CN103913192A - 一种电荷放大单元校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电荷放大单元校准装置，其中，电荷发生装置的输出端与转换开关的输入端连接，转换开关控制向标准电荷放大单元或被测电荷放大单元提供电荷，数据采集卡采集电荷输出数据并传输给计算机，计算机通过控制卡控制电荷输出量和转换开关。本发明还公开了一种电荷放大单元校准装置采用的校准方法，包括以下步骤：输入参数，设置档位；设备初始化；向标准电荷放大单元输出电荷；判断标准电荷是否符合预设，符合则向被测电荷放大单元输出电荷，采集被测电荷后生成测试报告，否则调整电荷发生装置的电荷输出量。本发明将电荷源、标准电荷测量和被测电荷测量集成于一体，实现自循环式的自动控制，能完成被测电荷放大单元的精确校准。

Description

一种电荷放大单元校准装置及校准方法

技术领域

本发明涉及一种电荷放大单元校准装置及校准方法，尤其涉及一种将电荷源和测量***整合为一体的电荷放大单元校准装置及校准方法。

背景技术

目前国内外测振***中所用传感器多为电荷量式的传感器，其敏感元件多为石英晶片或者压电陶瓷片，振动时传感器产生一定量的电荷，通过对产生的电荷进行测量来获取振动时的相关参数。电荷量的测量一般使用电荷放大器完成，电荷放大器将传感器产生的电荷量转变为电压量，通过测量电压量可获得相应电荷量的信息。电荷放大器即电荷放大单元，其核心是将电荷信号转换、放大成易处理的电压信号或电流信号。因此，电荷放大单元的可靠性和精度将直接影响振动参数测试的可靠性和精确度。在电荷放大单元研制过程中，其调试和性能测试多是将传感器置于振动台台体上，对振动台台体施加一定量值的振动，产生相应的电荷量作为电荷放大单元的输入，再对电荷放大单元进行调试和性能测试。对于频率较高或是振动加加速度较大的则多采用冲击的方式来实现。中国国内对电荷放大单元进行检定时，通过标准电容将电压转换成电荷作为电荷源，电荷源和测量***分立。

上述电荷放大单元的校准设备中，利用振动台和标准传感器实现通用频段和常用振动幅度的电荷放大单元的调较没有问题，但在较低频率（低于10Hz）和较高频段（200kHz）或较大幅值的情况下，该校准方法将受到影响。一般振动台的频率为5Hz～10kHz，比较大型的振动台扫频频率只有5kHz。振动幅度受台体本身的推力和载荷的影响，一般是推力较大时，振动幅度较大，振动频率相对较小。因此振动频率主要是受振动台体的限制，振动幅值除了受台体的限制外还受制于所采用的标准传感器的电荷灵敏度的影响，标准传感器输出的电荷量要达到最大电荷量10⁵PC，最高频率200khz，实现起来比较难。利用冲击的方式对电荷放大单元进行校准，但没法实现对电荷放大单元的低频和高频响应性能进行适时调试测量，且测试的效率较低。目前市场生产的电荷源一般作为静态电荷校准用，电荷源和测量***分立，而且对高频和低频测量并未有明确的测量方式。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种将电荷源和测量***整合为一体的电荷放大单元校准装置及校准方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种电荷放大单元校准装置，包括用于将电压信号转换为电荷信号的电荷发生装置，所述电荷发生装置包括用于产生电压信号的电压信号源，所述校准装置还包括转换开关、标准电荷放大单元、数据采集卡、控制卡和计算机，所述电荷发生装置的输出端与所述转换开关的输入端连接，所述转换开关的输出端与所述标准电荷放大单元的输入端或被测电荷放大单元的输入端连接，所述数据采集卡的信号输入端分别与所述标准电荷放大单元的输出端和所述被测电荷放大单元的输出端连接，所述数据采集卡的输出端与所述计算机的信号输入端连接，所述计算机的控制卡控制输出端与所述控制卡的控制输入端连接，所述控制卡的电荷控制输出端与所述电荷发生装置的控制输入端连接，所述控制卡的开关控制输出端与所述转换开关的控制输入端连接，所述计算机的电压控制输出端与所述电压信号源的控制输入端连接。

上述结构中，电荷发生装置产生的电荷经转换开关为标准电荷放大单元或被测电荷放大单元提供电荷，而转换开关由控制卡控制，控制卡由计算机控制，所以最终由计算机控制是标准电荷放大单元还是被测电荷放大单元获取电荷，对应地，由计算机控制当前操作是处于标准校准过程还是测量被测电荷过程；而计算机控制的参考因素又来自于数据采集卡采集到的标准电荷数据，在其满足条件的情况下实现被测电荷放大单元的测量，所以整个装置形成自循环式的自动化操作***，最终确保测量的准确性。

