(di)，但(dan)容(rong)易(yi)產(chan)生(sheng)如(ru)劃(hua)傷(shang)
、壓傷等機械損傷，定值後長期穩定性差
，需要使用前定值
，隻能短時間內使用。

3．2．3 校準棒的電容測量(定值)

利用芯線電容測量裝置
，就可以測量校準棒的電容。無論是玻璃校準棒

，還是電纜芯線校準棒，隻要按2．3小(xiao)節(jie)芯(xin)線(xian)電(dian)容(rong)測(ce)量(liang)步(bu)驟(zhou)操(cao)作(zuo)，就(jiu)可(ke)以(yi)測(ce)得(de)電(dian)容(rong)值(zhi)
，即(ji)對(dui)校(xiao)準(zhun)棒(bang)定(ding)值(zhi)，並(bing)利(li)用(yong)其(qi)對(dui)水(shui)電(dian)容(rong)測(ce)試(shi)儀(yi)進(jin)行(xing)校(xiao)準(zhun)。隻(zhi)要(yao)在(zai)選(xuan)擇(ze)電(dian)容(rong)測(ce)試(shi)儀(yi)時(shi)
，考(kao)慮(lv)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)符(fu)合(he)校(xiao)準(zhun)棒(bang)的(de)允(yun)許(xu)誤(wu)差(cha)要(yao)求(qiu)即(ji)可(ke)。

4 結語

利(li)用(yong)同(tong)軸(zhou)電(dian)纜(lan)芯(xin)線(xian)電(dian)容(rong)測(ce)量(liang)裝(zhuang)置(zhi)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)試(shi)驗(yan)
，表(biao)明(ming)其(qi)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)是(shi)可(ke)行(xing)的(de)，測(ce)量(liang)裝(zhuang)置(zhi)是(shi)穩(wen)定(ding)實(shi)用(yong)的(de)。對(dui)於(yu)暫(zan)時(shi)無(wu)條(tiao)件(jian)配(pei)備(bei)水(shui)電(dian)容(rong)測(ce)試(shi)儀(yi)的(de)企(qi)業(ye)，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)該(gai)裝(zhuang)置(zhi)和(he)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)，解(jie)決(jue)離(li)線(xian)抽(chou)樣(yang)測(ce)量(liang)芯(xin)線(xian)電(dian)容(rong)的(de)問(wen)題(ti)，為(wei)控(kong)製(zhi)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)提(ti)供(gong)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)。動(dong)態(tai)水(shui)電(dian)容(rong)測(ce)試(shi)儀(yi)用(yong)於(yu)電(dian)纜(lan)的(de)生(sheng)產(chan)線(xian)自(zi)動(dong)連(lian)續(xu)測(ce)量(liang)
，快(kuai)速(su)方(fang)便(bian)，但(dan)投(tou)入(ru)較(jiao)大(da)。電(dian)容(rong)測(ce)量(liang)，使(shi)芯(xin)線(xian)在(zai)編(bian)織(zhi)工(gong)藝(yi)前(qian)，就(jiu)能(neng)獲(huo)得(de)電(dian)容(rong)值(zhi)，可(ke)將(jiang)事(shi)後(hou)(編織工藝以後)測量變為事前控製。同時
，為校準水電容測試儀用的校準棒提供了測量裝置，使水電容測試儀的量值溯源成為可能。