新旧规程中电荷放大器分级方法比较

张宁宁，邵新慧，郑爱建，徐佳，王振

(中国航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

电荷放大器是基于压电传感器的测量系统中应用的一种前置信号适调放大器，作为压电传感器的前置放大器，电荷放大器的应用范围及其广泛，其输出数据的准确性更与人们的安全息息相关。例如在航空、航天、铁路、军工等部门都使用着大量的电荷放大器，经电荷放大器输出的数据准确性直接影响着工作人员对飞机、船舶、高铁等交通工具安全性的判断。

随着电子科技的飞速发展，压电传感器制造技术的不断进步，对电荷放大器的制造与检测技术也提出了更高的要求。JJG 338-2013《电荷放大器检定规程》(新规程)解决了原有规程的一些要求检定的技术指标与实际应用的技术指标不匹配的问题，提出了更合理的电荷放大器分级方法。

1 《电荷放大器》检定规程的修订历程

我国第一部有关电荷放大器的检定规程是JJG 338-1983《普通电荷放大器》试行检定规程，该规程由中国计量科学研究院起草［1］，1983年10月26日经国家计量局批准，自1984年12月1日起正式实施了14年。

JJG 338-1997《电荷放大器检定规程》(旧规程)由中国计量科学研究院和中国航空工业总公司三2四研究所共同起草，1997年9月1日经国家技术监督局批准，自1998年3月1日起正式实施了16年。

根据全国振动冲击转速技术委员会关于国家规程修订工作的通知，JJG 338-1997《电荷放大器检定规程》列入2009年国家计量检定规程制(修)订计划(国质检量函［2009］393号)。中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所作为主要起草单位，2009年成立了《电荷放大器检定规程》编制组，在广泛调研国内外电荷放大器产品和技术的基础上修订了该技术法规，历经数次修改补充，最终由国家质量监督检验检疫总局于2013年10月25日发布了JJG 338-2013《电荷放大器检定规程》，2014年4月25日开始实施。

2 旧规程与新规程中电荷放大器的分级方法

2.1 旧规程中电荷放大器分级方法

在旧规程中电荷放大器的分级是根据电荷放大器的准确度来判定的。这里的准确度σ是由衰减挡误差δ1、归一化误差δ2和线性误差δ3按式(1)合成。旧规程中电荷放大器分级方法见表1［2］。

表1 旧规程中电荷放大器的分级方法

2.2 新规程中电荷放大器分级方法

新规程按照下限频率分为A类和B类，按增益挡误差、归一化误差和输入等效电荷噪声分为三个级别。新规程中电荷放大器分级方法见表2［3］。

表2 新规程中电荷放大器的分级方法

3 旧规程与新规程中分级方法的比较

3.1 新旧规程的联系

电荷放大器分级方法中的检定项目基本相同，都保留了下限频率、输入等效电荷噪声和失真度，同时原有规程中的准确度与新规程中的增益挡误差、归一化挡误差、线性误差也是一致的。其中新规程中的增益挡和旧规程中的衰减挡是一致的。

3.2 新旧规程的区别

首先，新规程增加了“一级”的判定。

现有电荷放大器的制造水平较十几年前已经有了质的飞跃，元器件和电路板制造工艺水平得到了极大的提高，部分电荷放大器的挡位误差甚至可以达到0.01%，与JJG 233-2008《压电加速度计检定规程》中要求最高的参考加速度计的0.05%判断条件相一致。这类电荷放大器在使用过程中对传感器的输出几乎没有影响，因此增加“一级”的判定后，增强了符合一级分级标准的电荷放大器在使用过程中的互换性，为使用单位提供了更大的灵活性。

其次，新规程中取消了原有“准确度”的提法。

旧规程中准确度包含了三项检定结果，在不确定度的评定过程中会出现重复计算误差的现象，与不确定度评定的原则相违背，因此新规程中将准确度还原为增益挡误差、归一化误差和线性误差，在易于评定不确定度的同时，根据近几年的实际工作数据，结合多家电荷放大器的制造以及使用单位的实际工作需求，确定了三个挡位的分级条件。

再次，新规程中取消了“下限频率”中“3 dB”和“0.5 dB上限频率”的检定项目。

原下限频率定义中的“下降3 dB”不适用于所有电荷放大器产品，例如丹麦B＆K公司的部分电荷放大器上限频率是下降1 dB，该规定不适用于所有放大器，因此将“下降3 dB”的分级条件去掉。同时在规程中将对“下限频率”的寻找:“电荷放大器在低频的传输系数比160 Hz下降3 dB的频率”改为“下限频率处衰减量”:高通滤波器在截止频率处的衰减应为(-3±1)dB(或(-10±3)%)。

“0.5 dB上限频率”的分级指标对现在的电荷放大器已经不适用。现在电荷放大器的带宽已达到300 kHz左右，原来的10 kHz和30 kHz明显不能覆盖这个范围。另外，新规程中增加了频率响应的检定项目，给使用单位提供了更全面的频响指标和更大的信息量，各使用单位可以根据自身的需求在频率响应检定结果中查找相应频段的误差情况，增强了实用性。

同时在规程中将对“上限频率误差”的寻找:“电荷放大器在低频的传输系数比160 Hz下降0.5 dB的频率”改为“上限频率处衰减量”的定义:低通滤波器在截止频率处的衰减应为(-3±1)dB(或(-10±3)%)。

最后，检定结果的提法有所变化。

在检定结果的处理中，规程将原有的“凡有一项不合格者发给检定结果通知书”改为“经检定不符合本规程各项要求的发给检定结果通知书”。在检定过程中发现一个不合格的挡位时，可以限制该不合格挡位的使用，启用其他组合挡位将其替换，这样既充分利用了电荷放大器自身的性能，也节约了使用单位的成本。

4 总结

随着电子科技的飞速发展，传感器与电荷放大器制造技术的不断提高，用户对测量精度要求的日益苛刻，新规程更科学、更合理地对电荷放大器的分级方法进行了修订，更符合实际使用需求。

［1］JJG 338-1983普通电荷放大器试行检定规程［S］.

［2］JJG 338-1997电荷放大器检定规程［S］.

［3］JJG 338-2013电荷放大器检定规程［S］.