banner.jpg)
0 引 言
“科技要發(fā)展，計量須先行”�？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品質(zhì)量的提高，可以說，沒有精確的計量保障幾乎是不可能的。但是，在我國計量界，雖然所使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置、被檢儀表大多已經(jīng)配備了GPIB、RS232等測試接口，但實際的測試校準(zhǔn)過程仍然多數(shù)是手工操作。人工操作各種儀器，手工記錄測試數(shù)據(jù)，人工計算測試不確定度等，不僅工作量巨大，而且容易出錯。為了能提高效率，廣大計量測試人員迫切希望能夠有一種簡便快捷的方法來幫助他們實現(xiàn)計量自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。
本文力圖通過介紹校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件的構(gòu)成，軟件平臺的選擇，校準(zhǔn)校準(zhǔn)點的制定，校準(zhǔn)軟件的設(shè)計、校準(zhǔn)報告模板的設(shè)計等來闡述如何簡單快速地組建、設(shè)計自動校準(zhǔn)系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)基本工作原理
如圖1所示，作者組建的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件包括我所電磁學(xué)最高計量標(biāo)準(zhǔn)--美國FLUKE公司的多功能校準(zhǔn)源5700A(簡稱5700A)，被校準(zhǔn)的數(shù)字電壓表美國Agi-lent公司的34401A(34401A)，美國NI公司的USB-GPIB接口卡(簡稱GPIB卡)，計算機(jī)以及打印機(jī)組成的。通過安裝在計算機(jī)中的Fluke公司的MET／CAL校準(zhǔn)管理軟件平臺(簡稱MET／CAL)及自行編寫的34401A校準(zhǔn)程序控制整個系統(tǒng)實現(xiàn)自動校準(zhǔn)。
程序首先把所需要的控制指令通過GPIB卡發(fā)送給34401A，命令34401A進(jìn)入所要校準(zhǔn)的功能和量程，然后再根據(jù)測試的標(biāo)稱值把相應(yīng)的設(shè)置指令通過GPIB卡發(fā)送給5700A，命令其輸出所要求的測試信號，再把34401A的讀數(shù)返回給計算機(jī)，34401A校準(zhǔn)程序根據(jù)輸出的標(biāo)稱值和標(biāo)準(zhǔn)值即可計算出該校準(zhǔn)點的誤差等數(shù)據(jù)，并保存到數(shù)據(jù)庫中。待所有校準(zhǔn)點完成后再調(diào)用報告模板打印校準(zhǔn)報告。
2 系統(tǒng)硬件選擇
Agilent 34401A是一款61／2位精密數(shù)字多用表，具有交直流電壓、電流、兩線和四線電阻等測量功能，電壓范圍最高可到1000 V，頻率范圍可達(dá)300 kHz，電流可到3 A，電阻可到100MΩ。它具有GPIB，RS-232接口，其指令系統(tǒng)為可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)程控指令(SCPI)，兼容性強(qiáng)，方便程控。其直流電壓的基本指標(biāo)是0．0035％讀數(shù)+0．007％量程。
Fluke 5700A是一臺高精度的多功能校準(zhǔn)器。它不僅具有一年0．0007％的直流電壓高精度，而且功能非常強(qiáng)大，涵蓋了交直流電壓、交直流電流、電阻五項功能，可以輸出最高到1100 V交直流電壓，交流電壓頻率范圍則可從10 Hz～1 MHz變化，電阻輸出具有0～100MΩ共18個標(biāo)準(zhǔn)電阻，交直流電流到2．2 A，可以校準(zhǔn)71／2位以下的精密數(shù)字多用表，具有標(biāo)準(zhǔn)的GPIB接口。要校準(zhǔn)34401A，毫無疑問5700A是最佳的選擇。
NI公司的USB-GPIB接口卡通過USB接口連接到計算機(jī)，而USB接口無論臺式機(jī)或最新型的筆記本電腦均可以支持，而且即插即用，其GPIB總線可同時連接16個GPIB設(shè)備，使用非常方便。它還具有通信速度快，安全可靠的優(yōu)點，是當(dāng)前非常流行的GPIB控制器。
3 系統(tǒng)軟件平臺選擇
要通過GPIB接口編程控制5700A和34401A，在軟件平臺選擇上可以有多個方案，像Microsoft的VB，VC／C++，NI的LabView等都是不錯的選擇。但對于普通計量工作者來說，學(xué)會這些語言的編程絕非易事。沒有一定的編程經(jīng)驗，想完成這個校準(zhǔn)軟件幾乎是不可能的。而作者發(fā)現(xiàn)，使用Fluke的MET／CAL校準(zhǔn)軟件則可以事半功倍，簡單快捷的實現(xiàn)系統(tǒng)的要求。
