0 前言

同軸電纜和高速數字通訊電纜的芯線電容，是影響電纜傳(chuan) 輸性能的重要參數，將同軸電纜單位長度電容控製在允許範圍之內(nei) ，可以保證電纜傳(chuan) 輸阻抗的均勻。測量成品同軸電纜電容，隻需用電容測試儀(yi) 的兩(liang) 個(ge) 測試夾，分別連接到電纜的內(nei) 外兩(liang) 個(ge) 導體(ti) 即可。而對於(yu) 沒有加上外導體(ti) 的電纜絕緣芯線，隻有一個(ge) 內(nei) 導體(ti) 電極，無法用電容測試儀(yi) 直接測量。為(wei) 此，我們(men) 對如何測量同軸電纜芯線電容的方法進行了研究。

1 同軸電纜電容

1．1 電容計算公式

式中：C為(wei) 電纜單位長度電容(pF／m)；ε為(wei) 絕緣介質的相對介電常數；D為(wei) 電纜的外導體(ti) 內(nei) 徑即絕緣層外徑(mm)；d為(wei) 電纜的內(nei) 導體(ti) 外徑(mm)。

由上式可知，電容的大小和內(nei) 導體(ti) 外徑、絕緣材料(不同材料ε不同)、外導體(ti) 內(nei) 徑(絕緣層外徑)、發泡度(影響ε)相關(guan) 。隻要D、d、ε控製在一定範圍內(nei) ，當內(nei) 導體(ti) 直徑d和絕緣層外徑D確定後，介電常數ε就決(jue) 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(ti) 中含多少百分比的氣體(ti) ，可按下式計算：

式中：P為(wei) 發泡度(％)；do-為(wei) 基材原有的密度；d為(wei) 發泡體(ti) 的密度。

對於(yu) 發泡電纜，ε與(yu) 發泡度有直接聯係，PE材料發泡度與(yu) 電容的關(guan) 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。在內(nei) 導體(ti) 外徑及絕緣外徑確定的情況下，隻要控製發泡度的大小，就能控製電容值。反過來，測量電容有助於(yu) 電纜芯線在擠出過程中及時調整發泡度。

2 電容的測量

1．1小節中的電容計算公式可用於(yu) 設計同軸電纜，在實際生產(chan) 中內(nei) 導體(ti) 直徑、絕緣外徑的變化，會(hui) 引起電容值的變化。隻有通過測量，才能知道實際電容值。電容通常有兩(liang) 個(ge) 電極，電極之間夾以絕緣層，而同軸電纜芯線隻有一個(ge) 內(nei) 導體(ti) 電極，外麵是絕緣層，要測量芯線的電容，須在絕緣層外麵再設置一個(ge) 電極，這樣就組成了一個(ge) 圓柱體(ti) 電容。

2．1 測量途徑分析

2．1．1 金屬箔作為(wei) 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(nei) 導體(ti) 和金屬箔之間的電容。由於(yu) 金屬箔繞包的鬆緊、疊縫空隙等因素，會(hui) 對測量結果造成較大影響。

2．1．2 水銀作為(wei) 電極

在一個(ge) 管狀容器中放入導電的水銀，將電纜芯線浸入水銀中，測量內(nei) 導體(ti) 和水銀電極之間的電容值。由於(yu) 水銀密度較大，芯線浸入其中，對絕緣層有一定的壓力，容易使塑料等軟性材料變形，改變原有的幾何尺寸，而且該方法在測量中會(hui) 產(chan) 生水銀蒸發，汙染環境，不利於(yu) 身體(ti) 健康。

2．1．3 用普通清水作為(wei) 電極

將清水注入管狀容器，電纜芯線浸入水中，測量內(nei) 導體(ti) 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(ge) 專(zhuan) 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(ge) 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(si) 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(wei) 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

將被測樣品下端用絕緣物質封住端口，放入盛有自來水的容器，利用樣品固定板將樣品固定。由於(yu) 水是導電液體(ti) ，流動性好，能夠均勻地包裹在絕緣層外麵，在水中插入一根導線(裸銅線)，相當於(yu) 在絕緣層外增加一個(ge) 電極。將電容測試儀(yi) 的測量夾，分別連接到內(nei) 外兩(liang) 個(ge) 導體(ti) ，即可測量外導體(ti) 和內(nei) 導體(ti) 之間的電容值。

2．2．4 電容測試儀(yi) 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(yi) 的準確度等級。滿足電容測試儀(yi) 誤差小於(yu) 等於(yu) 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(yi) 的示值誤差要小於(yu) 等於(yu) ±0．2pF。也可以選用LCR數字電橋測量電容。

2．2．5 長度測量儀(yi) 器選擇

根據樣品長度測量需要，選擇1m或2m，分辨率1mm的鋼直尺。為(wei) 了測量方便，把鋼直尺固定在一端裝有擋板的木板上，擋板的垂直端麵正好對準鋼直尺起點端。測量時隻要把電纜一端頂住擋板就可量取規定的長度，並標注刻線。

2．2．6 溫度測量儀(yi) 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(wei) 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(yu) 操作。測量前，先在樣品上量取一定長度(例如從(cong) 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(wei) 了減小邊緣效應的影響，絕緣封頭的厚度大於(yu) 兩(liang) 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(yu) 500MΩ。可以即做即用，但容易變形損壞絕緣封頭，隻適用於(yu) 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(yu) 500MΩ。膠體(ti) 固化前也可以用於(yu) 測量，但容易變形損壞絕緣封頭。膠體(ti) 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

