/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)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(yīng)用于振動(dòng)、沖擊、力、壓力、聲強(qiáng)等非電量測(cè)量技術(shù)中[1]。

電荷放大器主要由電荷轉(zhuǎn)換級(jí)、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(gòu)成。濾波器的功能是允許某一部分頻率的信號(hào)順利地通過，而另外一部分頻率的信號(hào)則受到較大的抑制[2]。低通濾波器允許信號(hào)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(nèi)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(hào)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(jié)構(gòu)診斷，電荷放大器通常會(huì)配套加速度傳感器用于提取振動(dòng)信息。校準(zhǔn)壓電加速度計(jì)時(shí)，需要連接電纜、電荷放大器進(jìn)行配套校準(zhǔn)[4]。振動(dòng)信息中，關(guān)注的參數(shù)除了振動(dòng)幅值，還有相對(duì)參考點(diǎn)的振動(dòng)相移以及相移的連續(xù)變化。通過測(cè)量分析設(shè)備和結(jié)構(gòu)的相移，可以揭示部件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的信息。然而電荷放大器的濾波器主要是針對(duì)頻率特性而設(shè)計(jì)的，在實(shí)際使用中，電荷放大器的濾波設(shè)置也會(huì)對(duì)相位的測(cè)量造成一定的影響。根據(jù)常規(guī)使用的經(jīng)驗(yàn)，電荷放大器的截止頻率一般設(shè)在-3 dB處，高通濾波設(shè)置在加速度計(jì)使用下限頻率的1/10處；低通濾波設(shè)置理論上設(shè)在加速度計(jì)使用上限頻率的2.56倍，實(shí)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(shè)置對(duì)相移測(cè)量結(jié)果的影響，本文采用LabVIEW圖形化編程語言進(jìn)行仿真，對(duì)10～5 000 Hz頻段正弦信號(hào)，分析二階巴特沃斯濾波器不同截止頻率的設(shè)置對(duì)相移測(cè)量結(jié)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(jì)組成振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)套組進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，比較測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果，集中探討低通、高通濾波頻率的相位響應(yīng)。

1 仿真與試驗(yàn)

1.1 仿真

根據(jù)分析頻率的帶寬、電荷放大器的濾波參數(shù)設(shè)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(jìn)行了仿真，程序如圖1所示，仿真結(jié)果如表1所示。

圖1 仿真程序

1.2 試驗(yàn)

試驗(yàn)中以ENDEVCO公司的2270M5型壓電加速度計(jì)配合BK公司的2692型電荷放大器組成振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)套組作為測(cè)試對(duì)象，使用圖2中激光干涉振動(dòng)絕對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng)，依據(jù)規(guī)程JJG 233-2008壓電加速度計(jì)從10～5 000 Hz以倍頻程分別選取頻率點(diǎn)對(duì)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)套組進(jìn)行相移的頻響測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 相移測(cè)量仿真結(jié)果（單位°）

圖2 激光干涉振動(dòng)絕對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果和分析

比較相移測(cè)量的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，在各種低通、高通濾波設(shè)置下，相移頻率響應(yīng)趨勢(shì)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(hào)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(fù)值。如圖3、圖4所示是各濾波設(shè)置下的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。

表2 相移測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果（單位°）

根據(jù)表1、表2，分別計(jì)算保持低通濾波頻率不變，變更高通濾波設(shè)置和保持高通濾波頻率不變，變更低通濾波設(shè)置兩種情況下導(dǎo)致的相移偏差的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果。當(dāng)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(dāng)?shù)屯V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(jié)果

圖4 實(shí)測(cè)結(jié)果

圖5 不同低通濾波設(shè)置（10 kHz和100 kHz）的相移測(cè)量結(jié)果的偏差曲線

圖6 不同高通濾波設(shè)置（0.1 Hz和1 Hz）的相移測(cè)量結(jié)果的偏差曲線

圖5、圖6說明：

1）對(duì)于相移測(cè)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(cè)量結(jié)果在高頻段有顯著偏差，而且隨著信號(hào)的頻率升高，相移的偏差越嚴(yán)重。

2）對(duì)于相移測(cè)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(cè)量結(jié)果在低頻段有顯著偏差，而且隨著信號(hào)的頻率降低，相移的偏差越嚴(yán)重。

3 結(jié)語

本文分析了加速度計(jì)檢定校準(zhǔn)過程中電荷放大器的濾波設(shè)置對(duì)其相移測(cè)量的影響。根據(jù)常規(guī)的電荷放大器使用經(jīng)驗(yàn)，高通濾波設(shè)置在下限頻率的1/10處，低通濾波理論上設(shè)置在上限頻率的3倍處是針對(duì)幅頻特性。在相移測(cè)量中，應(yīng)該根據(jù)干擾信號(hào)、有效信號(hào)的頻率范圍的實(shí)際情況合理設(shè)置濾波頻率，設(shè)置過低，雖然可以減小相移，但也可能導(dǎo)致低頻干擾信號(hào)無法進(jìn)行有效濾除。因此在校準(zhǔn)加速度傳感器的相移時(shí)，必須重視配套電荷放大器濾波參數(shù)的設(shè)置，應(yīng)根據(jù)加速度計(jì)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(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)必須在校準(zhǔn)結(jié)果中注明校準(zhǔn)過程中的實(shí)際設(shè)置，以保證使用過程和校準(zhǔn)過程中濾波設(shè)置一致，避免由于濾波設(shè)置不一致導(dǎo)致的相移偏差。特別是在加速度傳感器校準(zhǔn)能力驗(yàn)證中，由于絕對(duì)法振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的振動(dòng)計(jì)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(shè)置，會(huì)導(dǎo)致En值出現(xiàn)顯著偏差。

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

[2]張寧寧，王顯偉，邵新慧，等.電荷放大器的校準(zhǔn)及裝置的不確定度評(píng)定[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2010，30（3）：44-45.

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

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

[5]王玲.淺談電荷放大器低通濾波對(duì)壓電加速度計(jì)標(biāo)定數(shù)據(jù)的影響[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2017（10）：100-101.

[6]全國振動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)速計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 2054-2015 振動(dòng)計(jì)量器具檢定系統(tǒng)表[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2015.