壓桿測壓系統(tǒng)的快速補(bǔ)償技術(shù)

王　昭，楊　軍，李　焰，張　敏，張德志，田　耕，吳祖堂

（西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024）

壓桿測壓系統(tǒng)的快速補(bǔ)償技術(shù)

王昭，楊軍，李焰，張敏，張德志，田耕，吳祖堂

（西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024）

該文針對長距離壓桿測壓系統(tǒng)的頻譜帶寬不足問題，在常規(guī)電纜補(bǔ)償技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種系統(tǒng)整體補(bǔ)償方法。設(shè)計(jì)相應(yīng)的補(bǔ)償電路，利用Multisim電路仿真軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)利用掃頻方法和階躍響應(yīng)方法估算系統(tǒng)的帶寬，通過現(xiàn)場測試，補(bǔ)償后測試系統(tǒng)的帶寬達(dá)到約600kHz，輸出信號(hào)幅值為原系統(tǒng)的1/2，滿足壓桿測壓系統(tǒng)的帶寬需求。制作相應(yīng)的補(bǔ)償器，測試得到補(bǔ)償前后系統(tǒng)的幅頻曲線和階躍響應(yīng)曲線，兩種曲線均證明補(bǔ)償后系統(tǒng)的帶寬優(yōu)于補(bǔ)償前系統(tǒng)帶寬，說明系統(tǒng)整體補(bǔ)償方法的有效性，為現(xiàn)場測試系統(tǒng)的頻譜快速補(bǔ)償提供參考。

壓桿；測量；帶寬補(bǔ)償；濾波器

0　引　言

針對爆炸力學(xué)中的近區(qū)沖擊波壓力測量，壓桿式測壓方法是一種性能優(yōu)良的測試技術(shù)，具有原理簡單、成本低、量程大、頻響高的優(yōu)點(diǎn)［1-2］，主要用于上升時(shí)間很快的大壓力測量，可高達(dá)GPa量級(jí)，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)10-7～10-6s［3］。開展爆炸與沖擊類實(shí)驗(yàn)時(shí)，為確保測量儀器和參試人員的安全，測量儀器與壓桿之間會(huì)設(shè)置一定的距離，根據(jù)實(shí)際需求，該距離可達(dá)km量級(jí)，此時(shí)，需要考慮長線纜的高頻衰減特性對測試系統(tǒng)的影響。

當(dāng)線纜頻譜帶寬小于需求帶寬時(shí)，通常通過以下方法解決：使用頻譜帶寬較寬的粗同軸電纜；在一定范圍內(nèi)進(jìn)行線纜補(bǔ)償［4］，增加線纜頻譜寬度；采用模擬光纜高帶寬傳輸技術(shù)［5-7］。

針對某次爆炸實(shí)驗(yàn)，壓桿與測量儀器之間的距離約500m，實(shí)驗(yàn)預(yù)期壓桿測壓信號(hào)的上升沿1～3μs，對應(yīng)要求帶寬為116～350 kHz，測試系統(tǒng)建立后，經(jīng)實(shí)際測量其系統(tǒng)不失真帶寬為50.7kHz，-3dB帶寬為160 kHz，不能滿足壓桿信號(hào)的傳輸要求，本文在不改動(dòng)傳輸線纜的情況下，利用無源補(bǔ)償技術(shù)對測試系統(tǒng)進(jìn)行快速補(bǔ)償，補(bǔ)償后系統(tǒng)-3dB帶寬達(dá)到597kHz，滿足測試需求。

1　補(bǔ)償原理

電纜特別是同軸電纜，其頻譜和低通濾波器的頻譜特征相同，具有低通濾波功能，只能滿足一定頻率范圍內(nèi)信號(hào)的不失真?zhèn)鬏敗Ｒ话闱闆r下，線纜的直徑越細(xì)，長度越長，則其帶寬越窄。電纜的無源補(bǔ)償技術(shù)其實(shí)質(zhì)是一種特殊的濾波器，該濾波器可以實(shí)現(xiàn)電纜帶寬的延拓。

假設(shè)電纜的-3dB帶寬為f0，補(bǔ)償?shù)降膸挒閒1，通過以下步驟開展無源補(bǔ)償工作：

1）補(bǔ)償?shù)那疤幔壕€纜對頻率為f1信號(hào)的衰減量，在預(yù)期內(nèi)。即通過無源補(bǔ)償方法，并不能降低任何頻率上信號(hào)的衰減量。

