多功能校準(zhǔn)器自動(dòng)校準(zhǔn)方法

潘 潔 許朝暉 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

多功能校準(zhǔn)器是一種可輸出多種不同信號的標(biāo)準(zhǔn)源。它是通信、廣播、科研、教育、電子電器、生產(chǎn)等領(lǐng)域中必不可少的重要儀器。廣泛用于計(jì)量行業(yè)的量值傳遞，實(shí)驗(yàn)室的科研研究，生產(chǎn)工廠的數(shù)字多用表、過程校驗(yàn)儀的檢測，現(xiàn)場儀器的維修校準(zhǔn)等。

多功能校準(zhǔn)器的計(jì)量校準(zhǔn)具有測試項(xiàng)目多、測量范圍廣、涉及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備多、測試時(shí)間長、測試數(shù)據(jù)點(diǎn)多、后期數(shù)據(jù)處理繁瑣等特點(diǎn)。目前采用人工校準(zhǔn)的方法，即人工操作標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和被檢設(shè)備、讀取數(shù)據(jù)及記錄、數(shù)據(jù)處理、報(bào)告打印。而在國外，已轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎?jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)或半自動(dòng)校準(zhǔn)方式，可減少人為誤差的產(chǎn)生，并減少計(jì)量人員的工作量。為了提高工作效率及質(zhì)量，特對多功能校準(zhǔn)器的自動(dòng)校準(zhǔn)方法進(jìn)行探討。

1 多功能校準(zhǔn)器校準(zhǔn)方法

多功能校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)項(xiàng)目主要有：直流電壓、交流電壓、直流電流、交流電流、電阻、頻率、電壓短期穩(wěn)定度、波形失真等項(xiàng)目。以校準(zhǔn)美國FLUKE公司5520A多功能校準(zhǔn)器為例，選取其中比較重要且具代表性的“交流電壓示值誤差”這一參數(shù)進(jìn)行分析。

5520A多功能校準(zhǔn)器交流電壓共六個(gè)量程，其中0.33 ～3.3 V量程準(zhǔn)確度最高，以此為例，數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求及廠家技術(shù)指標(biāo)，選取1 kHz為交流電壓基本頻率，考慮到3.3 V量程的上端、下端及測量的連續(xù)性，選取0.4 V、0.8 V、1 V、2 V、3 V為該量程的測試點(diǎn)。

表1 5520A交流電壓準(zhǔn)確度

交流電壓示值誤差采用標(biāo)準(zhǔn)表法校準(zhǔn)，接線見圖1。標(biāo)準(zhǔn)表的選型見表2。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)表法校準(zhǔn)接線

根據(jù)規(guī)程要求，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)表的最大允許誤差小于被檢標(biāo)準(zhǔn)源允許誤差的1/3～1/5，可用它作為標(biāo)準(zhǔn)表直接測量多功能校準(zhǔn)器，如表2所示。5790A交流測量標(biāo)準(zhǔn)完全符合規(guī)程要求，故采用5790A為測量5520A多功能校準(zhǔn)器交流電壓的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

2 多功能校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)過程

首先要確認(rèn)5520A的輸出置于關(guān)閉狀態(tài)，正確連接5790A交流測量標(biāo)準(zhǔn)與5520A多功能校準(zhǔn)器之間的連接線；將5790A置700 mV量程，設(shè)置5520A輸出值為交流電壓0.4 V，頻率1 kHz，按下5520A“OPR”鍵，輸出電壓，待5790A讀數(shù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，此讀數(shù)即為實(shí)測值；根據(jù)5520A具體輸出值改變5790A的量程設(shè)置，并按照以上步驟循環(huán)進(jìn)行其他測試點(diǎn)的測試。根據(jù)5790A的量程可以看出，要完整地檢測5520A的0.33 ～3.3 V量程準(zhǔn)確度需要切換5790A量程三次（操作步驟繁瑣不一一介紹）。檢測完畢對數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，給出判定結(jié)果。至此，對5520A交流電壓3.3 V量程的示值誤差測量完畢。

表2 5790A與8508A交流電壓準(zhǔn)確度

2.1 人工手動(dòng)校準(zhǔn)

原先的校準(zhǔn)過程均由人工手動(dòng)接線，需要反復(fù)改變5790A的量程、5520A的輸出數(shù)值和輸出單位。按下輸出鍵，記錄數(shù)據(jù)，每一點(diǎn)按照技術(shù)指標(biāo)來進(jìn)行合格判定。整體測量完后將信息輸入計(jì)算機(jī)打印報(bào)告，經(jīng)核查后簽字，校準(zhǔn)過程結(jié)束（如圖2所示）。

2.2 計(jì)算機(jī)自動(dòng)校準(zhǔn)

圖2 人工手動(dòng)校準(zhǔn)

