如何對基于計算機(jī)的測量儀器進(jìn)行內(nèi)部和外部校準(zhǔn)

    基于計算機(jī)的虛擬測量儀器比盒式測量儀器的成本要低，近年來應(yīng)用普及很快。 

    它與傳統(tǒng)的盒式測量儀器一樣，儀器都有一個校準(zhǔn)有效期，因而需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)以確保測量精度，本文介紹對基于計算機(jī)的測量儀器進(jìn)行內(nèi)部和外部校準(zhǔn)的方法。

　　基于計算機(jī)的測量儀器具有很大的靈活性，應(yīng)用因而日益普及。通過控制儀器功能，可以開發(fā)滿足特殊要求的測量系統(tǒng)。對任何測量系統(tǒng)來說，成本是第一個考慮因素。開發(fā)一個基于計算機(jī)的測量儀器的費用常常比購買一個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(fù)使用，且一個測試儀器常?？纱嫒舾瑟毩⒌臏y量儀器的緣故。

　　基于計算機(jī)的測量儀器與計算機(jī)行業(yè)聯(lián)系緊密，它們得益于計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，這包括開放的通信標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和在儀器和桌面應(yīng)用之間進(jìn)行電子制表和字處理的簡單界面。這些測量儀器也因計算機(jī)性能的穩(wěn)定及價格的降低而獲益，從而使基于計算機(jī)的測量儀器在沒有加價的條件下性能得到持續(xù)的提高。

　　采用校準(zhǔn)實現(xiàn)精確測量

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

　　測量儀器準(zhǔn)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影響測量的準(zhǔn)確性。通過對所得測試結(jié)果與己知標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，校準(zhǔn)將測量的不確定性進(jìn)行了量化。它要驗證測量儀器是否工作在規(guī)定的指標(biāo)范圍內(nèi)。如果儀器的測量值超過了所公布的不確定性，那么就要調(diào)整測量電路以使之符合業(yè)已公布的規(guī)范。

　　經(jīng)過一段時間，用戶要對傳統(tǒng)的測量儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，基于計算機(jī)的測量儀器也一樣需要校準(zhǔn)。用戶應(yīng)當(dāng)選擇具備內(nèi)部校準(zhǔn)(也稱自動校準(zhǔn))和外部校準(zhǔn)工具的的基于計算機(jī)的測試儀器。

　　內(nèi)部校準(zhǔn)

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

　　同傳統(tǒng)的測量儀器一樣，基于計算機(jī)的測量儀器應(yīng)當(dāng)支持內(nèi)部校準(zhǔn)?；谟嬎銠C(jī)的測量儀器的內(nèi)部校準(zhǔn)由調(diào)用校準(zhǔn)測量電路的軟件功能來啟動。由于測量可立刻進(jìn)行，并且無須等待這個內(nèi)部校準(zhǔn)無論何時調(diào)整垂直范圍，因而由軟件控制的內(nèi)部校準(zhǔn)技術(shù)可節(jié)省測試時間。

　　基于計算機(jī)的測量儀器被安裝在桌面計算機(jī)、PXI/CompactPCI機(jī)箱，或VXI/VME 機(jī)箱這樣的環(huán)境中，因為基于計算機(jī)測量儀器被安裝于多種不同的計算機(jī)環(huán)境當(dāng)中，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)記住基于計算機(jī)的測量儀器會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(tǒng)的測量儀器由于同個人電腦的集成日益緊密，也面臨類似的挑戰(zhàn)。

　　消除電磁干擾的最基本的方案包括：將數(shù)字和模擬信號的地平面分開、對電源信號的進(jìn)行局部過濾、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(zhuǎn)換器提升電源電壓，采用電壓調(diào)節(jié)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?nèi)部校準(zhǔn)來完成在操作環(huán)境下不同溫度的校準(zhǔn)。關(guān)于上述設(shè)計技術(shù)的資料，可查詢NI網(wǎng)站上一篇題為“以基于PC的數(shù)據(jù)采集硬件來進(jìn)行精確測量”的白皮書。

　　許多用戶都想知道，是否可在不影響校準(zhǔn)的情況下將基于計算機(jī)的測量儀器從一臺計算機(jī)移到另一臺計算機(jī)。回答是肯定的，如果這個測量儀器采用上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，校準(zhǔn)仍是有效的。基于計算機(jī)的測量儀器同傳統(tǒng)的儀器一樣，通常在度量衡實驗室內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)。這個實驗室的操作溫度很可能與生產(chǎn)車間或設(shè)計實驗室的操作溫度有所不同。將基于計算機(jī)的測量儀器安裝到一臺新的計算機(jī)與將某一環(huán)境中的傳統(tǒng)的示波器搬到另一個環(huán)境沒有區(qū)別。由于儀器的設(shè)計是面向不同使用環(huán)境的，因而所有校準(zhǔn)仍是有效的，上述白皮書包含了闡明該原因的測試結(jié)果。

　　選擇測量儀器時，要確保基于計算機(jī)的測量儀器支持內(nèi)部校準(zhǔn)。為了方便使用，內(nèi)部校準(zhǔn)的過程應(yīng)當(dāng)自動進(jìn)行，也就是說，這一過程無須調(diào)整裝置中的分壓器和跳線。例如，對NI的12位數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)，大約10-20秒內(nèi)就能自動完成全量程的內(nèi)部校準(zhǔn)。 

    外部校準(zhǔn)