2）利用頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器、示波器等，得到線纜的幅頻曲線，至少從0Hz至f1。

3）得出目的線纜幅頻曲線與原線纜幅頻曲線之間的差值。

4）根據(jù)得出的差值，利用無源器件，建立補(bǔ)償電路。該補(bǔ)償電路的幅頻曲線應(yīng)近可能接近該差值的幅頻曲線。

5）將補(bǔ)償電路接入線纜，進(jìn)行測量驗(yàn)證，并改進(jìn)優(yōu)化補(bǔ)償電路參數(shù)。

具體實(shí)驗(yàn)時(shí)的壓桿測壓系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1　壓桿測壓系統(tǒng)示意圖

如圖所示，應(yīng)變信號(hào)經(jīng)過四芯線、應(yīng)變儀和同軸電纜傳輸至記錄儀，按照常規(guī)補(bǔ)償方法，分別補(bǔ)償四芯線和同軸電纜，不但工作量大，而且需要考慮系統(tǒng)各個(gè)部分的阻抗匹配影響，難度較大，不能快速拓展系統(tǒng)帶寬。

本文提出將四芯線、應(yīng)變儀和同軸電纜看作一條特殊線纜（或者線性系統(tǒng)），直接對整體進(jìn)行補(bǔ)償，不但工作量小，補(bǔ)償周期短，且補(bǔ)償精度也便于控制。

2　補(bǔ)償技術(shù)在壓桿測壓中的應(yīng)用

利用線纜頻率補(bǔ)償技術(shù)，直接對壓桿測壓系統(tǒng)進(jìn)行整體補(bǔ)償。

2.1補(bǔ)償前系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

為提高頻率補(bǔ)償?shù)目煽啃裕瑫r(shí)采用掃頻和方波輸入兩種方法，測量系統(tǒng)的帶寬情況。掃頻方法，給系統(tǒng)輸入不同頻率的正弦波，可以得到系統(tǒng)對不同頻率信號(hào)的衰減情況，進(jìn)而得到帶寬；方波輸入方法，通過系統(tǒng)對方波信號(hào)的響應(yīng)，從而快速近似得出系統(tǒng)的帶寬［8］。兩種方法的測量原理如圖2所示。

圖2　帶寬測量系統(tǒng)示意圖

經(jīng)測量，信號(hào)發(fā)生器輸出的方波信號(hào)其上升沿約1.5ns，對于壓桿測壓系統(tǒng)來說，其信號(hào)上升沿在μs量級(jí)，可以近似為理想階躍信號(hào)源。掃頻得到的幅頻特性歸一化曲線如圖3所示。

圖3　補(bǔ)償前系統(tǒng)的幅頻曲線

圖3中，頻率的起跳點(diǎn)為50.7kHz；-3dB帶寬即幅值衰減至70.79%對應(yīng)的頻率約為160kHz。為快速判讀帶寬情況，利用方波法開展測量，得到的系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形如圖4所示，系統(tǒng)的帶寬［8］為

其中Bf為-3 dB系統(tǒng)帶寬，tr為階躍信號(hào)的上升時(shí)間，約2.501 μs，計(jì)算帶寬約為139.9 kHz，與掃頻方法得到的160kHz基本一致。

2.2補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)與調(diào)試

根據(jù)補(bǔ)償前系統(tǒng)的幅頻曲線，設(shè)計(jì)對應(yīng)的補(bǔ)償電纜。由于該幅頻曲線類似一階低通濾波系統(tǒng)，要提高系統(tǒng)的帶寬，應(yīng)預(yù)先確定補(bǔ)償后的截至頻率f1。f1越大，則補(bǔ)償后信號(hào)的衰減約大，進(jìn)而導(dǎo)致信噪比降低。根據(jù)應(yīng)變測量的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)最終的衰減系數(shù)接近50%，則補(bǔ)償電路的理想幅頻曲線應(yīng)具有如下特征：

圖4　補(bǔ)償前系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

1）在0～f0區(qū)間內(nèi)，幅值衰減50%不變。

2）在f0～f1區(qū)間內(nèi)，幅值衰減對應(yīng)的由50%至0變化。

3）在大于f1的區(qū)間，幅值衰減不做特殊要求，若設(shè)計(jì)為衰減區(qū)間，有利于高頻噪聲的衰減，增加系統(tǒng)的信噪比。

因此該補(bǔ)償電路應(yīng)兼有低通和帶通特征，該電路類型繁多［9-12］，初步設(shè)計(jì)的電路如圖5所示。

圖5　補(bǔ)償電路1

如圖5所示，信號(hào)源為系統(tǒng)輸入端，RL兩端模擬示波器，為補(bǔ)償后輸出。R1與R2串聯(lián)分壓，使低頻段信號(hào)衰減約50%；C1與R2組成高通濾波，使得f0～f1段衰減小于50%；C2與R1、R2組成低通濾波器，使得高頻段信號(hào)衰減。

