陶瓷材料介电常数测试仪

北京航天纵横检测仪器有限公司

一、概述：
      陶瓷材料介电常数测试仪ZJD-B型 是各种电瓷、装置瓷、电容器等陶瓷，还有复合材料等的一项重要的物理性质，通过测定介质损耗角正切 tanδ 及介电常数（ε ），可进一步了解影响介质损耗和介电常数的各种因素，为提高材料的性能提供依据；该仪器用于科研机关、学校、工厂等单位对无机非金属新材料性能的应用研究。

二、测试原理：
           陶瓷材料介电常数测试仪ZJD-B型 采用高频谐振法，并提供了，通用、多用途、多量程的阻抗测试。它以单片计算机作为仪器的控制，测量核心采用了频率数字锁定，标准频率测试点自动设定，谐振点自动搜索，Q 值量程自动转换，数值显示等新技术，改进了调谐回路，使得调谐测试回路的残余电感减至，并保留了原Q 表中自动稳幅等技术，使得新仪器在使用时更为方便，测量值更为精确。仪器能在较高的测试频率条件下，测量高频电感或谐振回路的Q 值，电感器的电感量和分布电容量，电容器的电容量和损耗角正切值，电工材料的高频介质损耗，高频回路有效并联及串联电阻，传输线的特性阻抗等。
本测试装置是由二只测微电容器组成，平板电容器一般用来夹持被测样品，园筒电容器是一只分辨率高达 0.0033pF 的线性可变电容器，配用仪器作为指示仪器，绝缘材料的损耗角正切值是通过被测样品放进平板电容器和不放进样品的Q 值变化，由园筒电容器的刻度读值变化值而换算得到的。同时，由平板电容器的刻度读值变化而换算得到介电常数。

三、仪器的技术指标：
1、Q 值测量范围：2～1023
2、Q 值量程分档：30、100、300、1000、自动换档或手动换档；
3、电感测量范围：自身残余电感和测试引线电感的自动扣除功能 4.5nH-100mH 分别有 0.1μ H、0.5μ H、
2.5μ H、10μ H、50μ H、100μ H、1mH、5mH、10mH 九个电感组成。
4、电容直接测量范围：1～460pF
5、主电容调节范围： 30～500pF
6、电容准确度 150pF 以下±1.5pF；150pF 以上±1%
7、信号源频率覆盖范围 10KHz-70MHz （双频对向搜索 确保频率不被外界干扰）另有 ZJD-C  频率范围 100KHZ-160M
8、型号频率指示误差：1*10-6 ±1，Q 值合格指示预置功能范围：5～1000 Q 值自动锁定，无需人工搜索
9、Q 表正常工作条件
a.  环 境 温 度 ：0℃～+40℃ 
b．相对湿度：<80％；           
c．电源：220V±22V，50Hz±2.5Hz。
10、其 他          
a．消耗功率：约 25W；
b.净重：约 7kg；
c.  外型尺寸：（l×b×h）mm：380×132×280。
11、产品配置： a.测试主机一台； b.电感一套；c.夹具一 套

四、性能特点：
1.平板电容器
极片尺寸：φ38mmφ 50mm
极片间距可调范围和分辨率：≥10mm，±0.01mm
2.园筒电容器
电容量线性：0.33pF / mm±0.05 pF
长度可调范围和分辨率：≥0～20mm，±0.01mm
3.夹具插头间距：25mm±1mm
4.夹角损耗角正切值：≤4×10－4（1MHz 时）
5、数显电极

五、 维修保养：
本测试装置是由精密机械构件组成的测微设备，所以在使用和保存时要避免振动和碰撞，要求在不含腐蚀气体和干燥的环境中使用和保存，不能自行拆装，否则其工作性能就不能保证，如测试夹具受到碰撞，或者作为定期检查，要检测以下几个指标：
1.平板电容器二极片平行度不超过 0.02mm。
2.园筒电容器的轴和轴同心度误差不超过 0.1mm。
3.保证二个测微杆 0.01mm 分辨率。
4.用精密电容测量仪（±0.01pF 分辨率）测量园筒电容器，电容呈线性率，从 0~20mm，每隔 1mm 测试一点，要求符合工作特性要求。

