利用原器校準(zhǔn)法替代多功能校準(zhǔn)源傳統(tǒng)核查的方法研究

張麗梅 張立利

(中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)96分隊(duì)，湛江 524022)

?

利用原器校準(zhǔn)法替代多功能校準(zhǔn)源傳統(tǒng)核查的方法研究

張麗梅 張立利

(中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)96分隊(duì)，湛江 524022)

標(biāo)準(zhǔn)核查是測(cè)量過(guò)程控制的最常用的方法，傳統(tǒng)的核查方法是利用核查標(biāo)準(zhǔn)建立過(guò)程控制參數(shù)，通過(guò)對(duì)核查標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常地、多次測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量過(guò)程的控制[1]。本文提出多功能校準(zhǔn)源5700A系列可以將原器校準(zhǔn)的方法應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)核查，通過(guò)對(duì)兩種方法的研究和比較，分析原器校準(zhǔn)法替代傳統(tǒng)核查方法的可行性和實(shí)用性。

測(cè)量過(guò)程控制；多功能校準(zhǔn)源；標(biāo)準(zhǔn)核查；原器校準(zhǔn)；5700A

0 引言

美國(guó)FLUKE公司的5700A系列多功能校準(zhǔn)源(以下簡(jiǎn)稱5700A系列)是一種實(shí)驗(yàn)室中用作標(biāo)準(zhǔn)的高精度、多功能、可程控的標(biāo)準(zhǔn)器，一般是以一年為周期，送往中國(guó)航天科工集團(tuán)二院二○三所進(jìn)行檢定。這種做法存在因儀器運(yùn)輸、人員素質(zhì)、偶然性和不可預(yù)見(jiàn)等因素，造成儀器性能下降的可能性，不過(guò)，通過(guò)測(cè)量過(guò)程控制可以將這些可能性降到最低。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的核查是測(cè)量過(guò)程控制的重要手段，在對(duì)5700A系列的測(cè)量過(guò)程控制中，傳統(tǒng)的核查方法對(duì)測(cè)量過(guò)程中需要控制的量的技術(shù)要求很高，而且數(shù)據(jù)繁瑣，核查范圍有限，容易出現(xiàn)人為誤差，并且需要花費(fèi)大量的人力物力。采用原器校準(zhǔn)法不但可以提高用戶在兩次校準(zhǔn)之間對(duì)儀器的置信度，還可以降低各種風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，可用于替代傳統(tǒng)的核查方法，在原器校準(zhǔn)中使用統(tǒng)計(jì)學(xué)的軟件程序還能夠增強(qiáng)用戶預(yù)計(jì)儀器性能的能力。

1 傳統(tǒng)的核查方法

測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的核查是通過(guò)監(jiān)視和分析測(cè)量過(guò)程中獲得的數(shù)據(jù)，采取必要的糾正措施，使測(cè)量過(guò)程的不確定度連續(xù)保持在規(guī)定的技術(shù)要求之內(nèi)的一種手段。5700A系列傳統(tǒng)的核查方法類似于對(duì)被測(cè)件的檢定，一般選取基本量程的基本點(diǎn)進(jìn)行核查。

1.1 選定合適的核查標(biāo)準(zhǔn)

核查標(biāo)準(zhǔn)首先必須具有良好的穩(wěn)定性，如果核查標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性不高，則很難判斷出測(cè)量過(guò)程的變化到底是由哪部分引起的；其次，核查標(biāo)準(zhǔn)的精度要求也要和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)，低精度的核查標(biāo)準(zhǔn)很難顯示出測(cè)量過(guò)程中的變化。因此，針對(duì)5700A系列我們必須選定高端的7位半甚至是8位半的數(shù)字表才可以滿足條件，如FLUKE的8508A數(shù)字多用表。

1.2 建立核查數(shù)據(jù)庫(kù)

