电荷放大器检定规程.docx
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电荷放大器检定规程
电荷放大器检定规程
VerificationRegulationofChargeAmplifier
JJG338—97
代替JJG338—83
本检定规程经国家技术监督局1997年9月1日批准，并自1998年3月1日起实施。
归口单位：
中国计量科学研究院
起草单位：
中国计量科学研究院
中国航空工业总公司三○四研究所
本规程技术条文由起草单位负责说明。
本规程要紧起草人：
李文龙（中国计量科学研究院）
于梅（中国计量科学研究院）
参加起草人：
于仲敏（中国计量科学研究院）
杨素贞（中国航空工业总公司三○四研究所）
目次
一概述
二技术要求
三检定条件
四检定项目和检定方式
五检定结果的处置和检定周期
附录1电荷放大器各旋钮的识别
附录2公式的举例说明及推导
附录3低于2Hz的失真度测量方式介绍
附录4检定记录、检定证书反面格式
电荷放大器检定规程
本规程适用于新制造、利用中和修理后的二级和三级电荷放大器的检定。
一概述
电荷放大器是接压电传感器的一种前置放大器，它的输出电压正比于输入电荷。
电荷放大器普遍地应用于振动、力、压力、声学等非电量电测技术中。
电荷放大器的核心——电荷转换级是一种特殊形式的运算放大器，如图1所示。
电容Ci是传感器的等效电容，Cf是电荷转换级的反馈电容器。
图1电荷转换级的电原理图
依照运算放大器的理论，开环增益和输入阻抗很高的放大器A的输出电压eo与输入电动势ei的关系为：
（1）
图1中Σ点的电位几乎为零，是所谓虚地址，因此电容器Ci极板上的电荷Qi为
Qi＝Ciei
（2）
将
（2）式代入
（1）式得
（3）
（3）式说明：
电荷转换级的输出电压正比于输入电荷，比例系数确实是反馈电容的倒数。
上述电荷转换级在电荷放大器中是第一级，其后往往还有滤波器、积分器、归一化放大器和输出放大器等，典型的电荷放大器方框图如图2。
图2典型的电荷放大器方框图
二技术要求
1环境特性
电荷放大器的工作环境应符合温度0～40℃；湿度（40℃时）20～90％RH的要求。
2电荷放大器的分级
电荷放大器按准确度分级，按下限频率又分为A类和B类。
电荷放大器分级分类情形详见表1。
表1
准确度
等级
准确度（20±5）℃
%
下限频率（3dB）
Hz
上限频率（）
kHz
失真度
%
输入等效噪声电荷pC
二级
A类
2
5×10－6
10
1
B类
2
30
1
三级
A类
3
10－5
10
2
1
B类
3
10
2
3参数指标
电荷放大器准确度σ由衰减档误差δ1、归一化误差δ2和线性误差δ3按（4）式合成。
（4）
电荷放大器线性误差的测量范围，应从本衰减档的满量程到相邻的灵敏度高一档的满量程。
在线性误差测量范围内，等距离地测量10个输出电压值，并计算相应的传输系数，再求出9个传输系数相关于满量程传输系数的相对误差，取9个相对误差中最大的1个作为电荷放大器的线性误差。
电荷放大器的下限频率，是指电荷放大器在低频的传输系数比160Hz下降3dB的频率。
电荷放大器的上限频率，是指电荷放大器在高频段的传输系数比160Hz下降的频率。
在电荷放大器的通频带内，传输系数的频率响应波动不得超过。
电荷放大器的输入噪声是用一个（1000±5）pF电容接到电荷放大器的输入端与地之间，电荷放大器归一化置于100。
高通滤波器置于最低档，低通滤波器置于最高级，在电荷放大器最高灵敏度档位测量输出噪声，再折算为电荷放大器输入端的等效噪声电荷量。
4低通滤波器的特性
