新舊規(guī)程中電荷放大器分級(jí)方法比較

張寧寧，邵新慧，鄭愛(ài)建，徐佳，王振

(中國(guó)航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

電荷放大器是基于壓電傳感器的測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用的一種前置信號(hào)適調(diào)放大器，作為壓電傳感器的前置放大器，電荷放大器的應(yīng)用范圍及其廣泛，其輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性更與人們的安全息息相關(guān)。例如在航空、航天、鐵路、軍工等部門(mén)都使用著大量的電荷放大器，經(jīng)電荷放大器輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性直接影響著工作人員對(duì)飛機(jī)、船舶、高鐵等交通工具安全性的判斷。

隨著電子科技的飛速發(fā)展，壓電傳感器制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)電荷放大器的制造與檢測(cè)技術(shù)也提出了更高的要求。JJG 338-2013《電荷放大器檢定規(guī)程》(新規(guī)程)解決了原有規(guī)程的一些要求檢定的技術(shù)指標(biāo)與實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)不匹配的問(wèn)題，提出了更合理的電荷放大器分級(jí)方法。

1 《電荷放大器》檢定規(guī)程的修訂歷程

我國(guó)第一部有關(guān)電荷放大器的檢定規(guī)程是JJG 338-1983《普通電荷放大器》試行檢定規(guī)程，該規(guī)程由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院起草［1］，1983年10月26日經(jīng)國(guó)家計(jì)量局批準(zhǔn)，自1984年12月1日起正式實(shí)施了14年。

JJG 338-1997《電荷放大器檢定規(guī)程》(舊規(guī)程)由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院和中國(guó)航空工業(yè)總公司三2四研究所共同起草，1997年9月1日經(jīng)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局批準(zhǔn)，自1998年3月1日起正式實(shí)施了16年。

根據(jù)全國(guó)振動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)速技術(shù)委員會(huì)關(guān)于國(guó)家規(guī)程修訂工作的通知，JJG 338-1997《電荷放大器檢定規(guī)程》列入2009年國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程制(修)訂計(jì)劃(國(guó)質(zhì)檢量函［2009］393號(hào))。中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所作為主要起草單位，2009年成立了《電荷放大器檢定規(guī)程》編制組，在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外電荷放大器產(chǎn)品和技術(shù)的基礎(chǔ)上修訂了該技術(shù)法規(guī)，歷經(jīng)數(shù)次修改補(bǔ)充，最終由國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局于2013年10月25日發(fā)布了JJG 338-2013《電荷放大器檢定規(guī)程》，2014年4月25日開(kāi)始實(shí)施。

2 舊規(guī)程與新規(guī)程中電荷放大器的分級(jí)方法

2.1 舊規(guī)程中電荷放大器分級(jí)方法

在舊規(guī)程中電荷放大器的分級(jí)是根據(jù)電荷放大器的準(zhǔn)確度來(lái)判定的。這里的準(zhǔn)確度σ是由衰減擋誤差δ1、歸一化誤差δ2和線性誤差δ3按式(1)合成。舊規(guī)程中電荷放大器分級(jí)方法見(jiàn)表1［2］。

表1 舊規(guī)程中電荷放大器的分級(jí)方法

2.2 新規(guī)程中電荷放大器分級(jí)方法

新規(guī)程按照下限頻率分為A類(lèi)和B類(lèi)，按增益擋誤差、歸一化誤差和輸入等效電荷噪聲分為三個(gè)級(jí)別。新規(guī)程中電荷放大器分級(jí)方法見(jiàn)表2［3］。

表2 新規(guī)程中電荷放大器的分級(jí)方法

3 舊規(guī)程與新規(guī)程中分級(jí)方法的比較

3.1 新舊規(guī)程的聯(lián)系

電荷放大器分級(jí)方法中的檢定項(xiàng)目基本相同，都保留了下限頻率、輸入等效電荷噪聲和失真度，同時(shí)原有規(guī)程中的準(zhǔn)確度與新規(guī)程中的增益擋誤差、歸一化擋誤差、線性誤差也是一致的。其中新規(guī)程中的增益擋和舊規(guī)程中的衰減擋是一致的。

