电荷放大器检定规程样本.docx
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电荷放大器检定规程样本
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日起施行。
归口单位：
中华人民共和国计量科学研究院
起草单位：
中华人民共和国计量科学研究院
中华人民共和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解释。
本规程重要起草人：
李文龙（中华人民共和国计量科学研究院）
于梅（中华人民共和国计量科学研究院）
参加起草人：
于仲敏（中华人民共和国计量科学研究院）
杨素贞（中华人民共和国航空工业总公司三○四研究所）
目次
一概述
二技术规定
三检定条件
四检定项目和检定办法
五检定成果解决和检定周期
附录1电荷放大器各旋钮辨认
附录2公式举例阐明及推导
附录3低于2Hz失真度测量办法简介
附录4检定记录、检定证书背面格式
电荷放大器检定规程
本规程合用于新制造、使用中和修理后二级和三级电荷放大器检定。
一概述
电荷放大器是接压电传感器一种前置放大器，它输出电压正比于输入电荷。
电荷放大器广泛地应用于振动、力、压力、声学等非电量电测技术中。
电荷放大器核心——电荷转换级是一种特殊形式运算放大器，如图1所示。
电容Ci是传感器等效电容，Cf是电荷转换级反馈电容器。
图1电荷转换级电原理图
依照运算放大器理论，开环增益和输入阻抗很高放大器A输出电压eo与输入电动势ei关系为：
（1）
图1中Σ点电位几乎为零，是所谓虚地点，因而电容器Ci极板上电荷Qi为
Qi＝Ciei
（2）
将
（2）式代入
（1）式得
（3）
（3）式表白：
电荷转换级输出电压正比于输入电荷，比例系数就是反馈电容倒数。
上述电荷转换级在电荷放大器中是第一级，其后往往尚有滤波器、积分器、归一化放大器以及输出放大器等，典型电荷放大器方框图如图2。
图2典型电荷放大器方框图
二技术要求
1环境特性
电荷放大器工作环境应符合温度0～40℃；湿度（40℃时）20～90％RH规定。
2电荷放大器分级
电荷放大器按精确度分级，按下限频率又分为A类和B类。
电荷放大器分级分类状况详见表1。
表1
精确度
级别
精确度（20±5）℃
%
下限频率（3dB）
Hz
上限频率（0.5dB）
kHz
失真度
%
输入等效噪声电荷pC
二级
A类
2
5×10－6
10
1
0.5
B类
2
0.3
30
1
0.1
三级
A类
3
10－5
10
2
1
B类
3
0.3
10
2
0.5
3参数指标
3.1电荷放大器精确度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测量范畴，应从本衰减档满量程到相邻敏捷度高一档满量程。
在线性误差测量范畴内，等间隔地测量10个输出电压值，并计算相应传播系数，再求出9个传播系数相对于满量程传播系数相对误差，取9个相对误差中最大1个作为电荷放大器线性误差。
3.2电荷放大器下限频率，是指电荷放大器在低频传播系数比160Hz下降3dB频率。
3.3电荷放大器上限频率，是指电荷放大器在高频段传播系数比160Hz下降0.5dB频率。
在电荷放大器通频带内，传播系数频率响应波动不得超过0.5dB。
3.4电荷放大器输入噪声是用一种（1000±5）pF电容接到电荷放大器输入端与地之间，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档，在电荷放大器最高敏捷度档位测量输出噪声，再折算为电荷放大器输入端等效噪声电荷量。
4低通滤波器特性
4.1电荷放大器必要具备一种或各种低通滤波器。
推荐截止频率系列是100kHz，30kHz，10kHz，3kHz……等，也可以用一种可持续调谐低通滤波器。
4.2低通滤波器截止频率是指传播系数下降3dB频率，在滤波器通频带内，传播系数上下波动不得超过0.5dB；在通频带外，应以每倍频程不不大于12dB斜率衰减（专用例外）。
4.3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截止频率；
f实——实际测得截止频率。
对持续可调滤波器，可参照第4.1款选一种频率测量。
5对负载能力规定
