长线缆传输和驱动电流对冲击波信号的影响

李肖姝，杜红棉，郭富智，徐 浩

（中北大学 电子测试技术国家重点实验室，太原 030051）

ICP压力传感器因其集成度高、抗干扰能力强，被广泛用于冲击波超压测试系统中。在冲击超压测试常用的引线测试方法中，将ICP压力传感器置于爆炸测试现场，其他设备置于远离现场的掩体内。该方法在能够完整记录冲击波的传播过的同时存在不足之处，即压力传感器输出模拟信号有长线缆传至测试仪器，冲击波来临时，长线缆由于电缆电容影响导致被测模拟信号被干扰。电缆电容将会限制电缆的传输容量和长度，影响测试结果[1]。

目前对于传输线对信号的影响研究已经比较深入。无论是模拟信号或数字信号，分析方法均从传输线等效电容、电感及阻抗入手，研究这些分布参数对信号的具体影响[2]。文献[3]提出分别将传输线、压电元件和传输线、放大电路和传输线转化为相应等效电路，根据其相电路建立网络函数，进行频谱分析后得出传输线长度不同对信号的影响。

在此，通过分析传输线缆长度和传感器驱动电流对冲击波信号的影响，从而判断压力传感器和测试仪器之间的适配电缆长度及驱动电流，提高信号完整性。

1 长线缆对信号的影响

ICP压力传感器内部集成电荷放大器，输出低阻抗信号。实际测试时传感器通过传输线缆与适配器相连。适配器输入阻抗很大，可将其视为开路，无需考虑对输入信号频率特性的影响，因此仅考虑传输线自身的频响特性。根据无线电理论，电磁波在导线中传播时，当l<<λ时 （式中λ为波长，l为导线），属于短线情况，此时导线仅起连接作用；l>λ/10时则按照长线理论处理[4-5]。此时传输线等效于多个四端网络连接而成的分布参数系统，由分布的串联电容和串联电感及并联电容组成。单位长度导线的等效电路如图1所示。

图1 传输线等效电路Fig.1 Transmission line equivalent circuit

以同轴电缆 STYV1-1为例，Lc=2.85 H/m；Rc=75 Ω/m；Cc=108 F/m。根据式（1），不同长度传输线缆对应幅频及相频特性曲线如图2所示。

由图可见，线缆长度对通带内的幅值影响不大。当输入频率足够高时随着传输线长度增加，传输线缆截止频率变小。

截止频率变化的主要原因在于电缆电容。当同轴电缆中2个绝缘导体处于不同电位时，会产生电缆电容，又称分布电容。低频时，分布电容对电路的影响可以忽略不计。对于冲击波信号这种高频信号，低噪音传输电缆的分布电容在信号传输过程中是一

图2 不同长度线缆幅频及相频特性曲线Fig.2 Amplitude-frequency and phase-frequency characteristic curve of cable with different lengths

图中，Rc为传输线的串联电阻；Lc为传输线的串联电感；Cc为传输线的并联电容。电路输入输出的网络函数为个重要影响因素。在信号通过电缆时，电缆电容会进行充放电过程，导致脉冲信号的上升沿或下降沿变坏，由于电路中电流的限制，放大电路没有足够的电压来保持其转换速率，最终导致信号波形发生畸变。

2 电缆电容及驱动电流对信号的影响分析

式中：X0为真空介电常数；X1为导体间介质的相对介电常数；D为外层导体的直径；d为芯线导体的直径。由公式可知，单位长度电缆电容只与导体间材质和内外导体直径有关。电缆电容值与电缆长度成正比。在此，选取STYV1-1和STYV2-2这2种型号的低噪音电缆作为试验对象，随长度变化不同电缆电容值见表1。

单位长度同轴电缆电容的估算公式为[6]

表1 常用电缆的电容值统计Tab.1 Common cable capacitance statistics

在给定电缆长度上，设电流信号

则

由此得到，电缆可通过信号的最大频率与电缆电容、传感器最大输出电压和驱动电流有关的函数[7]，即

式中：fmax为电缆可通过信号的最大频率，Hz；Vmax为传感器输出最大电压，V；C为电缆电容，pF；Ic为驱动电流，mA；109为比例系数；分母中（Ic-1）表示ICP传感器内部的电子元件有功耗，会损失一部分驱动电流。

