CN1036459A - 动态介电分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态介电分析仪，用于自动测 量被测部件的电容和损耗。其特征是采用了两个阻 容并联反馈的电流电压变换器，并采用接地和浮地的 两组电源对仪器供电。本发明的仪器测试频率连续 可调，被测部件的一端可接大地，另一端以单根长电 缆与仪器连接，为实验室研究和工厂生产实时监控带 来了方便。

Description

本发明涉及一种测量物质的介电性能-电容量和损耗的动态介电分析仪器。

动态介电分析是在交变电场下测试物质的介电性能随温度变化情况的一种技术。目前，美国Tetrahedron公司生产的Audrey系列动态介电分析仪必须用两根电缆对由被测材料和两个电极构成的电容进行测试。而在生产过程中对产品进行实时监控时，要安置两个电极并引出到仪器上是比较麻烦的。美国专利《微介电测量的方法和仪器》（US4，423，371）公开的技术是将集成化的微电极埋入被测材料来进行动态介电分析。这种方法须配备频率综合器、幅相仪、计算机等才能完成。日本专利《TANδ自动测定装置》（JP58-106471）公开的技术是采用两个电流电压变换器和乘法器、比较器、同步检波器、除法器等电路完成对被测部件的损耗和电容的测量。这种方法从原理上受到限制，损耗值的测量范围仅在0.3以下。当被测部件损耗值达到1时，测试误差高达41%。并且这种测视技术的测试信号频率不能任意调节，被测部件两端均不能接地。

本发明的目的在于避免上述现有技术的不足之处而提供这样一种动态介电分析仪：1、被测部件的一端可以接地。2、被测部件的另一端可以用一根数十米长的电缆从加工现场引到控制室内的仪器上进行测量。3、测试频率连续可调。4、具有较高的测试精度和较宽的测量范围。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

由正弦信号源（1）、第一电流电压变换器（3）、第二电流电压变换器（4）、移相器（5）、相检器（6）、函数转换器（7）、同步检波器（8）、除法器（10）、电源（11）、和（18）、差动放大器（15）等部分构成的动态介电分析仪，其特征是：

由同一集成块上的两个高输入阻抗运算放大器和反馈支路构成第一电流电压变换器（3）和第二电流电压变换器（4），且两个变换器的反馈支路由相同参数的并联电阻电容构成;

两个电流电压变换器的输出信号分别送给同步检波器（8）、移相器（5）、幅度检波器（9），并与除法器（10）共同完成电容量的测量。

本发明的目的还可以通过以下措施来达到：

采用接地电源（13）为差动放大器（15）供电，采用浮地电源（11）为仪器的其余部分供电;

信号源（1），标准电容（12）和被测部件（2）的联接点接机壳作为接地端。

本发明的仪器与现有技术相比具有如下优点：

1、由于在生产加工中，金属模具可作为一个电极与仪器外壳连接，另外用一根长电缆接到贴在工件外面的一个电极上，这样就可以在远离加工现场的控制室内对工件材料的介电特性变化情况进行实时监控。

2、测试频率连续可调为寻找最佳工艺条件带来了方便。

3、仪器的电容测试范围可大于1000Pf，损耗值的测试范围可达11以上;而且在这样大的范围内电容测试误差小于±5%，在损耗值小于2时损耗测试误差小于±10%。

4、电路中避免采用复杂的逻辑运算处理电路，因而更加简单可靠。

附图的图面说明如下：

图1是动态介电分析仪的方框图。

图2表示信号源电压与两个通道的电流电压之间的相位关系的矢量图。

图3表示相检器（6）中的鉴相电路输入信号相位差△θ与输出电压U_out之间的鉴相特性。

图4表示仪器实际用于生产实时监控的一种测试连接方法。

下面结合附图对本发明的实施作进一步详述：

图1为本发明所设计的动态介电分析仪的最佳实施方框图。频率连续可调的正弦信号源（1）的一端接浮地公共端（图中以符号⊥表示），另一端接标准电容Cs（12）、被测部件（2）的一端接仪器外壳（即接地端，图中以附号