1.3 對(duì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核查

在對(duì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核查的過(guò)程中，通常對(duì)各個(gè)參數(shù)的典型值進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，一般對(duì)選定的核查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行3組重復(fù)測(cè)量，每組之間時(shí)間間隔為三天到一周左右，組內(nèi)觀測(cè)次數(shù)為6～10次，根據(jù)核查數(shù)據(jù)曲線和平均值控制圖、極差控制圖做出比較，如果核查數(shù)據(jù)在預(yù)先規(guī)定的控制極限以內(nèi)，表明測(cè)量過(guò)程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)，否則就是測(cè)量過(guò)程失控，應(yīng)采取糾正措施直至受控。

1.4 修訂或更新

經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后，對(duì)最初確定的控制極限進(jìn)行修訂或更新。

1.5 核查實(shí)例

如圖1所示是用傳統(tǒng)的方法對(duì)5700A(編號(hào)：7645601)的直流電壓10V點(diǎn)進(jìn)行核查的數(shù)據(jù)，時(shí)間為2002年至2008年，包括平均值控制圖和極差控制圖。

圖1 5700A核查數(shù)據(jù)

2 原器校準(zhǔn)法

2.1 原器校準(zhǔn)的概念

原器校準(zhǔn)(Artifact Calibration)是使被校準(zhǔn)的儀器和原器標(biāo)準(zhǔn)(Artifact Standard，實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)，用于此次稱為原器標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行比率比較的過(guò)程，是將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的賦值傳遞給一個(gè)以上的參量的過(guò)程，即在一臺(tái)儀器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)傳遞的過(guò)程[4]。原器校準(zhǔn)類似于標(biāo)準(zhǔn)的量值溯源，不同之處在于量值溯源是使用一大套外部設(shè)備把標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值傳遞到標(biāo)準(zhǔn)器的各個(gè)量程和功能上去，而原器校準(zhǔn)則是使用儀器內(nèi)部的比率和測(cè)量裝置，利用內(nèi)置軟件程序把它的性能和外部的原器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而獲得一致的校準(zhǔn)質(zhì)量。

2.2 原器校準(zhǔn)的測(cè)量方法

5700A系列是具備原器校準(zhǔn)能力的標(biāo)準(zhǔn)器，其內(nèi)部裝有高性能的內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)、精密的開(kāi)關(guān)電路和微處理器控制的固件校準(zhǔn)步驟，用來(lái)完成這種校準(zhǔn)任務(wù)。5700A系列原器校準(zhǔn)過(guò)程中使用的內(nèi)部電路包括：檢零計(jì)、直流電壓和電阻參考基準(zhǔn)，用作比率計(jì)的脈沖調(diào)寬數(shù)字-模擬變換器(PWMDAC)以及交—直流傳遞系統(tǒng)。原器校準(zhǔn)使用的外部原器標(biāo)準(zhǔn)可以采用FLUKE公司的直流參考標(biāo)準(zhǔn)732B、標(biāo)準(zhǔn)電阻742A—1Ω和742A-10kΩ。具體測(cè)量方法如下：

2.2.1 獲取校準(zhǔn)因子

5700A系列內(nèi)部具有兩個(gè)參考放大器，保證其直流電壓的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，是直流電壓內(nèi)部參考基準(zhǔn)；5700A系列內(nèi)部還有1Ω和10kΩ兩個(gè)電阻器作為內(nèi)部的電阻參考標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)5700A系列使用PWMDAC和檢零計(jì)通過(guò)比率技術(shù)對(duì)內(nèi)部的參考基準(zhǔn)和外部的原器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較時(shí)，其微處理器就計(jì)算出相應(yīng)參考基準(zhǔn)的軟件校準(zhǔn)因子S。

2.2.2 內(nèi)部校準(zhǔn)

使用儀器內(nèi)置的校準(zhǔn)檢查標(biāo)準(zhǔn)，按照一定的增益比率和交—直流傳遞校準(zhǔn)技術(shù)，來(lái)進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)。

圖2 原器校準(zhǔn)測(cè)量方法

交—直流傳遞校準(zhǔn)技術(shù)用于交流量程原器校準(zhǔn)，兩個(gè)固態(tài)有效值熱-電變換器，形成了標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)部的交流電壓參考基準(zhǔn)，其中一個(gè)熱-電變換器只在進(jìn)行原器校準(zhǔn)時(shí)使用，以便把外部的直流原器標(biāo)準(zhǔn)和另一個(gè)熱-電變換器產(chǎn)生的交流電壓進(jìn)行比較。為了保證置信度，標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)部軟件支配兩個(gè)內(nèi)部熱-電變換器進(jìn)行相互比較，以保證其特性一致。