电荷放大器必需具有一个或多个低通滤波器。
推荐的截止频率系列是100kHz，30kHz，10kHz，3kHz……等，也能够用一个可持续调谐的低通滤波器。
低通滤波器的截止频率是指传输系数下降3dB的频率，在滤波器的通频带内，传输系数上下波动不得超过；在通频带外，应以每倍频程不小于12dB的斜率衰减（专用的例外）。
滤波器截止频率误差由（5）给出
0.9f标≤f实≤1.2f标（5）
式中：
f标——电荷放大器面板上标出的截止频率；
f实——实际测得的截止频率。
对持续可调的滤波器，可参考第款选一个频率测量。
5对负载能力的要求
电荷放大器作电流输出时，应规定最大输出电流（峰值）。
在最大输出电流时，电荷放大器的输出电压不得低于（峰值）。
输出波形不得失真，失真度也应符合要求。
6接插件
电荷放大器的输入、输出插座只能从Q9和M5二种当选取。
三检定条件
7检按时环境条件
电荷放大器的检定应在（20±5）℃和相对湿度小于85％的室内进行。
室内应无强的电磁场干扰和侵蚀性气体。
8检定用仪器
作信号源的低频振荡器应包括从到100kHz的频率范围。
能够利用一个或几个振荡器，振荡器的内阻、输出电流、输出电压、输出电压幅度稳固性、频率误差、失真度等规定如表2。
表2
频段（Hz）
～100
100～103
103～104
104～2×104
10min幅度稳定性%
2
内阻Ω
<10k
<100
<10
<5
输出电流mA
1
10
70
130
输出电压Vp
10
10
10
10
频率偏差%
3
2
1
1
失真度%
注关于～2Hz的频段，若是没有可用仪器那么用示波器观看失真度和稳固性，应看不到失真和幅度不稳方可利用。
示波器
利用频段为DC～200kHz，y轴测量误差应小于5％（也可利用相当的电压表）。
交直流数字电压表
推荐用真有效值检波的电压表。
直流电压测量误差<％；
交流电压测量误差<％；
频率范围：
上限200kHz，下限低于50Hz。
电容器
3个电容器的容量必需稳固，损耗小（tgδ≤10－4），装在专门好的屏蔽盒中。
3个电容器的容量别离约为100pF，1000pF及10000pF，具体容量应通过误差小于％的电容电桥测量后确信。
测试电容器每3个月测量1次，在潮湿高温天气利历时，应增加测量次数。
数字频率计
当振荡器频率误差较大时，可用数字频率计来监视信号频率。
数字频率计应能测量周期，测量误差小于％。
失真度测量仪2Hz～100kHz；失真度范围%～10％。
秒表测量误差为。
四检定项目和检定方式
9外观检查
旋钮转动灵活，波段开关跳步清楚，定位准确。
输出输入插座不许诺松动。
归一化，衰减档，滤波器及积分器旋钮都必需有明确的标志。
10低通滤波器的检定
按图3连接检定用仪器和被检定电荷放大器。
图中C选用1000pF的测试电容器。
连通电源，预热10min。
电荷放大器的高通滤波器置于，低通滤波器置于第款所规定的任一档上。
电荷放大器的归一化旋钮置于1000处。
有积分功能的电荷放大器置于加速度档。
图3检定电荷放大器的接线图
振荡器频率调至所测滤波截止的1／10～1／20处。
调整电荷放大器的衰减档使其输出电压与振荡器的输出电压近似相等。
调整振荡器输出电压到ei，使电荷放大器的输出电压eo为最大输出电压的90％，即eo≈微调归一化旋钮，尽可能使振荡器的输出电压e′i与电荷放大器的输出电压e′o相等并记下比值。
慢慢升高振荡器的频率到高频，反复拨动开关K，测量振荡器的输出电压e′i和电荷放大器的输出电压e′o。
当e′o＝′i时，读取振荡器频率，即是该档滤波器实际的截止频率f实。
