冲击波存储测试用电荷放大器模块设计(2)
一般冲击波测试中的关键参数是正向超压峰值、持续时间和比冲量，而压电传感器因为其频率响应和灵敏度较高以及频带范围较宽等特点，可以很好地契合于持续时间短、峰值高、脉冲宽度较宽的冲击波信号[2]。很多压电传感器的输出方式为电荷输出，使电荷放大器模块成为以压电传感器作为前置传感器的测量系统中极其重要的二次仪表，所以使用一款符合要求的电荷放大器模块对整个测量结果有至关重要的影响[3]。
冲击波超压测试常用方法有引线电测法与存储测试法。采用引线电测法实测时，需要铺设较长的电缆线。但随着电缆线长度和信号频率的增加，电缆线的等效电阻将增大，这会导致电缆线传输的电压信号幅值衰减、相位滞后，使得测量精度降低。此外，爆炸产生的电磁干扰对电缆线产生的影响也随着线缆长度的增加而增加。为了减小电缆的干扰及线缆敷设的繁琐，采用存储测试法进行冲击波超压测试。但是，现有电荷放大器模块体积较大，无法较好地应用于冲击波超压存储测试，所以需要设计并改进出一款新型的小型电荷放大器模块。因此本文将根据现有的研究资料，设计并制作出一款针对冲击波存储测试用电荷放大器模块。
1.2 国内外发展现状
1.2.1冲击波存储测试技术发展现状
1.2.2电荷放大器模块发展现状
1.3 本课题主要工作及内容安排
本文基于以上的分析研究，在继承现有成果的基础上，依据冲击波超压存储测试的实际要求，设计了冲击波存储测试用电荷放大器模块，并对信号进行一定的转换以方便后续数字电路的使用，同时本课题也采取了程控设计以方便实验人员的操作。设计完成后通过实际实验验证本文所设计的电荷放大器模块是可行和可靠的。各章节具体内容如下：
第1章，主要讲述冲击波压力测量的重要意义，介绍论文背景及国内外研究现状，重点介绍了电荷放大器模块的研究与发展，为接下来的设计分析提供背景指导。
第2章，主要介绍了本文所要达到的技术指标及其理论依据，为放大器的设计提供参数指标要求。
第3章，分模块介绍了电荷放大器模块的组成及功能，主要包括电荷转换模块、滤波模块、放大模块和输出模块，说明了元器件的选用根据以及参数设置依据，计算并仿真各模块的性能。
第4章，进行实验测试并验证了放大器各模块与整体电路的性能，主要介绍了实验设计及结果，并对误差进行一定的分析。
2 电荷放大器模块的设计要求分析
2.1 冲击波超压测量传感器
本文针对高阻抗电荷输出压电式压力传感器进行设计，选用kistler公司的603B冲击波压力传感器作为参考器件，传感器的相关性能指标如表2.1所示：
表2.1 kistler公司603B传感器性能指标
性能 单位 值
测量范围 bar 0~200
过载 bar 350
灵敏度 pC/bar ≈-5.0
由此可知传感器正常输出电荷最大值为1000pC，过载输出为1750pC。所以设计中使用的量程上限为200bar，在确定各模块元器件参数值时均以此为标准。
2.2设计指标分析
根据冲击波信号特征及输出信号要求，电荷放大器模块整体性能指标为：带宽上限100kHz，精度为0.5~1%。同时还要求电荷放大器具备低漂移、高阻抗的性能。由于后续数字板采用STM32为核心芯片，要求输入模拟电压范围为0~3.3V。本设计将从以下几点考虑。
（1）精度0.5~1%：满足精度要求的基础是各关键元器件的值尽可能准确并稳定，例如反馈电容、反馈电阻，核心元件的细微差别经放大后就会产生明显的变化；另一方面的主要是抗干扰问题，噪声信号的加入导致信号失真的现象同样会明显影响精度。基于以上两点，除了选用高精度高性能器件外，需要着重提高系统的抗干扰能力来提高精度。根据输出电压精度0.5~1%的要求，可允许的最大误差为33mV。