通過(guò)內(nèi)部校準(zhǔn)，使得標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行原器校準(zhǔn)的功能擴(kuò)展到各個(gè)交流、直流電壓和電流量程以及各個(gè)電阻量程。

2.3 原器校準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)核查

具有原器校準(zhǔn)能力的標(biāo)準(zhǔn)器因?yàn)橛辛藘?nèi)部參考基準(zhǔn)和內(nèi)部比較能力以后，該標(biāo)準(zhǔn)器就有了在進(jìn)行原器校準(zhǔn)的時(shí)候收集數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)能夠測(cè)量其漂移和性能的變化，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)測(cè)量所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在各次外部校準(zhǔn)之間執(zhí)行原器校準(zhǔn)，運(yùn)行內(nèi)部校準(zhǔn)檢查程序，使得用戶可以在兩次校準(zhǔn)之間監(jiān)視標(biāo)準(zhǔn)器的性能。由于標(biāo)準(zhǔn)器中的內(nèi)部參考基準(zhǔn)處于良好的控制條件之下，并且對(duì)環(huán)境的變化不敏感，因此可以在標(biāo)準(zhǔn)器的使用環(huán)境中進(jìn)行原器校準(zhǔn)以替換傳統(tǒng)的核查方法，增加標(biāo)準(zhǔn)器的置信度，從而達(dá)到測(cè)量過(guò)程控制的目的。

統(tǒng)計(jì)分析的技術(shù)使得我們能夠?qū)υ谠餍?zhǔn)中收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。使用計(jì)算機(jī)和適當(dāng)?shù)能浖?，就能夠輸入這些數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理和顯示，并用來(lái)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)器的性能。如圖3所示是使用FLUKE測(cè)試軟件包收集和分析5700A內(nèi)部生成的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)得到的結(jié)果，直流220mV量程，黑色的圓點(diǎn)是收集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)，直斜線A是相對(duì)于技術(shù)指標(biāo)的回歸線，彎曲線B和C是相對(duì)的預(yù)計(jì)范圍線。實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要進(jìn)行編程，對(duì)原器校準(zhǔn)中采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，形成核查報(bào)告或其他的分析報(bào)告。

圖3 原器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析報(bào)告

3 原器校準(zhǔn)法與傳統(tǒng)核查方法的比較

3.1 核查范圍大小的比較

傳統(tǒng)方法的核查范圍是核查標(biāo)準(zhǔn)基本量程的基本值，例如核查5700A直流電壓，傳統(tǒng)方法一般只是核查直流電壓10V量程的10V點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的重復(fù)性是否一致來(lái)檢驗(yàn)是否受控。而原器校準(zhǔn)法則是通過(guò)內(nèi)部軟件對(duì)5700A系列的所有參數(shù)的全部量程進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)全面的核查。

3.2 核查準(zhǔn)確度的比較

傳統(tǒng)的核查方法比較準(zhǔn)確，但是也不排除中間過(guò)程出現(xiàn)的意外狀況，例如數(shù)據(jù)庫(kù)建立、控制極限的確立，計(jì)算過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)，在核查操作過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的人為差錯(cuò)；原器校準(zhǔn)法則是利用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部軟件進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)，自動(dòng)收集數(shù)據(jù)，保證總是正確、一致地進(jìn)行校準(zhǔn)工作，所以能夠獲得更加一致的校準(zhǔn)質(zhì)量。

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)直流電壓進(jìn)行核查，采用傳統(tǒng)核查方法時(shí)以10V作為核查點(diǎn)，5700A在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)選定的核查標(biāo)準(zhǔn)8508A進(jìn)行3組重復(fù)測(cè)量，表1中為核查時(shí)間及數(shù)據(jù)，核查受控；采用原器校準(zhǔn)法時(shí)，利用原器標(biāo)準(zhǔn)732B對(duì)5700A進(jìn)行外部校準(zhǔn)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流全部量程的核查，如表2所示是程序讀取的直流電壓11V量程單次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)受控，其中的絕對(duì)偏移和相對(duì)偏移是與原器標(biāo)準(zhǔn)真值的比較。

