压杆测压系统的快速补偿技术

王　昭，杨　军，李　焰，张　敏，张德志，田　耕，吴祖堂

（西北核技术研究所，陕西 西安 710024）

压杆测压系统的快速补偿技术

王昭，杨军，李焰，张敏，张德志，田耕，吴祖堂

（西北核技术研究所，陕西 西安 710024）

该文针对长距离压杆测压系统的频谱带宽不足问题，在常规电缆补偿技术的基础上，提出一种系统整体补偿方法。设计相应的补偿电路，利用Multisim电路仿真软件进行辅助设计和优化，同时利用扫频方法和阶跃响应方法估算系统的带宽，通过现场测试，补偿后测试系统的带宽达到约600kHz，输出信号幅值为原系统的1/2，满足压杆测压系统的带宽需求。制作相应的补偿器，测试得到补偿前后系统的幅频曲线和阶跃响应曲线，两种曲线均证明补偿后系统的带宽优于补偿前系统带宽，说明系统整体补偿方法的有效性，为现场测试系统的频谱快速补偿提供参考。

压杆；测量；带宽补偿；滤波器

0　引　言

针对爆炸力学中的近区冲击波压力测量，压杆式测压方法是一种性能优良的测试技术，具有原理简单、成本低、量程大、频响高的优点［1-2］，主要用于上升时间很快的大压力测量，可高达GPa量级，响应时间可达10-7～10-6s［3］。开展爆炸与冲击类实验时，为确保测量仪器和参试人员的安全，测量仪器与压杆之间会设置一定的距离，根据实际需求，该距离可达km量级，此时，需要考虑长线缆的高频衰减特性对测试系统的影响。

当线缆频谱带宽小于需求带宽时，通常通过以下方法解决：使用频谱带宽较宽的粗同轴电缆；在一定范围内进行线缆补偿［4］，增加线缆频谱宽度；采用模拟光缆高带宽传输技术［5-7］。

针对某次爆炸实验，压杆与测量仪器之间的距离约500m，实验预期压杆测压信号的上升沿1～3μs，对应要求带宽为116～350 kHz，测试系统建立后，经实际测量其系统不失真带宽为50.7kHz，-3dB带宽为160 kHz，不能满足压杆信号的传输要求，本文在不改动传输线缆的情况下，利用无源补偿技术对测试系统进行快速补偿，补偿后系统-3dB带宽达到597kHz，满足测试需求。

1　补偿原理

电缆特别是同轴电缆，其频谱和低通滤波器的频谱特征相同，具有低通滤波功能，只能满足一定频率范围内信号的不失真传输。一般情况下，线缆的直径越细，长度越长，则其带宽越窄。电缆的无源补偿技术其实质是一种特殊的滤波器，该滤波器可以实现电缆带宽的延拓。

假设电缆的-3dB带宽为f0，补偿到的带宽为f1，通过以下步骤开展无源补偿工作：

1）补偿的前提：线缆对频率为f1信号的衰减量，在预期内。即通过无源补偿方法，并不能降低任何频率上信号的衰减量。

2）利用频谱仪、信号发生器、示波器等，得到线缆的幅频曲线，至少从0Hz至f1。

3）得出目的线缆幅频曲线与原线缆幅频曲线之间的差值。

4）根据得出的差值，利用无源器件，建立补偿电路。该补偿电路的幅频曲线应近可能接近该差值的幅频曲线。

5）将补偿电路接入线缆，进行测量验证，并改进优化补偿电路参数。

具体实验时的压杆测压系统示意如图1所示。

图1　压杆测压系统示意图

如图所示，应变信号经过四芯线、应变仪和同轴电缆传输至记录仪，按照常规补偿方法，分别补偿四芯线和同轴电缆，不但工作量大，而且需要考虑系统各个部分的阻抗匹配影响，难度较大，不能快速拓展系统带宽。