ZJD-B介电常数和ZJD-C介电常数主要区别

    ZJD-B/ZJD-C介电常数测试仪能在较高的测试频率条件下，测量高频电感或谐振回路的Q值，电感器的电感量和分布电容量，电容器的电容量和损耗角正切值，电工材料的高频介质损耗，高频回路有效并联及串联电阻，传输线的特性阻抗等。该仪器广泛地用于科研机关、学校、工厂等单位。

ZJD-B/ZJD-C介电常数是北京航天纵横检测仪器有限公司

xin研制的产品，它以DDS数字直接合成方式产生信号源，频率达

60MHz /160MHz，信号源具有信号失真小、频率精确、信号幅度稳定的优点，更保证了测量精度的精确性。ZJD-B主电容调节用传感器感应，电容读数精确,且频率值可设置。ZJD-C介电常数测试仪主电容调节用

步进马达控制，电容读数更加精确,频率值和电容值均可设置。ZJD-B/ZJD-C电容、电感、Q值、频率、量程都用数字显示，在某一频率下，只要能找到谐振点，都能直接读出电感、电容值，大大扩展了电感的测量范围，而不再是固定的几个频率下才能测出电感值的大小。ZJD-B/ZJD-C*的谐振点频率自动搜索或电容自动搜索功能，能帮助你在使用时快速地找到被测量器件的谐振点，自动读出Q值和其它参数。Q值量程可手动或自动转换。

工作特性：

   1．Q值测量

   a．Q值测量范围：2～1023；

   b．Q值量程分档：30、100、300、1000、自动换档或手动换档；

c．标称误差

   2．电感测量范围

3．电容测量

   注：大于直接测量范围的电容测量见使用方法。

   4．信号源频率覆盖范围

   5．Q合格指示预置功能：预置范围：5～1000

   6．Q表正常工作条件

   a.  环境温度：0℃～+40℃；

   b．相对湿度：<80％；

   c．电源：220V±22V，50Hz±2.5Hz。

   7．其他

   a．消耗功率：约25W；

   b．净重：约7kg；

   c. 外型尺寸：（宽×高×深）mm：380×132×280。

工作原理：

     1．“Q”的定义

     Q表是根据串联谐振原理设计，以谐振电压的比值来定位Q值。

“Q”表示元件或系统的“品质因数”，其物理含义是在一个振荡周期内贮存的能量与损耗的能量之比。对于电抗元件(电感或电容)来说，即在测试频率上呈现的电抗与电阻之比。

或   …………………………… (1)

图  一

在图（一）所示的串联谐振电路中，所加的信号电压为U_i，频率为f，在发生谐振时

 或  ………………………………(2)

    回路中电流  …………………………………………(3)

故电容两端的电压

                  …………………………………(4)

    即谐振时电容上的电压与输入电压之比为Q。

    Q表就是按上述原理设计的。

    2．Q表整机工作原理（见图二）

图二

ZJD-B/ZJD-C型Q表的工作原理框图如图二所示。它以ATM128单片机作为控制核心，实现对各种功能的控制。DDS数字直接合成信号源为Q值测量提供了一个优质的高频信号。信号源输出一路送到程控衰减器和自动稳幅放大控制单元，该单元根据CPU的指令对信号衰减后送往信号激励放大器，同时对信号检波后送出一直流控制信号到压控信号源实现自动稳幅。信号激励部分输出送到一个宽带分压器，由分压器馈给测试调谐回路一个恒定幅度的信号。当测试回路处于谐振状态时，在调谐电容C_T两端的信号幅度将是分压器提供的信号幅度Q倍。在C_T两端取得的调谐信号被信号放大单元适当放大后送到检波和数字取样单元，检波后送到控制中心CPU去进行数据处理。

    ZJD-B调谐电容带动传感器，不断地将电容变化的信息送往中心控制CPU，经处理后计算出电容值，再根据频率值计算出谐振时的频率值。 

ZJD-C调谐电容有步进马达带动，根据不同电容值由CPU计算脉冲数去控制马达。电容值可预置并可电容搜索。 

ZJD-B/ZJD-C型Q表工作频率值、频段、主调电容器值、谐振电感值、Q值、Q值比较设置状态、Q值量程、手/自动状态、频率或电容搜索指示、Q值调谐指示带都显示在液晶屏上，如图三所示。

