多功能校准器自动校准方法

潘 洁 许朝晖 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

多功能校准器是一种可输出多种不同信号的标准源。它是通信、广播、科研、教育、电子电器、生产等领域中必不可少的重要仪器。广泛用于计量行业的量值传递，实验室的科研研究，生产工厂的数字多用表、过程校验仪的检测，现场仪器的维修校准等。

多功能校准器的计量校准具有测试项目多、测量范围广、涉及标准设备多、测试时间长、测试数据点多、后期数据处理繁琐等特点。目前采用人工校准的方法，即人工操作标准设备和被检设备、读取数据及记录、数据处理、报告打印。而在国外，已转变为由计算机控制的全自动或半自动校准方式，可减少人为误差的产生，并减少计量人员的工作量。为了提高工作效率及质量，特对多功能校准器的自动校准方法进行探讨。

1 多功能校准器校准方法

多功能校准器的校准项目主要有：直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻、频率、电压短期稳定度、波形失真等项目。以校准美国FLUKE公司5520A多功能校准器为例，选取其中比较重要且具代表性的“交流电压示值误差”这一参数进行分析。

5520A多功能校准器交流电压共六个量程，其中0.33 ～3.3 V量程准确度最高，以此为例，数据见表1。

根据相关技术要求及厂家技术指标，选取1 kHz为交流电压基本频率，考虑到3.3 V量程的上端、下端及测量的连续性，选取0.4 V、0.8 V、1 V、2 V、3 V为该量程的测试点。

表1 5520A交流电压准确度

交流电压示值误差采用标准表法校准，接线见图1。标准表的选型见表2。

图1 标准表法校准接线

根据规程要求，当标准表的最大允许误差小于被检标准源允许误差的1/3～1/5，可用它作为标准表直接测量多功能校准器，如表2所示。5790A交流测量标准完全符合规程要求，故采用5790A为测量5520A多功能校准器交流电压的标准设备。

2 多功能校准器的校准过程

首先要确认5520A的输出置于关闭状态，正确连接5790A交流测量标准与5520A多功能校准器之间的连接线；将5790A置700 mV量程，设置5520A输出值为交流电压0.4 V，频率1 kHz，按下5520A“OPR”键，输出电压，待5790A读数稳定后记录数据，此读数即为实测值；根据5520A具体输出值改变5790A的量程设置，并按照以上步骤循环进行其他测试点的测试。根据5790A的量程可以看出，要完整地检测5520A的0.33 ～3.3 V量程准确度需要切换5790A量程三次（操作步骤繁琐不一一介绍）。检测完毕对数据进行判定，给出判定结果。至此，对5520A交流电压3.3 V量程的示值误差测量完毕。

表2 5790A与8508A交流电压准确度

2.1 人工手动校准

原先的校准过程均由人工手动接线，需要反复改变5790A的量程、5520A的输出数值和输出单位。按下输出键，记录数据，每一点按照技术指标来进行合格判定。整体测量完后将信息输入计算机打印报告，经核查后签字，校准过程结束（如图2所示）。

2.2 计算机自动校准

图2 人工手动校准

自动校准整个过程中，只需进行通信总线的搭建和仪器之间测量线的连接，在系统中输入设备的信息，选择好校准的项目，其他工作均由计算机完成。第一，手动设定每台仪器在通信总线上的唯一地址，这可以保证计算机与仪器设备之间的正常“对话”；第二，程序自动设定好所需仪器输出或采集数据时的技术参数，通过软件自动发送给仪器设备，使其按照软件规定的设定值改变其测量功能、量程、分辨力、滤波器、采样时间、输出值等；第三，程序在后台对采集来的数据进行处理、分析，按照技术指标判定数据，给出最终结论：合格、不合格，数据合格与否将与数据同时显示在屏幕上；最后，所有校准项目结束，程序自动保存被检仪器的所有信息及数据，并生成符合相关文件的报告（如图3所示）。

图3 计算机自动校准

3 基于LabView的自动校准系统

系统采用美国NI公司的LabView平台开发。LabView是一套由VI模型、图形界面和结构化数据流组成的全新编程软件，是专门为测试测量与自动化行业的工程师开发的图形化开发环境，用于创建测试和测量应用系统，是一种高度交互式的开发环境，应用在设计、控制和测试各个领域（如图4所示）。

3.1 多功能校准器校准系统的组成

自动校准系统的标准设备由FLUKE公司的8508A参考级数字多用电表、FLUKE公司的5790A交流测量标准、Agilent公司53132A频率计数器、R/S公司UPV音频分析仪等组成。

3.2 搭建自动校准通信控制平台

自动校准即通过编程软件的编译，在实现计算机与智能设备通信正常的情况下，由计算机自动控制标准设备对被检设备的校准过程。本系统采用GPIB总线接口方式实现计算机与仪器之间的正常通信。即一种外总线互联方式将智能仪器用机架或层叠方式组建成一个开放式的自动测试系统，具有传输速度快、信号不易被干扰等优点。接口是计算机与智能设备交换信息的桥梁，自动校准系统所涉及到的每一台仪器都带有GPIB接口。对每台设备进行唯一通信地址的设置，通过正确的总线连接就可以实现自动校准系统的正常通信。

