压电式压力测量系统准静态校准压力脉宽分析 ·12l· 压电式压力测量系统准静态校准压力脉宽分析 章劲秋 ,孔德仁 ,王芳 ,杨凡 ,孔霖 ,刘德秋。 (1.南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;2.西安近代化学研究所,陕西西安710065; 3.中国白城兵器实验中心,吉林白城137001) 摘要:压电式压力测量系统的低频(零频)特性不理想,静态校准时电荷会产生漂移,对灵敏度的获取产 生影响。为准确获取测量系统的灵敏度,可采用准静态校准的方法,该方法存在如何选取校准压力脉宽 的问题。根据压电式传感系统的等效电路,建立了在测量过程中电荷泄露的数学模型,分析了电荷漂移 的主要原因;探讨了不同压力脉宽1 Hz内低频分量所占能量比;基于准静态校准实验,对典型压电式压 力传感系统进行校准,获得了不同脉宽激励下测量系统的灵敏度,对灵敏度的差异进行分析,选取了合 适的校准脉宽范围。 关键词:压电式压力测量系统;准静态校准;灵敏度;脉宽 中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1000—8829(2016)06—0121—04 Impact Analysis of Pressure Pulse Width in Quasi-Static Calibration Based on Piezoelectric Pressure Measurement System ZHANG Jin.qiu ,KONG De—ren ,WANG Fang ,rANG Fan ,KONG Lin。,LIU De—qiu (1.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China; 2.Xi’an Modem Chemistry Research Institute,Xi’an 710065,China; 3.China Baicheng Ordnance Test Center,Baicheng 137001,China) Abstract:Low ̄equency(zero ̄equency)characteristics of piezoelectric pressure measuring system are not i· dea1.The charge will drift and the sensitivity is not aeeurate in static calibration.Quasi-static calibration meth- od can be used to obtain the sensitivity of the measurement system accurately.The method has a problem that how to select the calibration pressure pulse width.A mathematical model of the charge leaked during measure- ment is proposed,the main reasons of the charge drift are analyzed based on the equivalent circuit of piezoelec— tric sensor system.The energy ratio of the low- ̄equency component within DC一1 Hz under different pressures is explored.A typical piezoelectirc pressure sensor system is calibrated based on the quasi—static calibration ex’ periment,the system sensitivities under different pulse width excitation are obtained,the differences between sensi‘ti‘vi—ties are analyzed,an appropriate pulse width range in calibration is selected. Key words:piezoelectric pressure measurement system;quasi—static calibration;sensitivity;pulse width 压力电测法具有灵敏度高、准确性好,测量范围广 等优点,目前广泛应用在冲击波压力、火药燃气压力等 测量中。压力电测法中常采用压电式压力传感器,压 电式测量系统的低频响应特性取决于整个等效电路的 致标定过程中电荷产生漂移,获取的测量系统灵敏度 结果不可靠,带来测量误差。采用准静态校准的方法 时间常数r值。