图三

整个显示屏共分为四行

*行：左边  信号源频率指示，共6位；

        右边  信号源虚拟频段指示（1-4）。

第二行：左边  调谐电容指示值，4位；

        右边  电感指示值，4位。

第三行：左边  Q值指示值；   

右边  Q值合格比较状态 。

第四行：左边  Q值量程，手动/自动切换指示/调谐点自动搜索指示；

右边上部  Q值量程范围指示；

右边下部  Q值调谐光带指示。

四、结构特性

    ZJD-B/ZJD-C型Q表采用了较低的台式机箱，面板采用PC丝印面板，美观大方。

    各主要功能单元，除了显示部分为了显示方便和调谐测试回路，放大单元为了减小分布参数，安装在面板上外，其余都安装在机内底板上，详见图四面板示意图。

A．ZJD-B/ZJD-C型前面板各功能键说明

图  四  Q表前面板和外形示意图

1．工作频段选择/1按键，每按一次，切换至低一个频段工作；先按12键后,再按此键，功能为数字键1。

2. 工作频段选择/2按键，每按一次，切换至高一个频段工作；先按12键后,再按此键，功能为数字键2。

3．Q值低一档量程选择（手动方式时有效）/3按键；先按12键后，再按此键，功能为数字键3。

4．Q值高一档量程选择（手动方式时有效）/4按键；先按12键后，再按此键，功能为数字键4。

5．谐振点频率搜索/5按键，按此键显示屏第四行左部出现SWEEP时，表示仪器正工作在频率自动搜索被测量器件的谐振点，如需退出搜索，再按此键；先按12键后,再按此键，功能为数字键5。

6．ZJD-B：数字键6，先按12键后有效；

ZJD-C：谐振点电容搜索/6按键，按此键后，电容指示不断在变化，步进马达发出轻微的声响时仪器正工作在电容自动搜索被测量器件的谐振点，如需退出搜索，再按此键；先按12键后,再按此键，功能为数字键6。

7．Q值合格范围比较值设定/7按键，按此键后，显示屏第三行右部出现COMP字符，当Q合格时，显示OK，並同时鸣响蜂鸣器，Q不合格时，显示NO。设置Q值合格范围详细说明见后页。先按12键后,再按此键，功能为数字键7。

8．Q值量程自动/手动控制方式选择/8按键，按此键后，显示屏第四行左部出现D对应的指示：AUTO（自动），MAN（手动）；先按12键后,再按此键，功能为数字键8。

9．数字键9，先按12键后有效。

10．数字键0，先按12键后有效。

11．小数点键, 先按12键后有效。

12．复合键频率/电容按键，*次按下（频率指示数在闪烁）为频率数输入，单位为MHz。例：要输入79.5MHz，按一次此键，频率指示数在闪烁，然后输入79.5，再按一下此键即可。第二次按下（电容指示数在闪烁）为电容数输入，数输入要满4位。例：要输入79.5P，按二次此键，电容指示数在闪烁，然后输入0795，要输入180.5P，输入1805，有效数后为0的，可以不输入0直接再按一下此键结束输入。

13．频率调谐数码开关。

14．ZJD-B：主调电容调谐（长寿命调谐慢转结构）；

   ZJD-C：主调电容调谐数码开关。

15．电源开关。

16．液晶显示屏。

17．测试回路接线柱：ZJD-B左边两个为电感接入端，右边两个为外接电容接入端；ZJD-C后边两个为电感接入端，前边两个为外接电容接入端。

18．电感测试范围所对应频率范围表。

B．后面板各功能键说明

图五  Q表后面板示意图

1．～220V电源输入三芯插座，内含保险丝0.5A／220V；

2．信号源工作频率监测输出端（阻抗1kΩ）。

五、使用方法

高频Q表是多用途的阻抗测量仪器，为了提高测量精度，除了使Q表测试回路本身残余参量尽可能地小，使耦合回路的频响尽可能地好之外，还要掌握正确的测试方法和残余参数修正方法。