它与该档滤波器标称截止频率f标必需符合第样式（5）的规定。
在滤波器通频带内eo的ei必需知足不等式≤eo≤。
不然，在该档滤波器为不合格。
本规程规定必需测量滤波器的一档，当送检单位有要求时能够多测量几档，关于没有测量的滤波器，应在检定证书上注明。
11线性误差的检定
按图3连接各仪器，选用1000pF的电容器，振荡器频率调至160Hz，电荷放大器归一化旋钮置于1000处。
有积分功能的电荷放大器置于加速度档。
反复拨动开关K于位置1和2，同时操纵振荡器的输出电压和调整电荷放大器的衰减档，使电荷放大器的输出电压与振荡器的输出电压近似相等。
增加振荡器的输出到ei，使电荷放大器输出电压eo达到最大输出电压Eo。
假设衰减档读数为z1，相邻的灵敏度较低的一档为z2，按式（6）算出10个输出电压值e′om。
（6）
调整振荡器的输出电压为eim（m＝0，1，2，…9），使电荷放大器的输出别离与（6）式算出的10个电压值e′om近似相等，并记为eom，用（7）式算出9个误差值：
（7）
式中：
ei0——使电荷放大器输出电压eo0近似等于最大输出电压Eo时振荡器的输出电压。
9个误差值中最大的一个即为电荷放大器的线性误差δ3。
12下限频率（或等效下限频率）的检定
A类和B类电荷放大器下限频率的测定利用不同的方式。
关于A类电荷放大器，测量等效下限频率；关于B类电荷放大器，用逐点法测量频率响应确信下限频率。
12.1A类电荷放大器接线如图4所示。
图4A类电荷放大器等效下限
频率的检定接线图
12.1.1电荷放大器归一化旋钮置于1000，高通滤波器置于最低频率档。
调整电荷放大器的衰减档，使电荷放大器总的传输系数为105pC／V。
有积分功能的电荷放大器置于加速度档。
12.1.2图4中电池（或直流稳压电源）电动势ε与电容器的容量C的乘积Qi＝εC应能使电荷放大器的输出电压eom＝±，为此可用（8）式计算电动势ε和电容器C的数值：
（8）
式中：
Eo——电荷放大器最大输出电压，V；
Z——电荷放大器总的传输系数为105pC／V时的衰减档数值，V／单位；
G——归一化数值，／单位；
C——电容器的电容量，pF。
电荷放大器的输出电压eom，正值一个，负值一个，共两个，等效下限频率必需在这两个输出电压下测定，以最高的一个作为电荷放大器的等效下限频率。
12.1.3将开关K1置于位置1，使电容器充电，过数秒后把K1转向位置2，约1s后再转回到位置1，这时电荷放大器的输出电压大约为算出的eom。
现在，能够看到数字电压表读数会慢慢转变，看准一个读数后及时揿动秒表，大约等180s后再记下数字电压表的读数，同时关闭秒表。
秒表记录时刻距离t与等效下限频率f下的关系为：
（9）
12.1.4关于另一个eom值重复项测量，共计算出两个等效下限频率f下，以最高的一个作为电荷放大器的等效下限频率。
B类电荷放大器的接线图如图3所示（能够用误差小于5％的低频电压表代替示波器测量电压）。
示波器应放在DC档。
12.2.1选用1000pF的测试电容器，电荷放大器归—化旋钮置于1-0-0-0处。
振荡器频率调至160Hz。
有积分功能的电荷放大器置于加速度档。
12.2.2反复拨动开关K于位置1和2，同时操纵振荡器输出电压和调整电荷放大器的衰减档，使电荷放大器的输出电压与振荡器的输出电压近似相等。
可微调归一化旋钮，使其尽可能相等。
增加振荡器的输出到ei，电荷放大器的输出eo约等于电荷放大器的最大输出电压Eo。
调剂示波器Y放大器的倍率，使电荷放大器的输出电压eo正好能使示波器满偏转，即波形占满全数刻度。
转换开关K在1、2位置时，示波器屏幕上的波形应一样大。
