电容与介质损耗角正切的测量(中)

1、电阻比例臂电容电桥
电阻比例臂电容电桥即为西林电桥
高压西林电桥（工作在工频、高压） 低压西林电桥（工作在音频、低压）
高压西林电桥
（1）西林电桥平衡条件
Zx
电桥平衡条件： ZxZ4=Z3Z0 代入电学参数，利用复数相等的条件，得到： 1-ω2C4CxR4Rx=0， 进而 tgδx=1/(ωCxRx)= ωC4R4 Cx=C0R4/(R3(1+tg2δx)) 如果tgδx<0.1, 则Cx≈C0R4/R3 高压西林电桥原理图 Z0
西林电桥的灵敏度取决于电源电压U,提高电源电压，可增加 △iA,从而提高电桥灵敏度。 电桥灵敏度受限于指示器的灵敏度，即指示器的最小分辨能力 ，因此通常采用带放大器的高灵敏度振动式检流计指示。其电 流灵敏度可达10mm/μA,电压灵敏度可达0.1mm/ μV。 通常选择样品的电容≥50pF，因为Cx大， △iA大。 标准电容C0可以适当大些，但太大的话，会适得其反。
（3）西林电桥的误差来源
1.电桥指示器的灵敏度限制将引起测量误差。电桥不平衡 性所引起的△iA没有达到平衡指示器所能检测的范围。 2.杂散电容与杂散漏电导的存在，会引起Zx的测量误差。
3.外界电磁场的影响。外界电磁场的影响主要是高压电源 变压器和高压电极在周围空间所引起的电场，会在桥臂Zx 上引起附加电流而造成测量误差。为了消除电场干扰引起 的测量误差，常采用屏蔽法、移相法和倒相法。
类似地，可以得到
西林电桥的替代法测量原理
优点与适用条件： 利用替代法可以消除接试样与不接试样两次测量 中的不变参数的杂散电容影响，从而提高了测量 的准确度 但是，当试样的电容大于标准可变电容器的电容 值，不能采用替代法测量。 替代法适用于电压不太高的场合，一方面把高压 标准电容器作成标准可变的比较困难；另一方面 高压操作也不安全。
（误差来源3）倒相法
第二次测量
第一次测量
利用电源电压正反相下进行两次测量， 然后确定出被测试样的Cx和tgδx。
倒相法电流矢量
（误差来源4）元件参数误差对 测量结果的影响
±Hale Waihona Puke .3%±0.1%±0.5%
±0.05%
（4）提高西林电桥准确度的途径
对地电容的消除方法
残余电感和零位电容的消除方法
西林电桥提供了高压下测量的可能性
因为其调节元件R3和C4处于低压桥臂上。
为保证绝对安全，在C、D接点安装放电隙，这样 即使试验中某些意外因素发生，如试样发生击穿 或表面放电时，放电隙可作安全指示，可使C、D 接地，保证安全操作。
（2）影响西林电桥灵敏度的因素
电流回路示意图
（2）影响西林电桥灵敏度的因素
对地电容的影响
漏导电阻的影响很小，可忽略，考虑对 地电容的影响
杂散电容与杂散漏电导的分布
漏导电阻的影响
考虑漏导电阻时，只需要将对地漏导 电阻的影响加入R3和R4中。
杂散电容与杂散漏电导的分布
可从仪器结构和材料选取上采取一些 措施，可使C、D对地漏导电阻远大于 R3、R4。
对地电容的消除方法
对地电容影响的减弱或消除最有效的办法是采用 屏蔽、保护和接地技术。 屏蔽主要是电屏蔽。 目前可采用两种方式：一是单个元件分别屏蔽， 如桥臂元件、变压器和指示器；二是整个电桥的 屏蔽。
屏蔽的基本思想
基本思想：把元件用金属屏围起来，将屏施以一固定电位 ，或者连接在一固定电位的物体或节点（如接地点）上。 屏蔽看起来消除了： 1.外界电场的影响和元件之间的耦合 2.元件之间的耦合 3.元件对地电容
Z3
Z4
（1）西林电桥平衡条件
tgδx=1/(ωCxRx)= ωC4R4 Cx=C0R4/R3
由电桥平衡所得到的Cx、tgδx计算公式可知，电桥平衡是通过调节R3 、C4来实现的。 两者之间的关系，指出了正确调节电桥平衡的简捷方法： 被测电容或介质材料试样损耗很小，接入电桥后，电容失衡是主要的 ，先调R3平衡电容Cx，当平衡到一定程度时调节C4才起作用，然后调 C4来平衡tgδx 。 tgδx平衡到一定程度，电容尚未完全平衡又突出，再 调R3 ，然后调C4 ，依次反复直到整个电桥平衡。
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第二章 电容与介质损耗角正切的测量
低频下 高频下
极低频下 超高频下
相对介电系数和介质损耗角正切的测量
电容器高频参数及频率特性的测量
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低频下相对介电系数和介质损耗角正切的测量
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（一）低频下相对介电系数和介质损耗角正切的测量
1、电阻比例臂电容电桥 2、电感比例臂电桥-变压器电桥 3、自动平衡电桥 4、工业上常用电容和损耗测量仪
（1）西林电桥平衡条件
损耗角正切的直接法测量： 电桥平衡时，tgδx=1/(ωCxRx)= ωC4R4 。角频率和R4均为已知的， C4刻度可按照tgδx进行刻度，可直接读数。
例如：工频条件下， C4 单位采用微法表示，损耗角正切可表示为
西林电桥的替代法测量原理
低通
替代法测量原理图
西林电桥的替代法测量原理
4.桥臂元件参数的误差以及参数漂移也会造成测量误差。 例如R3电阻箱的基本误差为±0.1%。此外，桥臂中的电 阻还存在电感，电容还存在漏导电阻，可变电容器存在零 位电容等均引起误差。
零位电容：电容器置于零的位置时，电容值并不等于零。
（误差来源2）杂散电容与杂散漏电导的影响
接线和元件对地电容 杂散因素
杂散阻抗与电 源并联，不影 响电桥平衡
元件间存在着杂散电容和杂散电导 与桥臂元件并联， 直接影响测量的正确度， 造成测量误差
这些杂散因素可以等效 地看成电桥四个节点上 都并联一RC接地阻抗。
B点接地不存在 杂散因素
杂散电容与杂散漏电导的分布
（误差来源3）屏蔽法
屏蔽法就是用金属屏将干扰源与被测样品隔离，是测量回 路不受干扰电场的影响，从而提高测量准确度。屏蔽可以 减弱干扰电场的影响，但不能完全消除，而且当屏靠近被 测样品时将改变样品的电场分布，带来新的误差。 外界磁场可以在R3、R4与指示器所构成的闭合回路中产 生感应电流，从而在指示器中产生感应电势。采用磁屏蔽 不能消除此影响，只能在一定程度上减弱。通常采用改变 检流计中通过的电流方向，进行两次测量，减弱外加磁场 的影响。根据两次测量值可求出：