1．测试注意事项

a．本仪器应水平安放；

b．如果你需要较精确地测量，请接通电源后，预热30分钟；

c．调节主调电容或主调电容数码开关时，当接近谐振点时请缓调；

d．被测件和测试电路接线柱间的接线应尽量短，足够粗，并应接触良好、可靠，以减少因接线的电阻和分布参数所带来的测量误差；

e．被测件不要直接搁在面板顶部，离顶部一公分以上，必要时可用低损耗的绝缘材料如聚苯乙烯等做成的衬垫物衬垫；

f．手不得靠近试件，以免人体感应影响造成测量误差，有屏蔽的试件，屏蔽罩应连接在低电位端的接线柱。

2．高频线圈的Q值测量（基本测量法）

  A．直接法

  a．将被测线圈接在“L_x”接线柱上；

  b．选择适当的工作频段和工作频率；

  c．先调调谐电容器到谐振点，即Q表读数达大，此读数即为被测电感的有效Q值(Q_e)，若需得到被测电感的真实Q值（Q_T），则应先测出线圈分布电容C₀，然后照下式修正

C₁是调谐电容器谐振时读数，如谐振时C₁的读数很大，C₀只占很小比例，则有效Q值(Q_e)和真实Q值(Q_T)差别可以忽略。

当Q值量程选择自动切换时，在调谐时，如遇量程自动转换，应停顿一下，待Q值稳定后，根据读数值变大或变小，确定继续调电容的方向。

B．变容法

a．照直读法“a-d”进行，记下谐振时电容读数C₁和Q₁；

b．调节主调电容数码开关，使Q值二次指示均为Q₁的0.707时，记下此时两次电容读数的差数ΔC，

倘要得到精确结果，则线圈的分布电容应加在C₁之内，并应使主调电容作多次偏调，然后取其平均读数。

测Q值较高的线圈时，Q值下降到0.707 Q₁时，电容偏调很小，读数误差较大，这时可将主电容作较大偏调(10％以内)，记下偏调数ΔC和偏调后的Q值读数Q₂，这时Q值表达式为：

C. 变频法

a．按直读法“a-d”进行，记下谐振时读数C₁和Q₁以及频率读数f₀；

b．改变信号源的频率使Q值二次指示为Q₁的0.707(一次容性失谐，一次感性失谐)，记下此时二次频率读数差值Δf，这时回路的真实Q_T为：

考虑到线圈的分布电容时，线圈的有效Q值为

    变频法测量Q值一般表达式为(未考虑分布电容)：

注：Δf是频率偏调数，Q₁为谐振时Q表读数，Q₂是偏调后Q表读数。

3．高频线圈电感值的测量

a．将被测线圈接在“L_x”接线柱上，接触要良好；

b．根据线圈大约电感值，按所需选一个合适的频率以保证能谐振；

c．如要得到真实电感数（L_T），必须先测得电感分布电容量C₀，如分布电容较小的话，在调到谐振点后，记下主调电容C₁，然后再将主调电容量调在“C₁+C₀”值上，这时指示的电感读数，就是所求真实电感读数，也可按以下公式计算求得：

f被测电感小于1μH时，按上法测得电感值还应减去仪器中测试回路本身剩余电感“L₀”（ZJD-B L0约26nH,，ZJD-CL0约7nH）。

4．高频线圈分布电容C₀的测量

A．倍频率法

如线圈的分布电容较大，可用此法作近似测试。

将被测线圈按在“L_x””接线柱上，调调谐电容器到大电容数值，调讯号源频率到谐振，令谐振时频率和指示调谐电容分别是f₁和C₁。然后将讯号源频率调到f₂ (f₂=n f₁)，再调电容器度盘到谐振点，此时电容读数为C₂，根据下式即可求出分布电容量（测量时微调电容到零）