慢慢降低振荡器的频率，示波器的扫描速度也作相应的改变。
当开关在2处的波形高度只有1处的70％时，读取振荡器的频率，确实是该电荷放大器的下限频率。
应测量3次，取平均值。
13上限频率的检定
按图3接线，使电荷放大器归一化旋钮置于1000位置，低通滤波器置于最高频率档，高通滤波器置于档，选用10000pF的测试电容器。
有积分功能的电荷放大器置于加速度档。
振荡器频率调至160Hz，调整电荷放大器的衰减档，使其输出电压与振荡器的输出电压近似相等（拨动开关K，观看数字电压表）。
调剂振荡器的输出电压，使电荷放大器的输出电压为最大输出电压Eo。
微调归一化旋钮，尽可能使振荡器的输出电压ei与电荷放大器的输出电压eo相等。
并记下比值，慢慢升高振荡器频率，同时维持振荡器输出电压ei为定值，当电荷放大器的输出电压e′o知足下面二等式之一时，读取振荡器的频率，即是电荷放大器的上限频率。
e′o＝
e′o＝（10）
14失真度的检定
推荐利用失真度测量仪测量失真度，也能够用频谱分析仪测量失真度。
频谱分析仪的测量带宽应大于所测失真频率的5倍，动态范围和信噪比应大于60dB。
按图3连接检定用仪器和被检定电荷放大器。
图中C选有1000pF的测试电容器。
有积分功能的电荷放大器置于加速度档。
电荷放大器的高通滤波器置于最低频率档，低通滤波器置于最高频率档，归一化旋钮置于1-0-0处。
把振荡器的频率调至测失真度的频率上。
反复拨动开关K于位置1和2，同时操纵振荡器的输出电压和调整电荷放大器的衰减档，使电荷放大器的输出电压与振荡器的输出电压近似相等。
增加振荡器的输出到ei，使电荷放大器的输出电压eo达到最大输出电压Eo。
现在，示波器显示的波形应无明显的失真，用失真度测量仪测量电荷放大器输出电压eo的失真度。
在160Hz、2Hz、电荷放大器说明书规定的上限频率（如没有规定上限频率，可用3dB上限频率的三分之一代替）与第13条实测的上限频率中的一个较低频率上，别离重复第款步骤。
检定人员以为有必要时，可在电荷放大器通频带之内增加测量失真度的频率点，取测得各失真度中最大的一个作为检定结果填入检定证书。
15输入等效噪声电荷的检定
用屏蔽良好的（1000±5）pF电容器短接电荷放大器的输入端，如图5所示。
关于有几个输入端的电荷放大器应将其他的输入端用屏蔽帽盖上。
图5检定输入等效噪声电荷的方框图
电荷放大器归一化旋钮置于1-0-0位置，高通滤波器置于最低档，低通滤波器置于最高级，有积分功能的电荷放大器积分旋钮置于加速度档，调剂电荷放大器的衰减档到最高灵敏度档，即输出噪声电压最大。
用频带宽度不窄于2Hz～100kHz的真有效值电压表或失真度测量仪。
测量电荷放大器输出端的电噪声有效值电压eno，按（11）式折算为输入端等效噪声电荷Qn
（11）
式中：
eno——电荷放大器输出端的噪声有效值电压（V）；
z——衰减档的读数（V／单位）。
16衰减档误差的检定
按图3接线，将电荷放大器归一化旋钮置于1-0-0位置，低通滤波器置于最高频率档，高通滤波器置于档。
有积分功能的电荷放大器置于加速度档。
把振荡器频率调至160Hz，依照衰减档的位置，用公式（12）选择测试电容器的容量C和振荡器的输出电压ei，算出的e′i不得小于。
不然必需改换容量小一些的测试电容器。
（12）
对某些灵敏度高的电荷放大器，在用100pF测试电容时，振荡器的输出电压仍低于时，能够将归一化改调在10-0-0状态测量衰减档误差。
但应将10-0-0状态的归一化误差作为系统误差从该衰减档的测试结果中扣除，操纵振荡器的输出电压ei，使电荷放大器的输出电压eo≈Eo，那么该衰减档的误差为
