摘要：同軸電纜或高速數(shù)字通訊電纜芯線電容，是影響電纜性能的重要參數(shù),。在完成電纜編織工藝前,，準(zhǔn)確測量芯線的電容，及時(shí)控制電纜單位長度的電容,，使電纜具有均勻傳輸阻抗,，是保證電纜質(zhì)量的重要措施。文章從芯線測量原理,、電容測量裝置設(shè)計(jì),、測量儀器選擇、測量步驟,、影響測量的誤差來源分析等方面對(duì)測量方法進(jìn)行闡述,。
關(guān)鍵詞：同軸電纜；絕緣芯線,；電容,；測量裝置

0 前言
    同軸電纜和高速數(shù)字通訊電纜的芯線電容，是影響電纜傳輸性能的重要參數(shù),，將同軸電纜單位長度電容控制在允許范圍之內(nèi),，可以保證電纜傳輸阻抗的均勻。測量成品同軸電纜電容,，只需用電容測試儀的兩個(gè)測試夾,，分別連接到電纜的內(nèi)外兩個(gè)導(dǎo)體即可。而對(duì)于沒有加上外導(dǎo)體的電纜絕緣芯線,，只有一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體電極,，無法用電容測試儀直接測量。為此,，我們對(duì)如何測量同軸電纜芯線電容的方法進(jìn)行了研究,。

1 同軸電纜電容
1．1 電容計(jì)算公式
   
    式中：C為電纜單位長度電容(pF／m)；ε為絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),；D為電纜的外導(dǎo)體內(nèi)徑即絕緣層外徑(mm),；d為電纜的內(nèi)導(dǎo)體外徑(mm)。
    由上式可知,，電容的大小和內(nèi)導(dǎo)體外徑,、絕緣材料(不同材料ε不同)、外導(dǎo)體內(nèi)徑(絕緣層外徑),、發(fā)泡度(影響ε)相關(guān),。只要D、d,、ε控制在一定范圍內(nèi),，當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體直徑d和絕緣層外徑D確定后，介電常數(shù)ε就決定了電纜的電容。
1．2 發(fā)泡度對(duì)電容的影響
    發(fā)泡度就是發(fā)泡體中含多少百分比的氣體,，可按下式計(jì)算：
   
    式中：P為發(fā)泡度(％),；do-為基材原有的密度；d為發(fā)泡體的密度,。
    對(duì)于發(fā)泡電纜,，ε與發(fā)泡度有直接聯(lián)系，PE材料發(fā)泡度與電容的關(guān)系參見表1,。

    由表1可以看出,，發(fā)泡度大時(shí)ε小,；發(fā)泡度小時(shí)ε大,。在內(nèi)導(dǎo)體外徑及絕緣外徑確定的情況下，只要控制發(fā)泡度的大小,，就能控制電容值,。反過來，測量電容有助于電纜芯線在擠出過程中及時(shí)調(diào)整發(fā)泡度,。