实际工作中,该时问常数丁无法达到 无穷大,低频特性不佳,静态标定时加载时间较长,导 进行量值传递,可有效解决该问题。 目前,主要采用基于落锤式的压力标定装置对压 力传感器进行准静态校准。通过调整该压力标定装置 的落锤高度、落锤质量、造压油缸的初始容积等,可产 生不同脉宽的半正弦压力脉冲信号。装置可实现的压 力脉宽范围较宽,因此,科学选取半正弦信号的脉宽尤 为重要。 为了探讨准静态校准中半正弦信号脉宽的选取方 法,本文根据压电式传感系统的等效电路,分析了在测 收稿日期:2015—08—30 作者简介:章劲秋(1991一),女,安徽人,硕士研究生,主要研究 方向为基于准确校准的冲击液压力传感器传统特性分析及不 确定度评定等。 压电式压力测量系统准静态校准压力脉宽分析 点 。准静态校准的工作原理是用已知峰值的类似 于被测冲击波压力信号的半正弦脉冲信号作用于被校 系统上,采用比对式校准方法对被校冲击波压力传感 系统进行校准 J。根据系统响应数据获取被校系统 的工作特性参数,如灵敏度、线性度等。冲击波压力传 感系统准静态校准实施方法如图3所示。 图3准静态校准实施方法简图 本文针对CY—YD一205传感器组建的典型冲击波 压力测量系统进行准静态校准实验。对半正弦压力信 号采用多路标准压力监测,取其平均值作为被校系统 的标准激励,被校系统的输出作为响应。进行5次校 准实验,每次在被校传感系统的量程范围内大致均匀 设置7~9个点 J。获得各校准点对应的标准压力值 P 压力脉宽 以及被校传感器系统的输出电压Y 落锤压力标定装置产生脉宽小于1 ms的波形时,受到 管道效应的影响,波形中带有高频振荡,导致灵敏度计 算结果不准确。因此,本文选择脉宽为1 Ins以上的波 形进行分析。经过回归分析,可得到参考工作曲线,获 取灵敏度等工作特性参数,根据灵敏度的变化规律分 析压力脉宽的合理范围。 3 半正弦压力脉宽的有效带宽分析 准静态校准试验中,常采用落锤压力标定装置进 行校准。该装置可产生脉宽、幅值不同的半正弦压力 信号,校准使用的半正弦压力信号的有效带宽应覆盖 传感系统的工作频带,有效带宽的能量应集中在较低 的频率范围内(覆盖零频),才能更好地反映系统的特 性。 在实际电测法测量中,压力测量两倍不确定度要 求达到2%,根据测量系统不失真测试的条件,当信号 的高频谐波分量幅值低于2%时不予考虑。因此,定 义归一化频谱密度由1下降至其2%处的频带作为其 有效带宽。 理想的半正弦压力如图4所示。 本文对理想半正弦信号进行模拟,分析其有效带 宽。幅值为P 脉宽为r半正弦信号的压力信号的表 达式为 p( )=A{sinf_兰_flM(£)+sin[ (t— )M(t—r)]} ·123· 塞 邕 图4理想半正弦压力信号 式中,/.t(t)为单位阶跃信号。 信号P(t)的拉氏变换相函数为 )=』J 0’ )e-st出: s十、 ,T} (】+e ) 信号P(t)的频谱密度函数为 P(jto)= (1+e-j ̄r) IT/ ,一c£, 由此可得其幅值谱密度函为 P(j : ×}c0s(警) =l丽 c1+ ̄-jro ̄ :。l_I I 则压力信号的P(t)的归一化幅值谱为 一IrP(w)le(o):2f—I( j ) 十(订 ) I 。 -: 。一I(  ̄r/r) 一∞ I 当归一化频谱密度由1下降至其2%处为有效带 宽 ,因此 一 P(0)一l( ̄r/r) 一(2 :: ) I—IL 1一(2f. or) 根据上述模型,选取脉宽为1~12 ms共12个整 数脉宽激励信号进行计算,可计算出各脉宽对应的有 效带宽如表1所示。 表1 理想半正弦信号脉宽与有效频带的关系 7"/ms }c/Hz 7/ms /Hz r/ms lc/Hz l 1320 5 274 9 151 2 692 6 226 10 136 3 454 7 194 11 124 4 338 8 170 12 l13 由表l结果可知,不同脉宽的半正弦信号频率组 成有区别。随半正弦信号脉宽的增加,有效带宽降低, 高频分量减少,能量逐渐向低频和直流分量靠近。欲 观察信号在低频(零频)段的频率特性,可重点考量 DC一1 Hz范围内的能量,如图5所示。分析各脉宽半 正弦信号1 Hz内的能量与有效带宽. 内的能量比值。 ·124· 6 ms脉宽半正弦信号归一化幅值谱密度图 遥 馨 1 图5理想半正弦信号幅值谱相对密度示意图 对幅值进行积分,计算1 Hz内能量与有效带宽内 能量的比值: S1H S 将表l各脉宽理想半正弦压力信号有效带宽值 及其对应脉宽代人上式,计算结果如表2所示。 表2理想半正弦压力信号1 Hz内能量占比表 脉宽/ms百分比/% 脉宽/ms百分比/% 脉宽/ms百分比/% 1 0.55 5 O.71 9 0.99 2 O.59 6 0.77 10 1.07 3 O.62 7 0.84 11 1.14 4 O.65 8 O.92 l2 1.22 姐 咖 箍 图6理想半正弦压力信号1 Hz内能量占比趋势图 由图6趋势可看出,随着激励信号脉宽的增加,传 感器响应的低频部分所占能量比增高。从理论上证明 了,脉宽越大,半正弦压力信号的静态分量也越大。