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ε大(da)。在(zai)內(nei)導(dao)體(ti)外(wai)徑(jing)及(ji)絕(jue)緣(yuan)外(wai)徑(jing)確(que)定(ding)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，隻(zhi)要(yao)控(kong)製(zhi)發(fa)泡(pao)度(du)的(de)大(da)小(xiao)，就(jiu)能(neng)控(kong)製(zhi)電(dian)容(rong)值(zhi)。反(fan)過(guo)來(lai)，測(ce)量(liang)電(dian)容(rong)有(you)助(zhu)於(yu)電(dian)纜(lan)芯(xin)線(xian)在(zai)擠(ji)出(chu)過(guo)程(cheng)中(zhong)及(ji)時(shi)調(tiao)整(zheng)發(fa)泡(pao)度(du)。

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、絕jue緣yuan外wai徑jing的de變bian化hua
，會hui引yin起qi電dian容rong值zhi的de變bian化hua。隻zhi有you通tong過guo測ce量liang，才cai能neng知zhi道dao實shi際ji電dian容rong值zhi。電dian容rong通tong常chang有you兩liang個ge電dian極ji
，電dian極ji之zhi間jian夾jia以yi絕jue緣yuan層ceng，而er同tong軸zhou電dian纜lan芯xin線xian隻zhi有you一yi個ge內nei導dao體ti電dian極ji，外wai麵mian是shi絕jue緣yuan層ceng，要yao測ce量liang芯xin線xian的de電dian容rong，須xu在zai絕jue緣yuan層ceng外wai麵mian再zai設she置zhi一yi個ge電dian極ji，這zhe樣yang就jiu組zu成cheng了le一yi個ge圓yuan柱zhu體ti電dian容rong。

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

在zai一yi個ge管guan狀zhuang容rong器qi中zhong放fang入ru導dao電dian的de水shui銀yin，將jiang電dian纜lan芯xin線xian浸jin入ru水shui銀yin中zhong，測ce量liang內nei導dao體ti和he水shui銀yin電dian極ji之zhi間jian的de電dian容rong值zhi。由you於yu水shui銀yin密mi度du較jiao大da，芯xin線xian浸jin入ru其qi中zhong，對dui絕jue緣yuan層ceng有you一yi定ding的de壓ya力li
，容rong易yi使shi塑su料liao等deng軟ruan性xing材cai料liao變bian形xing，改gai變bian原yuan有you的de幾ji何he尺chi寸cun，而er且qie該gai方fang法fa在zai測ce量liang中zhong會hui產chan生sheng水shui銀yin蒸zheng發fa
，汙wu染ran環huan境jing，不bu利li於yu身shen體ti健jian康kang。

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

jiangbeiceyangpinxiaduanyongjueyuanwuzhifengzhuduankou
，fangrushengyouzilaishuiderongqi
，liyongyangpingudingbanjiangyangpinguding。youyushuishidaodianyeti，liudongxinghao，nenggoujunyundibaoguozaijueyuancengwaimian，zaishuizhongcharuyigendaoxian(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1mm的(de)鋼(gang)直(zhi)尺(chi)。為(wei)了(le)測(ce)量(liang)方(fang)便(bian)
，把(ba)鋼(gang)直(zhi)尺(chi)固(gu)定(ding)在(zai)一(yi)端(duan)裝(zhuang)有(you)擋(dang)板(ban)的(de)木(mu)板(ban)上(shang)
，擋(dang)板(ban)的(de)垂(chui)直(zhi)端(duan)麵(mian)正(zheng)好(hao)對(dui)準(zhun)鋼(gang)直(zhi)尺(chi)起(qi)點(dian)端(duan)。測(ce)量(liang)時(shi)隻(zhi)要(yao)把(ba)電(dian)纜(lan)一(yi)端(duan)頂(ding)住(zhu)擋(dang)板(ban)就(jiu)可(ke)量(liang)取(qu)規(gui)定(ding)的(de)長(chang)度(du)，並(bing)標(biao)注(zhu)刻(ke)線(xian)。

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

suizhedianzijishuhejisuanjijishudefazhan，liyongshuizuoweiceliangdianjidedongtaiceliangyiqiyishuidianrongceshiyiyikaishizaigaoduanchanpinzhongyingyong。gaiyiqinengzaixiandongtaiceliangdianlan(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)。celiangxinhaofashengqichanshengdezhengxianbojiaoliudianyatongshijiadaojinmeiyushuizhongdeceliangguanzhongdeceliangdianjihebaohudianji，celiangdianjishangdedianliutongguobeicedianlandedianrongliuhuidianyuandixian
，zaixinhaoyuandianyahepinlvgudingshi
，liuguodianrongdedianliuyudianrongliangdaxiaochengzhengbi。 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)。celianghezhongguigededianlan
，kexuangaiguigedianlan。xiaozhunqian，xuyaoxianzaizhuanyongceliangzhuangzhishangcedegaidianlandedianrongzhi
，cainengliyonggaixiaozhunbangduishuidianrongceshiyijinxingxiaozhun。zhezhongxiaozhunbangjueyuancengshisuliao，rujuyixi
，qucairongyi，chengbendi
，danrongyichanshengruhuashang、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。