基于LabVIEW的電荷放大器自動檢定軟件設計

宋佳玲，王蘇閩，朱宇潔

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基于LabVIEW的電荷放大器自動檢定軟件設計

宋佳玲，王蘇閩，朱宇潔

（中國工程物理研究院計量測試中心，綿陽，621000）

依據JJG 338-2013《電荷放大器檢定規程》的要求，提出了電荷放大器自動檢定硬件系統方案，基于LabVIEW設計了電荷放大器自動檢定軟件，實現了電荷放大器歸一化誤差、增益誤差、幅頻特性、相頻特性等項目的自動檢定，提高了電荷放大器的檢定效率。通過實驗對軟件進行驗證，證明了自動檢定軟件的可靠性和準確性。通過設計本軟件，為航天航空領域中振動、沖擊等非電量測量提供更好的計量保障。

電荷放大器；自動檢定；LabVIEW

0 引 言

壓電傳感器是獲取動態信號廣泛使用的一類傳感器，在航天、航空、軍事、交通等工業領域中涉及到大量動態信號測試問題。電荷放大器作為壓電傳感器的前置裝置，是壓電傳感器標定和壓電測試系統的重要組成部分[1,2]。電荷放大器的輸出電壓正比于輸入電荷，在振動、沖擊、動態靜態測量等環境實驗以及模態實驗中有大量運用。因此，電荷放大器廣泛應用于振動、沖擊、力、壓力、聲強等非電量電測中。

在JJG 338-2013《電荷放大器檢定規程》中[3]，電荷放大器的首次檢定項目為11項，檢定項目眾多也需要較多的標準設備，其相應的數據處理也相對比較復雜[4]。目前，市面上帶有接口的電荷放大器越來越多，是未來的發展趨勢，為電荷放大器自動檢定的實現提供了先決條件。通過開發電荷放大器的自動檢定程序，不僅可以提高檢定工作效率，釋放勞動力；同時，自動計量過程中，人為無法干預測量數據及結果，確保測量過程真實可靠。因此，開發電荷放大器自動檢定軟件，實現電荷放大器自動檢定具有很高的應用價值。

1 設計方案

1.1 硬件系統方案

該檢定系統的標準設備由Agilent 33220A 信號發生器、CS-3標準電容器、Agilent DSO3102A示波器、KEITHLEY 2000 數字多用表、KH4116失真度儀、Clarke-Hess 6000相位計、GPIB-USB轉換器以及運行檢定軟件的主控計算機構成。

計算機通過GPIB接口控制信號發生器輸出標準正弦信號，通過標準電容器將電壓信號轉換為電荷信號輸入待檢的電荷放大器中，改變電荷放大器配置，利用計算機采集電荷放大器輸出端相應標準設備的數據，來檢定電荷放大器的多個參數。該硬件系統方案如圖1所示[5]。

圖1 電荷放大器自動檢定軟件硬件系統方案

1.2 軟件系統設計

a）軟件系統框架

本軟件采用Windows XP作為開發系統，采用NI LabVIEW2011作為開發軟件。LabVIEW采用圖形化的編程方式，集成了各種儀器通信總線標準的功能函數，可移植性好，兼容全自動化和半自動化測試，便于開發[5,6]。

軟件采用模塊化的開發思想，按照功能要求將軟件主要分為3個模塊，即配置模塊、測量模塊以及處理模塊[7]。配置模塊實現了對客戶信息、設備信息、證書信息的錄入功能；測量模塊實現了對規程中不同檢定項目的具體操作功能；處理模塊實現了采集數據計算處理，原始記錄以及檢定證書出具功能。軟件系統框架如圖2所示。

圖2 電荷放大器自動檢定軟件系統框架

b）軟件操作流程

根據軟件系統框架設計軟件的操作流程，按照圖1所示的硬件系統方案連接設備。首先，對儀器通電預熱，初始化儀器的GPIB地址；然后配置客戶信息、設備信息、證書信息；接著分別對電荷放大器的歸一化誤差、增益檔誤差、線性誤差、高低通濾波器截止頻率、幅頻特性以及相頻特性項目進行檢定；數據采集完成后，對數據進行處理并計算測量結果，生成原始記錄以及檢定證書，并將數據錄入，完成檢定[4]。軟件操作流程如圖3所示。

圖3 電荷放大器自動檢定軟件系統操作流程

c）軟件界面設計

為便于日常檢定人員使用，開發人機交互性良好的軟件操作界面。為方便擴展軟件功能，對不同的檢定項目開發獨立的檢定程序。

對于軟件配置模塊的設計，圖4為電荷放大器自動檢定軟件配置模塊界面，其主要完成對客戶信息、設備編號、業務類別、證書編號、環境條件等信息的錄入功能。該信息也是原始記錄和檢定證書表頭信息的來源。

