同轴电缆芯线电容测量方法研究

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0 前言
同轴电缆和高速数字通讯电缆的芯线电容，是影响电缆传输性能的重要参数，将同轴电缆单位长度电容控制在允许范围之内，可以保证电缆传输阻抗的均匀。测量成品同轴电缆电容，只需用电容测试仪的两个测试夹，分别连接到电缆的内外两个导体即可。而对于没有加上外导体的电缆绝缘芯线，只有一个内导体电极，无法用电容测试仪直接测量。为此，我们对如何测量同轴电缆芯线电容的方法进行了研究。
1 同轴电缆电容
1．1 电容计算公式

式中：C为电缆单位长度电容(pF／m)；ε为绝缘介质的相对介电常数；D为电缆的外导体内径即绝缘层外径(mm)；d为电缆的内导体外径(mm)。
由上式可知，电容的大小和内导体外径、绝缘材料(不同材料ε不同)、外导体内径(绝缘层外径)、发泡度(影响ε)相关。只要D、d、ε控制在一定范围内，当内导体直径d和绝缘层外径D确定后，介电常数ε就决定了电缆的电容。
1．2 发泡度对电容的影响
发泡度就是发泡体中含多少百分比的气体，可按下式计算：

式中：P为发泡度(％)；do-为基材原有的密度；d为发泡体的密度。
对于发泡电缆，ε与发泡度有直接联系，PE材料发泡度与电容的关系参见表1。


由表1可以看出，发泡度大时ε小；发泡度小时ε大。在内导体外径及绝缘外径确定的情况下，只要控制发泡度的大小，就能控制电容值。反过来，测量电容有助于电缆芯线在挤出过程中及时调整发泡度。
2 电容的测量
1．1小节中的电容计算公式可用于设计同轴电缆，在实际生产中内导体直径、绝缘外径的变化，会引起电容值的变化。只有通过测量，才能知道实际电容值。电容通常有两个电极，电极之间夹以绝缘层，而同轴电缆芯线只有一个内导体电极，外面是绝缘层，要测量芯线的电容，须在绝缘层外面再设置一个电极，这样就组成了一个圆柱体电容。
2．1 测量途径分析
2．1．1 金属箔作为外电极
在绝缘层外面绕包一层铜箔或铝箔等金属箔，测量内导体和金属箔之间的电容。由于金属箔绕包的松紧、叠缝空隙等因素，会对测量结果造成较大影响。
2．1．2 水银作为电极
在一个管状容器中放入导电的水银，将电缆芯线浸入水银中，测量内导体和水银电极之间的电容值。由于水银密度较大，芯线浸入其中，对绝缘层有一定的压力，容易使塑料等软性材料变形，改变原有的几何尺寸，而且该方法在测量中会产生水银蒸发，污染环境，不利于身体健康。
2．1．3 用普通清水作为电极
将清水注入管状容器，电缆芯线浸入水中，测量内导体和水电极之间的电容值。该方法成本低，安全无污染。
2．2 芯线电容测量装置
2．2．1 测量装置结构
按2．1．2及2．1．3小节提出的测量方法，均需要制作一个专门的电容测量装置。根据待测电缆直径、长度，考虑测量误差等因素，设计制作了一个测量装置(结构示意见图1)。


2．2．2 测量装置韵设计要求
底盘有足够的面积和质量，以保持装置的稳定，立柱长时相应增加底盘面积；立柱长度根据样品长度设计；丝杆长度主要考虑样品浸入水中对准刻线时的调节范围，至少有30mm的可调范围；样品固定板随升降螺母转动而上下移动，静止时，其上下活动问隙尽可能小；为了减小环境中电磁场的干扰，要采取屏蔽措施。
2．2．3 测量原理
将被测样品下端用绝缘物质封住端口，放入盛有自来水的容器，利用样品固定板将样品固定。由于水是导电液体，流动性好，能够均匀地包裹在绝缘层外面，在水中插入一根导线(裸铜线)，相当于在绝缘层外增加一个电极。将电容测试仪的测量夹，分别连接到内外两个导体，即可测量外导体和内导体之间的电容值。
2．2．4 电容测试仪的选择
根据被测样品对电容测量结果示值误差的要求，选择电容测试仪的准确度等级。满足电容测试仪误差小于等于1／3样品测量结果的允许误差，例如，芯线电容测量结果允许误差±0．6pF，则电容测试仪的示值误差要小于等于±0．2pF。也可以选用LCR数字电桥测量电容。
2．2．5 长度测量仪器选择
根据样品长度测量需要，选择1m或2m，分辨率1mm的钢直尺。为了测量方便，把钢直尺固定在一端装有挡板的木板上，挡板的垂直端面正好对准钢直尺起点端。测量时只要把电缆一端顶住挡板就可量取规定的长度，并标注刻线。
2．2．6 温度测量仪器的选择
可选择玻璃温度计或数字式温度表，测量范围0～50℃，分辨率0．5℃。温度计插入容器中不影响样品插入的位置。