2 電容的測量
    1．1小節(jié)中的電容計(jì)算公式可用于設(shè)計(jì)同軸電纜,，在實(shí)際生產(chǎn)中內(nèi)導(dǎo)體直徑、絕緣外徑的變化,，會(huì)引起電容值的變化,。只有通過測量，才能知道實(shí)際電容值,。電容通常有兩個(gè)電極,，電極之間夾以絕緣層，而同軸電纜芯線只有一個(gè)內(nèi)導(dǎo)體電極,，外面是絕緣層,，要測量芯線的電容，須在絕緣層外面再設(shè)置一個(gè)電極,，這樣就組成了一個(gè)圓柱體電容,。
2．1 測量途徑分析
2．1．1 金屬箔作為外電極
    在絕緣層外面繞包一層銅箔或鋁箔等金屬箔，測量內(nèi)導(dǎo)體和金屬箔之間的電容,。由于金屬箔繞包的松緊,、疊縫空隙等因素，會(huì)對(duì)測量結(jié)果造成較大影響,。
2．1．2 水銀作為電極
    在一個(gè)管狀容器中放入導(dǎo)電的水銀,，將電纜芯線浸入水銀中，測量內(nèi)導(dǎo)體和水銀電極之間的電容值,。由于水銀密度較大,，芯線浸入其中,，對(duì)絕緣層有一定的壓力，容易使塑料等軟性材料變形,，改變?cè)械膸缀纬叽?，而且該方法在測量中會(huì)產(chǎn)生水銀蒸發(fā),，污染環(huán)境,，不利于身體健康。
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(nèi)導(dǎo)體和水電極之間的電容值。該方法成本低,，安全無污染,。
2．2 芯線電容測量裝置
2．2．1 測量裝置結(jié)構(gòu)
    按2．1．2及2．1．3小節(jié)提出的測量方法，均需要制作一個(gè)專門的電容測量裝置,。根據(jù)待測電纜直徑,、長度，考慮測量誤差等因素,，設(shè)計(jì)制作了一個(gè)測量裝置(結(jié)構(gòu)示意見圖1),。

2．2．2 測量裝置韻設(shè)計(jì)要求
    底盤有足夠的面積和質(zhì)量，以保持裝置的穩(wěn)定,，立柱長時(shí)相應(yīng)增加底盤面積,；立柱長度根據(jù)樣品長度設(shè)計(jì)；絲桿長度主要考慮樣品浸入水中對(duì)準(zhǔn)刻線時(shí)的調(diào)節(jié)范圍,，至少有30mm的可調(diào)范圍,；樣品固定板隨升降螺母轉(zhuǎn)動(dòng)而上下移動(dòng)，靜止時(shí),，其上下活動(dòng)問隙盡可能?。粸榱藴p小環(huán)境中電磁場的干擾,，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(zhì)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,。由于水是導(dǎo)電液體，流動(dòng)性好,，能夠均勻地包裹在絕緣層外面,，在水中插入一根導(dǎo)線(裸銅線)，相當(dāng)于在絕緣層外增加一個(gè)電極,。將電容測試儀的測量夾,，分別連接到內(nèi)外兩個(gè)導(dǎo)體,，即可測量外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體之間的電容值。
2．2．4 電容測試儀的選擇
    根據(jù)被測樣品對(duì)電容測量結(jié)果示值誤差的要求,，選擇電容測試儀的準(zhǔn)確度等級(jí),。滿足電容測試儀誤差小于等于1／3樣品測量結(jié)果的允許誤差，例如,，芯線電容測量結(jié)果允許誤差±0．6pF,，則電容測試儀的示值誤差要小于等于±0．2pF。也可以選用LCR數(shù)字電橋測量電容,。
2．2．5 長度測量儀器選擇
    根據(jù)樣品長度測量需要,，選擇1m或2m，分辨率1mm的鋼直尺,。為了測量方便,，把鋼直尺固定在一端裝有擋板的木板上，擋板的垂直端面正好對(duì)準(zhǔn)鋼直尺起點(diǎn)端,。測量時(shí)只要把電纜一端頂住擋板就可量取規(guī)定的長度,，并標(biāo)注刻線。