表1 傳統(tǒng)核查方法數(shù)據(jù)

表2 原器校準(zhǔn)法數(shù)據(jù)

3.3 標(biāo)準(zhǔn)溯源性的比較

溯源性是指通過(guò)不間斷的比較鏈，把個(gè)別的測(cè)量結(jié)果和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或者國(guó)家承認(rèn)的測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)的能力。不通過(guò)和溯源性的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較就不能進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)節(jié)，并且所有的量值傳遞必須使用可靠的比率技術(shù)進(jìn)行。

傳統(tǒng)的核查方法中，標(biāo)準(zhǔn)器和核查標(biāo)準(zhǔn)精度相當(dāng)，需要同時(shí)進(jìn)行周期性溯源，其溯源性如圖4所示。外部檢驗(yàn)通常周期為一年。

圖4 傳統(tǒng)核查方法的溯源性

原器校準(zhǔn)法只需要將原器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外部溯源，經(jīng)過(guò)這一步驟后周期性地進(jìn)行原器校準(zhǔn)，5700A系列可以置信使用兩年，而無(wú)須開(kāi)展進(jìn)一步的外部校驗(yàn)。原器校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器溯源性如圖5所示，比率傳遞和參考基準(zhǔn)處于標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)部。

圖5 原器校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器的溯源性

3.4 相關(guān)開(kāi)銷(xiāo)的比較

采用傳統(tǒng)的核查方法需購(gòu)置高精度數(shù)字多用

表作為核查標(biāo)準(zhǔn)，如8508A，核查標(biāo)準(zhǔn)每年需溯源，費(fèi)用較高，運(yùn)輸過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)較高，每次核查過(guò)程一般需要一周甚至幾周時(shí)間來(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制控制圖，全程需要人工操作；采用原器校準(zhǔn)法時(shí)需購(gòu)置原器標(biāo)準(zhǔn)732B、742A—1Ω和742A-10kΩ，原器標(biāo)準(zhǔn)兩年甚至兩年以上溯源一次，費(fèi)用較低，運(yùn)輸過(guò)程少風(fēng)險(xiǎn)較低，每次核查采用自動(dòng)校準(zhǔn)，只需一個(gè)小時(shí)的時(shí)間，且在校準(zhǔn)過(guò)程中無(wú)需人工干預(yù)。通過(guò)對(duì)兩種方法相關(guān)開(kāi)銷(xiāo)的比較，明顯可看出采用原器校準(zhǔn)法時(shí)在經(jīng)費(fèi)和時(shí)間等方面的開(kāi)銷(xiāo)要優(yōu)于傳統(tǒng)的核查方法。

4 結(jié)論

原器校準(zhǔn)是在設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)各種測(cè)量和校準(zhǔn)儀器時(shí)的一種強(qiáng)大有力的方法。多功能校準(zhǔn)源5700A系列的原器校準(zhǔn)功能應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)核查，替代傳統(tǒng)的核查方法可以提高用戶在兩次校準(zhǔn)之間的置信度，大大減少對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行調(diào)節(jié)校準(zhǔn)和維護(hù)的開(kāi)銷(xiāo)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，并且為核查方法的研究提供了新的思路。

[1] 劉星.軍事裝備試驗(yàn)計(jì)量技術(shù)與管理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005

[2] 葉德培.計(jì)量基礎(chǔ)知識(shí)[M].中國(guó)人民解放軍總裝電子信息部技術(shù)基礎(chǔ)局，1999

[3] 任中平，陶學(xué)軍.期間核查與舒沃特控制圖[J].計(jì)量技術(shù)，2005(4)

[4] Fluke Corporation著，汪鐵華譯.校準(zhǔn)—理論與實(shí)踐[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2000

[5] 崔保健，黃全勝.FLUKE5700A/5720A多功能校準(zhǔn)器檢定/校準(zhǔn)方法的探討[J].計(jì)量技術(shù)，2003(5)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.1.19