5.1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，电荷放大器输出电压不得低于1.5V（峰值）。
输出波形不得失真，失真度也应符合规定。
6接插件
电荷放大器输入、输出插座只能从Q9和M5二种中选用。
三检定条件
7检定期环境条件
7.1电荷放大器检定应在（20±5）℃和相对湿度不大于85％室内进行。
7.2室内应无强电磁场干扰和腐蚀性气体。
8检定用仪器
8.1作信号源低频振荡器应涉及从0.1Hz到100kHz频率范畴。
可以使用一种或几种振荡器，振荡器内阻、输出电流、输出电压、输出电压幅度稳定性、频率误差、失真度等规定如表2。
表2
频段（Hz）
0.1～100
100～103
103～104
104～2×104
10min幅度稳定性%
2
0.1
0.2
0.2
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%
0.3
0.2
0.2
0.2
注对于0.1～2Hz频段，如果没有可用仪器则用示波器观测失真度和稳定性，应看不到失真和幅度不稳方可使用。
8.2示波器
使用频段为DC～200kHz，y轴测量误差应不大于5％（也可使用相称电压表）。
8.3交直流数字电压表
推荐用真有效值检波电压表。
直流电压测量误差<0.01％；
交流电压测量误差<0.2％；
频率范畴：
上限200kHz，下限低于50Hz。
8.4电容器
3个电容器容量必要稳定，损耗小（tgδ≤10－4），装在较好屏蔽盒中。
3个电容器容量分别约为100pF，1000pF及10000pF，详细容量应通过误差不大于0.05％电容电桥测量后拟定。
测试电容器每3个月测量1次，在潮湿高温天气使用时，应增长测量次数。
8.5数字频率计
当振荡器频率偏差较大时，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，测量误差不大于0.1％。
8.6失真度测量仪2Hz～100kHz；失真度范畴0.1%～10％。
8.7秒表测量误差为0.1s。
四检定项目和检定办法
9外观检查
旋钮转动灵活，波段开关跳步清晰，定位精确。
输出输入插座不容许松动。
归一化，衰减档，滤波器及积分器旋钮都必要有明确标志。
10低通滤波器检定
10.1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测试电容器。
连通电源，预热10min。
电荷放大器高通滤波器置于0.3Hz，低通滤波器置于第4.1款所规定任一档上。
电荷放大器归一化旋钮置于1000处。
有积分功能电荷放大器置于加速度档。
图3检定电荷放大器接线图
10.2振荡器频率调至所测滤波截止1／10～1／20处。
调节电荷放大器衰减档使其输出电压与振荡器输出电压近似相等。
调节振荡器输出电压到ei，使电荷放大器输出电压eo为最大输出电压90％，即eo≈0.9Eo微调归一化旋钮，尽量使振荡器输出电压e′i与电荷放大器输出电压e′o相等并记下比值
。
逐渐升高振荡器频率到高频，重复拨动开关K，测量振荡器输出电压e′i和电荷放大器输出电压e′o。
当e′o＝0.7Re′i时，读取振荡器频率，即是该档滤波器实际截止频率f实。
它与该档滤波器标称截止频率f标必要符合第4.3款式（5）规定。
在滤波器通频带内eoei必要满足不等式0.944Rei≤eo≤1.06Rei。
否则，在该档滤波器为不合格。
10.3本规程规定必要测量滤波器一档，当送检单位有规定期可以多测量几档，对于没有测量滤波器，应在检定证书上注明。
11线性误差检定
11.1按图3连接各仪器，选用1000pF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。
有积分功能电荷放大器置于加速度档。
11.2重复拨动开关K于位置1和2，同步控制振荡器输出电压和调节电荷放大器衰减档，使电荷放大器输出电压与振荡器输出电压近似相等。
增长振荡器输出到ei，使电荷放大器输出电压eo达到最大输出电压Eo。
若衰减档读数为z1，相邻敏捷度较低一档为z2，按式（6）算出10个输出电压值e′om。
（6）
调节振荡器输出电压为eim（m＝0，1，2，…9），使电荷放大器输出分别与（6）式算出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时振荡器输出电压。