MET／CAL是我所隨5700A一起購買的一套校準(zhǔn)管理軟件，它內(nèi)部集成了一個Sybase校準(zhǔn)引擎，提供了對包括5700A等校準(zhǔn)器的支持，利用其簡單易懂的編程語言，類似Basic，可以比較方便的編寫多種儀器的校準(zhǔn)程序，通過NI的GPIB接口卡或計算機(jī)自帶的COM串行口對具有GPIB或RS-232接口的儀表實現(xiàn)全自動的計量測試，甚至對沒有接口的儀表也可以實現(xiàn)半自動測試。最為人稱道的是它還可以按ISO17025的要求，實現(xiàn)對每一個校準(zhǔn)點測量不確定度的自動計算，最后利用配套的Crystal Report(水晶報告)軟件設(shè)計校準(zhǔn)證書模板，可以檢索MET／CAL產(chǎn)生的校準(zhǔn)記錄并自動打印出漂亮的符合各單位要求的校準(zhǔn)證書，這無疑可以大大減輕編程人員的負(fù)擔(dān)。
4 設(shè)計校準(zhǔn)點
根據(jù)國家數(shù)字多用表的計量檢定規(guī)程，對34401A進(jìn)行校準(zhǔn)時必須對其交直流電壓、電流、電阻測量功能的各個量程進(jìn)行檢定，每個量程測量3～5個點，基本量程測量10個點，直流信號還要對正負(fù)滿度值進(jìn)行測量，交流信號要對主要的頻率拐點的性能予以驗證；同時標(biāo)準(zhǔn)器和被校表之間的指標(biāo)應(yīng)滿足3～4倍甚至更高的比率，以確保校準(zhǔn)的可靠性。
一般情況下要檢查校準(zhǔn)器的指標(biāo)是否可以校準(zhǔn)被校表，需要根據(jù)每個校準(zhǔn)點的標(biāo)稱值來分別計算校準(zhǔn)器和被校表的技術(shù)指標(biāo)，查看TUR=被校表指標(biāo)／校準(zhǔn)器指標(biāo)是否大于4。例如對直流1 V量程的0．5 V校準(zhǔn)點來說，34401A年技術(shù)指標(biāo)是±(0．5×0．004％+1×0．0007％)V=±0．000027 V，而5700A的年技術(shù)指標(biāo)是±(0．5×0．0007％+0．000001)V=±0．0000045 V，因此TUR=6，符合校準(zhǔn)要求。而MET／CAL則可以直接報告程序中每一點的TUR，不需要用戶計算，因此可以很方便的確定校準(zhǔn)是否符合校準(zhǔn)要求。
9．001 5700 1 0．500000V 49％79％2W#! Test+Tol 2 Te-005,SysTol 4 5e-006V，TUR60000(≥4.00)。因此，根據(jù)34401A各功能的技術(shù)指標(biāo)及5700A多功能校準(zhǔn)器的技術(shù)指標(biāo)和輸出能力，也結(jié)合了我所數(shù)字多用表在科研生產(chǎn)中的應(yīng)用情況制定了各功能的校準(zhǔn)點。其中交流電壓功能校準(zhǔn)點如表1所示。
5 34401A自動校準(zhǔn)程序的編寫
5．1 34401A的命令集
在確定了測試順序后，就要著手查閱34401A的用戶手冊的程控章節(jié)，找到相應(yīng)測試功能的SCPI指令代碼。程序中使用的主要程控命令如表2所示：
5．2 5700A的命令集
若是用其他語言來編寫這個校準(zhǔn)程序，還需要查閱5700A的說明書獲取控制5700A的各項功能輸出的GPIB指令。但在MET／CAL中，就無需這個過程了。由于MET／CAL已能夠直接支持5700A，即已經(jīng)為其定義了5700FSC(Function Selection Code功能選擇代碼)，因此只需查閱MET／CAL的幫助文件獲取各項功能的關(guān)鍵字即可實現(xiàn)對5700輸出的控制。同時MET／CAL自動將5700A的指標(biāo)傳遞給系統(tǒng)以方便計算測試不確定度。如“5700 1．000000V 20kHz 2W”表示“5700A以方式輸出交流電壓1V@20kHz”。
5．3 MET／CAL的部分命令集
在MET／CAL中無需自行設(shè)計圖形界面，只需用系統(tǒng)定義的關(guān)鍵字輸出相應(yīng)的提示語句，標(biāo)題欄等系統(tǒng)即可以標(biāo)準(zhǔn)對話框的形式或固定格式顯示出來。測試結(jié)果會在已定義好的窗口中直接按標(biāo)準(zhǔn)格式顯示，等措施都大為簡化了程序的設(shè)計，并且保證了所有的MET／CAL程序都具有統(tǒng)一的運行風(fēng)格。比如“VSET Nthrow＝1Nmeas＝6”是一條全局有效指令，設(shè)置在每一個校準(zhǔn)點都會自動拋棄第一個可能不夠穩(wěn)定的讀數(shù)，然后再自動測量六個讀數(shù)用于計算校準(zhǔn)不確定度。
