同轴电缆芯线电容测量方法研究

 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％。