9个误差值中最大一种即为电荷放大器线性误差δ3。
12下限频率（或等效下限频率）检定
A类和B类电荷放大器下限频率测定使用不同办法。
对于A类电荷放大器，测量等效下限频率；对于B类电荷放大器，用逐点法测量频率响应拟定下限频率。
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。
调节电荷放大器衰减档，使电荷放大器总传播系数为105pC／V。
有积分功能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与电容器容量C乘积Qi＝εC应能使电荷放大器输出电压eom＝±0.1Eo，为此可用（8）式计算电动势ε和电容器C数值：
（8）
式中：
Eo——电荷放大器最大输出电压，V；
Z——电荷放大器总传播系数为105pC／V时衰减档数值，V／单位；
G——归一化数值，10.00pC／单位；
C——电容器电容量，pF。
电荷放大器输出电压eom，正值一种，负值一种，共两个，等效下限频率必要在这两个输出电压下测定，以最高一种作为电荷放大器等效下限频率。
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，这时电荷放大器输出电压大概为算出eom。
此时，可以看到数字电压表读数会逐渐变化，看准一种读数
后及时揿动秒表，大概等180s后再记下数字电压表读数
，同步关闭秒表。
秒表记录时间间隔t与等效下限频率f下关系为：
（9）
12.1.4对于另一种eom值重复12.1.3项测量，共计算出两个等效下限频率f下，以最高一种作为电荷放大器等效下限频率。
12.2B类电荷放大器接线图如图3所示（可以用误差不大于5％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。
有积分功能电荷放大器置于加速度档。
12.2.2重复拨动开关K于位置1和2，同步控制振荡器输出电压和调节电荷放大器衰减档，使电荷放大器输出电压与振荡器输出电压近似相等。
可微调归一化旋钮，使其尽量相等。
增长振荡器输出到ei，电荷放大器输出eo约等于电荷放大器最大输出电压Eo。
调节示波器Y放大器倍率，使电荷放大器输出电压eo正好能使示波器满偏转，即波形占满所有刻度。
转换开关K在1、2位置时，示波器屏幕上波形应同样大。
逐渐减少振荡器频率，示波器扫描速率也作相应变化。
当开关在2处波形高度只有1处70％时，读取振荡器频率，就是该电荷放大器下限频率。
应测量3次，取平均值。
130.5dB上限频率检定
13.1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0.3Hz档，选用10000pF测试电容器。
有积分功能电荷放大器置于加速度档。
13.2振荡器频率调至160Hz，调节电荷放大器衰减档，使其输出电压与振荡器输出电压近似相等（拨动开关K，观测数字电压表）。
调节振荡器输出电压，使电荷放大器输出电压为最大输出电压Eo。
微调归一化旋钮，尽量使振荡器输出电压ei与电荷放大器输出电压eo相等。
并记下比值
，逐渐升高振荡器频率，同步保持振荡器输出电压ei为定值，当电荷放大器输出电压e′o满足下面二等式之一时，读取振荡器频率，即是电荷放大器0.5dB上限频率。
e′o＝0.944Rei
e′o＝1.06Rei（10）
14失真度检定
推荐使用失真度测量仪测量失真度，也可以用频谱分析仪测量失真度。
频谱分析仪测量带宽应不不大于所测失真频率5倍，动态范畴和信噪比应不不大于60dB。
14.1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测试电容器。
有积分功能电荷放大器置于加速度档。
电荷放大器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。
14.2把振荡器频率调至测失真度频率上。
重复拨动开关K于位置1和2，同步控制振荡器输出电压和调节电荷放大器衰减档，使电荷放大器输出电压与振荡器输出电压近似相等。
增长振荡器输出到ei，使电荷放大器输出电压eo达到最大输出电压Eo。
此时，示波器显示波形应无明显失真，用失真度测量仪测量电荷放大器输出电压eo失真度。
