电荷放大器滤波设置对加速度计相移测量结果影响的仿真与验证

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

电荷放大器是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。电荷放大器广泛地应用于振动、冲击、力、压力、声强等非电量测量技术中[1]。

电荷放大器主要由电荷转换级、滤波器、归一化放大器、积分放大器以及输出放大器等部分构成。滤波器的功能是允许某一部分频率的信号顺利地通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制[2]。低通滤波器允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声，通常使用的二阶巴特沃斯有源滤波器，通带内具有平坦的幅频特性和相频特性[3]。而高通滤波器则允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量，通常使用的是二阶无源高通滤波器。

在模态分析、结构诊断，电荷放大器通常会配套加速度传感器用于提取振动信息。校准压电加速度计时，需要连接电缆、电荷放大器进行配套校准[4]。振动信息中，关注的参数除了振动幅值，还有相对参考点的振动相移以及相移的连续变化。通过测量分析设备和结构的相移，可以揭示部件之间相对运动的信息。然而电荷放大器的滤波器主要是针对频率特性而设计的，在实际使用中，电荷放大器的滤波设置也会对相位的测量造成一定的影响。根据常规使用的经验，电荷放大器的截止频率一般设在-3 dB处，高通滤波设置在加速度计使用下限频率的1/10处；低通滤波设置理论上设在加速度计使用上限频率的2.56倍，实际使用中不能小于3倍[5]。

为了研究电荷放大器常规使用方法下其不同截止频率的设置对相移测量结果的影响，本文采用LabVIEW图形化编程语言进行仿真，对10～5 000 Hz频段正弦信号，分析二阶巴特沃斯滤波器不同截止频率的设置对相移测量结果的影响。使用BK公司的2692电荷放大器，配合ENDEVCO公司的2270M5电荷型压电加速度计组成振动标准套组进行实际测量，比较测量结果与仿真结果，集中探讨低通、高通滤波频率的相位响应。

1 仿真与试验

1.1 仿真

根据分析频率的带宽、电荷放大器的滤波参数设置，组合0.1 Hz、1 Hz的高通滤波和10 kHz、15 kHz、22.4 kHz、30 kHz、100 kHz低通滤波配置，分别进行了仿真，程序如图1所示，仿真结果如表1所示。

图1 仿真程序

1.2 试验

试验中以ENDEVCO公司的2270M5型压电加速度计配合BK公司的2692型电荷放大器组成振动标准套组作为测试对象，使用图2中激光干涉振动绝对校准系统，依据规程JJG 233-2008压电加速度计从10～5 000 Hz以倍频程分别选取频率点对振动标准套组进行相移的频响测量，试验结果如表2所示。

表1 相移测量仿真结果（单位°）

图2 激光干涉振动绝对校准系统结构

2 结果和分析

比较相移测量的仿真结果和试验结果，在各种低通、高通滤波设置下，相移频率响应趋势是一致。在低频段，由于高通滤波频率的超前，相移是正的。随着信号频率的逐步提高，由于低通滤波频率的滞后，相移递减，趋于负值。如图3、图4所示是各滤波设置下的仿真结果和试验结果。

表2 相移测量试验结果（单位°）

根据表1、表2，分别计算保持低通滤波频率不变，变更高通滤波设置和保持高通滤波频率不变，变更低通滤波设置两种情况下导致的相移偏差的仿真结果和实测结果。当高通滤波频率为0.1 Hz情况下10 kHz和100 kHz低通滤波频率的相移偏差如图5所示；当低通滤波频率为100 kHz情况下0.1 Hz和1 Hz高通滤波频率的相移偏差如图6所示。

图3 仿真结果

图4 实测结果

图5 不同低通滤波设置（10 kHz和100 kHz）的相移测量结果的偏差曲线

图6 不同高通滤波设置（0.1 Hz和1 Hz）的相移测量结果的偏差曲线

图5、图6说明：

1）对于相移测量的低通滤波频率，10 kHz（上限频率的2倍）和100 Hz的相移偏差测量结果在高频段有显著偏差，而且随着信号的频率升高，相移的偏差越严重。

2）对于相移测量的高通滤波频率，0.1 Hz和10 Hz（下限频率的1/10）的相移偏差测量结果在低频段有显著偏差，而且随着信号的频率降低，相移的偏差越严重。

3 结语

本文分析了加速度计检定校准过程中电荷放大器的滤波设置对其相移测量的影响。根据常规的电荷放大器使用经验，高通滤波设置在下限频率的1/10处，低通滤波理论上设置在上限频率的3倍处是针对幅频特性。在相移测量中，应该根据干扰信号、有效信号的频率范围的实际情况合理设置滤波频率，设置过低，虽然可以减小相移，但也可能导致低频干扰信号无法进行有效滤除。因此在校准加速度传感器的相移时，必须重视配套电荷放大器滤波参数的设置，应根据加速度计的频率范围来正确选择电荷放大器高通滤波频率，以确保校准结果的准确性。同时必须在校准结果中注明校准过程中的实际设置，以保证使用过程和校准过程中滤波设置一致，避免由于滤波设置不一致导致的相移偏差。特别是在加速度传感器校准能力验证中，由于绝对法振动标准装置的振动计量器具检定系统表中规定0.1～5 000 Hz的相移不确定度为1°[6]，如果没有使用统一的滤波设置，会导致En值出现显著偏差。

[1]全国振动冲击转速计量技术委员会.JJG 338-2013电荷放大器检定规程[S].北京：中国计量出版社，2013.

[2]张宁宁，王显伟，邵新慧，等.电荷放大器的校准及装置的不确定度评定[J].计测技术，2010，30（3）：44-45.

[3]曹亦庆，李善明，王卓，等.冲击加速度峰值测量中低通滤波器截止频率的影响[J].科技导报，2008，26（16）：81-84.

[4]夏慧英.压电加速度计检定中的问题[J].计量技术，1987（6）：59-60.

[5]王玲.浅谈电荷放大器低通滤波对压电加速度计标定数据的影响[J].计量与测试技术，2017（10）：100-101.

[6]全国振动冲击转速计量技术委员会.JJG 2054-2015 振动计量器具检定系统表[S].北京：中国质检出版社，2015.