/ 上海市計量測試技術研究院

0 引言

電荷放大器是壓電傳感器的一種前置放大器，它的輸出電壓正比于輸入電荷。電荷放大器廣泛地應用于振動、沖擊、力、壓力、聲強等非電量測量技術中[1]。

電荷放大器主要由電荷轉換級、濾波器、歸一化放大器、積分放大器以及輸出放大器等部分構成。濾波器的功能是允許某一部分頻率的信號順利地通過，而另外一部分頻率的信號則受到較大的抑制[2]。低通濾波器允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲，通常使用的二階巴特沃斯有源濾波器，通帶內具有平坦的幅頻特性和相頻特性[3]。而高通濾波器則允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量，通常使用的是二階無源高通濾波器。

在模態(tài)分析、結構診斷，電荷放大器通常會配套加速度傳感器用于提取振動信息。校準壓電加速度計時，需要連接電纜、電荷放大器進行配套校準[4]。振動信息中，關注的參數除了振動幅值，還有相對參考點的振動相移以及相移的連續(xù)變化。通過測量分析設備和結構的相移，可以揭示部件之間相對運動的信息。然而電荷放大器的濾波器主要是針對頻率特性而設計的，在實際使用中，電荷放大器的濾波設置也會對相位的測量造成一定的影響。根據常規(guī)使用的經驗，電荷放大器的截止頻率一般設在-3 dB處，高通濾波設置在加速度計使用下限頻率的1/10處；低通濾波設置理論上設在加速度計使用上限頻率的2.56倍，實際使用中不能小于3倍[5]。

為了研究電荷放大器常規(guī)使用方法下其不同截止頻率的設置對相移測量結果的影響，本文采用LabVIEW圖形化編程語言進行仿真，對10～5 000 Hz頻段正弦信號，分析二階巴特沃斯濾波器不同截止頻率的設置對相移測量結果的影響。使用BK公司的2692電荷放大器，配合ENDEVCO公司的2270M5電荷型壓電加速度計組成振動標準套組進行實際測量，比較測量結果與仿真結果，集中探討低通、高通濾波頻率的相位響應。

1 仿真與試驗

1.1 仿真

根據分析頻率的帶寬、電荷放大器的濾波參數設置，組合0.1 Hz、1 Hz的高通濾波和10 kHz、15 kHz、22.4 kHz、30 kHz、100 kHz低通濾波配置，分別進行了仿真，程序如圖1所示，仿真結果如表1所示。

圖1 仿真程序

1.2 試驗

試驗中以ENDEVCO公司的2270M5型壓電加速度計配合BK公司的2692型電荷放大器組成振動標準套組作為測試對象，使用圖2中激光干涉振動絕對校準系統(tǒng)，依據規(guī)程JJG 233-2008壓電加速度計從10～5 000 Hz以倍頻程分別選取頻率點對振動標準套組進行相移的頻響測量，試驗結果如表2所示。

表1 相移測量仿真結果（單位°）

圖2 激光干涉振動絕對校準系統(tǒng)結構

2 結果和分析

比較相移測量的仿真結果和試驗結果，在各種低通、高通濾波設置下，相移頻率響應趨勢是一致。在低頻段，由于高通濾波頻率的超前，相移是正的。隨著信號頻率的逐步提高，由于低通濾波頻率的滯后，相移遞減，趨于負值。如圖3、圖4所示是各濾波設置下的仿真結果和試驗結果。

表2 相移測量試驗結果（單位°）

根據表1、表2，分別計算保持低通濾波頻率不變，變更高通濾波設置和保持高通濾波頻率不變，變更低通濾波設置兩種情況下導致的相移偏差的仿真結果和實測結果。當高通濾波頻率為0.1 Hz情況下10 kHz和100 kHz低通濾波頻率的相移偏差如圖5所示；當低通濾波頻率為100 kHz情況下0.1 Hz和1 Hz高通濾波頻率的相移偏差如圖6所示。

圖3 仿真結果

圖4 實測結果

圖5 不同低通濾波設置（10 kHz和100 kHz）的相移測量結果的偏差曲線

圖6 不同高通濾波設置（0.1 Hz和1 Hz）的相移測量結果的偏差曲線

圖5、圖6說明：

1）對于相移測量的低通濾波頻率，10 kHz（上限頻率的2倍）和100 Hz的相移偏差測量結果在高頻段有顯著偏差，而且隨著信號的頻率升高，相移的偏差越嚴重。

2）對于相移測量的高通濾波頻率，0.1 Hz和10 Hz（下限頻率的1/10）的相移偏差測量結果在低頻段有顯著偏差，而且隨著信號的頻率降低，相移的偏差越嚴重。

3 結語

本文分析了加速度計檢定校準過程中電荷放大器的濾波設置對其相移測量的影響。根據常規(guī)的電荷放大器使用經驗，高通濾波設置在下限頻率的1/10處，低通濾波理論上設置在上限頻率的3倍處是針對幅頻特性。在相移測量中，應該根據干擾信號、有效信號的頻率范圍的實際情況合理設置濾波頻率，設置過低，雖然可以減小相移，但也可能導致低頻干擾信號無法進行有效濾除。因此在校準加速度傳感器的相移時，必須重視配套電荷放大器濾波參數的設置，應根據加速度計的頻率范圍來正確選擇電荷放大器高通濾波頻率，以確保校準結果的準確性。同時必須在校準結果中注明校準過程中的實際設置，以保證使用過程和校準過程中濾波設置一致，避免由于濾波設置不一致導致的相移偏差。特別是在加速度傳感器校準能力驗證中，由于絕對法振動標準裝置的振動計量器具檢定系統(tǒng)表中規(guī)定0.1～5 000 Hz的相移不確定度為1°[6]，如果沒有使用統(tǒng)一的濾波設置，會導致En值出現顯著偏差。

[1]全國振動沖擊轉速計量技術委員會.JJG 338-2013電荷放大器檢定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社，2013.

[2]張寧寧，王顯偉，邵新慧，等.電荷放大器的校準及裝置的不確定度評定[J].計測技術，2010，30（3）：44-45.

[3]曹亦慶，李善明，王卓，等.沖擊加速度峰值測量中低通濾波器截止頻率的影響[J].科技導報，2008，26（16）：81-84.

[4]夏慧英.壓電加速度計檢定中的問題[J].計量技術，1987（6）：59-60.

[5]王玲.淺談電荷放大器低通濾波對壓電加速度計標定數據的影響[J].計量與測試技術，2017（10）：100-101.

[6]全國振動沖擊轉速計量技術委員會.JJG 2054-2015 振動計量器具檢定系統(tǒng)表[S].北京：中國質檢出版社，2015.