14.3在160Hz、2Hz、电荷放大器阐明书规定0.5dB上限频率（如没有规定0.5dB上限频率，可用3dB上限频率三分之一代替）与第13条实测0.5dB上限频率中一种较低频率上，分别重复第14.2款环节。
14.4检定人员以为有必要时，可在电荷放大器通频带之内增长测量失真度频率点，取测得各失真度中最大一种作为检定成果填入检定证书。
15输入等效噪声电荷检定
用屏蔽良好（1000±5）pF电容器短接电荷放大器输入端，如图5所示。
对于有几种输入端电荷放大器应将其她输入端用屏蔽帽盖上。
图5检定输入等效噪声电荷方框图
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档，有积分功能电荷放大器积分旋钮置于加速度档，调节电荷放大器衰减档到最高敏捷度档，即输出噪声电压最大。
用频带宽度不窄于2Hz～100kHz真有效值电压表或失真度测量仪。
测量电荷放大器输出端电噪声有效值电压eno，按（11）式折算为输入端等效噪声电荷Qn
（11）
式中：
eno——电荷放大器输出端噪声有效值电压（V）；
z——衰减档读数（V／单位）。
16衰减档误差检定
16.1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0.3Hz档。
有积分功能电荷放大器置于加速度档。
16.2把振荡器频率调至160Hz，依照衰减档位置，用公式（12）选取测试电容器容量C和振荡器输出电压ei，算出e′i不得不大于0.1V。
否则必要更换容量小某些测试电容器。
（12）
对某些敏捷度高电荷放大器，在用100pF测试电容时，振荡器输出电压仍低于0.1V时，可以将归一化改调在10-0-0状态测量衰减档误差。
但应将10-0-0状态归一化误差作为系统误差从该衰减档测试成果中扣除，控制振荡器输出电压ei，使电荷放大器输出电压eo≈Eo，则该衰减档误差为
（13）
16.3换另一衰减档重复第16.2款，电荷放大器所有衰减档都必要测量。
在测量诸误差中取最大一种作为电荷放大器衰减档误差δ1。
17归一化误差检定
17.1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0.3Hz档，测试电容器选用1000pF。
有积分功能电荷放大器置于加速度档。
17.2振荡器频率调至160Hz，调节电荷放大器衰减档，使其输出电压约为振荡器输出电压10倍，调节振荡器输出电压，使电荷放大器输出电压eo略低于阐明书规定最大输出电压Eo。
保持振荡器输出不变，依次变化归一化旋钮为表3所列28个状态，并测量每个状态时电荷放大器输出电压eoj（各状态电荷放大器对的输出电压Eoj表3中已给出）。
每个状态归一化误差由下式计算：
（14）
在所有δj中选最大者作为电荷放大器归一化误差δ2，本条合用于3个归一化旋钮电荷放大器。
表3不同归一化状态时对的输出电压
状态
序号
j
归一化
状态
Gj
对的
输出电压
Eoj
状态
序号
j
归一化
状态
Gj
对的
输出电压
Eoj
状态
序号
j
归一化
状态
Gj
对的
输出电压
Eoj
状态
序号
j
归一化
状态Gj
对的
输出电压
Eoj
1
1-0-0
1.000eo
8
8-0-0
0.125eo
15
1-5-0
0.667eo
22
1-0-3
0.971eo
2
2-0-0
0.500eo
9
9-0-0
0.111eo
16
1-6-0
0.625eo
23
1-0-4
0.962eo
3
3-0-0
0.333eo
10
10-0-0
0.100eo
17
1-7-0
0.588eo
24
1-0-5
0.952eo
4
4-0-0
0.250eo
11
1-1-0
0.909eo
18
1-8-0
0.555eo
25
1-0-6
0.943eo
5
5-0-0
0.200eo
12
1-2-0
0.833eo
19
1-9-0
0.526eo
26
1-0-7
0.935eo
6
6-0-0
0.167eo
13
1-3-0
0.769eo
20
1-0-1
0.990eo
27
1-0-8
0.926eo
7
7-0-0
0.143eo
14
1-4-0
0.714eo
21
1-0-2
0.980eo
28
1-0-9
0.917eo
17.34个归一化旋钮电荷放大器可参照17.2款办法测量归一化误差，4个旋钮应构成37个状态，每个状态时电荷放大器对的输出电压Eoj可由该状态时归一化读数Gj算出：
