压电陶瓷蜂鸣片测试仪的校准方法

王福泉 / 广东省肇庆市质量计量监督检测所

0　引言

压电陶瓷蜂鸣片测试仪是针对压电陶瓷蜂鸣片分选而专门设计配套的智能型测试仪器，能直接显示压电陶瓷蜂鸣片的谐振频率和等效电阻数值，用于蜂鸣片生产过程中的质量检测，属于“半导体材料工艺参数测量仪”计量器具。目前没有检定或校准压电陶瓷蜂鸣片测试仪的技术依据。为确保压电陶瓷蜂鸣片测试仪测量结果的准确可靠，保障压电陶瓷蜂鸣片的生产质量，研究并确定压电陶瓷蜂鸣片测试仪主要参数的校准方法具有重要意义。

1　工作原理

压电陶瓷蜂鸣片测试仪一般由输入输出电路、信号采样调理电路、单片机电路、振荡电路、分选电路等组成。测试仪工作时，振荡电路把蜂鸣片阻抗通过RC或LC振荡转化成频率，把模拟量转换成数字量供单片机电路处理，通过分选电路实现分选，并同时显示蜂鸣片的等效电阻和谐振频率。

2　性能要求

2.1等效电阻

测量范围：25 ～ 2 200 Ω；允许误差：±3%。

2.2谐振频率

测量范围：≤20 kHz；允许误差：≤±2个字。

3　校准装置

等效电阻的测量范围和允许误差对校准装置的要求不是很高，这里选择旋转式直流电阻箱作为校准装置。电阻箱型号：ZX25-1，阻值范围：0.01 ～11111.11 Ω，准确度等级：0.02级。除了上述电阻箱外，谐振频率的校准还需要一台信号发生器。信号发生器型号：DG4162，最高输出频率：160 MHz（正弦波），分辨力：1 μHz，允许示值误差：±2×10-6。

4　校准方法

4.1等效电阻的校准

校准点通常按100 Ω，200 Ω，…，1 000 Ω整点选取，亦可按照客户的要求进行选点校准。在实际的使用过程中，测试仪通常和测试夹具连接在一起，接线时只需要将电阻箱两端和测试夹具的两个测量尖端相连即可。然后以电阻箱的输出值作为标准值，测试仪的显示值作为测量值，以此计算测试仪等效电阻的相对误差。

4.2谐振频率的校准

压电陶瓷蜂鸣片测试仪有0～9共10个量程［1］，谐振中心频率和谐振频率测试范围如表1所示。谐振频率的校准点为0.8 kHz，1.0 kHz，1.4 kHz，…，6.4 kHz ，10 kHz。

表1　谐振中心频率和谐振频率测试范围

信号发生器通过BNC接口形成两端口接线，一端接ZX25-1电阻箱负载，电阻箱和测试仪夹具串联连接，最后通过测试仪夹具和另一端接线连接形成回路。

回路中谐振频率和电压振幅有关，而测量电路中实际的输出电压和信号发生器输出幅值的显示值不同，这涉及信号发生器负载电阻和输出阻抗的函数关系，为此，测试仪谐振频率的校准可采用两种办法：第一种是在前述连接回路的基础上再串联数字电压表，根据输出频率调节负载电阻，使得数字电压表的电压值最大，此时测试仪的频率就是要校准的谐振频率；另一种方法是将信号发生器的输出幅度设置为一个较大值，例如9Vpp，电阻负载箱设置为一个固定的电阻值，例如200 Ω，信号发生器直接输出校准点频率，此时测试仪显示的频率就是要校准的谐振频率。在实际的校准过程中通常选择后一种方法。谐振频率的相对示值误差按下面的公式表示：

式中：δf—— 谐振频率的相对示值误差，%；

fx—— 测试仪3次谐振频率显示值的平均值，kHz；

fn—— 信号发生器输出值，kHz

5　压电陶瓷蜂鸣片测试仪谐振频率示值误差的测量不确定度评定

5.1测量模型及灵敏系数

5.1.1 测量模型：

各输入量之间相互独立且互不相关，所以

5.1.2 灵敏系数：

5.2各输入量标准不确定度的评定

5.2.1 测试仪引入的标准不确定度评定

5.2.1.1 测量重复性引入的标准不确定度评定

被检测试仪测量重复性引入的不确定度属A类评定。 测试仪型号为ND-MFR1，选择 3.0 kHz为校准点，重复测量10次，得到一组数据（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 测试仪分辨力引入的标准不确定度评定

ND-MFR1测试仪的分辨力为0.01 kHz，则半宽度α = 0.005 kHz，在区间内为均匀分布［2］，置信因子k =，则u2（fx） = α/k = 2.9 Hz。

因为重复性引人的不确定度分量小于被测仪器的分辨力引入的不确定度分量，所以测试仪引入的标准不确定度取分辨力引入的标准不确定度［3］，即u（fx） = u2（fx） = 2.9 Hz。

5.2.2 信号发生器引入的标准不确定度评定

5.3标准不确定度汇总表

不确定度来源　标准不确定度　ci　│ci│u（xi）被检测试仪u（fx）　2.9 Hz　1　2.9 Hz信号发生器u（fn）　0.003 Hz　-1　0.003 Hz

5.4合成标准不确定度

5.5扩展不确定度的评定

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

6　结语

本文通过对压电陶瓷蜂鸣片测试仪的分析研究，得出其主要参数等效电阻和谐振频率的校准方法，并对谐振频率示值误差的测量结果进行不确定度评定，为校准压电陶瓷蜂鸣片测试仪提供了技术依据，保障了压电陶瓷蜂鸣片测试仪校准结果的准确性。

［1］ 缪建华. 蜂鸣片综合参数测试仪的研究与设计［D］.南京理工大学，2012.

［2］ 全国法制计量管理计量技术委员会.JJF 1059.1-2012测量不确定度评定与表示［S］.北京，中国计量出版社，2012.

［3］ 全国法制计量管理计量技术委员会.JJF 1033-2008 计量标准考核规范［S］.北京，中国计量出版社，2008.