本文提出将四芯线、应变仪和同轴电缆看作一条特殊线缆（或者线性系统），直接对整体进行补偿，不但工作量小，补偿周期短，且补偿精度也便于控制。

2　补偿技术在压杆测压中的应用

利用线缆频率补偿技术，直接对压杆测压系统进行整体补偿。

2.1补偿前系统的频率响应

为提高频率补偿的可靠性，同时采用扫频和方波输入两种方法，测量系统的带宽情况。扫频方法，给系统输入不同频率的正弦波，可以得到系统对不同频率信号的衰减情况，进而得到带宽；方波输入方法，通过系统对方波信号的响应，从而快速近似得出系统的带宽［8］。两种方法的测量原理如图2所示。

图2　带宽测量系统示意图

经测量，信号发生器输出的方波信号其上升沿约1.5ns，对于压杆测压系统来说，其信号上升沿在μs量级，可以近似为理想阶跃信号源。扫频得到的幅频特性归一化曲线如图3所示。

图3　补偿前系统的幅频曲线

图3中，频率的起跳点为50.7kHz；-3dB带宽即幅值衰减至70.79%对应的频率约为160kHz。为快速判读带宽情况，利用方波法开展测量，得到的系统阶跃响应波形如图4所示，系统的带宽［8］为

其中Bf为-3 dB系统带宽，tr为阶跃信号的上升时间，约2.501 μs，计算带宽约为139.9 kHz，与扫频方法得到的160kHz基本一致。

2.2补偿电路设计与调试

根据补偿前系统的幅频曲线，设计对应的补偿电缆。由于该幅频曲线类似一阶低通滤波系统，要提高系统的带宽，应预先确定补偿后的截至频率f1。f1越大，则补偿后信号的衰减约大，进而导致信噪比降低。根据应变测量的实际情况，设计最终的衰减系数接近50%，则补偿电路的理想幅频曲线应具有如下特征：

图4　补偿前系统的阶跃响应

1）在0～f0区间内，幅值衰减50%不变。

2）在f0～f1区间内，幅值衰减对应的由50%至0变化。

3）在大于f1的区间，幅值衰减不做特殊要求，若设计为衰减区间，有利于高频噪声的衰减，增加系统的信噪比。

因此该补偿电路应兼有低通和带通特征，该电路类型繁多［9-12］，初步设计的电路如图5所示。

图5　补偿电路1

如图5所示，信号源为系统输入端，RL两端模拟示波器，为补偿后输出。R1与R2串联分压，使低频段信号衰减约50%；C1与R2组成高通滤波，使得f0～f1段衰减小于50%；C2与R1、R2组成低通滤波器，使得高频段信号衰减。

略去C2相关的低通滤波器，由R1、C1、R2组成电路的传递函数，如下式所示：

当R1=R2=1.5kΩ，C1=1nF时，利用上式，可计算得出不同频率下，输出与输入的信号比值：在0～33kHz，该比值为50%；在50kHz时，比值为50.1%；在2MHz时，该比值为87.7%，与理想补偿电路幅频曲线的特征类似。

若考虑系统的输入输出阻抗以及严格的频率补偿关系，则利用传递函数方法进行理论计算的难度较大，不利于补偿电路的快速设计，为此结合电路模拟软件进行辅助设计。

利用Multisim软件进行电路仿真试验，并结合实际的补偿电路测试，最终优化得到的补偿电路如图6所示。

图6　补偿电路2

利用仿真软件中的交流分析工具，可以得到该补偿电路的幅频响应曲线，如图7所示。

图7　补偿电路的幅频曲线

2.3补偿后系统的频率响应

按照图6所示电路，设计并加工了补偿器，补偿器外形见图8，经检验合格后，将该补偿器串接至信号记录仪的输入端。

图8　补偿器外形

为考核补偿器的实际性能，测量补偿后系统的幅频特性曲线和阶跃响应。为突出补偿前后的差异，对幅频曲线进行了归一化处理，如图9所示；对补偿后系统的阶跃响应数据乘以补偿系数2.024后与原系统阶跃响应进行对比，如图10所示。