（15）
每个状态时归一化误差由（16）式算出
（16）
式中：
eo——归一化为1-0-0时电荷放大器输出电压；
eoj——归一化为Gj时电荷放大器输出电压。
17.4如果电荷放大器归一化旋钮是一种多圈电位器，则用本款代替17.3款。
保持振荡器输出不变，依次变化归一化旋钮为下列47个（对二级电荷放大器）或24个（对三级电荷放大器）状态时，测量电荷放大器输出电压eoj，二级电荷放大器所有都测量，三级电荷放大器不测量括号中状态。
各状态误差δj可由17.3款中公式（16）算出（j分别为2～47或2～24）。
从诸δj中找出最大者重新测量一次，取平均值作为归一化误差δ2。
1.00（1.05）
1.10（1.15）
1.20（1.25）
1.30（1.35）
1.40（1.50）
1.60（1.70）
1.80（1.90）
2.00（2.10）
2.20（2.30）
2.40（2.50）
2.60（2.70）
2.90（3.00）
3.20（3.35）
3.50（3.70）
4.00（4.20）
4.50（4.70）
5.00（5.20）
5.50（5.70）
6.00（6.30）
6.70（7.00）
7.40（7.80）
8.20（8.60）
9.00（9.50）
10.0
18积分电路检定
18.1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0.3Hz档，开关K置于位置2。
振荡器频率调至电荷放大器位移下限频率处，此时应用频率计读取频率（或周期）值，由于频率误差将直接带来位移和速度误差。
18.2电荷放大器积分开关置于位移档，调节振荡器输出电压到ei，使电荷放大器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时振荡器输出电压ei保持不变。
eD、eV和ea三个电压中任何一种都不得不不大于电荷放大器最大输出电压Eo，并且没有限幅失真。
否则应重新调节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。
18.3变化振荡器频率至下限频率二倍处，重复18.2款测量。
后来振荡器频率（用频率计监测）以倍频程间隔变化，重复18.2款测量，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；……。
大概测量10～15个频率下10～15组eD、eV、ea，始终到eD、ev都很小，找出公式（17）和（18）算出δV、δD都超过10％为止。
在频率高品位应恰当减小测量频率间隔。
18.4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——分别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，相应加速度、速度和位移三个档位时输出电压（V）；
KV——无量纲系数，等于以m／s为单位速度值；
KD——无量纲系数，等于以m为单位位移值。
（19）
（20）
19精确度计算
依照第3.1款中公式（4）以及11条、16条、17条测量数据，算出电荷放大器精确度。
五检定成果解决和检定周期
20经检定符合本规程各项规定电荷放大器，按表1分级分类填发检定证书。
凡有一项不合格者，发给检定成果告知书。
21电荷放大器检定周期为1年。
附录1
电荷放大器各旋钮辨认
1归一化旋钮在仪器面板上惯用下列标志：
（1）传感器敏捷度pC／单位；
（2）敏捷度pC／单位；（3）敏捷度pC／g；……。
2衰减档在仪器面板上惯用表达办法有：
（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……。
本规程正文公式中用衰减档数值指是前两种表达法，后二种表达法必要换算成前两种才干代入公式中计算。
第（3）种表达法换算是求其倒数，如下式换算：
第（4）种表达法换算办法是用仪器最大输出电压Eo除以量程，如下式：
3高通滤波器在仪器面板上惯用：
（1）低频下限；
（2）下限频率；……表达。
附录2
公式举例阐明及推导
1举例阐明第12.1.2项中公式（8）
某电荷放大器最大
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