略去C2相關(guān)的低通濾波器，由R1、C1、R2組成電路的傳遞函數(shù)，如下式所示：

當(dāng)R1=R2=1.5kΩ，C1=1nF時(shí)，利用上式，可計(jì)算得出不同頻率下，輸出與輸入的信號(hào)比值：在0～33kHz，該比值為50%；在50kHz時(shí)，比值為50.1%；在2MHz時(shí)，該比值為87.7%，與理想補(bǔ)償電路幅頻曲線的特征類似。

若考慮系統(tǒng)的輸入輸出阻抗以及嚴(yán)格的頻率補(bǔ)償關(guān)系，則利用傳遞函數(shù)方法進(jìn)行理論計(jì)算的難度較大，不利于補(bǔ)償電路的快速設(shè)計(jì)，為此結(jié)合電路模擬軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。

利用Multisim軟件進(jìn)行電路仿真試驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)際的補(bǔ)償電路測試，最終優(yōu)化得到的補(bǔ)償電路如圖6所示。

圖6　補(bǔ)償電路2

利用仿真軟件中的交流分析工具，可以得到該補(bǔ)償電路的幅頻響應(yīng)曲線，如圖7所示。

圖7　補(bǔ)償電路的幅頻曲線

2.3補(bǔ)償后系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

按照圖6所示電路，設(shè)計(jì)并加工了補(bǔ)償器，補(bǔ)償器外形見圖8，經(jīng)檢驗(yàn)合格后，將該補(bǔ)償器串接至信號(hào)記錄儀的輸入端。

圖8　補(bǔ)償器外形

為考核補(bǔ)償器的實(shí)際性能，測量補(bǔ)償后系統(tǒng)的幅頻特性曲線和階躍響應(yīng)。為突出補(bǔ)償前后的差異，對幅頻曲線進(jìn)行了歸一化處理，如圖9所示；對補(bǔ)償后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)乘以補(bǔ)償系數(shù)2.024后與原系統(tǒng)階躍響應(yīng)進(jìn)行對比，如圖10所示。

圖9　補(bǔ)償前后系統(tǒng)的幅頻曲線

圖10　補(bǔ)償前后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

補(bǔ)償后信號(hào)上升沿tr約為635 ns，對應(yīng)帶寬為551kHz。利用掃頻法得到補(bǔ)償后系統(tǒng)-3dB帶寬約為597 kHz，與階躍法得到的帶寬基本一致，說明電纜補(bǔ)償達(dá)到預(yù)期，補(bǔ)償后系統(tǒng)滿足壓桿測壓需求。

對于階躍響應(yīng)出現(xiàn)的過沖現(xiàn)象，原系統(tǒng)也是存在的，為解決該問題，需要給補(bǔ)償電路傳遞函數(shù)繼續(xù)添加零極點(diǎn)對，該部分內(nèi)容還需進(jìn)一步研究。

3　結(jié)束語

針對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場壓桿測壓系統(tǒng)頻率帶寬不足的情況，提出利用電纜補(bǔ)償方法，直接對測試系統(tǒng)進(jìn)行整體補(bǔ)償，而不是常規(guī)地對電纜進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償。經(jīng)過現(xiàn)場頻譜測試，原壓桿測壓系統(tǒng)的-3dB帶寬為160kHz，不能滿足測壓需求，根據(jù)總體系統(tǒng)補(bǔ)償方法，提出了一種補(bǔ)償電路，并利用電路模擬軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化，經(jīng)過現(xiàn)場檢測，補(bǔ)償后壓桿測壓系統(tǒng)的-3dB帶寬達(dá)到600kHz，滿足系統(tǒng)要求。與常規(guī)電纜補(bǔ)償方法相比較，整體補(bǔ)償方法具有原理簡單、設(shè)計(jì)制作周期短的優(yōu)點(diǎn)，適合現(xiàn)場測試系統(tǒng)的快速補(bǔ)償。

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（編輯：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，陜西西安市人，工程師，博士研究生，主要從事力學(xué)測試技術(shù)工作。