電荷放大器濾波設(shè)置對加速度計相移測量結(jié)果影響的仿真與驗證

/ 上海市計量測試技術(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、沖擊、力、壓力、聲強等非電量測量技術(shù)中[1]。

電荷放大器主要由電荷轉(zhuǎn)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(gòu)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(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，電荷放大器通常會配套加速度傳感器用于提取振動信息。校準(zhǔn)壓電加速度計時，需要連接電纜、電荷放大器進(jìn)行配套校準(zhǔn)[4]。振動信息中，關(guān)注的參數(shù)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(shè)備和結(jié)構(gòu)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(shè)計的，在實際使用中，電荷放大器的濾波設(shè)置也會對相位的測量造成一定的影響。根據(jù)常規(guī)使用的經(jīng)驗，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(shè)置對相移測量結(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(shè)置對相移測量結(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組成振動標(biāo)準(zhǔn)套組進(jìn)行實際測量，比較測量結(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

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

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(biāo)準(zhǔn)套組作為測試對象，使用圖2中激光干涉振動絕對校準(zhǔn)系統(tǒng)，依據(jù)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(biāo)準(zhǔn)套組進(jìn)行相移的頻響測量，試驗結(jié)果如表2所示。

表1 相移測量仿真結(jié)果（單位°）

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

2 結(jié)果和分析

比較相移測量的仿真結(jié)果和試驗結(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(fù)值。如圖3、圖4所示是各濾波設(shè)置下的仿真結(jié)果和試驗結(jié)果。

表2 相移測量試驗結(jié)果（單位°）

根據(jù)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(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)果和實測結(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 實測結(jié)果

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

圖6 不同高通濾波設(shè)置（0.1 Hz和1 Hz）的相移測量結(jié)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(jié)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(yán)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(jié)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(yán)重。

3 結(jié)語

本文分析了加速度計檢定校準(zhǔn)過程中電荷放大器的濾波設(shè)置對其相移測量的影響。根據(jù)常規(guī)的電荷放大器使用經(jīng)驗，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倍處是針對幅頻特性。在相移測量中，應(yīng)該根據(jù)干擾信號、有效信號的頻率范圍的實際情況合理設(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，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。同時必須在校準(zhǔn)結(jié)果中注明校準(zhǔn)過程中的實際設(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)能力驗證中，由于絕對法振動標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置，會導(dǎo)致En值出現(xiàn)顯著偏差。

[1]全國振動沖擊轉(zhuǎn)速計量技術(shù)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(zhǔn)及裝置的不確定度評定[J].計測技術(shù)，2010，30（3）：44-45.

[3]曹亦慶，李善明，王卓，等.沖擊加速度峰值測量中低通濾波器截止頻率的影響[J].科技導(dǎo)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(shù)，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(biāo)定數(shù)據(jù)的影響[J].計量與測試技術(shù)，2017（10）：100-101.

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