（13）
换另一衰减档重复第款，电荷放大器的所有衰减档都必需测量。
在测量的诸误差中取最大的一个作为电荷放大器的衰减档误差δ1。
17归一化误差的检定
按图3接线，把电荷放大器归一化旋钮置于1-0-0位置，低通滤波器置于最高频率档，高通滤波器置于档，测试电容器选用1000pF。
有积分功能的电荷放大器置于加速度档。
振荡器频率调至160Hz，调剂电荷放大器的衰减档，使其输出电压约为振荡器输出电压的10倍，调剂振荡器的输出电压，使电荷放大器的输出电压eo略低于说明书规定的最大输出电压Eo。
维持振荡器的输出不变，依次改变归一化旋钮为表3所列的28个状态，并测量每一个状态时电荷放大器的输出电压eoj（各状态电荷放大器正确的输出电压Eoj表3中已给出）。
每一个状态的归一化误差由下式计算：
（14）
在所有δj当选最大者作为电荷放大器的归一化误差δ2，本条适用于3个归一化旋钮的电荷放大器。
表3不同归一化状态时正确输出电压
状态
序号
j
归一化
状态
Gj
正确的
输出电压
Eoj
状态
序号
j
归一化
状态
Gj
正确的
输出电压
Eoj
状态
序号
j
归一化
状态
Gj
正确的
输出电压
Eoj
状态
序号
j
归一化
状态Gj
正确的
输出电压
Eoj
1
1-0-0
8
8-0-0
15
1-5-0
22
1-0-3
2
2-0-0
9
9-0-0
16
1-6-0
23
1-0-4
3
3-0-0
10
10-0-0
17
1-7-0
24
1-0-5
4
4-0-0
11
1-1-0
18
1-8-0
25
1-0-6
5
5-0-0
12
1-2-0
19
1-9-0
26
1-0-7
6
6-0-0
13
1-3-0
20
1-0-1
27
1-0-8
7
7-0-0
14
1-4-0
21
1-0-2
28
1-0-9
4个归一化旋钮的电荷放大器可参考款的方式测量归一化误差，4个旋钮应组成37个状态，每一个状态时电荷放大器正确的输出电压Eoj可由该状态时的归一化读数Gj算出：
（15）
每一个状态时的归一化误差由（16）式算出
（16）
式中：
eo——归一化为1-0-0时电荷放大器的输出电压；
eoj——归一化为Gj时电荷放大器的输出电压。
若是电荷放大器的归一化旋钮是一个多圈电位器，那么用本款代替款。
维持振荡器的输出不变，依次改变归一化旋钮为以下47个（对二级电荷放大器）或24个（对三级电荷放大器）状态时，测量电荷放大器的输出电压eoj，二级电荷放大器全数都测量，三级电荷放大器意外量括号中的状态。
各状态的误差δj可由款中公式（16）算出（j别离为2～47或2～24）。
从诸δj中找出最大者从头测量一次，取平均值作为归一化误差δ2。
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
（）
18积分电路的检定
按图3接线，将电荷放大器归一化旋钮置于1-0-0位置，低通滤波器置于最高频率档，高通滤波器置于档，开关K置于位置2。
振荡器频率调至电荷放大器位移的下限频率处，现在应用频率计读取频率（或周期）值，因为频率的误差将直接带来位移和速度的误差。
电荷放大器的积分开关置于位移档，调剂振荡器的输出电压到ei，使电荷放大器的输出接近最大输出电压Eo，测量输出电压记为eD；积分开关转换到速度档，测量输出电压，记为ev；再转换到加速度档，测量输出电压，记为ea。
在测量eD、eV和ea时振荡器的输出电压ei维持不变。
eD、eV和ea三个电压中任何一个都不得大于电荷放大器的最大输出电压Eo，而且没有限幅失真。
不然应从头调整ei，并测量3个电压eD、eV和ea。