2．3 芯线电容测量步骤
2．3．1 样品长度的选择
为了减小测量误差，样品要有足够长度，使长度测量误差所引起的电容测量结果误差可以忽略。经过误差分析，样品长度可选500至1500mm，太长不便于操作。测量前，先在样品上量取一定长度(例如从底端开始量取500mm)用记号笔画上刻线。
2．3．2 样品底端的绝缘处理
因样品底端浸入水中，需要做绝缘处理。为了减小边缘效应的影响，绝缘封头的厚度大于两倍的样品绝缘层厚度，绝缘材料可选择：a．凡士林：封头容易，有足够的绝缘电阻，用500V兆欧表测量绝缘电阻大于500MΩ。可以即做即用，但容易变形损坏绝缘封头，只适用于即时测量。b．玻璃胶：封头容易，有足够的绝缘电阻，用500V兆欧表测量绝缘电阻大于500MΩ。胶体固化前也可以用于测量，但容易变形损坏绝缘封头。胶体固化后不易变形，适宜制作校准棒的封头，可多次使用。
2．3．3 样品位置调整
将样品小心放入容器内，并固定在固定板中。容器内注入清水，注入量以样品插入后水面不超过规定的位置为宜。调节升降螺母，使被测电缆的垂直位置缓慢下降，直到水面对准样品上预先标注的长度刻线。
2．3．4 电容测试仪连接
将电容测试仪的两个测试夹分别连接到样品的内外两个导体，即可测量电容(内导体与水电极之间的电容值)。
2．3. 5 电容测试仪的使用要求
(1)电容测试仪机壳要连同屏蔽设施接地；
(2)由于测量电容的值较小，使用前必须对电容测试仪做零点校准，以减小零位误差的影响。校准零位前，要使两个测量夹之间的距离与实际测量时的距离基本相同；
(3) 设置仪器参数：工作频率：10kHz；速度：慢速；测试信号电平：0．3V或1V(在显示值稳定的情况下，选低电平测试)。
2．3．6 单位长度电容的计算

式中：C为样品的单位长度电容(pF／m)：C1为电容测试仪测量的样品实际长度电容值(pF)；L为样品浸入水中的长度(m)
设样品浸入水中的长度为500mm，电容测试仪显示值为25．02pF，就可以测得单位长度电容为：

2．3．7 测量数据记录
测量电容数据要形成记录，以便于连续监控电容值的变化。记录内容应包括但不限于以下内容：
(1)被测电缆的相关信息，如型号规格、工艺控制要求等；
(2)测量时间、样品长度、测量数据、测量人员；
(3)测量仪器的相关信息，如型号、准确度等级、制造厂、编号，检定／校准日期等；
(4)测量时的环境条件，如温度、湿度，以及测量容器中的水温；
2．3．8 数据图表
利用同轴电缆芯线电容测量装置，测量型号为50-5芯线，各时段样品的测量结果及变化曲线见表2。只要在数据表(电子版)中输入数据，就会自动绘制曲线。该图表可以监视芯线电容的变化情况。


