如何對基于計算機的測量?jì)x器進(jìn)行內部和外部校準

　　基于計算機的虛擬測量儀器比盒式測量儀器的成本要低，近年來(lái)應用普及很快。它與傳統的盒式測量儀器一樣，儀器都有一個(gè)校準有效期，因而需要進(jìn)行定期校準以確保測量精度，本文介紹對基于計算機的測量?jì)x器進(jìn)行內部和外部校準的方法。

　　基于計算機的測量?jì)x器具有很大的靈活性，應用因而日益普及。通過(guò)控制儀器功能，可以開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足特殊要求的測量系統。對任何測量系統來(lái)說(shuō)，成本是第一個(gè)考慮因素。開(kāi)發(fā)一個(gè)基于計算機的測量?jì)x器的費用常常比購買(mǎi)一個(gè)獨立的臺式儀器要便宜幾倍。這是由于硬件成本較低、軟件可重復使用，且一個(gè)測試儀器常?？纱嫒舾瑟毩⒌臏y量?jì)x器的緣故。

　　基于計算機的測量?jì)x器與計算機行業(yè)聯(lián)系緊密，它們得益于計算機技術(shù)的進(jìn)步，這包括開(kāi)放的通信標準、網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器和在儀器和桌面應用之間進(jìn)行電子制表和字處理的簡(jiǎn)單界面。這些測量?jì)x器也因計算機性能的穩定及價(jià)格的降低而獲益，從而使基于計算機的測量?jì)x器在沒(méi)有加價(jià)的條件下性能得到持續的提高。

　　采用校準實(shí)現精確測量

　　大部分測量?jì)x器以精度表的形式提供有關(guān)某一測量?jì)x器的測量線(xiàn)路精確性的信息。精度規范表有助于確定測量?jì)x器總的不確定性，然而，這些精確規范僅適用于被成功校準的電路板，因此，你必須在測量調整前后均要運用這些規范來(lái)驗證板的工作。

　　測量?jì)x器準確測量物理量變化的能力是按照一定的因子變化的。使用壽命、溫度、濕度和暴露在外部環(huán)境的情況及誤用都會(huì )影響測量的準確性。通過(guò)對所得測試結果與己知標準進(jìn)行比較，校準將測量的不確定性進(jìn)行了量化。它要驗證測量?jì)x器是否工作在規定的指標范圍內。如果儀器的測量值超過(guò)了所公布的不確定性，那么就要調整測量電路以使之符合業(yè)已公布的規范。

　　經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，用戶(hù)要對傳統的測量?jì)x器進(jìn)行校準，基于計算機的測量?jì)x器也一樣需要校準。用戶(hù)應當選擇具備內部校準(也稱(chēng)自動(dòng)校準)和外部校準工具的的基于計算機的測試儀器。

　　內部校準

　　如果你使用了如示波器這樣的儀器，那時(shí)你已經(jīng)完成了內部校準。事實(shí)上，當你改變垂直范圍設置的時(shí)候，大部分示波器已完成了內部校準?；旧蟽x器將高精確度和板上電壓源進(jìn)行數字化，并將其讀數與己知值相比較，然后將校準因子保存在儀器自身攜帶的電可擦除只讀存儲器中，這個(gè)自身攜帶的板上電壓源也被校準為如NIST之類(lèi)的大家所知的標準，進(jìn)行內部校準的主要目的是補償工作壞境的變化、內部校準溫度的變化和可能影響測量的其它因素。

　　同傳統的測量?jì)x器一樣，基于計算機的測量?jì)x器應當支持內部校準?；谟嬎銠C的測量?jì)x器的內部校準由調用校準測量電路的軟件功能來(lái)啟動(dòng)。由于測量可立刻進(jìn)行，并且無(wú)須等待這個(gè)內部校準無(wú)論何時(shí)調整垂直范圍，因而由軟件控制的內部校準技術(shù)可節省測試時(shí)間。

　　基于計算機的測量?jì)x器被安裝在桌面計算機、PXI/CompactPCI機箱，或VXI/VME 機箱這樣的環(huán)境中，因為基于計算機測量?jì)x器被安裝于多種不同的計算機環(huán)境當中，設計人員應當記住基于計算機的測量?jì)x器會(huì )受到電磁干擾和電源電壓的變化的影響，還要在寬的溫度范圍下工作。傳統的測量?jì)x器由于同個(gè)人電腦的集成日益緊密，也面臨類(lèi)似的挑戰。

　　消除電磁干擾的最基本的方案包括：將數字和模擬信號的地平面分開(kāi)、對電源信號的進(jìn)行局部過(guò)濾、對敏感元件進(jìn)行屏蔽。為了補償電壓源的變化，可以采用DC-DC轉換器提升電源電壓，采用電壓調節器控制板上電源的電壓，采用大電容消除板上電源的諧波?？梢圆捎冒迳蠝囟葌鞲衅骱蛢炔啃蕘?lái)完成在操作環(huán)境下不同溫度的校準。關(guān)于上述設計技術(shù)的資料，可查詢(xún)NI網(wǎng)站上一篇題為“以基于PC的數據采集硬件來(lái)進(jìn)行精確測量”的白皮書(shū)。

　　許多用戶(hù)都想知道，是否可在不影響校準的情況下將基于計算機的測量?jì)x器從一臺計算機移到另一臺計算機?；卮鹗强隙ǖ?，如果這個(gè)測量?jì)x器采用上述標準進(jìn)行設計，校準仍是有效的?；谟嬎銠C的測量?jì)x器同傳統的儀器一樣，通常在度量衡實(shí)驗室內進(jìn)行校準。這個(gè)實(shí)驗室的操作溫度很可能與生產(chǎn)車(chē)間或設計實(shí)驗室的操作溫度有所不同。將基于計算機的測量?jì)x器安裝到一臺新的計算機與將某一環(huán)境中的傳統的示波器搬到另一個(gè)環(huán)境沒(méi)有區別。由于儀器的設計是面向不同使用環(huán)境的，因而所有校準仍是有效的，上述白皮書(shū)包含了闡明該原因的測試結果。

