數(shù)字多用表校準技術(shù)

劉福興

（上海寶冶集團有限公司，上海，201900）

0 引言

數(shù)字多用表是一種可以直接測量電壓、電流、電阻或者其它電參量并通過數(shù)字顯示被測量的儀器。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字多用表的功能越來越強大，用途也越來越廣泛，已廣泛用于電工、電子、儀器、儀表和測量領(lǐng)域。按照數(shù)字多用表的技術(shù)特性，必須定期對其進行校準，以確保測量的準確性，測量的目的是為了得到測量結(jié)果，任何測量都存在缺陷，所有的測量結(jié)果都會或多或少地偏離被測量的真值，因此在給出測量結(jié)果的同時還必須指出所給測量結(jié)果的可靠程度。根據(jù)國標JJF1059-2012《測量不確定度評定與表示》中測量不確定度的概念：用來表征合理地賦予被測量之值的分散性，與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。它將測量過程中來自于測量設(shè)備、環(huán)境、人員、測量方法及被測量對象所有的不確定因素的集合作為評定測量結(jié)果的分量，通過分析計算得到被測量的不確定度。

1 數(shù)字多用表的工作原理

數(shù)字多用表是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式，經(jīng)過數(shù)字邏輯電路處理后以數(shù)字的形式加以顯示。數(shù)字多用表中最基本的功能是對直流電壓的測量，其它功能都是通過其內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成與之成比例的直流電壓進行測量。輸入的交流電壓、直流電流、電阻直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直流電壓；交流電流先轉(zhuǎn)換成交流電壓，然后轉(zhuǎn)換成直流電壓。所以對數(shù)字多用表的校準應(yīng)先校準直流電壓，然后進行其它功能的校準。

2 校準項目和校準方法

2.1 主要校準項目

數(shù)字多用表主要校準項目有：外觀檢查、示值誤差。

2.2 校準方法

2.2.1 校準裝置

校準裝置使用多功能標準源5700A進行校準。其校準工作原理如圖2所示。

圖1 數(shù)字多用表原理框圖

圖2 數(shù)字多用表校準工作原理圖

2.2.2 校準內(nèi)容

（1）外觀檢查

數(shù)字多用表外觀應(yīng)完好，面板各種標記清楚，讀數(shù)顯示正常，制造廠家、型號、編號等均有明確標記。數(shù)字多用表的附件、連接電纜應(yīng)齊全，接口類型、供電電源電壓、頻率等標志要正確無誤。

（2）示值誤差校準

按圖2示意連接被校表，將多功能標準源5700A與被校數(shù)字多用表對接，由多功能標準源5700A輸出標準信號給被校數(shù)字多用表，在被校表上讀得相應(yīng)的讀數(shù)。

3 測量結(jié)果不確定度評定

3.1 測量不確定度評定程序

圖3 不確定度評定程序

3.2 數(shù)字多用表測量結(jié)果不確定度評定（以直流電壓為例）

3.2.2 數(shù)學(xué)模型

式中δ——數(shù)字多用表各校準點示值誤差（V）

Vx ——被校數(shù)字多用表各校準點示值（V）

VN——標準器各校準點的輸出值（V）

3.2.3 方差及靈敏系數(shù)

依照公式：

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，得到方差：()2cuδ=c2（Vx）u2（Vx）+c2（VN）u2（VN）

靈敏系數(shù) ：c（VX）=?δ/ ?( Vx）= 1

c（VN）=?δ/ ?( VN）= -1

3.2.4 不確定度來源

通過分析，數(shù)字多用表在測量過程中所產(chǎn)生的不確定分量主要包括由多功能標準源引入的不確定度分量和由被校數(shù)字多用表引入的不確定度分量兩大部分。下面逐項進行分析。

（1） 由多功能標準源的準確度引起的標準不確度分量u（VN1）（標準不確定度B類評定）。

（2）由多功能標準源的線性度引起的標準不確定度分量u（VN2）（標準不確定度 B 類評定）。

（3）由多功能標準源的負載調(diào)整率引起的標準不確定度分量u（VN3）（標準不確定度B類評定）。

（4）由被校數(shù)字多用表測量重復(fù)性引起的標準不確定度分量 u（VX1）（標準不確定度 A 類評定 ）。

（5） 由被校數(shù)字多用表的分辨力引起的標準不確定度分量 u（VX2）（標準不確度B類評定）。

3.2.5 標準不確定度分量的評定

選擇1071型數(shù)字多用表作為被校表，10V點進行標準不確定度分量的評定。

（1）標準不確定度分量u（VN1）的評定

由多功能標準源5700A的準確度引入的不確定度：u（VN1）, 采用B類評定。

從多功能標準源技術(shù)參數(shù)得到其準確度為：

（2）標準不確定度分量u（VN2）的評定

從5700A的技術(shù)指標中可得到DC 10V檔線性度為±(0.3×10-6輸出＋2μV )，屬均勻分布，包含因子k＝3，則標準不確定度分量

（3）標準不確定度分量u（VN3）的評定

從5700A的技術(shù)指標中可得，負載調(diào)整率為±(0.2×10-6輸出+0.2μV) ，屬均勻分布，包含因子k＝3 ，則標準不確定度分量

（4）標準不確定度分量u（VX1）的評定:

由被校數(shù)表測量重復(fù)性引起的標準不確定度分量u（VX1），對被校數(shù)表1071的10V檔的滿度點，進行10次測量，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測量數(shù)據(jù)表

(5)標準不確定度分量u（VX2）的評定

由被校數(shù)表1071的分辨力引起的標準不確度分量u（VX2），1071的技術(shù)指標可知：10V檔時的分辨力為100μV，屬均勻分布，半寬為50μV，包含因子k＝3 則標準不確定度分量 u（VX2）為 ：

u（VX1）、u（VX2）合成的標準不確定度為 ：u（VX）

3.2.6 標準不確定度一覽表:

表2 標準不確定度表

3.2.7 合成標準不確定度

3.2.8 擴展不確定度

由于標準不確定度分量自由度不能確切獲得，一般不對自由度進行估計，通常取包含因子k為2～3，現(xiàn)取k=2，置信概率約為95%，所以,擴展不確定度為：

U＝k·UC＝2×130.7μV＝261.4μV≈0.0003V

4 結(jié)束語

通過對數(shù)字多用表校準工作原理、校準項目和校準方法的分析研究，使我們對儀器設(shè)備的校準技術(shù)有了更進一步的認識。以數(shù)字多用表直流電壓為例，按照測量不確定度評定程序，建立數(shù)學(xué)模型，尋找出其影響測量結(jié)果的不確定度分量，通過實際測量，分類評定，并進行合成，最終得出數(shù)字多用表直流電壓的測量不確定度。