壓電陶瓷蜂鳴片測(cè)試儀的校準(zhǔn)方法

壓電陶瓷蜂鳴片測(cè)試儀的校準(zhǔn)方法

王福泉 / 廣東省肇慶市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所

0　引言

壓電陶瓷蜂鳴片測(cè)試儀是針對(duì)壓電陶瓷蜂鳴片分選而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)配套的智能型測(cè)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(guò)程中的質(zhì)量檢測(cè)，屬于“半導(dǎo)體材料工藝參數(shù)測(cè)量?jī)x”計(jì)量器具。目前沒(méi)有檢定或校準(zhǔn)壓電陶瓷蜂鳴片測(cè)試儀的技術(shù)依據(jù)。為確保壓電陶瓷蜂鳴片測(cè)試儀測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)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(cè)試儀主要參數(shù)的校準(zhǔn)方法具有重要意義。

1　工作原理

壓電陶瓷蜂鳴片測(cè)試儀一般由輸入輸出電路、信號(hào)采樣調(diào)理電路、單片機(jī)電路、振蕩電路、分選電路等組成。測(cè)試儀工作時(shí)，振蕩電路把蜂鳴片阻抗通過(guò)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(jī)電路處理，通過(guò)分選電路實(shí)現(xiàn)分選，并同時(shí)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(cè)量范圍：25 ～ 2 200 Ω；允許誤差：±3%。

2.2諧振頻率

測(cè)量范圍：≤20 kHz；允許誤差：≤±2個(gè)字。

3　校準(zhǔn)裝置

等效電阻的測(cè)量范圍和允許誤差對(duì)校準(zhǔn)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(zhǔn)裝置。電阻箱型號(hào)：ZX25-1，阻值范圍：0.01 ～11111.11 Ω，準(zhǔn)確度等級(jí)：0.02級(jí)。除了上述電阻箱外，諧振頻率的校準(zhǔn)還需要一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器型號(hào)：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(zhǔn)方法

4.1等效電阻的校準(zhǔn)

校準(zhǔn)點(diǎn)通常按100 Ω，200 Ω，…，1 000 Ω整點(diǎn)選取，亦可按照客戶(hù)的要求進(jìn)行選點(diǎn)校準(zhǔn)。在實(shí)際的使用過(guò)程中，測(cè)試儀通常和測(cè)試夾具連接在一起，接線時(shí)只需要將電阻箱兩端和測(cè)試夾具的兩個(gè)測(cè)量尖端相連即可。然后以電阻箱的輸出值作為標(biāo)準(zhǔn)值，測(cè)試儀的顯示值作為測(cè)量值，以此計(jì)算測(cè)試儀等效電阻的相對(duì)誤差。

4.2諧振頻率的校準(zhǔn)

壓電陶瓷蜂鳴片測(cè)試儀有0～9共10個(gè)量程［1］，諧振中心頻率和諧振頻率測(cè)試范圍如表1所示。諧振頻率的校準(zhǔn)點(diǎn)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(cè)試范圍

信號(hào)發(fā)生器通過(guò)BNC接口形成兩端口接線，一端接ZX25-1電阻箱負(fù)載，電阻箱和測(cè)試儀夾具串聯(lián)連接，最后通過(guò)測(cè)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(cè)量電路中實(shí)際的輸出電壓和信號(hào)發(fā)生器輸出幅值的顯示值不同，這涉及信號(hào)發(fā)生器負(fù)載電阻和輸出阻抗的函數(shù)關(guān)系，為此，測(cè)試儀諧振頻率的校準(zhǔn)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(fù)載電阻，使得數(shù)字電壓表的電壓值最大，此時(shí)測(cè)試儀的頻率就是要校準(zhǔn)的諧振頻率；另一種方法是將信號(hào)發(fā)生器的輸出幅度設(shè)置為一個(gè)較大值，例如9Vpp，電阻負(fù)載箱設(shè)置為一個(gè)固定的電阻值，例如200 Ω，信號(hào)發(fā)生器直接輸出校準(zhǔn)點(diǎn)頻率，此時(shí)測(cè)試儀顯示的頻率就是要校準(zhǔn)的諧振頻率。在實(shí)際的校準(zhǔn)過(guò)程中通常選擇后一種方法。諧振頻率的相對(duì)示值誤差按下面的公式表示：

式中：δf—— 諧振頻率的相對(duì)示值誤差，%；

fx—— 測(cè)試儀3次諧振頻率顯示值的平均值，kHz；

fn—— 信號(hào)發(fā)生器輸出值，kHz

5　壓電陶瓷蜂鳴片測(cè)試儀諧振頻率示值誤差的測(cè)量不確定度評(píng)定

5.1測(cè)量模型及靈敏系數(shù)

5.1.1 測(cè)量模型：

各輸入量之間相互獨(dú)立且互不相關(guān)，所以

5.1.2 靈敏系數(shù)：

5.2各輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

5.2.1 測(cè)試儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

5.2.1.1 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

被檢測(cè)試儀測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度屬A類(lèi)評(píng)定。 測(cè)試儀型號(hào)為ND-MFR1，選擇 3.0 kHz為校準(zhǔn)點(diǎn)，重復(fù)測(cè)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(cè)試儀分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

ND-MFR1測(cè)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?yàn)橹貜?fù)性引人的不確定度分量小于被測(cè)儀器的分辨力引入的不確定度分量，所以測(cè)試儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度取分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度［3］，即u（fx） = u2（fx） = 2.9 Hz。

5.2.2 信號(hào)發(fā)生器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

5.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表

不確定度來(lái)源　標(biāo)準(zhǔn)不確定度　ci　│ci│u（xi）被檢測(cè)試儀u（fx）　2.9 Hz　1　2.9 Hz信號(hào)發(fā)生器u（fn）　0.003 Hz　-1　0.003 Hz

5.4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

5.5擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

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

6　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)壓電陶瓷蜂鳴片測(cè)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(zhǔn)方法，并對(duì)諧振頻率示值誤差的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定，為校準(zhǔn)壓電陶瓷蜂鳴片測(cè)試儀提供了技術(shù)依據(jù)，保障了壓電陶瓷蜂鳴片測(cè)試儀校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

［1］ 繆建華. 蜂鳴片綜合參數(shù)測(cè)試儀的研究與設(shè)計(jì)［D］.南京理工大學(xué)，2012.

［2］ 全國(guó)法制計(jì)量管理計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示［S］.北京，中國(guó)計(jì)量出版社，2012.

［3］ 全國(guó)法制計(jì)量管理計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1033-2008 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范［S］.北京，中國(guó)計(jì)量出版社，2008.