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电荷放大器校准装置

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󰀳󰀴国内统一刊号CN31-1424／

TB

电荷放大器校准装置

武泽1　刘一1　刘爱东2 / 1.上海市计量测试技术研究院；2.中国计量科学技术研究院

摘　要　电荷放大器广泛应用于非电量电测中。电荷放大器校准装置依据JJG 338-2013《电荷放大

器》检定规程，运用虚拟仪器技术，可对电荷放大器的各个项目进行校准。利用改进后的正弦逼近

法可有效解调相位和电压幅值。给出了常用电荷放大器的校准结果。该装置能满足工程领域、计量

领域对电荷放大器校准的量值溯源需求。

关键词　电荷放大器；校准；LabVIEW；正弦逼近

0　引言

电荷放大器广泛应用于振动、冲击、力、压力、

声强等非电量电测中。常用电荷放大器主要由电荷

转换级、归一化挡、低通滤波器、高通滤波器、衰

减挡、电源等几部分组成，部分电荷放大器还配有

积分电路。作为与压电传感器配套使用的二次仪表

设备，电荷放大器的校准对于保证测量准确性是必

要的。在国际比对过程中，一般选用标准压电加速

度计作为标准器，计量时需要去除自配电荷放大器

的影响。准确地校准电荷放大器各项参数指标是校

准加速度传感器和角加速度计的基础[1-2]。

本文依据JJG 338-2013《电荷放大器》检定规

程[3]，设计了电荷放大器的校准装置，可实现对电

荷放大器输入等效电荷噪声、增益挡误差、归一化

误差、线性误差、失真度、幅频特性、相频特性等

项目的校准。

1　电荷放大器的校准原理

电荷放大器的校准是通过给电荷放大器输入标

准的电荷量，采集电荷放大器的输出电压，分析计

算电荷放大器的相应参数。电荷放大器校准装置原

理如图1所示。计算机通过USB接口控制信号发生

器产生规定频率和幅值的正弦信号。该信号分两路，

一路通过数据采集卡测量，另一路通过标准电容转

换为电荷信号，进入被校电荷放大器。数据采集卡

采集输出信号，由计算机处理两路信号，校准电荷

放大器的各项参数。图1　电荷放大器校准装置原理根据该方法的工作原理及检定规程中计量器具

控制，电荷放大器校准装置硬件系统应达到以下要

求：1）信号发生器频率范围0.1 ~ 2.0×105 Hz，输出电压峰值10 V，输出电压稳定性优于1%，失真度

不大于0.05%。2） 标准电容准确度等级优于0.05级，

损耗小，屏蔽良好。3）数据采集卡有两个同步采样

通道，本底噪声小，分辨力高，采样率高，可用于

采集分析高频信号。电荷放大器校准装置的硬件系

统由KEYSIGHT 33500B型信号发生器、IET SC-A

型标准电容、NI PXI-6132型多功能I/O模块组成。

2　电荷放大器校准系统的软件设计

2.1　软件结构设计

电荷放大器校准系统基于LabVIEW图形化编程

设计，快捷方便。程序包含如下模块：样品信息录

入、校准项目选择、测量参数设置、信号发生、量

程自适应、信号采集、信号分析处理、报告生成。

样品信息录入模块可录入客户信息、样品信息。

校准项目选择模块可选择校准项目，包括输入等效

电荷噪声、增益挡误差、归一化误差、线性误差、

失真度、幅频特性、相频特性。测量参数设置模块

可选择手动、自动两种测量模式，设置采样周期数、

标准电容值、校准频率、输入电荷量等。信号发生

模块是根据设置的频率、幅值，控制信号发生器产

生相应的正弦信号。量程自适应模块会根据两路信󰀳󰀵国内统一刊号CN31-1424／

TB2020/3 总第280期号通道的电压幅值选择合适的量程，根据校准频率

选择合适的采样率及采样点数，保证测量准确。信

号采集模块采集两通道信号。信号分析处理模块可

分析电荷放大器的灵敏度幅值、相移、失真度。报告

生成模块可生成规定格式的原始记录。电荷放大器校

准程序模块流程图和程序界面如图2和图3所示。

图2　电荷放大器校准程序模块流程

图3　电荷放大器校准程序界面

2.2　算法原理

电荷放大器校准在数据处理过程中的核心部分

是电压幅值的计算。本文将GB/T 20485.11-2006《振

动与冲击传感器校准方法（第11部分）：激光干涉

法振动绝对校准》[4]中推荐的正弦逼近法应用于电

荷放大器校准[5]。信号发生器与电荷放大器的输出信号均为正弦波，可表示为 （1）

（2）

式中：U1 —— 信号发生器的输出信号电压；

　U2 —— 电荷放大器的输出信号电压；

