張麗梅 張立利

(中國人民解放軍91388部隊96分隊，湛江 524022)

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利用原器校準法替代多功能校準源傳統(tǒng)核查的方法研究

張麗梅 張立利

(中國人民解放軍91388部隊96分隊，湛江 524022)

標準核查是測量過程控制的最常用的方法，傳統(tǒng)的核查方法是利用核查標準建立過程控制參數(shù)，通過對核查標準經常地、多次測量實現(xiàn)對測量過程的控制[1]。本文提出多功能校準源5700A系列可以將原器校準的方法應用于標準核查，通過對兩種方法的研究和比較，分析原器校準法替代傳統(tǒng)核查方法的可行性和實用性。

測量過程控制；多功能校準源；標準核查；原器校準；5700A

0 引言

美國FLUKE公司的5700A系列多功能校準源(以下簡稱5700A系列)是一種實驗室中用作標準的高精度、多功能、可程控的標準器，一般是以一年為周期，送往中國航天科工集團二院二○三所進行檢定。這種做法存在因儀器運輸、人員素質、偶然性和不可預見等因素，造成儀器性能下降的可能性，不過，通過測量過程控制可以將這些可能性降到最低。測量標準的核查是測量過程控制的重要手段，在對5700A系列的測量過程控制中，傳統(tǒng)的核查方法對測量過程中需要控制的量的技術要求很高，而且數(shù)據(jù)繁瑣，核查范圍有限，容易出現(xiàn)人為誤差，并且需要花費大量的人力物力。采用原器校準法不但可以提高用戶在兩次校準之間對儀器的置信度，還可以降低各種風險和費用，可用于替代傳統(tǒng)的核查方法，在原器校準中使用統(tǒng)計學的軟件程序還能夠增強用戶預計儀器性能的能力。

1 傳統(tǒng)的核查方法

測量標準的核查是通過監(jiān)視和分析測量過程中獲得的數(shù)據(jù)，采取必要的糾正措施，使測量過程的不確定度連續(xù)保持在規(guī)定的技術要求之內的一種手段。5700A系列傳統(tǒng)的核查方法類似于對被測件的檢定，一般選取基本量程的基本點進行核查。

1.1 選定合適的核查標準

核查標準首先必須具有良好的穩(wěn)定性，如果核查標準的穩(wěn)定性不高，則很難判斷出測量過程的變化到底是由哪部分引起的；其次，核查標準的精度要求也要和測量標準相適應，低精度的核查標準很難顯示出測量過程中的變化。因此，針對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

1.3 對測量標準進行核查

在對測量標準進行核查的過程中，通常對各個參數(shù)的典型值進行重復測量，一般對選定的核查標準進行3組重復測量，每組之間時間間隔為三天到一周左右，組內觀測次數(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)在預先規(guī)定的控制極限以內，表明測量過程處于統(tǒng)計控制狀態(tài)，否則就是測量過程失控，應采取糾正措施直至受控。

1.4 修訂或更新

經過一定的時間后，對最初確定的控制極限進行修訂或更新。

1.5 核查實例

如圖1所示是用傳統(tǒng)的方法對5700A(編號：7645601)的直流電壓10V點進行核查的數(shù)據(jù)，時間為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 原器校準法

2.1 原器校準的概念

原器校準(Artifact Calibration)是使被校準的儀器和原器標準(Artifact Standard，實物標準，用于此次稱為原器標準)進行比率比較的過程，是將一個標準的賦值傳遞給一個以上的參量的過程，即在一臺儀器內部實現(xiàn)傳遞的過程[4]。原器校準類似于標準的量值溯源，不同之處在于量值溯源是使用一大套外部設備把標準數(shù)值傳遞到標準器的各個量程和功能上去，而原器校準則是使用儀器內部的比率和測量裝置，利用內置軟件程序把它的性能和外部的原器標準進行比較，從而獲得一致的校準質量。

2.2 原器校準的測量方法

5700A系列是具備原器校準能力的標準器，其內部裝有高性能的內置標準、精密的開關電路和微處理器控制的固件校準步驟，用來完成這種校準任務。5700A系列原器校準過程中使用的內部電路包括：檢零計、直流電壓和電阻參考基準，用作比率計的脈沖調寬數(shù)字-模擬變換器(PWMDAC)以及交—直流傳遞系統(tǒng)。原器校準使用的外部原器標準可以采用FLUKE公司的直流參考標準732B、標準電阻742A—1Ω和742A-10kΩ。具體測量方法如下：

2.2.1 獲取校準因子

5700A系列內部具有兩個參考放大器，保證其直流電壓的準確度和穩(wěn)定性，是直流電壓內部參考基準；5700A系列內部還有1Ω和10kΩ兩個電阻器作為內部的電阻參考標準。當5700A系列使用PWMDAC和檢零計通過比率技術對內部的參考基準和外部的原器標準進行比較時，其微處理器就計算出相應參考基準的軟件校準因子S。

2.2.2 內部校準

使用儀器內置的校準檢查標準，按照一定的增益比率和交—直流傳遞校準技術，來進行內部校準。

圖2 原器校準測量方法

交—直流傳遞校準技術用于交流量程原器校準，兩個固態(tài)有效值熱-電變換器，形成了標準器內部的交流電壓參考基準，其中一個熱-電變換器只在進行原器校準時使用，以便把外部的直流原器標準和另一個熱-電變換器產生的交流電壓進行比較。為了保證置信度，標準器內部軟件支配兩個內部熱-電變換器進行相互比較，以保證其特性一致。