如取n=2，则为：C₀=（C₁－4C₂）/ 3。

若取不同C₁进行多次测量后取一个平均值，则测试结果将较为准确。

   B．自然频率法（此法可获得较准确的结果）

   a．将被测线圈接在“L_x”接线柱上；

   b．调谐电容器度盘调到大电容值C₁；

   c．调讯号源频率，使回路谐振，该频率为f₁；

   d．取下被测线圈，换上一个能在调谐电容器调节范围内和十倍于f₁频率谐振的电感；

   e．讯号源调到10 f₁位置，调节调谐电容器到谐振点；

   f．将被测线圈接在“C_x”两端，调节调谐电容器达谐振，此时视电容读数是增加还是减小。若增加，则应将振荡器频率调高些，若减小，则频率调低些；

   g．再取下被测线圈，调节主调电容达到谐振；

   h．重复步骤“f”、“g”直到某一频率，被测线圈接上“C_x”两端和不接上均不改变谐振点，这一频率即为被测线圈的自然谐振频率f₂，它的C₀数值为：

C₀=C₁ (f₁／f₂)2

  注：测量中所需辅助线圈可由LKI-l电感组提供便利。

  5．电容器容量的测量

  A. 在测量范围内的小于主调电容量的电容器的测量

a．选一个适当的谐振电感接到“L_x”的两端；

b．将调谐电容器调到大值附近，令这个电容是C₁，如未知电容是小数值的，C₁应调到较小电容值附近，以便达到尽可能高的分辨率；

c．调讯号源的频率，使测试回路谐振，令谐振器Q的读数为Q₁；

d．将被测电容接在“C_x”两端，调节调谐电容器，使测试电路再谐振，令新的调谐电容值为C₂和指示Q值为Q₂。

被测电容的有效电容为：C_x= C₁－C₂

电容器损耗角正切为：

电容器的有效并联电阻为：

C₀为回路谐振电感的自身电容。

B．大于调谐电容量的电容器用可替代法测量

a. 取一只适当容量的标准电容量，其容量为C₃，将它接在“C_x”接线柱上；

b．按5A／a-c各测试步骤；

c．取下标准电容器，将被测电容接到“C_x”接线柱，调节调谐电容器到谐振，此时主调电容量读数为C₂，则C_x可由下式得到：

C_x=C₃+ C₁－C₂

6．Q合格范围预置功能使用

Q合格范围预置功能特别适用于工厂需大批量测试某同一规格元件的Q值，当该元件Q值超过某一给定值或在一定范围内即为合格，这时液晶显示屏显示“OK”，仪器同时鸣叫提醒，这样可减轻工人视力疲劳，同时大大加快了测试速度。

Q合格范围预置的步骤（例150-170）：

a．选择要求的测试频率；

b．用一只合格元件或一只辅助线圈调谐主调电容，使Q值读数指示在所需预置Q值位置上；例150，按一下Q值设置键，使显示屏第三行显示“comp OK”，同时仪器发出鸣叫声，Q值小于150值时，液晶屏第三行显示“comp ¹⁵⁰”；如果，这时要清除设置，只要在Q=0

的情况下，再按一次Q值设置键。

c．如果还要设定Q值的上限，再调谐主调电容，使Q值读数指示在所需预置Q值位置上；例170，再按一下Q值设置键，液晶屏第三行显示“comp ¹⁵⁰₁₇₀”，此时Q合格范围预置功能的设置就结束了；

d．换上要测试的器件，微调谐振电容至谐振点，如果该器件的Q值在设定范围内（例150-170），Q合格指示“comp OK”，同时

仪器发出鸣叫。如果该器件的Q值设定超出该范围，Q合格指示

“comp¹⁵⁰₁₇₀”，如需取消已设置的合格值，只要再按一下设置键即可。

7．谐振点频率自动搜索功能的使用

如果你对电感元件无法确定它的数值时，你就可用该功能来帮你寻找出它的谐振频率点。步骤如下：

a．把元件接以接线柱上；

b．主调电容调到约中间位上；

c．按一下频率搜索按键，显示屏左下部显示“sweep”，仪器就进入搜索状态。

仪器从低工作频率一直搜索到gao工作频率，如果你的元件谐振点在频率覆盖区间内，搜索结束后，将会自动停在元件的谐振频率点附近。

如果临时要退出搜索状态，可再按一次搜索键，仪器会退出搜索操作。

8．谐振点电容自动搜索功能的使用

如果你想在已知的频率找出被测量器件的谐振频率点时，你就可用该功能来帮你寻找出它的谐振点。步骤如下：

a．把元件接以接线柱上；

b．频率设置为所需的频率；

c．按一下电容搜索按键，仪器就进入电容搜索状态，仪器从小电容一直搜索到大电容，如果你的元件谐振点在电容覆盖区间内，搜索结束后，主电容将会自动停在元件的谐振频率点附近。

如果临时要退出搜索状态，可再按一次搜索键，仪器会退出搜索操作。

9．频率调谐开关的使用。

ZJD-B/ZJD-C的频率调谐采用了数码开关，它能辨别使用者的要求，来调节频率变化的速率(频率变化值／档)。在你快速调节该开关时，频率变化速率也加快，当你缓慢调节开关时，频率变化速率也慢下来。因此在调谐时接近所需的频率时，应放缓调节速度，当你调节的频率超出工作频段的频率时，仪器会自动选择低一个或高一个频段工作。