图4 自动校准系统总体设计框架

3.3 多功能校准器自动校准软件

由结构框图（图5）可以看出，软件编译包括前台操作和后台运行两个部分。

图5 自动校准软件框图

3.3.1 前台可视操作界面（见图6）

前台操作主要为图形化界面，显示直观，操作方便。上图可视，共分为四个区域：基本信息区、测试功能区、测量数据区、系统控制区。可以在此界面直接填写被校设备的基本信息；根据客户的要求对被检仪器任意选择一项或多项功能进行自动校准；校准项目包括：交直流电压、电流、电阻、频率等，测试数据同步显示在界面的表格中，表格的数据通过软件显示在报告中。通过系统控制区域的按键可以完成对被检设备的自动测试或者对测量中任意测试点的重复测试，并最终将测试数据保存至数据库，生成相应的word报告或LIMS报告。

系统控制——选择相应的功能，对系统输出控制指令，进入后台运行状态。

3.3.2 后台程序运行

按下“开始检测”按键后，程序进入后台运行状态，其中包括控制指令的输出、仪器参数的设置、信号数据的采集、数据的处理和保存以及报告的生成。

图6 自校软件操作界面

以校准5520A电阻功能时的参数设置为例，根据多功能校准器相关校准规范的要求，设置被校5520A的输出值和输出模式，同时相应改变标准设备8508A测试功能：量程、测试模式、采样时间、分辨力等参数的设置，运用LabView中的选择结构、顺序结构、函数调用、数学运算等功能完成控制指令的正常发布及反馈（如图7所示）。

图7 电阻参数设置程序

4 自动校准与人工校准结果比较

使用同一套标准器，对同一台5520A多功能校准器分别采用计算机软件自动校准和人工校准两种方式进行校准，校准结果见表3（仅列出直流电压基本点的数据）。

表3 5520A直流电压校准数据

由表3的比对结果可以看出，软件自动校准结果完全达到多功能校准器的校准要求。相对于人工校准，多功能校准器自动校准系统有如下的特点：

系统图形化操作界面，使用方便，易于掌握操作，数据显示直观，所有测试数据和测试结果在屏幕上直接显示，有助于检测人员直接观察测试结果。校准项目齐全，被检设备可完成交直流电压、电流等十项功能的自动校准，测量人员可根据需要选择全性能校准或只做其中某几项的校准，这些参数的校准覆盖了多功能校准仪的常规校准项目，满足了日常校准的需求。系统增加了每项功能的测量点，基本上每一测试量程都增加了1～2个，共两百多测试点，使测量数据更加全面，覆盖面更广；系统功能完备，自动控制仪器可完成信号输出、量程选择、分辨力设定、滤波器选择、测量等待时间、数据采集等，还可以根据技术指标对校准结果进行判定、分析，对基本信息、测量数据进行保存、修改，生成报告等功能；原始记录无纸化。被检仪器的信息及校准结果自动保存在数据库中，可随时调用、查找，数据库具有完善的数据对象管理功能，且系统的安全性高；省时、省力，人工检测需要四个多小时，而自动测量软件完成十项功能的全部校准和报告只需1.5 h。

5 测量结果的不确定度评定

以用标准表法来测量多功能校准源输出直流电压的示值误差为例。将标准表与被校源直接连接，由被校源输出直流电压给标准表，在标准表上得到相应的读数。标准表采用8508A参考级数字多用电表，被校源选用5520A多功能校准源。以测5520A 3.3 V量程的1 V直流电压为例进行评定。

5.1 输入量VN的标准不确定度u (VN)

输入量VN的不确定度主要来源于8508A数字多用电表测量直流电压的定值不确定度，可根据8508A的测量误差来评定，因此应采用B类评定方法。

8508A的测量1 V直流电压的误差为±0.000 37%，均匀分布，包含因子

测量1 V的直流电压的标准不确定度u (VN)为

5.2 输入量的标准不确定度

被校多功能校准源及数字多用电表的测量重复性，可通过连续测量得到测量列，采用A类评定方法进行评定。对一台被校5520A多功能校准源的3.3 V量程档1 V直流电压进行测试，连续测量10次，得到测量列；计算平均值及单次测量标准偏差（s）：

5.3 合成标准不确定度的评定

输入量VN与彼此独立，互不相关，则

5.4 扩展不确定度的评定U

取扩展因子k = 2，则扩展不确定度U为

5.5 测量不确定度的报告

用数字多功能电表校准多功能校准源1 V直流电压时的扩展不确定度为

其相对扩展不确定度为

6 结语

多功能校准器实现由计算机代替人工操作，减轻工作人员的工作量、减少人为误差，缩短校准时间，提高整体效率，现已运用到日常检测工作中，能满足客户提出的多种检测要求。

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