　　經(jīng)過一段時期后，通常是一年后，用于完成內(nèi)部校準(zhǔn)的板上電壓源需要校準(zhǔn)到某一已知的標(biāo)準(zhǔn)，這一板上電源的校準(zhǔn)過程就是外部校準(zhǔn)的一個例子。

　　外部校準(zhǔn)要采用高精度的外部標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)行外部校準(zhǔn)期間，板上校準(zhǔn)常數(shù)要參照外部標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)整。同內(nèi)部校準(zhǔn)一樣，外部校準(zhǔn)不要求調(diào)整分壓計或移動跳線。外部校準(zhǔn)通常為度量衡實驗室或其它具有可朔源的機(jī)構(gòu)保留。外部校準(zhǔn)一旦完成，新的校準(zhǔn)常數(shù)就被保存在測量儀器存儲器的被保護(hù)區(qū)域內(nèi)且用戶無法取得，這樣就保護(hù)了由于偶然的調(diào)整對校準(zhǔn)完整性的影響。無論任何測量儀器，制造商都必須提供相應(yīng)的校準(zhǔn)流程和在基于計算機(jī)的測量儀器裝置上進(jìn)行外部校準(zhǔn)所必需的校準(zhǔn)軟件。 

    手動及自動校準(zhǔn)流程

　　為了滿足工程師對校準(zhǔn)基于計算機(jī)的測量儀器的需要，可以采用手動及自動校準(zhǔn)方案。自動校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠快速、無須人力干預(yù)并可提供用于符合像ISO-9000的詳細(xì)校準(zhǔn)記錄。手動校準(zhǔn)流程為想要將嵌入校準(zhǔn)功能直接嵌入測量系統(tǒng)的的用戶提供詳盡的信息，這就避免了將基于計算機(jī)的測量儀器搬回度量衡實驗室的麻煩。

　　手動校準(zhǔn)流程告訴你如何對測量儀器進(jìn)行外部校準(zhǔn)，這一流程通常作為測量儀器的保養(yǎng)手冊中的一部分用于銷售，也可以從制造商網(wǎng)站上下載。



    手動流程校準(zhǔn)的缺點是費時費力，這并非由于測量儀器的調(diào)整麻煩，而是由于較長的測量驗證過程造成的。要符合校準(zhǔn)指南的要求，在校準(zhǔn)的前后都要對測量儀器的性能進(jìn)行驗證。只有這樣才能確定測量儀器是否在校準(zhǔn)前后的規(guī)范內(nèi)工作 。例如，要在E系列數(shù)據(jù)采集裝置上進(jìn)行外部校準(zhǔn)，就要進(jìn)行增益、動態(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驗室將這一過程自動化的描述，從而極大地減少外部校準(zhǔn)所需要的時間。 

    通過GPIB與外部標(biāo)準(zhǔn)通信，校準(zhǔn)軟件就能從儀器設(shè)置和讀取外部電壓的數(shù)值，這些數(shù)值然后用于驗證和校準(zhǔn)被調(diào)整的儀器，校準(zhǔn)流程結(jié)束時，可以從配置文件中自動讀取儀器技術(shù)指標(biāo)并生成詳細(xì)的校準(zhǔn)報告(圖1)。采用自動校準(zhǔn)軟件，可以在校準(zhǔn)一臺傳統(tǒng)測量儀器所需要的時間之內(nèi)，同時測量幾臺測量儀器，尤其當(dāng)被測裝置中不存在電壓表的時候，設(shè)計這些工具的目的是滿足度量衡實驗室對校準(zhǔn)的嚴(yán)格要求。

　　對于自已擁有度量衡實驗室的大公司，都配備了手動流程和校準(zhǔn)軟件產(chǎn)品。對于那些沒有度量衡實驗室的公司，數(shù)據(jù)采集和測量儀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類外部校準(zhǔn)證書。一種是基本校準(zhǔn)證書，通常是在產(chǎn)品制造后生成并由測量儀器生產(chǎn)商提供。這種證書讓NIST或本地標(biāo)準(zhǔn)檢定機(jī)構(gòu)有可能追源儀器的來源以及在校準(zhǔn)有效期內(nèi)測量環(huán)境狀態(tài)的信息。認(rèn)證度量衡實驗室通常是提供詳細(xì)的校準(zhǔn)認(rèn)證。這種認(rèn)證除了提供在基礎(chǔ)認(rèn)證中所包含的相同信息外，還將每一次測量前后的數(shù)據(jù)加以完善。詳細(xì)地校準(zhǔn)認(rèn)證應(yīng)當(dāng)符合ANSI-Z540-1這樣的特定指南的要求，這類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(zhǔn)的連續(xù)性，并且多數(shù)經(jīng)過ISO-9000認(rèn)證的公司都符合這些指南的要求。

　　本文小結(jié)

　　測量儀器基于計算機(jī)的測量儀器，同傳統(tǒng)的儀器一樣，需要周期性的內(nèi)部和外部的校準(zhǔn)以確保測量儀器達(dá)到所要求的精度。設(shè)計正確的基于計算機(jī)的測量裝置應(yīng)當(dāng)向用戶提供可進(jìn)行自動內(nèi)部校準(zhǔn)的工具和服務(wù)，以及進(jìn)行外部自動校準(zhǔn)的方法。欲校準(zhǔn)了解更多信息，請參見國家儀器校準(zhǔn)網(wǎng)：www.ni.com/calibration。