2．2．6 溫度測量儀器的選擇
    可選擇玻璃溫度計(jì)或數(shù)字式溫度表,，測量范圍0～50℃,，分辨率0．5℃。溫度計(jì)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(jié)果誤差可以忽略,。經(jīng)過誤差分析,，樣品長度可選500至1500mm，太長不便于操作,。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(hào)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(yīng)的影響，絕緣封頭的厚度大于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于500MΩ,?？梢约醋黾从茫菀鬃冃螕p壞絕緣封頭,，只適用于即時(shí)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于500MΩ,。膠體固化前也可以用于測量,，但容易變形損壞絕緣封頭。膠體固化后不易變形,，適宜制作校準(zhǔn)棒的封頭,，可多次使用。
2．3．3 樣品位置調(diào)整
    將樣品小心放入容器內(nèi),，并固定在固定板中,。容器內(nèi)注入清水,，注入量以樣品插入后水面不超過規(guī)定的位置為宜,。調(diào)節(jié)升降螺母，使被測電纜的垂直位置緩慢下降,，直到水面對(duì)準(zhǔn)樣品上預(yù)先標(biāo)注的長度刻線,。
2．3．4 電容測試儀連接
    將電容測試儀的兩個(gè)測試夾分別連接到樣品的內(nèi)外兩個(gè)導(dǎo)體，即可測量電容(內(nèi)導(dǎo)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(jī)殼要連同屏蔽設(shè)施接地,；
    (2)由于測量電容的值較小，使用前必須對(duì)電容測試儀做零點(diǎn)校準(zhǔn),，以減小零位誤差的影響,。校準(zhǔn)零位前，要使兩個(gè)測量夾之間的距離與實(shí)際測量時(shí)的距離基本相同,；
    (3) 設(shè)置儀器參數(shù)：工作頻率：10kHz,；速度：慢速；測試信號(hào)電平：0．3V或1V(在顯示值穩(wěn)定的情況下,，選低電平測試),。
2．3．6 單位長度電容的計(jì)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(shí)際長度電容值(pF)；L為樣品浸入水中的長度(m)
    設(shè)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(shù)據(jù)記錄
    測量電容數(shù)據(jù)要形成記錄，以便于連續(xù)監(jiān)控電容值的變化,。記錄內(nèi)容應(yīng)包括但不限于以下內(nèi)容：
    (1)被測電纜的相關(guān)信息,，如型號(hào)規(guī)格、工藝控制要求等,；
    (2)測量時(shí)間,、樣品長度、測量數(shù)據(jù),、測量人員,；
    (3)測量儀器的相關(guān)信息,，如型號(hào)、準(zhǔn)確度等級(jí),、制造廠,、編號(hào)，檢定／校準(zhǔn)日期等,；
    (4)測量時(shí)的環(huán)境條件,，如溫度、濕度,，以及測量容器中的水溫,；
2．3．8 數(shù)據(jù)圖表
    利用同軸電纜芯線電容測量裝置，測量型號(hào)為50-5芯線,，各時(shí)段樣品的測量結(jié)果及變化曲線見表2,。只要在數(shù)據(jù)表(電子版)中輸入數(shù)據(jù)，就會(huì)自動(dòng)繪制曲線,。該圖表可以監(jiān)視芯線電容的變化情況,。

