基于LabVIEW的电荷放大器自动检定软件设计

宋佳玲，王苏闽，朱宇洁



基于LabVIEW的电荷放大器自动检定软件设计

宋佳玲，王苏闽，朱宇洁

（中国工程物理研究院计量测试中心，绵阳，621000）

依据JJG 338-2013《电荷放大器检定规程》的要求，提出了电荷放大器自动检定硬件系统方案，基于LabVIEW设计了电荷放大器自动检定软件，实现了电荷放大器归一化误差、增益误差、幅频特性、相频特性等项目的自动检定，提高了电荷放大器的检定效率。通过实验对软件进行验证，证明了自动检定软件的可靠性和准确性。通过设计本软件，为航天航空领域中振动、冲击等非电量测量提供更好的计量保障。

电荷放大器；自动检定；LabVIEW

0 引 言

压电传感器是获取动态信号广泛使用的一类传感器，在航天、航空、军事、交通等工业领域中涉及到大量动态信号测试问题。电荷放大器作为压电传感器的前置装置，是压电传感器标定和压电测试系统的重要组成部分[1,2]。电荷放大器的输出电压正比于输入电荷，在振动、冲击、动态静态测量等环境实验以及模态实验中有大量运用。因此，电荷放大器广泛应用于振动、冲击、力、压力、声强等非电量电测中。

在JJG 338-2013《电荷放大器检定规程》中[3]，电荷放大器的首次检定项目为11项，检定项目众多也需要较多的标准设备，其相应的数据处理也相对比较复杂[4]。目前，市面上带有接口的电荷放大器越来越多，是未来的发展趋势，为电荷放大器自动检定的实现提供了先决条件。通过开发电荷放大器的自动检定程序，不仅可以提高检定工作效率，释放劳动力；同时，自动计量过程中，人为无法干预测量数据及结果，确保测量过程真实可靠。因此，开发电荷放大器自动检定软件，实现电荷放大器自动检定具有很高的应用价值。

1 设计方案

1.1 硬件系统方案

该检定系统的标准设备由Agilent 33220A 信号发生器、CS-3标准电容器、Agilent DSO3102A示波器、KEITHLEY 2000 数字多用表、KH4116失真度仪、Clarke-Hess 6000相位计、GPIB-USB转换器以及运行检定软件的主控计算机构成。

计算机通过GPIB接口控制信号发生器输出标准正弦信号，通过标准电容器将电压信号转换为电荷信号输入待检的电荷放大器中，改变电荷放大器配置，利用计算机采集电荷放大器输出端相应标准设备的数据，来检定电荷放大器的多个参数。该硬件系统方案如图1所示[5]。

图1 电荷放大器自动检定软件硬件系统方案

1.2 软件系统设计

a）软件系统框架

本软件采用Windows XP作为开发系统，采用NI LabVIEW2011作为开发软件。LabVIEW采用图形化的编程方式，集成了各种仪器通信总线标准的功能函数，可移植性好，兼容全自动化和半自动化测试，便于开发[5,6]。

软件采用模块化的开发思想，按照功能要求将软件主要分为3个模块，即配置模块、测量模块以及处理模块[7]。配置模块实现了对客户信息、设备信息、证书信息的录入功能；测量模块实现了对规程中不同检定项目的具体操作功能；处理模块实现了采集数据计算处理，原始记录以及检定证书出具功能。软件系统框架如图2所示。

图2 电荷放大器自动检定软件系统框架

b）软件操作流程

根据软件系统框架设计软件的操作流程，按照图1所示的硬件系统方案连接设备。首先，对仪器通电预热，初始化仪器的GPIB地址；然后配置客户信息、设备信息、证书信息；接着分别对电荷放大器的归一化误差、增益档误差、线性误差、高低通滤波器截止频率、幅频特性以及相频特性项目进行检定；数据采集完成后，对数据进行处理并计算测量结果，生成原始记录以及检定证书，并将数据录入，完成检定[4]。软件操作流程如图3所示。

图3 电荷放大器自动检定软件系统操作流程

c）软件界面设计

为便于日常检定人员使用，开发人机交互性良好的软件操作界面。为方便扩展软件功能，对不同的检定项目开发独立的检定程序。

对于软件配置模块的设计，图4为电荷放大器自动检定软件配置模块界面，其主要完成对客户信息、设备编号、业务类别、证书编号、环境条件等信息的录入功能。该信息也是原始记录和检定证书表头信息的来源。

图4 电荷放大器自动检定软件配置模块与流程

对于软件测量模块的设计，以检定电荷放大器归一化误差、幅频特性及线性误差为例，依次对检定的操作界面和具体操作流程进行说明。

在电荷放大器归一化误差检定中，首先配置数表GPIB地址；然后按照图5左侧的归一化档位顺序依次进行检定，改变电荷放大器的归一化档位，在数表数据稳定后，对电荷放大器输出电压进行采集；数据采集完成后，根据电荷放大器理论输出电压和实际输出电压，计算各个档位的归一化相对误差，取各个档位相对误差的最大值作为归一化误差，在原始记录记录归一化误差采集数据，在证书中记录归一化误差结果，完成归一化误差检定。

