壓電陶瓷蜂鳴片測試儀的校準方法

王福泉 / 廣東省肇慶市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所

0　引言

壓電陶瓷蜂鳴片測試儀是針對壓電陶瓷蜂鳴片分選而專門設計配套的智能型測試儀器，能直接顯示壓電陶瓷蜂鳴片的諧振頻率和等效電阻數(shù)值，用于蜂鳴片生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測，屬于“半導體材料工藝參數(shù)測量儀”計量器具。目前沒有檢定或校準壓電陶瓷蜂鳴片測試儀的技術依據(jù)。為確保壓電陶瓷蜂鳴片測試儀測量結(jié)果的準確可靠，保障壓電陶瓷蜂鳴片的生產(chǎn)質(zhì)量，研究并確定壓電陶瓷蜂鳴片測試儀主要參數(shù)的校準方法具有重要意義。

1　工作原理

壓電陶瓷蜂鳴片測試儀一般由輸入輸出電路、信號采樣調(diào)理電路、單片機電路、振蕩電路、分選電路等組成。測試儀工作時，振蕩電路把蜂鳴片阻抗通過RC或LC振蕩轉(zhuǎn)化成頻率，把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量供單片機電路處理，通過分選電路實現(xiàn)分選，并同時顯示蜂鳴片的等效電阻和諧振頻率。

2　性能要求

2.1等效電阻

測量范圍：25 ～ 2 200 Ω；允許誤差：±3%。

2.2諧振頻率

測量范圍：≤20 kHz；允許誤差：≤±2個字。

3　校準裝置

等效電阻的測量范圍和允許誤差對校準裝置的要求不是很高，這里選擇旋轉(zhuǎn)式直流電阻箱作為校準裝置。電阻箱型號：ZX25-1，阻值范圍：0.01 ～11111.11 Ω，準確度等級：0.02級。除了上述電阻箱外，諧振頻率的校準還需要一臺信號發(fā)生器。信號發(fā)生器型號：DG4162，最高輸出頻率：160 MHz（正弦波），分辨力：1 μHz，允許示值誤差：±2×10-6。

4　校準方法

4.1等效電阻的校準

校準點通常按100 Ω，200 Ω，…，1 000 Ω整點選取，亦可按照客戶的要求進行選點校準。在實際的使用過程中，測試儀通常和測試夾具連接在一起，接線時只需要將電阻箱兩端和測試夾具的兩個測量尖端相連即可。然后以電阻箱的輸出值作為標準值，測試儀的顯示值作為測量值，以此計算測試儀等效電阻的相對誤差。

4.2諧振頻率的校準

壓電陶瓷蜂鳴片測試儀有0～9共10個量程［1］，諧振中心頻率和諧振頻率測試范圍如表1所示。諧振頻率的校準點為0.8 kHz，1.0 kHz，1.4 kHz，…，6.4 kHz ，10 kHz。

表1　諧振中心頻率和諧振頻率測試范圍

信號發(fā)生器通過BNC接口形成兩端口接線，一端接ZX25-1電阻箱負載，電阻箱和測試儀夾具串聯(lián)連接，最后通過測試儀夾具和另一端接線連接形成回路。

回路中諧振頻率和電壓振幅有關，而測量電路中實際的輸出電壓和信號發(fā)生器輸出幅值的顯示值不同，這涉及信號發(fā)生器負載電阻和輸出阻抗的函數(shù)關系，為此，測試儀諧振頻率的校準可采用兩種辦法：第一種是在前述連接回路的基礎上再串聯(lián)數(shù)字電壓表，根據(jù)輸出頻率調(diào)節(jié)負載電阻，使得數(shù)字電壓表的電壓值最大，此時測試儀的頻率就是要校準的諧振頻率；另一種方法是將信號發(fā)生器的輸出幅度設置為一個較大值，例如9Vpp，電阻負載箱設置為一個固定的電阻值，例如200 Ω，信號發(fā)生器直接輸出校準點頻率，此時測試儀顯示的頻率就是要校準的諧振頻率。在實際的校準過程中通常選擇后一種方法。諧振頻率的相對示值誤差按下面的公式表示：

式中：δf—— 諧振頻率的相對示值誤差，%；

fx—— 測試儀3次諧振頻率顯示值的平均值，kHz；

fn—— 信號發(fā)生器輸出值，kHz

5　壓電陶瓷蜂鳴片測試儀諧振頻率示值誤差的測量不確定度評定

5.1測量模型及靈敏系數(shù)

5.1.1 測量模型：

各輸入量之間相互獨立且互不相關，所以

5.1.2 靈敏系數(shù)：

5.2各輸入量標準不確定度的評定

5.2.1 測試儀引入的標準不確定度評定

5.2.1.1 測量重復性引入的標準不確定度評定

被檢測試儀測量重復性引入的不確定度屬A類評定。 測試儀型號為ND-MFR1，選擇 3.0 kHz為校準點，重復測量10次，得到一組數(shù)據(jù)（kHz）：3.00、3.00、3.00、3.00、3.00、3.00、3.00、3.01、3.00、3.00。

5.2.1.2 測試儀分辨力引入的標準不確定度評定

ND-MFR1測試儀的分辨力為0.01 kHz，則半寬度α = 0.005 kHz，在區(qū)間內(nèi)為均勻分布［2］，置信因子k =，則u2（fx） = α/k = 2.9 Hz。

因為重復性引人的不確定度分量小于被測儀器的分辨力引入的不確定度分量，所以測試儀引入的標準不確定度取分辨力引入的標準不確定度［3］，即u（fx） = u2（fx） = 2.9 Hz。

5.2.2 信號發(fā)生器引入的標準不確定度評定

5.3標準不確定度匯總表

不確定度來源　標準不確定度　ci　│ci│u（xi）被檢測試儀u（fx）　2.9 Hz　1　2.9 Hz信號發(fā)生器u（fn）　0.003 Hz　-1　0.003 Hz

5.4合成標準不確定度

5.5擴展不確定度的評定

U = k·uc（Δf ） = 2×2.9 = 5.8 Hz≈6 Hz（k = 2）

6　結(jié)語

本文通過對壓電陶瓷蜂鳴片測試儀的分析研究，得出其主要參數(shù)等效電阻和諧振頻率的校準方法，并對諧振頻率示值誤差的測量結(jié)果進行不確定度評定，為校準壓電陶瓷蜂鳴片測試儀提供了技術依據(jù)，保障了壓電陶瓷蜂鳴片測試儀校準結(jié)果的準確性。

［1］ 繆建華. 蜂鳴片綜合參數(shù)測試儀的研究與設計［D］.南京理工大學，2012.

［2］ 全國法制計量管理計量技術委員會.JJF 1059.1-2012測量不確定度評定與表示［S］.北京，中國計量出版社，2012.

［3］ 全國法制計量管理計量技術委員會.JJF 1033-2008 計量標準考核規(guī)范［S］.北京，中國計量出版社，2008.