電荷放大器校準(zhǔn)裝置

/ .上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院；.中國(guó)計(jì)量科學(xué)技術(shù)研究院

0 引言

電荷放大器廣泛應(yīng)用于振動(dòng)、沖擊、力、壓力、聲強(qiáng)等非電量電測(cè)中。常用電荷放大器主要由電荷轉(zhuǎn)換級(jí)、歸一化擋、低通濾波器、高通濾波器、衰減擋、電源等幾部分組成，部分電荷放大器還配有積分電路。作為與壓電傳感器配套使用的二次儀表設(shè)備，電荷放大器的校準(zhǔn)對(duì)于保證測(cè)量準(zhǔn)確性是必要的。在國(guó)際比對(duì)過(guò)程中，一般選用標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器，計(jì)量時(shí)需要去除自配電荷放大器的影響。準(zhǔn)確地校準(zhǔn)電荷放大器各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)是校準(zhǔn)加速度傳感器和角加速度計(jì)的基礎(chǔ)[1-2]。

本文依據(jù)JJG 338-2013《電荷放大器》檢定規(guī)程[3]，設(shè)計(jì)了電荷放大器的校準(zhǔn)裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電荷放大器輸入等效電荷噪聲、增益擋誤差、歸一化誤差、線性誤差、失真度、幅頻特性、相頻特性等項(xiàng)目的校準(zhǔn)。

1 電荷放大器的校準(zhǔn)原理

電荷放大器的校準(zhǔn)是通過(guò)給電荷放大器輸入標(biāo)準(zhǔn)的電荷量，采集電荷放大器的輸出電壓，分析計(jì)算電荷放大器的相應(yīng)參數(shù)。電荷放大器校準(zhǔn)裝置原理如圖1所示。計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生規(guī)定頻率和幅值的正弦信號(hào)。該信號(hào)分兩路，一路通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量，另一路通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電容轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)，進(jìn)入被校電荷放大器。數(shù)據(jù)采集卡采集輸出信號(hào)，由計(jì)算機(jī)處理兩路信號(hào)，校準(zhǔn)電荷放大器的各項(xiàng)參數(shù)。

圖1 電荷放大器校準(zhǔn)裝置原理

根據(jù)該方法的工作原理及檢定規(guī)程中計(jì)量器具控制，電荷放大器校準(zhǔn)裝置硬件系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到以下要求：1）信號(hào)發(fā)生器頻率范圍 0.1 ～ 2.0×105Hz，輸出電壓峰值10 V，輸出電壓穩(wěn)定性?xún)?yōu)于1%，失真度不大于0.05%。2） 標(biāo)準(zhǔn)電容準(zhǔn)確度等級(jí)優(yōu)于0.05級(jí)，損耗小，屏蔽良好。3）數(shù)據(jù)采集卡有兩個(gè)同步采樣通道，本底噪聲小，分辨力高，采樣率高，可用于采集分析高頻信號(hào)。電荷放大器校準(zhǔn)裝置的硬件系統(tǒng)由 KEYSIGHT 33500B 型信號(hào)發(fā)生器、IET SC-A型標(biāo)準(zhǔn)電容、NI PXI-6132型多功能I/O模塊組成。

2 電荷放大器校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電荷放大器校準(zhǔn)系統(tǒng)基于LabVIEW圖形化編程設(shè)計(jì)，快捷方便。程序包含如下模塊：樣品信息錄入、校準(zhǔn)項(xiàng)目選擇、測(cè)量參數(shù)設(shè)置、信號(hào)發(fā)生、量程自適應(yīng)、信號(hào)采集、信號(hào)分析處理、報(bào)告生成。

樣品信息錄入模塊可錄入客戶(hù)信息、樣品信息。校準(zhǔn)項(xiàng)目選擇模塊可選擇校準(zhǔn)項(xiàng)目，包括輸入等效電荷噪聲、增益擋誤差、歸一化誤差、線性誤差、失真度、幅頻特性、相頻特性。測(cè)量參數(shù)設(shè)置模塊可選擇手動(dòng)、自動(dòng)兩種測(cè)量模式，設(shè)置采樣周期數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)電容值、校準(zhǔn)頻率、輸入電荷量等。信號(hào)發(fā)生模塊是根據(jù)設(shè)置的頻率、幅值，控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的正弦信號(hào)。量程自適應(yīng)模塊會(huì)根據(jù)兩路信號(hào)通道的電壓幅值選擇合適的量程，根據(jù)校準(zhǔn)頻率選擇合適的采樣率及采樣點(diǎn)數(shù)，保證測(cè)量準(zhǔn)確。信號(hào)采集模塊采集兩通道信號(hào)。信號(hào)分析處理模塊可分析電荷放大器的靈敏度幅值、相移、失真度。報(bào)告生成模塊可生成規(guī)定格式的原始記錄。電荷放大器校準(zhǔn)程序模塊流程圖和程序界面如圖2和圖3所示。