具体地，所述电荷发生装置还包括增益控制电路、负载驱动电路和积分转换电路，所述增益控制电路用于通过控制增益实现电压输出控制，所述负载驱动电路用于提高电压信号源驱动容性负载的能力，所述积分转换电路用于将电压信号通过积分转换的方式变成电荷信号；所述电压信号源的输出端依次与所述增益控制电路、所述负载驱动电路和所述积分转换电路连接，所述积分转换电路的输出端与所述转换开关的输入端连接；所述控制卡的电荷控制输出端与所述增益控制电路的控制输入端连接。

上述结构中，增益控制电路的增益控制由控制卡实现，而控制卡由计算机控制，计算机的控制参考因素来自于数据采集卡的输出数据，所以形成根据标准电荷放大单元的实际输出数据来确定增益控制电路的增益量的优化模式。负载驱动电路和积分转换电路则用于根据需要而输出适用的电荷。

一种电荷放大单元校准装置采用的校准方法，包括以下步骤：

（1）通过计算机输入参数：电压频率f、预设电荷值Q_设、信号输入幅度U，设置标准电荷放大单元的灵敏度，设置转换开关档位；

（2）控制卡初始化，数据采集卡初始化；

（3）由控制卡控制转换开关，向标准电荷放大单元输出电荷，数据采集卡采集标准电荷放大单元的输出数据后输出标准电荷值Q_标；

（4）判断以下公式I是否成立？如果成立，则转到步骤（6），如果不成立，则转到步骤（5）：

（5）通过控制卡调整电荷发生装置的电荷输出量，然后返回步骤（4）；

（6）由控制卡控制转换开关，向被测电荷放大单元输出电荷，数据采集卡采集被测电荷放大单元的输出数据后输出被测电荷值；

（7）计算机对被测电荷值进行数据处理，生成测试报告，结束。

本发明的有益效果在于：

本发明所述电荷放大单元校准装置将电荷源、标准电荷测量和被测电荷测量集成于一体，实现了自循环式的自动控制，能便捷、快速地完成被测电荷放大单元的精确校准；在完成电荷放大单元的普通测试、调试的同时，为准确测量电荷放大单元的低频、高频性能提供了一种检测手段，可覆盖低频段为0.1Hz～10Hz、高频段为10kHz～200kHz的区间；而且，本校准装置还为电荷放大单元调试提供大幅值的电荷输入量，最大电荷量值可达10⁵PC。本校准装置避开了传统装置进行电荷放大单元调较时，振动台体及标准传感器对调试限制的问题。

附图说明

图1是本发明所述电荷放大单元校准装置的电路框图；

图2是本发明所述电荷放大单元校准装置采用的校准方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述电荷放大单元校准装置包括电荷发生装置、转换开关、标准电荷放大单元、数据采集卡、控制卡和计算机，电荷发生装置包括电压信号源、增益控制电路、负载驱动电路和积分转换电路，电压信号源的输出端依次与增益控制电路、负载驱动电路和积分转换电路连接，积分转换电路的输出端与转换开关的输入端连接，转换开关的输出端与标准电荷放大单元的输入端或被测电荷放大单元的输入端连接，数据采集卡的信号输入端分别与标准电荷放大单元的输出端和被测电荷放大单元的输出端连接，数据采集卡的输出端与计算机的信号输入端连接，计算机的控制卡控制输出端与控制卡的控制输入端连接，控制卡的电荷控制输出端与增益控制电路的控制输入端连接，控制卡的开关控制输出端与转换开关的控制输入端连接，计算机的电压控制输出端与电压信号源的控制输入端连接。

上述结构中，电压信号源、增益控制电路、负载驱动电路、积分转换电路、转换开关、标准电荷放大单元、数据采集卡、控制卡和计算机均为常规电路或部件，根据其功能需求由一般技术人员不需创造性劳动即可实现。其中，电压信号源用于产生电压信号，根据使用的频段不同，电压信号源采用电压信号发生器或数字信号发生卡；增益控制电路用于通过控制增益实现电压输出控制，可采用多级放大的压控增益电路，保证电压输出幅度满足要求，使其峰-峰值达到20V；负载驱动电路用于提高电压信号源驱动容性负载的能力，使电路最大输出电压不低于20V（峰-峰值），动态范围不小于200kHz；积分转换电路用于将电压信号通过积分转换的方式变成电荷信号；转换开关用于实现为标准电荷放大单元或被测电荷放大单元提供电荷的选择，具有根据控制信号自动切换的功能，其初始选择接通的是标准电荷放大单元；标准电荷放大单元用于校准积分转换电路输出的电荷是否满足预设要求，并将输出数据通过数据采集卡传输给计算机，作为计算机比较判断的基础；被测电荷放大单元则为待测对象，在通过标准电荷放大单元校准后，为被测电荷放大单元提供的电荷为满足预设标准的电荷；数据采集卡用于采集标准电荷放大单元或被测电荷放大单元的输出数据；控制卡用于根据计算机发出的指令，实时的调整输出的控制电压，从而控制增益控制电路的实时增益，同时，控制卡还根据计算机发出的指令实时控制转换开关的连接状态；计算机用于完成标准值的预设，并将数据采集卡送来的数据与预设数据进行对比并向控制卡发出指令，同时自动生成测试报告，并根据需要打印测试报告。其中的转换开关和标准电荷放大单元构成标准校准装置。

