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使用电桥法测量陶瓷电容的容量

文章出处:东莞市瓷谷电子科技有限公司 所属分类: 知识分享

    电容器的电容量(C)及报耗角正切(0)值是电容器的两个最基本的参数,它们主要取关于介质材料的相对介电常数(e)和损耗角正切值。电容量可根据不同容量范围、不同的工作条件不同环境要求选择相应的方法进行测量,目前测量电容量的方法有电桥法诸振法等。介质的相对介电常数可根据所测得的电容量进行计算而求得。


    用电桥法测试容量的主要优点是测量电容的范围广、精度高。选用各工作频率范围的电桥,可对电容器容量进行不同频率下的测量,以研究电容器的容量频率特性。根据工作频率不同,测量电容量的电桥可分为超低频电桥、音频电桥和双T电桥等。超低频电桥的频率范围是0.01 ~ 200Hz,音频电桥一般在20Hz ~ 3MHz,双T电桥一般在1MHz ~ 50MHz范围,有的双T电桥,使用频率达到250MHz时,仍具有较好的测量精度。

    1)超低频电桥
    工业自动化控制电路中所使用的电容器经常工作在极低频情况下,对其性能的测试可采用图2.7所示的基本电路。这种测量线路属于平衡指示器不接地的电阻比例臂电桥,应用频率范围为0.1~10Hz。
   
    因为频率很低,所以采取直接耦合,为了消除杂散因素的影响,除桥臂、指示器采用屏蔽外,还采用瓦格纳保护电路。平衡指示器是用高输人的直流放大器和指示器组合而成,指示器的输人没有接地端,桥臂选用阻值比较低的电阻R来抑制其受外界电场感应的影响。

    电容量测量采用替代法,在未接待测电容(Cx)下、电桥平衡时从CA读出CB值,接人待测电容(Cx)后、桥平衡时读出的CA值,通过式(2.13)算得。

Cx=CA-CB

    2)西林电桥
    针对不同用途,西林电桥有高压工频西林电桥、低压工频西林电桥及低压音频西林电桥之分。它们除了工作电压的高低和信号频率的差别之外,其结构原理是。样的。图2.8为西林电桥的原理图。

    图中Rx、Cx为被测电容器的等值并联电容及电阻,R3、R4为比例臂。Cs 为标准电容,C4为平衡由试样损耗角正切引起的参数变化而设置的可变电容,电桥平衡时满足图

      ZxZ4 = ZsZ3
 

1/Zx= 1/Rx+ jwCx;
Zs= 1/jwCs;
Z3= R3;
    1/Z4= 1/R4+ jwC4代人式(2.14)可得1/(1/Rx + jwCx)(1/R4 + jwC4) = R3/jwCs,由此可得tg0x= 1/wCxRx = wC4R4,
Cx= CsR4/R3(1+g2δx)。当tgδx<0.1,则破测电容(Cx)值近似地由式2.15表示,此时误差不超过1%。

      Cx = CsR4/R3 
 
角频率w和电阻R4均为已知,电桥平衡时,tgδc可由C4的对应量对其进行刻度,从而可直接读数。通常R4的数值选择为: R4 = 10000/π= 3183.22或1000/π = 318.320、100/131. 83202。 如在工频下测量,即w= 2πf = 100,则损耗角正切(tgδ )值的读数在R4取104/π和103/π时,分别为C4的容量值(单位μF)或它的10-1、10-2倍率值。

      3)双T电桥
      双T电桥是利用两个并联的T型网络构成的四端网络,其原理如图2.9所示。图中C1、C为电容器,R为无感电阻、L、C2为辅助线圈和标准可调电容器,Lb、C3为另一T型网络的辅助线圈和标准可调日电容器。利用被测电容接入aa’端前后、电桥平衡时C2、C3的读数变化,容易地对待测电容器(Cx)和损B耗角正切(g8x)进行测量。若电桥平衡后,待测电容器接于aa‘端,再将电桥调平衡时有 
  CXaa=C30-C31
  tgδX=1/wCxRx=wC2▲C3/C1▲C2
  式中▲C2=C20-C21;▲C3=C31-C30;C20、C30分别为未接待测电容且电桥平衡时C2、C3的值;C21、C31分别接入待测电容后,电桥重新平衡时C2、C3的值。若电容接在bb端,采用同样的方法可以得出
 
  Cxbb=C20-C21
  tgδX=C1▲C2/wC2R▲C3
  双T电桥的优点是信号源与检测器有公共的接地点、可不用隔离变压器,杂散电容不影响测试结果。另外结构上可以做得很对称,以尽量消除各种不利影响。

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