数字多用表校准技术

刘福兴

（上海宝冶集团有限公司，上海，201900）

0 引言

数字多用表是一种可以直接测量电压、电流、电阻或者其它电参量并通过数字显示被测量的仪器。随着科学技术的不断发展，数字多用表的功能越来越强大，用途也越来越广泛，已广泛用于电工、电子、仪器、仪表和测量领域。按照数字多用表的技术特性，必须定期对其进行校准，以确保测量的准确性，测量的目的是为了得到测量结果，任何测量都存在缺陷，所有的测量结果都会或多或少地偏离被测量的真值，因此在给出测量结果的同时还必须指出所给测量结果的可靠程度。根据国标JJF1059-2012《测量不确定度评定与表示》中测量不确定度的概念：用来表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。它将测量过程中来自于测量设备、环境、人员、测量方法及被测量对象所有的不确定因素的集合作为评定测量结果的分量，通过分析计算得到被测量的不确定度。

1 数字多用表的工作原理

数字多用表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式，经过数字逻辑电路处理后以数字的形式加以显示。数字多用表中最基本的功能是对直流电压的测量，其它功能都是通过其内部转换电路转换成与之成比例的直流电压进行测量。输入的交流电压、直流电流、电阻直接转换成相应的直流电压；交流电流先转换成交流电压，然后转换成直流电压。所以对数字多用表的校准应先校准直流电压，然后进行其它功能的校准。

2 校准项目和校准方法

2.1 主要校准项目

数字多用表主要校准项目有：外观检查、示值误差。

2.2 校准方法

2.2.1 校准装置

校准装置使用多功能标准源5700A进行校准。其校准工作原理如图2所示。

图1 数字多用表原理框图

图2 数字多用表校准工作原理图

2.2.2 校准内容

（1）外观检查

数字多用表外观应完好，面板各种标记清楚，读数显示正常，制造厂家、型号、编号等均有明确标记。数字多用表的附件、连接电缆应齐全，接口类型、供电电源电压、频率等标志要正确无误。

（2）示值误差校准

按图2示意连接被校表，将多功能标准源5700A与被校数字多用表对接，由多功能标准源5700A输出标准信号给被校数字多用表，在被校表上读得相应的读数。

3 测量结果不确定度评定

3.1 测量不确定度评定程序

图3 不确定度评定程序

3.2 数字多用表测量结果不确定度评定（以直流电压为例）

3.2.2 数学模型

式中δ——数字多用表各校准点示值误差（V）

Vx ——被校数字多用表各校准点示值（V）

VN——标准器各校准点的输出值（V）

3.2.3 方差及灵敏系数

依照公式：

根据数学模型，得到方差：()2cuδ=c2（Vx）u2（Vx）+c2（VN）u2（VN）

灵敏系数 ：c（VX）=∂δ/ ∂( Vx）= 1

c（VN）=∂δ/ ∂( VN）= -1

3.2.4 不确定度来源

通过分析，数字多用表在测量过程中所产生的不确定分量主要包括由多功能标准源引入的不确定度分量和由被校数字多用表引入的不确定度分量两大部分。下面逐项进行分析。

（1） 由多功能标准源的准确度引起的标准不确度分量u（VN1）（标准不确定度B类评定）。

（2）由多功能标准源的线性度引起的标准不确定度分量u（VN2）（标准不确定度 B 类评定）。

（3）由多功能标准源的负载调整率引起的标准不确定度分量u（VN3）（标准不确定度B类评定）。

（4）由被校数字多用表测量重复性引起的标准不确定度分量 u（VX1）（标准不确定度 A 类评定 ）。

（5） 由被校数字多用表的分辨力引起的标准不确定度分量 u（VX2）（标准不确度B类评定）。

3.2.5 标准不确定度分量的评定

选择1071型数字多用表作为被校表，10V点进行标准不确定度分量的评定。

（1）标准不确定度分量u（VN1）的评定

由多功能标准源5700A的准确度引入的不确定度：u（VN1）, 采用B类评定。

从多功能标准源技术参数得到其准确度为：

（2）标准不确定度分量u（VN2）的评定

从5700A的技术指标中可得到DC 10V档线性度为±(0.3×10-6输出＋2μV )，属均匀分布，包含因子k＝3，则标准不确定度分量

（3）标准不确定度分量u（VN3）的评定

从5700A的技术指标中可得，负载调整率为±(0.2×10-6输出+0.2μV) ，属均匀分布，包含因子k＝3 ，则标准不确定度分量

（4）标准不确定度分量u（VX1）的评定:

由被校数表测量重复性引起的标准不确定度分量u（VX1），对被校数表1071的10V档的满度点，进行10次测量，测量数据如表1所示。

表1 测量数据表

(5)标准不确定度分量u（VX2）的评定

由被校数表1071的分辨力引起的标准不确度分量u（VX2），1071的技术指标可知：10V档时的分辨力为100μV，属均匀分布，半宽为50μV，包含因子k＝3 则标准不确定度分量 u（VX2）为 ：

u（VX1）、u（VX2）合成的标准不确定度为 ：u（VX）

3.2.6 标准不确定度一览表:

表2 标准不确定度表

3.2.7 合成标准不确定度

3.2.8 扩展不确定度

由于标准不确定度分量自由度不能确切获得，一般不对自由度进行估计，通常取包含因子k为2～3，现取k=2，置信概率约为95%，所以,扩展不确定度为：

U＝k·UC＝2×130.7μV＝261.4μV≈0.0003V

4 结束语

通过对数字多用表校准工作原理、校准项目和校准方法的分析研究，使我们对仪器设备的校准技术有了更进一步的认识。以数字多用表直流电压为例，按照测量不确定度评定程序，建立数学模型，寻找出其影响测量结果的不确定度分量，通过实际测量，分类评定，并进行合成，最终得出数字多用表直流电压的测量不确定度。