一种压电晶体、电感器等效参数以及电容容值测量方法

技术领域

本发明属于电子元器件测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种压电晶体、电感器等效参数以及电容容值测量方法。

背景技术

压电晶体等效参数测量目前主要采用IEC60444标准进行测量，其BVD(Butterworth-Van Dyke)等效电路模型如图1所示。在2016年12月07日公开的、名称为“一种石英晶体谐振器等效电路参数的测量方法”、公布号为“CN106199270A”的发明专利申请提出了基于谐振频率、反谐振频率、串联谐振频率、串联反谐振频率测量压电晶体等效参数的方法。文献(D.Liu,X.Huang,J.Hu,Y.Tang and Wang,Y.,Measurement of quartzcrystal unit parameters based on the precise derivation of zero phasefrequency,Electron.Lett.,2017,53:142-144.)提出了基于带负载电容相频曲线与不带负载电容相频曲线的测量方法。

在2018年11月21日公开的、名称为“一种压电谐振器等效电参数及谐振频率的测量方法”的发明专利申请(美国专利US 16/666,428,2019)提出了基于单个相频曲线测量等效参数，并修正导线长度变化、阻抗变化引起的相位漂移。该技术方案解决了相位偏移问题，未解决标定环路阻抗，需要环路阻抗已知。在不同的频率段，环路阻抗的变化较大，以至于不能忽略这种变化。

电感线圈是构成电感器的主体，目前商业电感器主要提供自谐振频率、电感值、直流电阻值等参数。如图2所示，上部分的电感线圈可以等效为下半部分的等效电路。考虑到测量系统接地电容以及引线分布电容，等效电路(模型)在实际测量中，还包括串联电容C

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种压电晶体、电感器等效参数以及电容容值测量方法，以提高测量的精度。

为实现上述发明目的，本发明提供一种压电晶体等效参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、用矢量网络分析仪测量压电晶体，得到测量相频曲线Phase

(2)、通过相频曲线Phase

(3)、在环路电阻R

其中：

Z(f)为压电晶体等效电路的复阻抗，复阻抗Z(f)为：

Z(f)＝(1-(2πf)

其中，f表示频率，L表示压电晶体BVD等效电路中动态电感的电感值，C表示压电晶体BVD等效电路中静态电容的容值，R表示压电晶体BVD等效电路中动态电阻的电阻值，C

这样得到压电晶体BVD等效电路的参数组P

(4)、将参数组P

其中，R

这样，得到计算幅频曲线Mag(S

(5)、找到计算幅频曲线Mag(S

本发明另一方面还提供一种电感器等效参数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将电感器视为压电晶体，按照压电晶体等效参数测量方法进行测量，得到动态电阻的电阻值R、压电晶体BVD等效电路中动态电感的电感值L、压电晶体BVD等效电路中静态电容的容值C、压电晶体BVD等效电路中静态电容的容值C

(2)、等效参数电阻值R、电感值L、容值C、容值C

所得等效参数C

本发明另一方面还提供一种电容容值测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、按照电感器等效参数测量方法对电感器进行测量，得到等效参数C

(2)、将电感器与待测电容串联，然后接入到用矢量网络分析仪两个测量端，按照电感器等效参数测量方法进行测量，得到包括待测电容容值C

本发明另一方面还提供一种电容容值测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、按照电感器等效参数测量方法对电感器进行测量，得到等效参数C

(2)、将电感器与待测电容并联，然后接入到用矢量网络分析仪两个测量端，按照电感器等效参数测量方法进行测量，得到包括待测电容容值C

C

本发明的目的是这样实现的。

本发明电晶体、电感器等效参数以及电容容值测量方法，在压电晶体等效参数测量方法的基础上，考虑环路阻抗的影响，环路电阻R

附图说明

图1是压电晶体的BVD等效电路模型的原理图；

图2是电感器等效电路模型的原理图；

图3是本发明中压电晶体等效参数测量方法一种具体实施方式流程图；

图4是基于矢量网络分析仪测量压电晶体的示意图；

图5是基于矢量网络分析仪测量压电晶体的连接示意图；

图6是本发明中电感器等效参数测量方法一种具体实施方式流程图；

图7是基于矢量网络分析仪测量电感器的连接示意图；

图8是本发明中电容容值测量方法一种具体实施方式流程图；

图9是基于电感器测量的电容容值测量连接示意图；

图10是本发明中电容容值测量方法另一种具体实施方式流程图；

图11是基于电感器测量的电容容值测量另一连接示意图；

图12是采用COMSOL仿真软件仿真矢量网络分析仪测量，并计算的QCM晶片曲线，其中，(a)相频曲线(Measured为测量相频曲线、Calculated为计算相频曲线)、(b)幅频曲线(Measured为测量幅频曲线、Calculated为计算幅频曲线)；