將樣品小心放入容器內(nei) ，並固定在固定板中。容器內(nei) 注入清水，注入量以樣品插入後水麵不超過規定的位置為(wei) 宜。調節升降螺母，使被測電纜的垂直位置緩慢下降，直到水麵對準樣品上預先標注的長度刻線。

2．3．4 電容測試儀(yi) 連接

將電容測試儀(yi) 的兩(liang) 個(ge) 測試夾分別連接到樣品的內(nei) 外兩(liang) 個(ge) 導體(ti) ，即可測量電容(內(nei) 導體(ti) 與(yu) 水電極之間的電容值)。

2．3. 5 電容測試儀(yi) 的使用要求

(1)電容測試儀(yi) 機殼要連同屏蔽設施接地；
(2)由於(yu) 測量電容的值較小，使用前必須對電容測試儀(yi) 做零點校準，以減小零位誤差的影響。校準零位前，要使兩(liang) 個(ge) 測量夾之間的距離與(yu) 實際測量時的距離基本相同；
(3) 設置儀(yi) 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#p#分頁標題#e#

式中：C為(wei) 樣品的單位長度電容(pF／m)：C1為(wei) 電容測試儀(yi) 測量的樣品實際長度電容值(pF)；L為(wei) 樣品浸入水中的長度(m)
設樣品浸入水中的長度為(wei) 500mm，電容測試儀(yi) 顯示值為(wei) 25．02pF，就可以測得單位長度電容為(wei) ：



2．3．7 測量數據記錄

測量電容數據要形成記錄，以便於(yu) 連續監控電容值的變化。記錄內(nei) 容應包括但不限於(yu) 以下內(nei) 容：
(1)被測電纜的相關(guan) 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(yi) 器的相關(guan) 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(wei) 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(hui) 自動繪製曲線。該圖表可以監視芯線電容的變化情況。



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。

測量電容時要考慮溫度帶來的誤差。實際情況下同軸電纜芯線的發泡度不同，溫度影響程度也不同。為(wei) 了減小溫度對測量結果的影響，要測量容器中的水溫，根據實測溫度，將測量結果修正到20℃時的電容值。

2．4 電容測量結果的誤差來源分析

(1)用於(yu) 測量芯線電容值的電容測試儀(yi) (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(wei) 例，一般為(wei) 50pF／m，長度測量誤差約為(wei) ±0．5mm，電容誤差為(wei) ±0．025pF，相對誤差為(wei) ±0．05％；
(3)芯線浸入水中時刻線與(yu) 水麵相切，調節位置時視覺誤差帶來的測量誤差，約為(wei) ±0．5 mm，電容誤差為(wei) ±0．025 pF，相對誤差為(wei) ±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(wei) ±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(wei) ±0．1％；
(6)由測量重複性引起的測量誤差，從(cong) 實際測量情況看約±0．005 pF，相對誤差為(wei) ±0．01％。

3 水電容測試儀(yi)

隨著電子技術和計算機技術的發展，利用水作為(wei) 測量電極的動態測量儀(yi) 器一水電容測試儀(yi) 已開始在高端產(chan) 品中應用。該儀(yi) 器能在線動態測量電纜(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(yi) 由測量管、測量信號發生器、顯示器等組成(見圖2)。測量信號發生器產(chan) 生的正弦波交流電壓同時加到浸沒於(yu) 水中的測量管中的測量電極和保護電極，測量電極上的電流通過被測電纜的電容流回電源地線，在信號源電壓和頻率固定時，流過電容的電流與(yu) 電容量大小成正比。

即：
I=uωC (5)
式中：u為(wei) 電容兩(liang) 端的電壓；ω為(wei) 電流的角頻率；C為(wei) 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(yi) 的校準

3．2．1 校準原理

根據水電容測試儀(yi) 的測量原理，選擇一根已知電容值的校準棒，放入測量管中模擬電纜，測量校準棒的電容值，以此確定儀(yi) 器的測量誤差。

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(yi) 進行現場校準。這種校準棒絕緣層為(wei) 玻璃，穩定性好，但價(jia) 格較高，容易受衝(chong) 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(chan) 品，如同軸電纜芯線(隻有內(nei) 導體(ti) 和絕緣層的絕緣導線)。測量何種規格的電纜，可選該規格電纜。校準前，需要先在專(zhuan) 用測量裝置上測得該電纜的電容值，才能利用該校準棒對水電容測試儀(yi) 進行校準。這種校準棒絕緣層是塑料，如聚乙烯，取材容易，成本低，但容易產(chan) 生如劃傷(shang) 、壓傷(shang) 等機械損傷(shang) ，定值後長期穩定性差，需要使用前定值，隻能短時間內(nei) 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小節芯線電容測量步驟操作，就可以測得電容值，即對校準棒定值，並利用其對水電容測試儀(yi) 進行校準。隻要在選擇電容測試儀(yi) 時，考慮測量誤差符合校準棒的允許誤差要求即可。

4 結語

利用同軸電纜芯線電容測量裝置進行測量試驗，表明其測量方法是可行的，測量裝置是穩定實用的。對於(yu) 暫時無條件配備水電容測試儀(yi) 的企業(ye) ，可以利用該裝置和測量方法，解決(jue) 離線抽樣測量芯線電容的問題，為(wei) 控製工藝參數提供測量數據。動態水電容測試儀(yi) 用於(yu) 電纜的生產(chan) 線自動連續測量，快速方便，但投入較大。電容測量，使芯線在編織工藝前，就能獲得電容值，可將事後(編織工藝以後)測量變為(wei) 事前控製。同時，為(wei) 校準水電容測試儀(yi) 用的校準棒提供了測量裝置，使水電容測試儀(yi) 的量值溯源成為(wei) 可能。