选取5～20 mA的驱动电流，依次递增5 mA，与不同长度电缆容值有序组合，电压值选传感器最大输出电压值5 V。根据式（5），得到不同容值下驱动电流与对应的信号最高频率的关系曲线，如图3所示。

图3 电容与驱动电流和最高频率关系Fig.3 Capacitance vs.drive current and maximum frequency

由图可见，相同驱动电流下，电缆电容越大，最大通过频率则越小；电缆电容值一定时，驱动电流越大，最大通过频率则越小。

3 试验验证

3.1 长线缆传输最大通过频率的实验室验证

用信号发生器代替传感器通过长线缆连接至适配器，适配器信号输出端接至示波器。驱动电流由适配器提供。

信号发生器初始设定幅值5 V，频率10 kHz，频率以10 kHz为梯度逐级增加，观察示波器幅值输出是否完整。测试线缆选用不同长度的STYV1-1型同轴电缆，试验结果见表2。

表2 实验室测得不同线缆的最大通过频率Tab.2 Maximum passing frequency of different cables measured by the laboratory

3.2 传输线长度和驱动电流对信号的影响

在MatLab下建立一个低通滤波器，滤波器类型选择冲击波超压测量常用的贝塞尔低通滤波器[8]。该滤波器幅频特性平坦，相频特性线性度较高，对有效信号部分削减很少。

选取表2中的3个频率值，作为低通滤波器的截止频率。滤波器的信号源为根据金尼-格雷姆公式构建的冲击波信号。通过仿真来模拟电缆电容对冲击波信号幅值的影响，得出这3种截止频率对信号峰值影响时域图，如图4所示。表3给出各频率下的误差值。

图4 不同截止频率对信号峰值影响Fig.4 Effect of different cut-off frequencies on the peak value of signal

表3 不同截止频率对信号峰值影响的统计Tab.3 Statistics of the effect of different cut-off frequencies on the peak value of signal

随着截止频率变大，冲击波信号的峰值衰减越来越小，波头由圆变尖，信号经过滤波器前后误差值变小。当电缆长度一定时，电缆电容确定，可以通过增大驱动电流提高截止频率；当电路中硬件设计限制下驱动电流恒定，则尽量选取较短的电缆传输信号，使信号衰减达到最小。

4 不同量程传感器对驱动电流要求差异

PCB公司针对不同压力压力测量范围提供量程不同的ICP压力传感器。在试验过程中发现，量程不一致传感器在相同驱动电流下对同一压力测量结果不同。对此，进行了靶场实爆试验，试验条件为装药量1 kg，爆高1 m。试验结果见表4。

表4 不同量程传感器不同驱动电流下测得冲击波数据Tab.4 Shock wave data measured at different drive currents for different range sensors

试验结果表明，距爆心相同距离，不同驱动电流下，安装相同量程传感器，驱动电流小的传感器测得的数据明显小于驱动电流较大者；距爆心相同距离，相同驱动电流下，安装不同量程传感器，量程小的传感器所测的冲击波峰值明显小于量程较大者。考虑这可能是由于小量程传感器内阻较大，所需驱动电流比大量程传感器大，从而导致电路电流变化引起的。因此，在测试过程中，大小量程传感器换用时应注意调整驱动电流，以减小测试误差。

理论分析和仿真试验结果表明：

电缆长度为100 m时，驱动电流约5 mA，此时截止频率达到条件下最大值，对信号影响误差最小；电缆长度为200 m时，驱动电流应选10～15 mA；电缆长度为300 m时，应选20 mA左右的驱动电流。

驱动电流超过15 mA时，会引起传感器外壳发热，因此在测量过程中尽量避免传感器和后续电路电缆连接距离超过200 m。当超过300 m的连接距离时，驱动电流已经到设置极限，不足以驱动电缆电容，从而信号会出现较大扭曲，无法满足冲击波超压测试要求。

5 结语

文中通过公式计算出给定电缆长度对应最大截止频率，在MatLab下作为低通滤波器截止频率，得出冲击波信号在不同电缆长度和驱动电流下受影响的误差值。在测试过程中，大小量程传感器换用时需注意驱动电流的调整，以减小测试误差。