/ .上海市計量測試技術(shù)研究院；.中國計量科學(xué)技術(shù)研究院

0 引言

電荷放大器廣泛應(yīng)用于振動、沖擊、力、壓力、聲強等非電量電測中。常用電荷放大器主要由電荷轉(zhuǎn)換級、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，電荷放大器的校準對于保證測量準確性是必要的。在國際比對過程中，一般選用標準壓電加速度計作為標準器，計量時需要去除自配電荷放大器的影響。準確地校準電荷放大器各項參數(shù)指標是校準加速度傳感器和角加速度計的基礎(chǔ)[1-2]。

本文依據(jù)JJG 338-2013《電荷放大器》檢定規(guī)程[3]，設(shè)計了電荷放大器的校準裝置，可實現(xiàn)對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、相頻特性等項目的校準。

1 電荷放大器的校準原理

電荷放大器的校準是通過給電荷放大器輸入標準的電荷量，采集電荷放大器的輸出電壓，分析計算電荷放大器的相應(yīng)參數(shù)。電荷放大器校準裝置原理如圖1所示。計算機通過USB接口控制信號發(fā)生器產(chǎn)生規(guī)定頻率和幅值的正弦信號。該信號分兩路，一路通過數(shù)據(jù)采集卡測量，另一路通過標準電容轉(zhuǎn)換為電荷信號，進入被校電荷放大器。數(shù)據(jù)采集卡采集輸出信號，由計算機處理兩路信號，校準電荷放大器的各項參數(shù)。

圖1 電荷放大器校準裝置原理

根據(jù)該方法的工作原理及檢定規(guī)程中計量器具控制，電荷放大器校準裝置硬件系統(tǒng)應(yīng)達到以下要求：1）信號發(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)定性優(yōu)于1%，失真度不大于0.05%。2） 標準電容準確度等級優(yōu)于0.05級，損耗小，屏蔽良好。3）數(shù)據(jù)采集卡有兩個同步采樣通道，本底噪聲小，分辨力高，采樣率高，可用于采集分析高頻信號。電荷放大器校準裝置的硬件系統(tǒng)由 KEYSIGHT 33500B 型信號發(fā)生器、IET SC-A型標準電容、NI PXI-6132型多功能I/O模塊組成。

2 電荷放大器校準系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

電荷放大器校準系統(tǒng)基于LabVIEW圖形化編程設(shè)計，快捷方便。程序包含如下模塊：樣品信息錄入、校準項目選擇、測量參數(shù)設(shè)置、信號發(fā)生、量程自適應(yīng)、信號采集、信號分析處理、報告生成。

樣品信息錄入模塊可錄入客戶信息、樣品信息。校準項目選擇模塊可選擇校準項目，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。測量參數(shù)設(shè)置模塊可選擇手動、自動兩種測量模式，設(shè)置采樣周期數(shù)、標準電容值、校準頻率、輸入電荷量等。信號發(fā)生模塊是根據(jù)設(shè)置的頻率、幅值，控制信號發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的正弦信號。量程自適應(yīng)模塊會根據(jù)兩路信號通道的電壓幅值選擇合適的量程，根據(jù)校準頻率選擇合適的采樣率及采樣點數(shù)，保證測量準確。信號采集模塊采集兩通道信號。信號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 電荷放大器校準程序模塊流程

圖3 電荷放大器校準程序界面

2.2 算法原理

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

式中：U1—— 信號發(fā)生器的輸出信號電壓；

U2—— 電荷放大器的輸出信號電壓；

u1—— 信號發(fā)生器的輸出信號電壓幅值；

u2—— 電荷放大器的輸出信號電壓幅值；

ω—— 圓頻率（ω= 2πf）；

φ1—— 信號發(fā)生器的輸出信號初相位；

φ2—— 電荷放大器的輸出信號初相位

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

由A、B、C可以計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的電壓幅值和初相位，進而得到電荷放大器的輸出靈敏度和相移：

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

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

對采集到的電荷放大器輸出信號進行傅里葉分析，除了得到與信號發(fā)生器發(fā)出的標準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）計算失真度：

3 電荷放大器校準系統(tǒng)的實驗驗證

利用電荷放大器校準系統(tǒng)針對日常常用的六款電荷放大器進行校準，選用1 000 pF的標準電容，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)就是群延時恒定，表明電荷放大器在傳輸包含多個頻率群信號時失真度小。

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

本文設(shè)計的電荷放大器校準裝置，依據(jù)JJG 338-2013，可選擇多種模式對電荷放大器的各個項目進行校準，利用改進后的正弦逼近法可有效解調(diào)相位和電壓幅值。該裝置能滿足工程領(lǐng)域、計量領(lǐng)域?qū)﹄姾煞糯笃餍实牧恐邓菰葱枨蟆?/p>