表示）。高输入阻抗运算放大器A₁和反馈电阻R₁，电容C₁构成第一电流电压变换器（3），A₂和R₂、C₂构成第二电流电压变换器（4）。第一电流电压变换器（3）将流过被测部件（2）的电流I₁变换为相应的电压

₁;第二电流电压变换器将流过标准电容（12）的电流

₂变换为相应的电压

₂。 ₁送给相检器（6）的一个输入端，

₂经移相器（5）移相90°变成 ₃后送给相检器（6）的另一个输入端，相检器（6）输出一个与

₁、

₂间相位差 成正比的电压U₄，函数转换器（7）将U₄转换成与被测部件损耗角

的正切值成正比的电压U₅。

移相器（5）输出的0°信号

₆加给同步检波器（8）作为参考信号对

₁进行同步检波，获得输出电压U₇。第二电流电压变换器（4）的输出电压 ₂经幅度检波器（9）检波后得到电压U₈，除法器（10）完成U₇/U₈的运算，获得与被测部件（2）的电容分量成正比的电压U₉。

图1中除差动放大器（15）外的电路单独由一组浮地电源（11）供电，其其公共端（⊥）不接机壳，上述电压U₀～U₉（U₀是正弦信号源（1）的输出电压）均以此公共端为参考点。U₄或U₅经开关（14）转换后接差动放大器（15）的一个放大器正输入端，U₉接（15）的另一个放大器的正输入端，两个放大器的负输入端都接上述浮地公共端。（15）单独由一个公共端接机壳（接地端

）的电源（13）供电。

下面结合图2的矢量关系进行数学推导，以便更清楚地阐明仪器的工作原理。当正弦信号源输出电压

。加到被测部件（2）上时，由于A₁可视为理想运放，其正负输入端可以视为等电位点（即虚地效应）相当于

。直接加到被测部件（2）两端。被测部件（2）还可以等效为R_x与C_x并联，因而流过R_x的电流分量 ₃与 。同相，而流过C_x的电流分量I₄超前

。90°。流过被测部件（2）的总电流 ₁为 ₃和

₄的矢量和。 ₁与 ₄之间夹角即为损耗角

。当A₁为理想运放时，

₁将全部流过R₁C₁并联的反馈支路，在第一电流电压变换器（3）的输出端得到电压

₁。同样，流过标准电容（12）的电流

₂经第二电流电压变换器（4）变换成电压

₂。为便于分析，先假定R₁R₂为无穷大。这时，由于运放的倒相放大作用，第一电流电压变换器（8）的输出电压 ₁会超前于

₁90°，第二电流电压变换器（4）的输出电压

₂超前于

₂90°（即与负的

₀同相位）。此时 ^′ ₁和 ^′ ₂之间的相位差即为损耗角 。两个电压的幅度分别为：

U^′ ₁＝I₁/ωC₁（1）

U^′ ₂＝I₂/ωC₂（2）

实际上A₁、A₂若不加直流负反馈则无法稳定工作，并考虑到工业监测中的环境干扰，C₁、C₂必须分别并联上电阻R₁、R₂且电阻的阻值不宜选得太大。选取R₁＝R₂＝R，C₁＝C₂＝C，且根据最低测试频率wmin时的容抗1/wmin°C≤ (R)/2 确定C值。A₁A₂采用同一集成块上的两个高输入阻抗运放，以保证运放本身引入的附加相移尽可能一致。接上R后， ₁和

₂相对于

^′ ₁和

^′ ₂分别产生一个相等相移△φ：

△φ＝tan^-11/(ωRC) （3）

其幅度为：

U₁＝I₁/ωc cos△φ （4）

U₂＝I₂/ωc cos△φ （5）

由图2可知， ₁和 ₂之间的相位差仍为损耗角 。相检器（6）中采用的监相电路具有图3所示的鉴相特性。当△θ值较小时，由于电路误差，可能使相位测试刚好落在拐点附近产生双值。因此将U₂经移相器（5）移相90°后得到