图5 电荷放大器归一化误差检定界面设计与操作流程

在电荷放大器幅频特性检定中，软件界面与操作流程如图6所示，首先配置信号源和数表的GPIB地址；然后根据检定规程要求，依次改变信号发生器的输出频率，待电荷放大器输出端电压稳定后，分别读取信号发生器输出电压和电荷放大器输出电压；数据采集完成后，根据信号基准频率点160 Hz的测量数据，计算各个频率点的传输系数和传输系数偏差，在原始记录和证书中录入相应数据，完成幅频特性检定。

图6 电荷放大器幅频特性检定界面设计与流程

在电荷放大器线性误差检定中，检定界面与操作流程如图7所示。首先，按照算出的放大器输出电压，依次改变信号发生器输出电压；然后，利用两块数表分别读取信号发生器电压和电荷放大器输出电压，待数表数据稳定后，对信号发生器输出电压和电荷放大器输出电压进行采集；数据采集完成后，利用最小二乘法进行拟合计算拟合曲线的斜率和截距，利用该结果计算误差。最后将结果记录到原始记录和证书中。

图7 电荷放大器线性误差检定界面设计与操作流程

2 软件验证

2.1 测量结果的不确定评定

以检定B&K公司2692电荷放大器归一化误差为例，对测量结果的不确定度进行评定。其测量模型为

由式（1）可以看出，引起测量结果不确定度的主要来源有数字多用表测量不准、标准电容器不准以及测量重复性[8,9]。

a）数字多用表引入的不确定度。

b）标准电容器引入的不确定度。

选用CS-3标准电容器，电容1 000 pF时经溯源得到的标准不确定为：

c）测量重复性引入的不确定度。

采用A类方法进行评定，对归一化误差连续测量10次，计算实验标准偏差，其引入的不确定度分量为

d）扩展不确定度。

2.2 自动检定与手动检定结果的比较

以检定归一化误差为例，对软件进行验证。使用同一套标准设备在同样的条件下，对同一台2692电荷放大器分别采用自动和手动两种方式进行检定。检定结果如表1所示。

表 1 手动检定与自动检定数据

在归一化为10-0-0档时，归一化误差最大，通过上式说明比对结果为满意，证明了自动检定数据的合理性。

3 结束语

本文设计了电荷放大器的自动检定软件。首先提出了检定所需标准设备的硬件系统方案，搭建了硬件系统；然后采用模块化的思想设计了软件框架，编写了相应的软件界面和自动检定程序；最后，将自动检定与手动检定数据进行比对验证，证明了自动检定数据的合理性。通过编写电荷放大器自动检定软件，在保证数据准确可靠的同时也提高了电荷放大器的检定效率。

[1] 邓维礼, 秦岚, 刘俊. 基于multisim的准静态电荷放大器仿真分析[J].国外电子测量技术, 2009, 28(4): 24-26.

[2] 朱新翔, 陈江伟, 纪晓轮, 等. 基于AD8601的电荷放大器的设计[J]. 微型机与应用, 2013, 32(3): 88-89.

[3] 国家质量监督检验检疫总局. JJG 338-2013《电荷放大器检定规程》[S]. 2013.

[4] 张宁宁, 邵新慧, 郑爱建, 徐佳, 王振. 新旧规程中电荷放大器分级方法比较[J]. 计测技术, 2015(b07): 191-192.

[5] 阿拉踏, 石峰, 吴忠燕, 王建强. 基于Labview的原位自动校准软件设计[J]. 计测技术, 2015(35): 221-225.

[6] 严小锐. Labview在电学计量中的应用[J]. 计测技术, 2016(36): 242-243.

[7] 张恒萍, 朱传焕. 基于Visual Basic 的电荷放大器自动校准系统研究[J]. 计测技术, 2013, 33(4): 37-40.

[8] 张宁宁, 王显伟, 邵新慧, 刘春红. 电荷放大器的校准及装置的不确定评定[J]. 误差与不确定度, 2010, 30(3): 44-46.

[9] 贠韫, 王玲. 电荷放大器测量结果的不确定评定[J]. 计量与测试技术, 2013, 40(5): 63-65

Design of Charge Amplifier Automatic Verification Software Based on LabVIEW

Song Jia-ling, Wang Su-ming, Zhu Yu-jie

（Centre of Metrology and Measurement, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621000）

According to JJG 338-2013 charge amplifier verification regulation, the paper puts forward a hardware system project for automatic verification. The paper also designs the software to realize the automatic verification of transducer sensitivity range, amplifier gain, amplitude-frequency characteristic and phase-frequency characteristic, improving the charge amplifier verification efficiency. The test proves the reliability and veracity of the automatic verification software. The software provides much better metrology support for the measurement of vibration and shock in spaceflight and aero aviation.

Charge amplifier; Automatic; LabVIEW

1004-7182(2017)06-0102-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170622

V554+.1

A

2017-10-05；

2017-10-20

宋佳玲（1990-），女，助理工程师，主要研究方向为电磁专业计量测试技术、数字信号处理