3.2 新舊規(guī)程的區(qū)別

首先，新規(guī)程增加了“一級(jí)”的判定。

現(xiàn)有電荷放大器的制造水平較十幾年前已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，元器件和電路板制造工藝水平得到了極大的提高，部分電荷放大器的擋位誤差甚至可以達(dá)到0.01%，與JJG 233-2008《壓電加速度計(jì)檢定規(guī)程》中要求最高的參考加速度計(jì)的0.05%判斷條件相一致。這類(lèi)電荷放大器在使用過(guò)程中對(duì)傳感器的輸出幾乎沒(méi)有影響，因此增加“一級(jí)”的判定后，增強(qiáng)了符合一級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的電荷放大器在使用過(guò)程中的互換性，為使用單位提供了更大的靈活性。

其次，新規(guī)程中取消了原有“準(zhǔn)確度”的提法。

舊規(guī)程中準(zhǔn)確度包含了三項(xiàng)檢定結(jié)果，在不確定度的評(píng)定過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)重復(fù)計(jì)算誤差的現(xiàn)象，與不確定度評(píng)定的原則相違背，因此新規(guī)程中將準(zhǔn)確度還原為增益擋誤差、歸一化誤差和線性誤差，在易于評(píng)定不確定度的同時(shí)，根據(jù)近幾年的實(shí)際工作數(shù)據(jù)，結(jié)合多家電荷放大器的制造以及使用單位的實(shí)際工作需求，確定了三個(gè)擋位的分級(jí)條件。

再次，新規(guī)程中取消了“下限頻率”中“3 dB”和“0.5 dB上限頻率”的檢定項(xiàng)目。

原下限頻率定義中的“下降3 dB”不適用于所有電荷放大器產(chǎn)品，例如丹麥B＆K公司的部分電荷放大器上限頻率是下降1 dB，該規(guī)定不適用于所有放大器，因此將“下降3 dB”的分級(jí)條件去掉。同時(shí)在規(guī)程中將對(duì)“下限頻率”的尋找:“電荷放大器在低頻的傳輸系數(shù)比160 Hz下降3 dB的頻率”改為“下限頻率處衰減量”:高通濾波器在截止頻率處的衰減應(yīng)為(-3±1)dB(或(-10±3)%)。

“0.5 dB上限頻率”的分級(jí)指標(biāo)對(duì)現(xiàn)在的電荷放大器已經(jīng)不適用。現(xiàn)在電荷放大器的帶寬已達(dá)到300 kHz左右，原來(lái)的10 kHz和30 kHz明顯不能覆蓋這個(gè)范圍。另外，新規(guī)程中增加了頻率響應(yīng)的檢定項(xiàng)目，給使用單位提供了更全面的頻響指標(biāo)和更大的信息量，各使用單位可以根據(jù)自身的需求在頻率響應(yīng)檢定結(jié)果中查找相應(yīng)頻段的誤差情況，增強(qiáng)了實(shí)用性。

同時(shí)在規(guī)程中將對(duì)“上限頻率誤差”的尋找:“電荷放大器在低頻的傳輸系數(shù)比160 Hz下降0.5 dB的頻率”改為“上限頻率處衰減量”的定義:低通濾波器在截止頻率處的衰減應(yīng)為(-3±1)dB(或(-10±3)%)。

最后，檢定結(jié)果的提法有所變化。

在檢定結(jié)果的處理中，規(guī)程將原有的“凡有一項(xiàng)不合格者發(fā)給檢定結(jié)果通知書(shū)”改為“經(jīng)檢定不符合本規(guī)程各項(xiàng)要求的發(fā)給檢定結(jié)果通知書(shū)”。在檢定過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一個(gè)不合格的擋位時(shí)，可以限制該不合格擋位的使用，啟用其他組合擋位將其替換，這樣既充分利用了電荷放大器自身的性能，也節(jié)約了使用單位的成本。

4 總結(jié)

隨著電子科技的飛速發(fā)展，傳感器與電荷放大器制造技術(shù)的不斷提高，用戶對(duì)測(cè)量精度要求的日益苛刻，新規(guī)程更科學(xué)、更合理地對(duì)電荷放大器的分級(jí)方法進(jìn)行了修訂，更符合實(shí)際使用需求。

［1］JJG 338-1983普通電荷放大器試行檢定規(guī)程［S］.

［2］JJG 338-1997電荷放大器檢定規(guī)程［S］.

［3］JJG 338-2013電荷放大器檢定規(guī)程［S］.