₃和

₁一起加到鉴相电路上，这样得到正比于（90°+

）角的电压，再利用直流偏置的方法将90°对应的直流分量减去，获得的U₄便正比于 角。函数转换器（7）将U₄进行正切运算，获得与tan

成正比的电压U₅。

同步检波器（8）、除法器（10）、幅度检波器（9）等对 ₁和

₂进行处理，完成对被测部件（2）的电容分量C_x的测试。

同步检波器（8）的输出电压为U₇：

U₇＝k₁·U₁·cos

（6）

由图2可知

I₁＝I₄/cos

（7）

由（4）（6）（7）式得：

U₇＝k₁·cos△φ·I₄/ωC （8）

$I_4\mathrm{=U}{}_O/\frac{1}{{\mathrm{\omega \; c}}_X}{\mathrm{=U}}_O\mathrm{·\; \omega \; ·C}{}_X\mathrm{(9)}$

${\mathrm{\therefore U}}_7\mathrm{=k}{}_1·\frac{U_0}{C}{C}_x\mathrm{·cos\; △\phi \; (10)}$

幅度检波器（9）的输出为U₈：

$U_8\mathrm{=k}{}_2\mathrm{·\; U}{}_2\mathrm{=k}{}_2·\frac{I_2}{{\omega }_C}\mathrm{cos\; △\phi }$

除法器（10）实现U₉＝U₇/U₈的运算： ${\mathrm{\therefore U}}_9=\frac{k_1}{k_2}·\frac{C_X}{C_S}{\mathrm{=\; K\; ·\; C}}_X\mathrm{(12)}$

即当电路参数确定后，U₉与C_x成正比，而与测试频率，信号源输出幅度及损耗大小无关。

由图1可知，U₄、U_s、U₉及浮地公共端“⊥”相对于地端“

”都有一个幅度约为U。的正弦共模电压，差动放大器（15）按图1所示的接法，并单独由公共端接地的电源（13）供电，这样便消除了此正弦共模电压，（15）输出即为以大地为基准的直流电压，其大小仍等于上述的U₄U₅和U₉，从而便于本仪器与其它电表或记录仪进行连接。

被测部件（2）一端接地，另一端用电缆接第一电流电压变换器（3）的负输入端，电缆的屏蔽层接浮地公共端即A₁的正输入端。由于A₁的开环增益可视为无穷大，则电缆芯线与屏蔽层之间的电位差可视为零，这样引线电缆的分布电容C。对I₁几乎不起分流作用。设A₁的开环增益为K₀，则加到电缆芯线与屏蔽层之间的电压即为△U：

△U＝U₁/K。而U₁= (U_O)/(Z_X) Z_f

Z_x和Z_f分别为被测部件（2）和反馈支路R₁C₁的阻抗幅值，所以△U也可以写成：

△U= (U_O)/(Z_X) Z_f/K. (13）

电缆分布电容C。流过电流为△I₀：

流过被测元件的电流为I₁= (U_O)/(Z_X)

则流过C₀的电流与I₁之比为：

△I/I₁＝Z_fωC₀/K （15）

若C₀＝0.015μf，R200KΩ，K_o＝100dB，C_o＝5000Pf（相当于50米长电缆的分布电容），在f＝100HZ～10KHZ范围内，△I/I值均在10^-5数量级，表示电缆分布电容的影响甚微。因而本仪器可以用单根长电缆进行动态介电分析。

图4中（16）为热压罐，（17）为被测工件，（18）为金属 ，（19）为模具，（20）为动态介电分析仪。

Claims (3)

1、一种动态介电分析仪，由正弦信号源(1)，第一电流电压变换器(3)，第二电流电压变换器(4)、移相器(5)、相检器(6)、函数转换器(7)、同步检波器(8)、除法器(10)、电源(11)和(13)差动放大器(15)等部分构成的，其特征是：

由同一集成块上的两个高输入阻抗运算放大器和反馈支路构成第一电流电压变换器(3)和第二电流电压变换器(4)，且两个变换器的反馈支路由相同参数的并联电阻电容构成；

两个电流电压变换器的输出信号分别送给同步检波器(8)，移相器(5)、幅度检波器(9)，并与除法器(10)共同完成电容量的测量。

2、按照权利要求1所述的介电分析仪，其特征是采用接地电源（13）为差动放大器（15）供电，采用浮地电源（11）为仪器的其余部分供电。

3、按照权利要求1所述的介电仪器，其特征是信号源（1）、标准电容（12）和被测部件（2）的联接点接机壳作为接地端。

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