如图2所示，本发明所述电荷放大单元校准装置采用的校准方法，包括以下步骤：

（1）通过计算机输入参数：电压频率f、预设电荷值Q_设、信号输入幅度U，设置标准电荷放大单元的灵敏度，设置转换开关档位；

（2）控制卡初始化，数据采集卡初始化；

（3）由控制卡控制转换开关，向标准电荷放大单元输出电荷，数据采集卡采集标准电荷放大单元的输出数据后输出标准电荷值Q_标；

（4）判断以下公式I是否成立？如果成立，则转到步骤（6），如果不成立，则转到步骤（5）：

上式中，在Q_设等于Q_标时，是积分转换电路的输出电荷最符合预设值的状态，但很难刚好那么标准，所以设置了误差，在其误差不大于2%时，即判断为积分转换电路的实时输出电荷符合预设值，否则判断为不符合；

（5）通过控制卡调整电荷发生装置的电荷输出量，然后返回步骤（4）；本例中，通过控制卡控制增益控制电路的增益实现电压输出控制，从而改变负载驱动电路和积分转换电路的输入电压，最终实现调整积分转换电路的电荷输出量；

（6）由控制卡控制转换开关，向被测电荷放大单元输出电荷，数据采集卡采集被测电荷放大单元的输出数据后输出被测电荷值；

（7）计算机对被测电荷值进行数据处理，生成测试报告，结束；本步骤中，计算机进行的数据处理过程是常规的数据信号处理，目的在于将数据采集卡送来的数据变换为表格等形式的数据，以便于操作人员直观了解其信息；生成的测试报告根据需要可以打印。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (3)

1.一种电荷放大单元校准装置，包括用于将电压信号转换为电荷信号的电荷发生装置，所述电荷发生装置包括用于产生电压信号的电压信号源，其特征在于：所述校准装置还包括转换开关、标准电荷放大单元、数据采集卡、控制卡和计算机，所述电荷发生装置的输出端与所述转换开关的输入端连接，所述转换开关的输出端与所述标准电荷放大单元的输入端或被测电荷放大单元的输入端连接，所述数据采集卡的信号输入端分别与所述标准电荷放大单元的输出端和所述被测电荷放大单元的输出端连接，所述数据采集卡的输出端与所述计算机的信号输入端连接，所述计算机的控制卡控制输出端与所述控制卡的控制输入端连接，所述控制卡的电荷控制输出端与所述电荷发生装置的控制输入端连接，所述控制卡的开关控制输出端与所述转换开关的控制输入端连接，所述计算机的电压控制输出端与所述电压信号源的控制输入端连接。

2.根据权利要求1所述的电荷放大单元校准装置，其特征在于：所述电荷发生装置还包括增益控制电路、负载驱动电路和积分转换电路，所述增益控制电路用于通过控制增益实现电压输出控制，所述负载驱动电路用于提高电压信号源驱动容性负载的能力，所述积分转换电路用于将电压信号通过积分转换的方式变成电荷信号；所述电压信号源的输出端依次与所述增益控制电路、所述负载驱动电路和所述积分转换电路连接，所述积分转换电路的输出端与所述转换开关的输入端连接；所述控制卡的电荷控制输出端与所述增益控制电路的控制输入端连接。

3.一种如权利要求1或2所述的电荷放大单元校准装置采用的校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）通过计算机输入参数：电压频率f、预设电荷值Q_设、信号输入幅度U，设置标准电荷放大单元的灵敏度，设置转换开关档位；

（2）控制卡初始化，数据采集卡初始化；

（3）由控制卡控制转换开关，向标准电荷放大单元输出电荷，数据采集卡采集标准电荷放大单元的输出数据后输出标准电荷值Q_标；

（4）判断以下公式I是否成立？如果成立，则转到步骤（6），如果不成立，则转到步骤（5）：

（5）通过控制卡调整电荷发生装置的电荷输出量，然后返回步骤（4）；

（6）由控制卡控制转换开关，向被测电荷放大单元输出电荷，数据采集卡采集被测电荷放大单元的输出数据后输出被测电荷值；

（7）计算机对被测电荷值进行数据处理，生成测试报告，结束。