　u1 —— 信号发生器的输出信号电压幅值；

　u2 —— 电荷放大器的输出信号电压幅值；

　ω —— 圆频率（ω = 2πf）；

　φ1 —— 信号发生器的输出信号初相位；

　φ2 —— 电荷放大器的输出信号初相位一般信号发生器的频率准确度优于1×10-5，频

率误差对电压幅值的影响可忽略不计。根据采集到

的两路信号的离散时间序列，可分别使用最小二乘

法按式（3）解算A、B、C三个未知参数：

（3）

由A、B、C可以计算得到电压幅值和初相位： （4）

（5）

利用该算法可分别得到两路信号的电压幅值和初相位，进而得到电荷放大器的输出灵敏度和相移： （6）

（7）

信号发生器与电荷放大器的输出信号的初相位

值域一般规定为[-π，π），使用正弦逼近法解调后的

相位值域为（-π/2，π/2），两者不具有一一对应的关系。

为了得到准确的初相位，本文对上述算法做出改进： （8）

（9）

其中，H为Heaviside函数，利用该算法得到的

相位差值域为[-π，π），可以有效地避免相位错误解

调的可能。

对采集到的电荷放大器输出信号进行傅里叶分

析，除了得到与信号发生器发出的标准正弦波同频

率的基波分量外，还得到一系列谐波分量，根据式（10）计算失真度：

（10）

3　电荷放大器校准系统的实验验证

利用电荷放大器校准系统针对日常常用的六款

电荷放大器进行校准，选用1 000 pF的标准电容，

各电荷放大器的高通滤波器置于最低频率挡，低通

滤波器置于最高频率挡，归一化挡置于1，增益挡

选择1 mV/pC，各放大器参数设置详见表1。

图4为上述六种电荷放大器在1 ~ 50×103 Hz的

幅频特性，图5为六种电荷放大器在1 ~ 50×103 Hz

的相频特性。六种放大器在中频区间的频响较为平

坦，在低频区间和高频区间受自身选用的运算放大

器带宽和滤波器带宽的影响，电荷放大器的灵敏度

有一定的衰减。六种电荷放大器相移和频率在中高

频区间具有良好的线性关系，其本质就是群延时恒󰀳󰀶国内统一刊号CN31-1424／

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2020/3 总第280期定，表明电荷放大器在传输包含多个频率群信号时失真度小。

图4　电荷放大器灵敏度

(°)

图5　电荷放大器相移

4　结语

本文设计的电荷放大器校准装置，依据JJG

338-2013，可选择多种模式对电荷放大器的各个项

目进行校准，利用改进后的正弦逼近法可有效解调

相位和电压幅值。该装置能满足工程领域、计量领

域对电荷放大器校准的量值溯源需求。

参考文献

[1] USUDA Takashi，OOTA Akihiro，NOZATO Hideaki，et 表1　电荷放大器参数设置

电荷放大器型号KISTLER 5018ECON MI-2004ENDEVCO 133B&K 2650B&K 2635B&K 2692

增益挡设置/mV·pC-1111111

高通滤波器/Hz/0.1/0.30.20.1

低通滤波器/kHz/100//>100100

al.Development of charge amplifier calibration system employing

substitution method[C].//1st IMEKO TC22 International Conference

on Vibration Measurement 2007.National Metrology Institute of Japan,

Advanced Industrial Science and Technology，2009：141-149.

[2] KLAUS L，BRUNS T，VOLKERS H.Calibration of bridge-, charge-

and voltage amplifiers for dynamic measurement applications[J].

Metrologia，2015，52（1）：72-81.

[3] 全国振动冲击转速计量技术委员会.JJG 338—2013电荷放大器

[S].北京：中国质检出版社．2014.

[4] 中国计量科学研究院.GB/T 20485.11-2006振动与冲击传感器校

准方法（第11部分）：激光干涉法振动绝对校准[S]. 北京：中国

标准出版社．2006.

[5] 孙桥，于梅.比较法相位型振动校准系统的研究和实现[J].计量学

报，2005（2）：142-145+154.