　　選擇測量?jì)x器時(shí)，要確?；谟嬎銠C的測量?jì)x器支持內部校準。為了方便使用，內部校準的過(guò)程應當自動(dòng)進(jìn)行，也就是說(shuō)，這一過(guò)程無(wú)須調整裝置中的分壓器和跳線(xiàn)。例如，對NI的12位數據采集產(chǎn)品進(jìn)行內部校準，大約10-20秒內就能自動(dòng)完成全量程的內部校準。

　　外部校準

　　經(jīng)過(guò)一段時(shí)期后，通常是一年后，用于完成內部校準的板上電壓源需要校準到某一已知的標準，這一板上電源的校準過(guò)程就是外部校準的一個(gè)例子。

　　外部校準要采用高精度的外部標準。進(jìn)行外部校準期間，板上校準常數要參照外部標準來(lái)調整。同內部校準一樣，外部校準不要求調整分壓計或移動(dòng)跳線(xiàn)。外部校準通常為度量衡實(shí)驗室或其它具有可朔源的機構保留。外部校準一旦完成，新的校準常數就被保存在測量?jì)x器存儲器的被保護區域內且用戶(hù)無(wú)法取得，這樣就保護了由于偶然的調整對校準完整性的影響。無(wú)論任何測量?jì)x器，制造商都必須提供相應的校準流程和在基于計算機的測量?jì)x器裝置上進(jìn)行外部校準所必需的校準軟件。

　　手動(dòng)及自動(dòng)校準流程

　　為了滿(mǎn)足工程師對校準基于計算機的測量?jì)x器的需要，可以采用手動(dòng)及自動(dòng)校準方案。自動(dòng)校準系統能夠快速、無(wú)須人力干預并可提供用于符合像ISO-9000的詳細校準記錄。手動(dòng)校準流程為想要將嵌入校準功能直接嵌入測量系統的的用戶(hù)提供詳盡的信息，這就避免了將基于計算機的測量?jì)x器搬回度量衡實(shí)驗室的麻煩。

　　手動(dòng)校準流程告訴你如何對測量?jì)x器進(jìn)行外部校準，這一流程通常作為測量?jì)x器的保養手冊中的一部分用于銷(xiāo)售，也可以從制造商網(wǎng)站上下載。

　　手動(dòng)流程校準的缺點(diǎn)是費時(shí)費力，這并非由于測量?jì)x器的調整麻煩，而是由于較長(cháng)的測量驗證過(guò)程造成的。要符合校準指南的要求，在校準的前后都要對測量?jì)x器的性能進(jìn)行驗證。只有這樣才能確定測量?jì)x器是否在校準前后的規范內工作

　　。例如，要在E系列數據采集裝置上進(jìn)行外部校準，就要進(jìn)行增益、動(dòng)態(tài)范圍和極性三種測量，這就需要進(jìn)行幾百次的測量。

　　像Fluke MET/CAL這樣的產(chǎn)品和NICalibration Executive工具包含了如何在度量衡實(shí)驗室將這一過(guò)程自動(dòng)化的描述，從而極大地減少外部校準所需要的時(shí)間。通過(guò)GPIB與外部標準通信，校準軟件就能從儀器設置和讀取外部電壓的數值，這些數值然后用于驗證和校準被調整的儀器，校準流程結束時(shí)，可以從配置文件中自動(dòng)讀取儀器技術(shù)指標并生成詳細的校準報告(圖1)。采用自動(dòng)校準軟件，可以在校準一臺傳統測量?jì)x器所需要的時(shí)間之內，同時(shí)測量幾臺測量?jì)x器，尤其當被測裝置中不存在電壓表的時(shí)候，設計這些工具的目的是滿(mǎn)足度量衡實(shí)驗室對校準的嚴格要求。

　　對于自已擁有度量衡實(shí)驗室的大公司，都配備了手動(dòng)流程和校準軟件產(chǎn)品。對于那些沒(méi)有度量衡實(shí)驗室的公司，數據采集和測量?jì)x器公司通常必須與世界各地的度量衡服務(wù)公司合作。

　　通常有2類(lèi)外部校準證書(shū)。一種是基本校準證書(shū)，通常是在產(chǎn)品制造后生成并由測量?jì)x器生產(chǎn)商提供。這種證書(shū)讓NIST或本地標準檢定機構有可能追源儀器的來(lái)源以及在校準有效期內測量環(huán)境狀態(tài)的信息。認證度量衡實(shí)驗室通常是提供詳細的校準認證。這種認證除了提供在基礎認證中所包含的相同信息外，還將每一次測量前后的數據加以完善。詳細地校準認證應當符合ANSI-Z540-1這樣的特定指南的要求，這類(lèi)指南主要為美國所采用，或更多地為ISO指南25所采用。這些指南確保校準的連續性，并且多數經(jīng)過(guò)ISO-9000認證的公司都符合這些指南的要求。

　　本文小結

　　測量?jì)x器基于計算機的測量?jì)x器，同傳統的儀器一樣，需要周期性的內部和外部的校準以確保測量?jì)x器達到所要求的精度。設計正確的基于計算機的測量裝置應當向用戶(hù)提供可進(jìn)行自動(dòng)內部校準的工具和服務(wù)，以及進(jìn)行外部自動(dòng)校準的方法。欲校準了解更多信息，請參見(jiàn)國家儀器校準網(wǎng)：www.ni.com/calibration。