图13是矢量网络分析仪测量、计算的QCM晶片曲线，其中，(a)相频曲线(Measured为测量相频曲线、Calculated为计算相频曲线)、(b)幅频曲线(Measured为测量幅频曲线、Calculated为计算幅频曲线)；

图14是LC串联电容测量ADS仿真原理图；

图15是ADS仿真LC串联电容测量得到的测量相频曲线、测量幅频曲线、并计算得到计算相频曲线、计算幅频曲线对比图，其中，(a)为测量相频曲线与计算相频曲线对比图、(b)为测量幅频曲线与计算幅频曲线对比图；

图16是LC并联电容测量ADS仿真原理图；

图17是ADS仿真LC并联电容测量得到的测量相频曲线、测量幅频曲线、并计算得到计算相频曲线、计算幅频曲线对比图，其中，(a)为测量相频曲线与计算相频曲线对比图、(b)为测量幅频曲线与计算幅频曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图3是本发明中压电晶体等效参数测量方法一种具体实施方式流程图。

在本实施例中，如图3所示，本发明提供的一种压电晶体等效参数测量方法，基于矢量网络分析仪测量等效参数并修正环路电阻，以提高测量的精度，具体包括以下步骤：

步骤S1：测量得到测量相频曲线、测量幅频曲线

用矢量网络分析仪测量压电晶体，得到测量相频曲线Phase

图4是基于矢量网络分析仪测量压电晶体的示意图。如图4所示，矢量网络分析仪内部包括环路电阻R

图5是基于矢量网络分析仪测量压电晶体的连接示意图。如图5所示，矢量网络分析仪的两个输出端Port 1、Port 2分别连接压电晶体的两个端子上，形成图4所示的测量电路。

步骤S2：通过测量相频曲线、测量幅频曲线获取测量参数

通过测量相频曲线Phase

步骤S3：根据环路电阻R

在环路电阻R

其中：

Z(f)为压电晶体等效电路的复阻抗，复阻抗Z(f)为：

Z(f)＝(1-(2πf)

其中，f表示频率，L表示压电晶体BVD等效电路中动态电感的电感值，C表示压电晶体BVD等效电路中静态电容的容值，R表示压电晶体BVD等效电路中动态电阻的电阻值，C

这样得到压电晶体BVD等效电路的参数组P

步骤S4：计算幅频曲线

将参数组P

其中，R

这样，得到计算幅频曲线Mag(S

步骤S5：对比计算幅频曲线的最高点(计算最高点)与测量最高点，判断间距是否小于设定的阈值，小于结束，不小于步骤S3

找到计算幅频曲线Mag(S

图6是本发明中电感器等效参数测量方法一种具体实施方式流程图。

在本实施例中，如图6所示，本发明提供的一种电感器等效参数测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：将电感器视为压电晶体进行测量

将电感器视为压电晶体，按照压电晶体等效参数测量方法进行测量，得到动态电阻的电阻值R、压电晶体BVD等效电路中动态电感的电感值L、压电晶体BVD等效电路中静态电容的容值C、压电晶体BVD等效电路中静态电容的容值C

具体的连接关系如图7所示，其中的串联电容C

步骤S2：根据等效关系方程组得到电感器等效参数

等效参数电阻值R、电感值L、容值C、容值C

所得等效参数C

线圈/电感器集总参数模型(BVD等效电路模型)如图2所示。本发明提出了图2所示电感集总参数模型与图1压电晶体的BVD等效电路模型的等效转换关系。先由压电晶体等效参数测量方法计算BVD模型参数，再由此变换关系计算电感器等效参数测量。