Design of charge amplifier calibration device

Wu Ze1，Liu Yi1，Liu Aidong2

（1. Shanghai Institute of Measurement and Testing

Technology；2. National institute of Metrology）

Abstract: Charge amplifier is widely used in non-electrical measurement.

According to JJG 338-2013 verification regulation of charge amplifier,

charge amplifier calibration device can be calibrated for each project using

the virtual instrument technology.The phase shift and voltage amplitude

can be effectively demodulated by the improved Sine-approximation

method.The calibration results of common charge amplifiers are given.

The device can meet the demand of quantity traceability for charge

amplifier calibration in engineering and metrology fields.

Key words: charge amplifier; calibration; LabVIEW; sine-approximation

method

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机械工程测试技术基础课后习题答案汇总

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机械工程测试技术基础第三版熊诗波

绪论

0-1 叙述我国法定计量单位的基本内容。

解答：教材P4~5，二、法定计量单位。

0-2 如何保证量值的准确和一致？

解答：（参考教材P4~6，二、法定计量单位~五、量值的传递和计量器具检定）

1、对计量单位做出严格的定义；

2、有保存、复现和传递单位的一整套制度和设备；

3、必须保存有基准计量器具，包括国家基准、副基准、工作基准等。

3、必须按检定规程对计量器具实施检定或校准，将国家级准所复现的计量单位量值经过各级计算标准传递到工作计量器具。

0-3 何谓测量误差？通常测量误差是如何分类表示的？

解答：（教材P8~10，八、测量误差）

0-4 请将下列诸测量结果中的绝对误差改写为相对误差。

①1.0182544V±7.8μV

②(25.04894±0.00003)g

③(5.482±0.026)g/cm2

解答：

①

②

③

0-5 何谓测量不确定度？国际计量局于1980年提出的建议《实验不确定度的规定建议书INC-1(1980)》的要点是什么？

解答：

(1)测量不确定度是表征被测量值的真值在所处量值范围的一个估计，亦即由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度。 (2)要点：见教材P11。

0-6为什么选用电表时，不但要考虑它的准确度，而且要考虑它的量程？为什么是用电表时应尽可能地在电表量程上限的三分之二以上使用？用量程为150V的0.5级电压表和量程为30V的1.5级电压表分别测量25V电压，请问哪一个测量准确度高？

解答：

(1)因为多数的电工仪表、热工仪表和部分无线电测量仪器是按引用误差分级的（例如，精度等级为0.2级的电表，其引用误差为0.2%），而

引用误差=绝对误差/引用值

其中的引用值一般是仪表的满度值(或量程)，所以用电表测量的结果的绝对误差大小与量程有关。量程越大，引起的绝对误差越大，所以在选用电表时，不但要考虑它的准确度，而且要考虑它的量程。

仪用放大器器实验说明

仪用放大器器实验说明

公众号：惟微小筑

仪用放大器器实验说明

在安装有实验软件的条件下 ,双击该实验的图标将会翻开如下图的窗口 .

1、 将窗口最|大化 (右上角蓝框中的方块 ) ,出现左下脚红框中的运行控制按钮 (见图 ) .

2、 实验过程：点击左下脚的运行开关按钮 (三角型按钮 )将实验电路置于运行状态 .

3、 RV1调节电桥平衡 ,RV2模拟温度敏感元件 ,RV3调节仪用放大器电压放大倍数 ,RV4也可调整电压放大倍数 ,RV5平衡电阻 .

4、 将RV2调整到50％ ,然后调整RV1使电桥输出电压为最|小 (观察输入电压表 ) .

5、 将RV4调整到100％ ,调整RV5使放大器输出最|小 (观察输出电压表 =0最|好 ) .

6、 调整RV2使电桥有一定的输出电压 ,调整RV3观察输出电压表的数值 ,改变仪用放大器的电压放大倍数 .使放大倍数 =1000 .

7、 改变RV2使电桥输出电压变化 ,观察输出电压表的数值 ,如不满足电压放大倍数的要求可再调RV3 ,使其在电桥输出电压大小的情况下 ,放大倍数都接近1000 .放大倍数就调整好了 .

8、 用鼠标左键点击左下脚停止开关按钮 (方块型按钮 )使电路停止运行 .

9、 说明仪用放大器与普通差动输入放大器有什么不同 .