为此，低频时从位移档开始测量，高频时应从加速度档开始测量。
改变振荡器的频率至下限频率的二倍处，重复款的测量。
以后振荡器的频率（用频率计监测）以倍频程的距离改变，重复款的测量，测量频率为：
下限频率；2倍下限频率；4倍下限频率；8倍下限频率；16倍下限频率；……。
大约测量10～15个频率下的10～15组eD、eV、ea，一直到eD、ev都很小，找出公式（17）和（18）算出的δV、δD都超过10％为止。
在频率的高端应适当减小测量频率的距离。
用公式（17）和公式（18）计算速度测量误差δv和位移测量误差δD
（17）
（18）
上两式中：
δV、δD——别离为速度和位移测量误差（％）；
f——测量频率（Hz）；
ea、eV、eD——频率为f，输出ei不变时，相应的加速度、速度和位移三个档位时的输出电压（V）；
KV——无量纲系数，等于以m／s为单位的速度值；
KD——无量纲系数，等于以m为单位的位移值。
（19）
（20）
19准确度的计算
依照第款中公式（4）和11条、16条、17条的测量数据，算出电荷放大器的准确度。
五检定结果的处置和检定周期
20经检定符合本规程各项要求的电荷放大器，按表1分级分类填发检定证书。
凡有一项不合格者，发给检定结果通知书。
21电荷放大器的检定周期为1年。
附录1
电荷放大器各旋钮的识别
1归一化旋钮在仪器面板上经常使用以下标志：
（1）传感器灵敏度pC／单位；
（2）灵敏度pC／单位；（3）灵敏度pC／g；……。
2衰减档在仪器面板上经常使用的表示方式有：
（1）输出电压V／单位；
（2）输出电压V／g；（3）输出单位／V；（4）量程（单位），10单位，100单位，1000单位……。
本规程正文公式顶用的衰减档数值指的是前两种表示法，后二种表示法必需换算成前两种才能代入公式中计算。
第（3）种表示法的换算是求其倒数，如下式换算：
第（4）种表示法的换算方式是用仪器的最大输出电压Eo除以量程，如下式：
3高通滤波器在仪器面板上经常使用：
（1）低频下限；
（2）下限频率；……表示。
附录2
公式的举例说明及推导
1举例说明第12.1.2项中公式（8）
某电荷放大器最大输出电压Eo＝10V，归一化旋钮置于10-0-0位置时对应的读数是10pC／单位，那么衰减档置于／单位时仪器总的传输系数为：
10pC／＝105pC／V
那么公式中的Z确实是／单位，上述各量代入公式（9）中并设测试电容C＝10000pF。
2举例说明款公式（13）
某电荷放大器归一化旋钮位于／单位，衰减档在10mV／单位；测试电容器C＝1006pF；当输出为有效值时输入为。
那么该档衰减的误差可由公式（14）算出：
3第12.1.3项中公式（9）的推导
t1时刻输出电压，t2时刻输出电压。
E是充电完毕后某时刻的输出电压，τ是电路的时刻常数，τ＝RC。
对照值：
求自然对数得，又知下限频率与电路的时刻常数的关系为，因此得：
4第款中公式（7）的推导
仪器和测试电容器C组成的系统，在满输出时的传输系数为，输出为eom时的传输系数为，那么输出为eom时的线性误差是：
5第款公式（15）的推导
第j个归一化状态数值Gj与正确的输出电压Eoj之间的关系应为：
eo是第一个归一化状态，即归一化旋钮位于1-0-0-0位置时仪器的输出电压值，那么第j个归一化状态的误差是：
附录3
低于2Hz的失真度测量方式介绍
由于失真度测量仪最低只能测量2Hz的失真度，因此对低于2Hz的信号必需变换时刻尺度，将其
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