等效变换的推导过程如下。图2所示电感器的BVD等效电路的复阻抗为：

Z(ω)＝[(R

图1所示压电晶体的BVD等效电路模型的复阻抗为：

Z′(ω)＝(1-ω

两个等效电路模型等效，则对于任意频率Z(ω)＝Z′(ω)，因此，

化简式(10)得到：

式(11)对于任意频率都成立，则ω的系数项皆为零，即：

化简得到：

因此，本发明将电感器视为压电晶体，按照压电晶体等效参数测量方法进行测量，利用上述等效变换关系，然后测量出电感器等效参数。

图8是本发明中电容容值测量方法一种具体实施方式流程图。

在本实施例中，如图8所示，本发明提供的一种电容容值测量(电容LC串联测量)方法包括以下步骤：

步骤S1：测量电感器等效参数

按照电感器等效参数测量方法对电感器进行测量，得到等效参数C

步骤S2：串联待测电容，测量得到串联电容容值，进而得到待测电容容值

将电感器与待测电容串联，然后接入到用矢量网络分析仪两个测量端，具体的连接关系如图9所示。

按照电感器等效参数测量方法进行测量，得到包括待测电容容值C

图10是本发明中电容容值测量方法另一种具体实施方式流程图。

在本实施例中，如图10所示，本发明提供的另一种电容容值测量方法包括以下步骤：

步骤S1：测量电感器等效参数

按照电感器等效参数测量方法对电感器进行测量，得到等效参数C

步骤S2：并联待测电容，测量得到并联电容容值，进而得到待测电容容值

将电感器与待测电容并联，然后接入到用矢量网络分析仪两个测量端，具体的连接关系如图11所示。

按照电感器等效参数测量方法进行测量，得到包括待测电容容值C

C

实施例

1、压电晶体等效参数测量

压电晶体为QCM晶片(QCM为Quartz Crystal Microbalance缩写，即石英晶体微天平)，按照如图5所示接入矢量网络分析仪，即两个输出端Port 1、Port2分别连接压电晶体的两个端子上。所测相频曲线、幅频曲线(测量相频曲线、测量幅频曲线，标记为Measured，计算相频曲线、计算幅频曲线，标记为Calculated)如图12所示。

采用本发明测得到的压电晶体等效参数如表1所示：

表1

由表1参数计算的相频曲线、幅频曲线(计算相频曲线、计算幅频曲线)如图12中红色虚线所示。由图12可见，虚线、实现完全重合。因而可以验证本发明计算参数的准确性，不论计算相频曲线还是计算幅频曲线都分别与测量相频曲线、测量幅频曲线重合。

2、电感器等效参数测量

在本实例中，采用COMSOL仿真软件磁场模块、电路模块仿真得到测量相频曲线、测量幅频曲线。再由中电感器等效参数测量方法计算电感器等效参数，具体如表2所示。

表2

表2参数计算的相频曲线、幅频曲线如图13所示。可见，测量曲线(测量相频曲线、测量幅频)与计算参数复现的曲线(计算相频曲线、幅频曲线)，完全重合。

改变电容C

由表2、表3可见:

①设定电容值和计算电容值非常接近。

②即使改变电容，所计算的电感值也非常接近，分别为1.27mH和1.26mH，误差小于1％。

③表2、表3谐振频率不一样，所测电阻R

上述实验表明，本发明测量电感器的电感值与频率无关；能够测量不同频率下电感器电阻的变化，而不是商业电感所提供的直流电阻；该电阻不仅包括电流阻碍作用的电阻，也包括表征电磁辐射能量损耗的电阻。

3、电容LC串联测量

用ADS仿真得到测量相频曲线、测量幅频曲线，再由本发明中电容LC串联测量方法计算等效参数。

仿真原理图如图14所示。仿真得到的测量相频曲线、测量幅频曲线如图15所示。

由图15测量相频曲线、测量幅频曲线经由本发明中电容LC串联测量方法计算的等效参数如表4所示：

表4

表4中参数带入式

从图15可以看出、测量相频曲线、测量幅频曲线分别与计算相频曲线、幅频曲线)完全重合，验证了本发明测量参数(测量电容)的准确性。

4、电容LC并联测量

用ADS仿真得到测量相频曲线、测量幅频曲线，再由本发明中电容LC并联测量方法计算等效参数。

仿真原理图如图16所示。仿真得到的相频曲线、幅频曲线如图17所示。

由图17测量相频曲线、测量幅频曲线经由本发明中电容LC并联测量方法计算的等效参数如表5所示：

表5

表5数据，带入得到待测电容C

从图17可以看出、测量相频曲线、测量幅频曲线分别与计算相频曲线、幅频曲线)完全重合，验证了本发明测量参数(测量电容)的准确性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。