通過內部校準，使得標準器進行原器校準的功能擴展到各個交流、直流電壓和電流量程以及各個電阻量程。

2.3 原器校準與標準核查

具有原器校準能力的標準器因為有了內部參考基準和內部比較能力以后，該標準器就有了在進行原器校準的時候收集數(shù)據(jù)的能力，同時能夠測量其漂移和性能的變化，并通過統(tǒng)計技術對測量所得的數(shù)據(jù)進行分析。在各次外部校準之間執(zhí)行原器校準，運行內部校準檢查程序，使得用戶可以在兩次校準之間監(jiān)視標準器的性能。由于標準器中的內部參考基準處于良好的控制條件之下，并且對環(huán)境的變化不敏感，因此可以在標準器的使用環(huán)境中進行原器校準以替換傳統(tǒng)的核查方法，增加標準器的置信度，從而達到測量過程控制的目的。

統(tǒng)計分析的技術使得我們能夠對在原器校準中收集的數(shù)據(jù)進行分析。使用計算機和適當?shù)能浖?，就能夠輸入這些數(shù)據(jù)，對其進行處理和顯示，并用來評價標準器的性能。如圖3所示是使用FLUKE測試軟件包收集和分析5700A內部生成的校準數(shù)據(jù)得到的結果，直流220mV量程，黑色的圓點是收集到的數(shù)據(jù)點，直斜線A是相對于技術指標的回歸線，彎曲線B和C是相對的預計范圍線。實際應用中可以根據(jù)需要進行編程，對原器校準中采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，形成核查報告或其他的分析報告。

圖3 原器校準數(shù)據(jù)分析報告

3 原器校準法與傳統(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準基本量程的基本值，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，通過測量標準的重復性是否一致來檢驗是否受控。而原器校準法則是通過內部軟件對5700A系列的所有參數(shù)的全部量程進行比較，實現(xiàn)全面的核查。

3.2 核查準確度的比較

傳統(tǒng)的核查方法比較準確，但是也不排除中間過程出現(xiàn)的意外狀況，例如數(shù)據(jù)庫建立、控制極限的確立，計算過程中可能會出現(xiàn)差錯，在核查操作過程中可能會出現(xiàn)的人為差錯；原器校準法則是利用標準內部軟件進行內部校準，自動收集數(shù)據(jù)，保證總是正確、一致地進行校準工作，所以能夠獲得更加一致的校準質量。

實際應用中，對直流電壓進行核查，采用傳統(tǒng)核查方法時以10V作為核查點，5700A在一段時間內對選定的核查標準8508A進行3組重復測量，表1中為核查時間及數(shù)據(jù)，核查受控；采用原器校準法時，利用原器標準732B對5700A進行外部校準即可實現(xiàn)對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量程單次校準數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)受控，其中的絕對偏移和相對偏移是與原器標準真值的比較。

表1 傳統(tǒng)核查方法數(shù)據(jù)

表2 原器校準法數(shù)據(jù)

3.3 標準溯源性的比較

溯源性是指通過不間斷的比較鏈，把個別的測量結果和國家標準或者國家承認的測量系統(tǒng)聯(lián)系起來的能力。不通過和溯源性的標準進行比較就不能進行校準調節(jié)，并且所有的量值傳遞必須使用可靠的比率技術進行。

傳統(tǒng)的核查方法中，標準器和核查標準精度相當，需要同時進行周期性溯源，其溯源性如圖4所示。外部檢驗通常周期為一年。

圖4 傳統(tǒng)核查方法的溯源性

原器校準法只需要將原器標準進行外部溯源，經過這一步驟后周期性地進行原器校準，5700A系列可以置信使用兩年，而無須開展進一步的外部校驗。原器校準的標準器溯源性如圖5所示，比率傳遞和參考基準處于標準器內部。

圖5 原器校準標準器的溯源性

3.4 相關開銷的比較

采用傳統(tǒng)的核查方法需購置高精度數(shù)字多用

表作為核查標準，如8508A，核查標準每年需溯源，費用較高，運輸過程中風險較高，每次核查過程一般需要一周甚至幾周時間來測量數(shù)據(jù)，繪制控制圖，全程需要人工操作；采用原器校準法時需購置原器標準732B、742A—1Ω和742A-10kΩ，原器標準兩年甚至兩年以上溯源一次，費用較低，運輸過程少風險較低，每次核查采用自動校準，只需一個小時的時間，且在校準過程中無需人工干預。通過對兩種方法相關開銷的比較，明顯可看出采用原器校準法時在經費和時間等方面的開銷要優(yōu)于傳統(tǒng)的核查方法。

4 結論

原器校準是在設計和校準各種測量和校準儀器時的一種強大有力的方法。多功能校準源5700A系列的原器校準功能應用于標準核查，替代傳統(tǒng)的核查方法可以提高用戶在兩次校準之間的置信度，大大減少對標準器進行調節(jié)校準和維護的開銷，具有很強的實用性，并且為核查方法的研究提供了新的思路。

[1] 劉星.軍事裝備試驗計量技術與管理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005

[2] 葉德培.計量基礎知識[M].中國人民解放軍總裝電子信息部技術基礎局，1999

[3] 任中平，陶學軍.期間核查與舒沃特控制圖[J].計量技術，2005(4)

[4] Fluke Corporation著，汪鐵華譯.校準—理論與實踐[M].北京：中國計量出版社，2000

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

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.1.19