图9　补偿前后系统的幅频曲线

图10　补偿前后系统的阶跃响应

补偿后信号上升沿tr约为635 ns，对应带宽为551kHz。利用扫频法得到补偿后系统-3dB带宽约为597 kHz，与阶跃法得到的带宽基本一致，说明电缆补偿达到预期，补偿后系统满足压杆测压需求。

对于阶跃响应出现的过冲现象，原系统也是存在的，为解决该问题，需要给补偿电路传递函数继续添加零极点对，该部分内容还需进一步研究。

3　结束语

针对实验现场压杆测压系统频率带宽不足的情况，提出利用电缆补偿方法，直接对测试系统进行整体补偿，而不是常规地对电缆进行单独补偿。经过现场频谱测试，原压杆测压系统的-3dB带宽为160kHz，不能满足测压需求，根据总体系统补偿方法，提出了一种补偿电路，并利用电路模拟软件进行辅助设计和优化，经过现场检测，补偿后压杆测压系统的-3dB带宽达到600kHz，满足系统要求。与常规电缆补偿方法相比较，整体补偿方法具有原理简单、设计制作周期短的优点，适合现场测试系统的快速补偿。

［1］张德志，李焰，钟方平，等.冲击波壁面反射压力的压杆测试法［J］.兵工学报，2007，28（10）：1256-1260.

［2］王长利，王等旺，李焰，等.半导体应变片在压杆测压系统中的应用［C］∥第四届全国爆炸力学实验技术学术会议，2006（10）：18-22.

［3］张挺.爆炸冲击波测量技术［M］.北京：国防工业出版社，1984：46-48.

［4］李宪优，田耕，于丽娟，等.强光一号加速器测量电缆补偿技术［J］.强激光与粒子束，2009，21（3）：473-476.

［5］SARGIS P D.Fiber optic cable replacement for NTS applications［C］∥Department of Defense（DOD）fiber optics conference.Mclean，1992.

［6］孙小强.光载无线系统中的射频光传输及调控技术研究［D］.北京：北京邮电大学，2012.

［7］陈炜峰，于燕，张自嘉.基于光纤传输技术的高压纳秒脉冲测量系统的研究［J］.科学技术与工程，2013，13（17）：4936-4940.

［8］刘庆兆.脉冲辐射场诊断技术［M］.北京：科学出版社，1994：230-244.

［9］丁士圻.模拟滤波器［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2004：1-8.

［10］高博，童玲，张伟静.模式匹配法分析微带低通滤波器［J］.中国测试，2007，33（2）：96-98.

［11］SOMDOTTA R C，SUSANTA K P，SANTANU D.A bandstop filter using a new defected microstip and defected ground structures［C］∥Applied Electromagnetics Conference（AEMC），IEEE，2011：1-4.

［12］GIRDHARI C，PHIRUN K，YONGCHAE J.Analysis andcircuitmodelingmethodfordefectedmicrostrip structure in planar transmission lines［C］∥Proceedings of the Asia-Pacific Microwave Conference，2011：999-1002.

（编辑：莫婕）

Rapid compensation of pressure bar system

WANG Zhao，YANG Jun，LI Yan，ZHANG Min，ZHANG Dezhi，TIAN Geng，WU Zutang
（Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China）

The bandwidth of measurement system with long transmission lines was shortage for the pressure bar system.A compensation method for the integrated system was proposed based on conventional compensation method.And the compensation circuit was designed and optimized by using the circuit simulation software of Multisim.The transmission bandwidth of after-compensation system could reach 600 kHz and amplitude of signal could be 1/2 of the original one，which satisfied the requirements of the pressure bar system.The compensator was made，and the amplitude-frequency and step response curves before and after compensation proved that the bandwidth was expanded，and the compensation method was rapid and available.

pressure bar；measurement；bandwidth compensation；filter

A

1674-5124（2016）10-0128-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.024

2016-03-15；

2016-04-29

王昭（1985-），男，陕西西安市人，工程师，博士研究生，主要从事力学测试技术工作。