圖4 電荷放大器自動檢定軟件配置模塊與流程

對于軟件測量模塊的設計，以檢定電荷放大器歸一化誤差、幅頻特性及線性誤差為例，依次對檢定的操作界面和具體操作流程進行說明。

在電荷放大器歸一化誤差檢定中，首先配置數表GPIB地址；然后按照圖5左側的歸一化檔位順序依次進行檢定，改變電荷放大器的歸一化檔位，在數表數據穩定后，對電荷放大器輸出電壓進行采集；數據采集完成后，根據電荷放大器理論輸出電壓和實際輸出電壓，計算各個檔位的歸一化相對誤差，取各個檔位相對誤差的最大值作為歸一化誤差，在原始記錄記錄歸一化誤差采集數據，在證書中記錄歸一化誤差結果，完成歸一化誤差檢定。

圖5 電荷放大器歸一化誤差檢定界面設計與操作流程

在電荷放大器幅頻特性檢定中，軟件界面與操作流程如圖6所示，首先配置信號源和數表的GPIB地址；然后根據檢定規程要求，依次改變信號發生器的輸出頻率，待電荷放大器輸出端電壓穩定后，分別讀取信號發生器輸出電壓和電荷放大器輸出電壓；數據采集完成后，根據信號基準頻率點160 Hz的測量數據，計算各個頻率點的傳輸系數和傳輸系數偏差，在原始記錄和證書中錄入相應數據，完成幅頻特性檢定。

圖6 電荷放大器幅頻特性檢定界面設計與流程

在電荷放大器線性誤差檢定中，檢定界面與操作流程如圖7所示。首先，按照算出的放大器輸出電壓，依次改變信號發生器輸出電壓；然后，利用兩塊數表分別讀取信號發生器電壓和電荷放大器輸出電壓，待數表數據穩定后，對信號發生器輸出電壓和電荷放大器輸出電壓進行采集；數據采集完成后，利用最小二乘法進行擬合計算擬合曲線的斜率和截距，利用該結果計算誤差。最后將結果記錄到原始記錄和證書中。

圖7 電荷放大器線性誤差檢定界面設計與操作流程

2 軟件驗證

2.1 測量結果的不確定評定

以檢定B&K公司2692電荷放大器歸一化誤差為例，對測量結果的不確定度進行評定。其測量模型為

由式（1）可以看出，引起測量結果不確定度的主要來源有數字多用表測量不準、標準電容器不準以及測量重復性[8,9]。

a）數字多用表引入的不確定度。

b）標準電容器引入的不確定度。

選用CS-3標準電容器，電容1 000 pF時經溯源得到的標準不確定為：

c）測量重復性引入的不確定度。

采用A類方法進行評定，對歸一化誤差連續測量10次，計算實驗標準偏差，其引入的不確定度分量為

d）擴展不確定度。

2.2 自動檢定與手動檢定結果的比較

以檢定歸一化誤差為例，對軟件進行驗證。使用同一套標準設備在同樣的條件下，對同一臺2692電荷放大器分別采用自動和手動兩種方式進行檢定。檢定結果如表1所示。

表 1 手動檢定與自動檢定數據

在歸一化為10-0-0檔時，歸一化誤差最大，通過上式說明比對結果為滿意，證明了自動檢定數據的合理性。

3 結束語

本文設計了電荷放大器的自動檢定軟件。首先提出了檢定所需標準設備的硬件系統方案，搭建了硬件系統；然后采用模塊化的思想設計了軟件框架，編寫了相應的軟件界面和自動檢定程序；最后，將自動檢定與手動檢定數據進行比對驗證，證明了自動檢定數據的合理性。通過編寫電荷放大器自動檢定軟件，在保證數據準確可靠的同時也提高了電荷放大器的檢定效率。

[1] 鄧維禮, 秦嵐, 劉俊. 基于multisim的準靜態電荷放大器仿真分析[J].國外電子測量技術, 2009, 28(4): 24-26.

[2] 朱新翔, 陳江偉, 紀曉輪, 等. 基于AD8601的電荷放大器的設計[J]. 微型機與應用, 2013, 32(3): 88-89.

[3] 國家質量監督檢驗檢疫總局. JJG 338-2013《電荷放大器檢定規程》[S]. 2013.

[4] 張寧寧, 邵新慧, 鄭愛建, 徐佳, 王振. 新舊規程中電荷放大器分級方法比較[J]. 計測技術, 2015(b07): 191-192.

[5] 阿拉踏, 石峰, 吳忠燕, 王建強. 基于Labview的原位自動校準軟件設計[J]. 計測技術, 2015(35): 221-225.

[6] 嚴小銳. Labview在電學計量中的應用[J]. 計測技術, 2016(36): 242-243.

[7] 張恒萍, 朱傳煥. 基于Visual Basic 的電荷放大器自動校準系統研究[J]. 計測技術, 2013, 33(4): 37-40.

[8] 張寧寧, 王顯偉, 邵新慧, 劉春紅. 電荷放大器的校準及裝置的不確定評定[J]. 誤差與不確定度, 2010, 30(3): 44-46.

[9] 贠韞, 王玲. 電荷放大器測量結果的不確定評定[J]. 計量與測試技術, 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，助理工程師，主要研究方向為電磁專業計量測試技術、數字信號處理