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电荷放大器检定规程样本.docx

1、电荷放大器检定规程样本电荷放大器检定规程Verification Regulation of Charge AmplifierJJG 33897代替JJG 33883 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

2、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

3、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QiCiei (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040;湿度(40时)2090RH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

4、级分类状况详见表1。表1精确度级别精确度(205)%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251061010.5B类20.33010.1三级A类31051021B类30.31020.53 参数指标3.1 电荷放大器精确度由衰减档误差1、归一化误差2和线性误差3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

5、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(10005)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

6、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

7、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(205)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)0.1100100103103104104210410min幅度稳定性%20.10.20.2内 阻 10k100105输出电流mA11070130输出电压Vp10101010频率偏差%3211失真度%0.30.20.20.2 注 对

8、于0.12Hz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DC200kHz,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(tg104),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

9、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2Hz100kHz;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

10、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110120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eo0.9Eo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到高频,重复拨动开关K,测量振荡器输出电压ei和电荷放大器输出电压eo。当eo0.7Rei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

11、必要满足不等式0.944Reieo1.06Rei。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

12、,按式(6)算出10个输出电压值eom。 (6) 调节振荡器输出电压为eim(m0,1,2,9),使电荷放大器输出分别与(6)式算出10个电压值eom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3。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。12.1 A类电荷放大器接线如图4所示。图4 A类电荷放大器等效下限频率检定接线图12.

13、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105pCV。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)电动势与电容器容量C乘积QiC应能使电荷放大器输出电压eom0.1Eo,为此可用(8)式计算电动势和电容器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105pCV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

14、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。12.2 B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

15、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

16、放大器下限频率。应测量3次,取平均值。13 0.5dB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eo满足下面

17、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。eo0.944Reieo1.06Rei (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

18、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(10005)pF电容器短接电

19、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2Hz100kHz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

20、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ei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eoEo,则该衰减档误差为 (13)16.3 换另一衰减档重复第

21、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1。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

22、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j中选最大者作为电荷放大器归一化误差2,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Eoj11-0-01.000eo88-0-00.125eo151-5-00.667eo221-0-30.971eo22-0-00.500eo99-0-00.111eo161-6-00.625eo231-0-40.962eo33-0-00.333eo1010-0

23、-00.100eo171-7-00.588eo241-0-50.952eo44-0-00.250eo111-1-00.909eo181-8-00.555eo251-0-60.943eo55-0-00.200eo121-2-00.833eo191-9-00.526eo261-0-70.935eo66-0-00.167eo131-3-00.769eo201-0-10.990eo271-0-80.926eo77-0-00.143eo141-4-00.714eo211-0-20.980eo281-0-90.917eo17.3 4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3

24、7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j可由17.3款中公式(16)算出(j分别为247或224)。从诸j中找出最大者重新测量一

25、次,取平均值作为归一化误差2。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)10.018 积分电路检定18.1 按图3接线,将电荷放大器归一

26、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

27、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1015个频率下1015组eD、eV、ea,始终到eD、ev都很小,找出公式(17)和(18)算出V、D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v和位移测量误差D (17) (18)上两式中:V、D分别为速度和位移测量误差(); f

28、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ms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pCg;。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Vg;(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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