自動(dòng)校準(zhǔn)整個(gè)過程中，只需進(jìn)行通信總線的搭建和儀器之間測量線的連接，在系統(tǒng)中輸入設(shè)備的信息，選擇好校準(zhǔn)的項(xiàng)目，其他工作均由計(jì)算機(jī)完成。第一，手動(dòng)設(shè)定每臺(tái)儀器在通信總線上的唯一地址，這可以保證計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備之間的正?！皩υ挕?；第二，程序自動(dòng)設(shè)定好所需儀器輸出或采集數(shù)據(jù)時(shí)的技術(shù)參數(shù)，通過軟件自動(dòng)發(fā)送給儀器設(shè)備，使其按照軟件規(guī)定的設(shè)定值改變其測量功能、量程、分辨力、濾波器、采樣時(shí)間、輸出值等；第三，程序在后臺(tái)對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，按照技術(shù)指標(biāo)判定數(shù)據(jù)，給出最終結(jié)論：合格、不合格，數(shù)據(jù)合格與否將與數(shù)據(jù)同時(shí)顯示在屏幕上；最后，所有校準(zhǔn)項(xiàng)目結(jié)束，程序自動(dòng)保存被檢儀器的所有信息及數(shù)據(jù)，并生成符合相關(guān)文件的報(bào)告（如圖3所示）。

圖3 計(jì)算機(jī)自動(dòng)校準(zhǔn)

3 基于LabView的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用美國NI公司的LabView平臺(tái)開發(fā)。LabView是一套由VI模型、圖形界面和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流組成的全新編程軟件，是專門為測試測量與自動(dòng)化行業(yè)的工程師開發(fā)的圖形化開發(fā)環(huán)境，用于創(chuàng)建測試和測量應(yīng)用系統(tǒng)，是一種高度交互式的開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用在設(shè)計(jì)、控制和測試各個(gè)領(lǐng)域（如圖4所示）。

3.1 多功能校準(zhǔn)器校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成

自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備由FLUKE公司的8508A參考級數(shù)字多用電表、FLUKE公司的5790A交流測量標(biāo)準(zhǔn)、Agilent公司53132A頻率計(jì)數(shù)器、R/S公司UPV音頻分析儀等組成。

3.2 搭建自動(dòng)校準(zhǔn)通信控制平臺(tái)

自動(dòng)校準(zhǔn)即通過編程軟件的編譯，在實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與智能設(shè)備通信正常的情況下，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對被檢設(shè)備的校準(zhǔn)過程。本系統(tǒng)采用GPIB總線接口方式實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀器之間的正常通信。即一種外總線互聯(lián)方式將智能儀器用機(jī)架或?qū)盈B方式組建成一個(gè)開放式的自動(dòng)測試系統(tǒng)，具有傳輸速度快、信號不易被干擾等優(yōu)點(diǎn)。接口是計(jì)算機(jī)與智能設(shè)備交換信息的橋梁，自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)所涉及到的每一臺(tái)儀器都帶有GPIB接口。對每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行唯一通信地址的設(shè)置，通過正確的總線連接就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的正常通信。

圖4 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

3.3 多功能校準(zhǔn)器自動(dòng)校準(zhǔn)軟件

由結(jié)構(gòu)框圖（圖5）可以看出，軟件編譯包括前臺(tái)操作和后臺(tái)運(yùn)行兩個(gè)部分。

圖5 自動(dòng)校準(zhǔn)軟件框圖

3.3.1 前臺(tái)可視操作界面（見圖6）

前臺(tái)操作主要為圖形化界面，顯示直觀，操作方便。上圖可視，共分為四個(gè)區(qū)域：基本信息區(qū)、測試功能區(qū)、測量數(shù)據(jù)區(qū)、系統(tǒng)控制區(qū)?？梢栽诖私缑嬷苯犹顚懕恍ＴO(shè)備的基本信息；根據(jù)客戶的要求對被檢儀器任意選擇一項(xiàng)或多項(xiàng)功能進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)；校準(zhǔn)項(xiàng)目包括：交直流電壓、電流、電阻、頻率等，測試數(shù)據(jù)同步顯示在界面的表格中，表格的數(shù)據(jù)通過軟件顯示在報(bào)告中。通過系統(tǒng)控制區(qū)域的按鍵可以完成對被檢設(shè)備的自動(dòng)測試或者對測量中任意測試點(diǎn)的重復(fù)測試，并最終將測試數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，生成相應(yīng)的word報(bào)告或LIMS報(bào)告。

系統(tǒng)控制——選擇相應(yīng)的功能，對系統(tǒng)輸出控制指令，進(jìn)入后臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)。

3.3.2 后臺(tái)程序運(yùn)行

按下“開始檢測”按鍵后，程序進(jìn)入后臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，其中包括控制指令的輸出、儀器參數(shù)的設(shè)置、信號數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的處理和保存以及報(bào)告的生成。

圖6 自校軟件操作界面

以校準(zhǔn)5520A電阻功能時(shí)的參數(shù)設(shè)置為例，根據(jù)多功能校準(zhǔn)器相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范的要求，設(shè)置被校5520A的輸出值和輸出模式，同時(shí)相應(yīng)改變標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備8508A測試功能：量程、測試模式、采樣時(shí)間、分辨力等參數(shù)的設(shè)置，運(yùn)用LabView中的選擇結(jié)構(gòu)、順序結(jié)構(gòu)、函數(shù)調(diào)用、數(shù)學(xué)運(yùn)算等功能完成控制指令的正常發(fā)布及反饋（如圖7所示）。