2．3．9 温度对电容的影响。
不同绝缘材料的电缆芯线，其电容随温度变化而改变。例如如表3所示。


测量电容时要考虑温度带来的误差。实际情况下同轴电缆芯线的发泡度不同，温度影响程度也不同。为了减小温度对测量结果的影响，要测量容器中的水温，根据实测温度，将测量结果修正到20℃时的电容值。
2．4 电容测量结果的误差来源分析
(1)用于测量芯线电容值的电容测试仪(LCR数字电桥TH2819A)的基本允许误差：±0．05％；
(2)量取芯线长度时的测量误差。以75Ω电缆为例，一般为50pF／m，长度测量误差约为±0．5mm，电容误差为±0．025pF，相对误差为±0．05％；
(3)芯线浸入水中时刻线与水面相切，调节位置时视觉误差带来的测量误差，约为±0．5 mm，电容误差为±0．025 pF，相对误差为±0．05％；
(4)外部电磁干扰对显示值波动、读数估计带来的测量误差。由实际测量时估计，约±0．005pF，相对误差为±0．01％：
(5)测量过程中的温度变化引起的误差，若温度变化±3℃，约±0．05 pF，相对误差为±0．1％；
(6)由测量重复性引起的测量误差，从实际测量情况看约±0．005 pF，相对误差为±0．01％。
3 水电容测试仪
随着电子技术和计算机技术的发展，利用水作为测量电极的动态测量仪器一水电容测试仪已开始在高端产品中应用。该仪器能在线动态测量电缆(未加屏蔽层的芯线)的单位长度电容量，并可预置电容控制值输出反馈信号，通过控制挤出速度或牵引速度自动控制电缆的单位长度电容量。
3．1 测量原理
水电容测试仪由测量管、测量信号发生器、显示器等组成(见图2)。测量信号发生器产生的正弦波交流电压同时加到浸没于水中的测量管中的测量电极和保护电极，测量电极上的电流通过被测电缆的电容流回电源地线，在信号源电压和频率固定时，流过电容的电流与电容量大小成正比。




即：
I=uωC (5)
式中：u为电容两端的电压；ω为电流的角频率；C为电容量。
根据公式可以看出，只要测得电流的大小即可测量出电容的大小。通过测量信号发生器的转换将测量信号送显示器显示。
3．2 水电容测试仪的校准
3．2．1 校准原理
根据水电容测试仪的测量原理，选择一根已知电容值的校准棒，放入测量管中模拟电缆，测量校准棒的电容值，以此确定仪器的测量误差。
3．2．2 校准棒的选择
(1)玻璃校准棒。可以向制造厂商购得，出厂时提供参考值，例如：115．6±0．5pF／m。用户可利用校准棒对水电容测试仪进行现场校准。这种校准棒绝缘层为玻璃，稳定性好，但价格较高，容易受冲击力如碰撞、跌落而损坏，特别是长度较长的校准棒更要小心使用。我省暂时无法开展玻璃校准棒的量值溯源。
(2)过程产品，如同轴电缆芯线(只有内导体和绝缘层的绝缘导线)。测量何种规格的电缆，可选该规格电缆。校准前，需要先在专用测量装置上测得该电缆的电容值，才能利用该校准棒对水电容测试仪进行校准。这种校准棒绝缘层是塑料，如聚乙烯，取材容易，成本低，但容易产生如划伤、压伤等机械损伤，定值后长期稳定性差，需要使用前定值，只能短时间内使用。
3．2．3 校准棒的电容测量(定值)
利用芯线电容测量装置，就可以测量校准棒的电容。无论是玻璃校准棒，还是电缆芯线校准棒，只要按2．3小节芯线电容测量步骤操作，就可以测得电容值，即对校准棒定值，并利用其对水电容测试仪进行校准。只要在选择电容测试仪时，考虑测量误差符合校准棒的允许误差要求即可。
4 结语
利用同轴电缆芯线电容测量装置进行测量试验，表明其测量方法是可行的，测量装置是稳定实用的。对于暂时无条件配备水电容测试仪的企业，可以利用该装置和测量方法，解决离线抽样测量芯线电容的问题，为控制工艺参数提供测量数据。动态水电容测试仪用于电缆的生产线自动连续测量，快速方便，但投入较大。电容测量，使芯线在编织工艺前，就能获得电容值，可将事后(编织工艺以后)测量变为事前控制。同时，为校准水电容测试仪用的校准棒提供了测量装置，使水电容测试仪的量值溯源成为可能。