圖2 電荷放大器校準(zhǔn)程序模塊流程

圖3 電荷放大器校準(zhǔn)程序界面

2.2 算法原理

電荷放大器校準(zhǔn)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的核心部分是電壓幅值的計(jì)算。本文將GB/T 20485.11-2006《振動(dòng)與沖擊傳感器校準(zhǔn)方法（第11部分）：激光干涉法振動(dòng)絕對(duì)校準(zhǔn)》[4]中推薦的正弦逼近法應(yīng)用于電荷放大器校準(zhǔn)[5]。信號(hào)發(fā)生器與電荷放大器的輸出信號(hào)均為正弦波，可表示為

式中：U1—— 信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)電壓；

U2—— 電荷放大器的輸出信號(hào)電壓；

u1—— 信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)電壓幅值；

u2—— 電荷放大器的輸出信號(hào)電壓幅值；

ω—— 圓頻率（ω= 2πf）；

φ1—— 信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)初相位；

φ2—— 電荷放大器的輸出信號(hào)初相位

一般信號(hào)發(fā)生器的頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于1×10-5，頻率誤差對(duì)電壓幅值的影響可忽略不計(jì)。根據(jù)采集到的兩路信號(hào)的離散時(shí)間序列，可分別使用最小二乘法按式（3）解算A、B、C三個(gè)未知參數(shù)：

由A、B、C可以計(jì)算得到電壓幅值和初相位：

利用該算法可分別得到兩路信號(hào)的電壓幅值和初相位，進(jìn)而得到電荷放大器的輸出靈敏度和相移：

信號(hào)發(fā)生器與電荷放大器的輸出信號(hào)的初相位值域一般規(guī)定為[-π，π），使用正弦逼近法解調(diào)后的相位值域?yàn)椋?π/2，π/2），兩者不具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。為了得到準(zhǔn)確的初相位，本文對(duì)上述算法做出改進(jìn)：

其中，H為Heaviside函數(shù)，利用該算法得到的相位差值域?yàn)閇-π，π），可以有效地避免相位錯(cuò)誤解調(diào)的可能。

對(duì)采集到的電荷放大器輸出信號(hào)進(jìn)行傅里葉分析，除了得到與信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)正弦波同頻率的基波分量外，還得到一系列諧波分量，根據(jù)式（10）計(jì)算失真度：

3 電荷放大器校準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用電荷放大器校準(zhǔn)系統(tǒng)針對(duì)日常常用的六款電荷放大器進(jìn)行校準(zhǔn)，選用1 000 pF的標(biāo)準(zhǔn)電容，各電荷放大器的高通濾波器置于最低頻率擋，低通濾波器置于最高頻率擋，歸一化擋置于1，增益擋選擇1 mV/pC，各放大器參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)表1。

圖 4 為上述六種電荷放大器在 1 ～ 50×103Hz的幅頻特性，圖 5為六種電荷放大器在 1 ～ 50×103Hz的相頻特性。六種放大器在中頻區(qū)間的頻響較為平坦，在低頻區(qū)間和高頻區(qū)間受自身選用的運(yùn)算放大器帶寬和濾波器帶寬的影響，電荷放大器的靈敏度有一定的衰減。六種電荷放大器相移和頻率在中高頻區(qū)間具有良好的線性關(guān)系，其本質(zhì)就是群延時(shí)恒定，表明電荷放大器在傳輸包含多個(gè)頻率群信號(hào)時(shí)失真度小。

表1 電荷放大器參數(shù)設(shè)置

圖4 電荷放大器靈敏度

圖5 電荷放大器相移

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電荷放大器校準(zhǔn)裝置，依據(jù)JJG 338-2013，可選擇多種模式對(duì)電荷放大器的各個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行校準(zhǔn)，利用改進(jìn)后的正弦逼近法可有效解調(diào)相位和電壓幅值。該裝置能滿(mǎn)足工程領(lǐng)域、計(jì)量領(lǐng)域?qū)﹄姾煞糯笃餍?zhǔn)的量值溯源需求。