准 静态校准时,信号的加载时间较小,虽然所占能量比较 丰富,但电荷在短时间内来不及泄露,对校准精度并无 《测控技术))2016年第35卷第6期 不良影响。 4 典型压电式压力测量系统不同压力 脉宽准静态校准的灵敏度分析 针对某型压电式压力传感器在准静态校准装置上 开展了不同脉宽的准静态校准实验,实验时,脉宽在整 数脉宽±10%范围内即符合要求 。按照前文所述 准静态校准方法,求取了该传感系统的灵敏度,在对应 不同脉宽条件下,灵敏度的差异;以6 ms为基准,计算 各脉宽信号激励下系统灵敏度的相对误差;本次校准 试验中电荷放大器的时间常数为42 S,计算不同脉宽 激励下时问常数与加载时间的比值.r/t。计算结果如 表3所示 表3各脉宽信号激励下测量系统灵敏度 根据经验, / >1000时,电荷泄漏率可保持在 0.05%以内,本次准静态校准试验符合要求。随着脉 宽的增大,其灵敏度降低并趋向于稳定,1 ms时灵敏 度偏高,相对误差在0.98%左右,3 ms时灵敏度仍有 偏高趋势,6~12 ms脉宽激励下的灵敏度相对误差均 在0.2%以内。究其原因,准静态灵敏度是不同频率 点的灵敏度融合的结果,与激励信号的频率分量及i贝0 量系统的幅频特性有关。欲得到不失真的输出结果, 在输入信号的有效带宽内,测量系统的传递特性应尽 可能平直。由前文分析可知,小脉宽激励信号的直流 分量比较小,实质是动态信号,夹杂了很多频率分量较 高、振幅比较大的信号,所以校准出来的灵敏度偏高。 传感系统在小脉宽半正弦信号激励下,低频特性 不及大脉宽半正弦信号激励下理想,6~12 ms的灵敏 度相对误差较小。因此,选择脉宽为6~12 ms内的半 正弦信号进行激励是合理的。 5 结束语 本文针对压电式压力测量系统的低频(零频)特 性不理想的问题,采用准静态校准方法,建立了压电式 传感系统的等效电路,分析了电荷泄露的数学模型,探 讨了漂移的主要原因;针对不同脉宽的压力信号,进行 有效带宽分析,对1 Hz内低频分量所占能量比进行了 仿真分析;基于落锤式压力标定装置对典型传感器进 (下转第128页) ·128· 摹\辟鼙幕艇 1.0 《测控技术)2016年第35卷第6期 sues in spectrum sensing for cognitive radios[c]//Confer— ence Record of the Thirty—Eighth Asilomar Conference on Signals,Systems and Computers.2004. 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[4] Cabfic D,Mishra S M,Brodersen R W.Implementation is- (上接第120页) (上接第124页) 计电路与软件编程开发方法,基于汇编语言在QTH一 行了准静态校准,获取了不同脉宽信号激励下测量系 统的灵敏度,并分析其变化规律,确定了可用于准静态 2008PCI开发环境下进行调试,实验结果表明其有效 性。本文所做的含80C186处理器的正向设计与软件 编程对于逆向修理80C186处理器板件有很大帮助。 参考文献: [1] 王世奎.采用80186微处理器简化硬件设计[J].微计算 机应用,1995,16(2):4J4—48. 校准的半正弦信号压力脉宽范围。结果表明: ①压电式测量系统产生电荷泄露的原因,主要取 决于测量系统的时间常数与测量信号加载时间之比。 [2] 王世奎,董运红.嵌入式80186EB微处理器简化智能网 卡的设计[J].航空计算技术,2001,31(2):8—11. ②根据典型传感器校准实例,脉宽取6~12 ms 时,准静态校准的灵敏度相对误差较小,满足压电式压 力测量系统的准静态校准的测量要求。 参考文献: [1] 周严.测控系统电子技术[M].北京:科学出版社,2007. [2] 孔德仁,李永新,朱明武,等.压电测压系统测量误差因素 分析及措施[J].仪器仪表学报,2002,23(5):160—162. [3]范守义.电荷放大器的漂移问题[J].仪器仪表与分析监 测,1989(3):31—37. [3] 张文喜,彭刚锋,王秀珍.1553B通信接口与80186微处 理机模块设计[J].航空计算技术,1997,27(3):19—21. [4]程传玲,苏志波,林军.14位A/D—MAX125与80186及 DMA控制器的接口应用[J].工业控制计算机,2003,16(2). [5]王海军,张六韬,强建新.机载80186CPU板的测试研究 [J].电子技术,2001(5):35—37. [4] 鲁捷,孟凡文,张玉香.改进压电传感器频率响应特性的 措施[J].中国仪器仪表,2006(11):79—81. [5] 孔德仁,朱明武,李永新,等.压力传感器准静态“绝对校 准”[J].传感器技术,2001,20(12):32—34. 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