壓桿測壓系統(tǒng)的快速補償技術

王　昭，楊　軍，李　焰，張　敏，張德志，田　耕，吳祖堂

（西北核技術研究所，陜西 西安 710024）

壓桿測壓系統(tǒng)的快速補償技術

王昭，楊軍，李焰，張敏，張德志，田耕，吳祖堂

（西北核技術研究所，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)電纜補償技術的基礎上，提出一種系統(tǒng)整體補償方法。設計相應的補償電路，利用Multisim電路仿真軟件進行輔助設計和優(yōu)化，同時利用掃頻方法和階躍響應方法估算系統(tǒng)的帶寬，通過現(xiàn)場測試，補償后測試系統(tǒng)的帶寬達到約600kHz，輸出信號幅值為原系統(tǒng)的1/2，滿足壓桿測壓系統(tǒng)的帶寬需求。制作相應的補償器，測試得到補償前后系統(tǒng)的幅頻曲線和階躍響應曲線，兩種曲線均證明補償后系統(tǒng)的帶寬優(yōu)于補償前系統(tǒng)帶寬，說明系統(tǒng)整體補償方法的有效性，為現(xiàn)場測試系統(tǒng)的頻譜快速補償提供參考。

壓桿；測量；帶寬補償；濾波器

0　引　言

針對爆炸力學中的近區(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，具有原理簡單、成本低、量程大、頻響高的優(yōu)點［1-2］，主要用于上升時間很快的大壓力測量，可高達GPa量級，響應時間可達10-7～10-6s［3］。開展爆炸與沖擊類實驗時，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設置一定的距離，根據(jù)實際需求，該距離可達km量級，此時，需要考慮長線纜的高頻衰減特性對測試系統(tǒng)的影響。

當線纜頻譜帶寬小于需求帶寬時，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)進行線纜補償［4］，增加線纜頻譜寬度；采用模擬光纜高帶寬傳輸技術［5-7］。

針對某次爆炸實驗，壓桿與測量儀器之間的距離約500m，實驗預期壓桿測壓信號的上升沿1～3μs，對應要求帶寬為116～350 kHz，測試系統(tǒng)建立后，經(jīng)實際測量其系統(tǒng)不失真帶寬為50.7kHz，-3dB帶寬為160 kHz，不能滿足壓桿信號的傳輸要求，本文在不改動傳輸線纜的情況下，利用無源補償技術對測試系統(tǒng)進行快速補償，補償后系統(tǒng)-3dB帶寬達到597kHz，滿足測試需求。

1　補償原理

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)信號的不失真?zhèn)鬏敗Ｒ话闱闆r下，線纜的直徑越細，長度越長，則其帶寬越窄。電纜的無源補償技術其實質(zhì)是一種特殊的濾波器，該濾波器可以實現(xiàn)電纜帶寬的延拓。

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

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

2）利用頻譜儀、信號發(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，建立補償電路。該補償電路的幅頻曲線應近可能接近該差值的幅頻曲線。

5）將補償電路接入線纜，進行測量驗證，并改進優(yōu)化補償電路參數(shù)。

具體實驗時的壓桿測壓系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1　壓桿測壓系統(tǒng)示意圖

如圖所示，應變信號經(jīng)過四芯線、應變儀和同軸電纜傳輸至記錄儀，按照常規(guī)補償方法，分別補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)），直接對整體進行補償，不但工作量小，補償周期短，且補償精度也便于控制。

2　補償技術在壓桿測壓中的應用

利用線纜頻率補償技術，直接對壓桿測壓系統(tǒng)進行整體補償。

2.1補償前系統(tǒng)的頻率響應

為提高頻率補償?shù)目煽啃?，同時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)對不同頻率信號的衰減情況，進而得到帶寬；方波輸入方法，通過系統(tǒng)對方波信號的響應，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，信號發(fā)生器輸出的方波信號其上升沿約1.5ns，對于壓桿測壓系統(tǒng)來說，其信號上升沿在μs量級，可以近似為理想階躍信號源。掃頻得到的幅頻特性歸一化曲線如圖3所示。

圖3　補償前系統(tǒng)的幅頻曲線

圖3中，頻率的起跳點為50.7kHz；-3dB帶寬即幅值衰減至70.79%對應的頻率約為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為階躍信號的上升時間，約2.501 μs，計算帶寬約為139.9 kHz，與掃頻方法得到的160kHz基本一致。

2.2補償電路設計與調(diào)試

根據(jù)補償前系統(tǒng)的幅頻曲線，設計對應的補償電纜。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，應預先確定補償后的截至頻率f1。f1越大，則補償后信號的衰減約大，進而導致信噪比降低。根據(jù)應變測量的實際情況，設計最終的衰減系數(shù)接近50%，則補償電路的理想幅頻曲線應具有如下特征：

圖4　補償前系統(tǒng)的階躍響應

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，若設計為衰減區(qū)間，有利于高頻噪聲的衰減，增加系統(tǒng)的信噪比。

因此該補償電路應兼有低通和帶通特征，該電路類型繁多［9-12］，初步設計的電路如圖5所示。

圖5　補償電路1

如圖5所示，信號源為系統(tǒng)輸入端，RL兩端模擬示波器，為補償后輸出。R1與R2串聯(lián)分壓，使低頻段信號衰減約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，使得高頻段信號衰減。

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

當R1=R2=1.5kΩ，C1=1nF時，利用上式，可計算得出不同頻率下，輸出與輸入的信號比值：在0～33kHz，該比值為50%；在50kHz時，比值為50.1%；在2MHz時，該比值為87.7%，與理想補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格的頻率補償關系，則利用傳遞函數(shù)方法進行理論計算的難度較大，不利于補償電路的快速設計，為此結合電路模擬軟件進行輔助設計。

利用Multisim軟件進行電路仿真試驗，并結合實際的補償電路測試，最終優(yōu)化得到的補償電路如圖6所示。

圖6　補償電路2

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

圖7　補償電路的幅頻曲線

2.3補償后系統(tǒng)的頻率響應

按照圖6所示電路，設計并加工了補償器，補償器外形見圖8，經(jīng)檢驗合格后，將該補償器串接至信號記錄儀的輸入端。

圖8　補償器外形

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

圖9　補償前后系統(tǒng)的幅頻曲線

圖10　補償前后系統(tǒng)的階躍響應

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

對于階躍響應出現(xiàn)的過沖現(xiàn)象，原系統(tǒng)也是存在的，為解決該問題，需要給補償電路傳遞函數(shù)繼續(xù)添加零極點對，該部分內(nèi)容還需進一步研究。

3　結束語

針對實驗現(xiàn)場壓桿測壓系統(tǒng)頻率帶寬不足的情況，提出利用電纜補償方法，直接對測試系統(tǒng)進行整體補償，而不是常規(guī)地對電纜進行單獨補償。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)補償方法，提出了一種補償電路，并利用電路模擬軟件進行輔助設計和優(yōu)化，經(jīng)過現(xiàn)場檢測，補償后壓桿測壓系統(tǒng)的-3dB帶寬達到600kHz，滿足系統(tǒng)要求。與常規(guī)電纜補償方法相比較，整體補償方法具有原理簡單、設計制作周期短的優(yōu)點，適合現(xiàn)場測試系統(tǒng)的快速補償。

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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，主要從事力學測試技術工作。