2．3．9 溫度對(duì)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(shí)要考慮溫度帶來的誤差,。實(shí)際情況下同軸電纜芯線的發(fā)泡度不同,，溫度影響程度也不同。為了減小溫度對(duì)測量結(jié)果的影響,，要測量容器中的水溫,，根據(jù)實(shí)測溫度，將測量結(jié)果修正到20℃時(shí)的電容值,。
2．4 電容測量結(jié)果的誤差來源分析
    (1)用于測量芯線電容值的電容測試儀(LCR數(shù)字電橋TH2819A)的基本允許誤差：±0．05％,；
    (2)量取芯線長度時(shí)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(duì)誤差為±0．05％,；
    (3)芯線浸入水中時(shí)刻線與水面相切，調(diào)節(jié)位置時(shí)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(duì)誤差為±0．05％,；
    (4)外部電磁干擾對(duì)顯示值波動(dòng),、讀數(shù)估計(jì)帶來的測量誤差,。由實(shí)際測量時(shí)估計(jì)，約±0．005pF,，相對(duì)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(duì)誤差為±0．1％,；
    (6)由測量重復(fù)性引起的測量誤差，從實(shí)際測量情況看約±0．005 pF,，相對(duì)誤差為±0．01％,。

3 水電容測試儀
    隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用水作為測量電極的動(dòng)態(tài)測量儀器一水電容測試儀已開始在高端產(chǎn)品中應(yīng)用,。該儀器能在線動(dòng)態(tài)測量電纜(未加屏蔽層的芯線)的單位長度電容量,，并可預(yù)置電容控制值輸出反饋信號(hào)，通過控制擠出速度或牽引速度自動(dòng)控制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(hào)發(fā)生器,、顯示器等組成(見圖2),。測量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波交流電壓同時(shí)加到浸沒于水中的測量管中的測量電極和保護(hù)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(hào)源電壓和頻率固定時(shí),，流過電容的電流與電容量大小成正比。

    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(jù)公式可以看出,，只要測得電流的大小即可測量出電容的大小,。通過測量信號(hào)發(fā)生器的轉(zhuǎn)換將測量信號(hào)送顯示器顯示。
3．2 水電容測試儀的校準(zhǔn)
3．2．1 校準(zhǔn)原理
    根據(jù)水電容測試儀的測量原理,，選擇一根已知電容值的校準(zhǔn)棒,，放入測量管中模擬電纜，測量校準(zhǔn)棒的電容值,，以此確定儀器的測量誤差,。
3．2．2 校準(zhǔn)棒的選擇
    (1)玻璃校準(zhǔn)棒?？梢韵蛑圃鞆S商購得,，出廠時(shí)提供參考值，例如：115．6±0．5pF／m,。用戶可利用校準(zhǔn)棒對(duì)水電容測試儀進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn),。這種校準(zhǔn)棒絕緣層為玻璃,，穩(wěn)定性好，但價(jià)格較高,，容易受沖擊力如碰撞,、跌落而損壞，特別是長度較長的校準(zhǔn)棒更要小心使用,。我省暫時(shí)無法開展玻璃校準(zhǔn)棒的量值溯源,。
    (2)過程產(chǎn)品，如同軸電纜芯線(只有內(nèi)導(dǎo)體和絕緣層的絕緣導(dǎo)線),。測量何種規(guī)格的電纜,，可選該規(guī)格電纜。校準(zhǔn)前,，需要先在專用測量裝置上測得該電纜的電容值,，才能利用該校準(zhǔn)棒對(duì)水電容測試儀進(jìn)行校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)棒絕緣層是塑料,，如聚乙烯,，取材容易，成本低,，但容易產(chǎn)生如劃傷,、壓傷等機(jī)械損傷，定值后長期穩(wěn)定性差,，需要使用前定值,，只能短時(shí)間內(nèi)使用。
3．2．3 校準(zhǔn)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(zhǔn)棒的電容,。無論是玻璃校準(zhǔn)棒，還是電纜芯線校準(zhǔn)棒,，只要按2．3小節(jié)芯線電容測量步驟操作,，就可以測得電容值，即對(duì)校準(zhǔn)棒定值,，并利用其對(duì)水電容測試儀進(jìn)行校準(zhǔn),。只要在選擇電容測試儀時(shí)，考慮測量誤差符合校準(zhǔn)棒的允許誤差要求即可,。

4 結(jié)語
    利用同軸電纜芯線電容測量裝置進(jìn)行測量試驗(yàn),，表明其測量方法是可行的，測量裝置是穩(wěn)定實(shí)用的,。對(duì)于暫時(shí)無條件配備水電容測試儀的企業(yè),，可以利用該裝置和測量方法，解決離線抽樣測量芯線電容的問題，為控制工藝參數(shù)提供測量數(shù)據(jù),。動(dòng)態(tài)水電容測試儀用于電纜的生產(chǎn)線自動(dòng)連續(xù)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,，可將事后(編織工藝以后)測量變?yōu)槭虑翱刂?。同時(shí)，為校準(zhǔn)水電容測試儀用的校準(zhǔn)棒提供了測量裝置,，使水電容測試儀的量值溯源成為可能,。