圖7 電阻參數(shù)設(shè)置程序

4 自動(dòng)校準(zhǔn)與人工校準(zhǔn)結(jié)果比較

使用同一套標(biāo)準(zhǔn)器，對同一臺(tái)5520A多功能校準(zhǔn)器分別采用計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)校準(zhǔn)和人工校準(zhǔn)兩種方式進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果見表3（僅列出直流電壓基本點(diǎn)的數(shù)據(jù)）。

表3 5520A直流電壓校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

由表3的比對結(jié)果可以看出，軟件自動(dòng)校準(zhǔn)結(jié)果完全達(dá)到多功能校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)要求。相對于人工校準(zhǔn)，多功能校準(zhǔn)器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)有如下的特點(diǎn)：

系統(tǒng)圖形化操作界面，使用方便，易于掌握操作，數(shù)據(jù)顯示直觀，所有測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果在屏幕上直接顯示，有助于檢測人員直接觀察測試結(jié)果。校準(zhǔn)項(xiàng)目齊全，被檢設(shè)備可完成交直流電壓、電流等十項(xiàng)功能的自動(dòng)校準(zhǔn)，測量人員可根據(jù)需要選擇全性能校準(zhǔn)或只做其中某幾項(xiàng)的校準(zhǔn)，這些參數(shù)的校準(zhǔn)覆蓋了多功能校準(zhǔn)儀的常規(guī)校準(zhǔn)項(xiàng)目，滿足了日常校準(zhǔn)的需求。系統(tǒng)增加了每項(xiàng)功能的測量點(diǎn)，基本上每一測試量程都增加了1～2個(gè)，共兩百多測試點(diǎn)，使測量數(shù)據(jù)更加全面，覆蓋面更廣；系統(tǒng)功能完備，自動(dòng)控制儀器可完成信號輸出、量程選擇、分辨力設(shè)定、濾波器選擇、測量等待時(shí)間、數(shù)據(jù)采集等，還可以根據(jù)技術(shù)指標(biāo)對校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行判定、分析，對基本信息、測量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、修改，生成報(bào)告等功能；原始記錄無紙化。被檢儀器的信息及校準(zhǔn)結(jié)果自動(dòng)保存在數(shù)據(jù)庫中，可隨時(shí)調(diào)用、查找，數(shù)據(jù)庫具有完善的數(shù)據(jù)對象管理功能，且系統(tǒng)的安全性高；省時(shí)、省力，人工檢測需要四個(gè)多小時(shí)，而自動(dòng)測量軟件完成十項(xiàng)功能的全部校準(zhǔn)和報(bào)告只需1.5 h。

5 測量結(jié)果的不確定度評定

以用標(biāo)準(zhǔn)表法來測量多功能校準(zhǔn)源輸出直流電壓的示值誤差為例。將標(biāo)準(zhǔn)表與被校源直接連接，由被校源輸出直流電壓給標(biāo)準(zhǔn)表，在標(biāo)準(zhǔn)表上得到相應(yīng)的讀數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)表采用8508A參考級數(shù)字多用電表，被校源選用5520A多功能校準(zhǔn)源。以測5520A 3.3 V量程的1 V直流電壓為例進(jìn)行評定。

5.1 輸入量VN的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u (VN)

輸入量VN的不確定度主要來源于8508A數(shù)字多用電表測量直流電壓的定值不確定度，可根據(jù)8508A的測量誤差來評定，因此應(yīng)采用B類評定方法。

8508A的測量1 V直流電壓的誤差為±0.000 37%，均勻分布，包含因子

測量1 V的直流電壓的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u (VN)為

5.2 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

被校多功能校準(zhǔn)源及數(shù)字多用電表的測量重復(fù)性，可通過連續(xù)測量得到測量列，采用A類評定方法進(jìn)行評定。對一臺(tái)被校5520A多功能校準(zhǔn)源的3.3 V量程檔1 V直流電壓進(jìn)行測試，連續(xù)測量10次，得到測量列；計(jì)算平均值及單次測量標(biāo)準(zhǔn)偏差（s）：

5.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

輸入量VN與彼此獨(dú)立，互不相關(guān)，則

5.4 擴(kuò)展不確定度的評定U

取擴(kuò)展因子k = 2，則擴(kuò)展不確定度U為

5.5 測量不確定度的報(bào)告

用數(shù)字多功能電表校準(zhǔn)多功能校準(zhǔn)源1 V直流電壓時(shí)的擴(kuò)展不確定度為

其相對擴(kuò)展不確定度為

6 結(jié)語

多功能校準(zhǔn)器實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)代替人工操作，減輕工作人員的工作量、減少人為誤差，縮短校準(zhǔn)時(shí)間，提高整體效率，現(xiàn)已運(yùn)用到日常檢測工作中，能滿足客戶提出的多種檢測要求。

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