自校零和自校准技术

自校零和自校准技术

新型传感器论文

题目：自校零和自校准技术

摘要

本文从原理上分析论证了自校准与自校零技术；重点论述了实时在线校准技术的实现方法，从校准的定义出发，引申出了仪器仪表自校准的概念，并对自校准实现的基本原理和过程进行了分析，提出了自校准设计过程中几个关键点，以及这些关键点对自校准的影响。

关键词：传感器；电信号；自校零技术；自校准技术

第一章 引言

在传感器的测量过程中，由于仪器内部器件的零点偏移及其温漂，即使零输入时也有输出读数，产生测量误差。

进行自校准的目的，其一，不必将测试仪器仪表脱离原有的环境专门送至校准机构进行校准，在误差精度满足的前提下，提高便利性，同时保证环境的一致性；其二，某些电测仪器设备集成在大型设备中，不容易拆卸，若能够自校准，将更加方便；其三，单片机等控制器及校准电路为自校准的实现成为了可能，可实现自动化，不用进行人工校准。

本文主要针对传感器的自校零技术和自校准技术进行论述。通过对这方面的了解与学习，希望可以在现有的技术水平上进行改进，使其有更好的性能，能更准确地工作，更好地为我们所用。 第二章自校零技术

在传感器的测量过程中，由于仪器内部器件的零点偏移及其温漂，即使零输入时也有输出读数，产生测量误差。

2.1自校零的原因

因为仪器存在误差且误差很可能随环境而变化，所以就需要设计一种自校正装置，使得传感器的参数发生漂移时能够实现自我的补偿与校准，从而使得测量结果更加精确。

以线性系统为例，假设一传感器系统经标定实验得到的静态输出(y)—输入(x)特性如下：

y=a0+a1x

式中：a0——零位值，即当输入x=0 时之输出值；

a1——灵敏度，又称传感器系统的转换增益。

对于一个理想的传感器系统，a0与a1应为保持恒定不变的常量。但是实际上，由于各种内在和外来因素的影响，a0 , a1都不可能保持恒定不变。譬如，决定放大器增益的外接电阻的阻值就会因温度变化而变化，因此就会引起放大器增益改变，从而使得传感器系统总增益改变，也就是系统总的灵敏度发生变化。设a1=S+Δa1, 其中S为增益的恒定部分，Δa1为变化量；又设a0=P+Δa0，P为零位值的恒定部分，Δa0为变化量，则

振动试验基本知识

振动试验基本知识

1 专业知识

1、振动试验基本知识

1.1 振动试验方法

试验方法包括试验目的，一般说明、试验要求、严酷等级及试验程序等几个主要部分。为了完成试验程序中规定的试验，在振动试验方法中又规定了“正弦振动试验”和“随机振动试验”两种型式的试验方法。

正弦振动试验

正弦振动试验控制的参数主要是两个，即频率和幅值。依照频率变和不变分为定频和扫频两种。

定频试验主要用于：

a） 耐共振频率处理：在产品振动频响检查时发现的明显共振频率点上，施加规定振动参数振幅的振动，以考核产品耐共振振动的能力。

b） 耐予定频率处理：在已知产品使用环境条件振动频率时，可采用耐予定频率的振动试验，其目的还是为考核产品在予定危险频率下承受振动的能力。

扫频试验主要用于：

 产品振动频响的检查（即最初共振检查）：确定共振点及工作的稳定性，找出产品共振频率，以做耐振处理。

 耐扫频处理：当产品在使用频率范围内无共振点时，或有数个不明显的谐振点，必须进行耐扫频处理，扫频处理方式在低频段采用定位移幅值，高频段采用定加速度幅值的对数连续扫描，其交越频率一般在55-72Hz，扫频速率一般按每分钟一个倍频进行。

 最后共振检查：以产品振动频响检查相同的方法检查产品经耐振处理后，各共振点有无改变，以确定产品通过耐振处理后的可靠程度。

随机振动试验

随机振动试验按实际环境要求有以下几种类型：宽带随机振动试验、窄带随机振动试验、宽带随机加上一个或数个正弦信号、宽带随机加上一个或数个窄带随机。前两种是随机试验，后两种是混合型也可以归入随机试验。

电动振动台的工作原理是基于载流导体在磁场中受到电磁力作用的安培定律。

1.2 机械环境试验方法标准

电工电子产品环境试验国家标准汇编（第二版）2001年4月

汇编中汇集了截止目前我国正式发布实施的环境试验方面的国家标准72项，其中有近50项不同程度地采用IEC标准，内容包括：总则、名词术语、各种试验方法、试验导则及环境参数测量方法标准。