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(shè)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(dǎo)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(shù)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(guān)，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(guān)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(chǔ)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(shè)置為一個較大值，例如9Vpp，電阻負載箱設(shè)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(guān)，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(fù)性引入的標準不確定度評定

被檢測試儀測量重復(fù)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(fù)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(fù)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(shù)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(shè)計［D］.南京理工大學(xué)，2012.

［2］ 全國法制計量管理計量技術(shù)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(shù)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.