如何對基于計算機的測量儀器進行內(nèi)部和外部校準(zhǔn)

    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，因而需要進行定期校準(zhǔn)以確保測量精度，本文介紹對基于計算機的測量儀器進行內(nèi)部和外部校準(zhǔn)的方法。

　　基于計算機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。

　　基于計算機的測量儀器與計算機行業(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性能的穩(wěn)定及價格的降低而獲益，從而使基于計算機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)進行比較，校準(zhǔn)將測量的不確定性進行了量化。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)的測量儀器進行校準(zhǔn)，基于計算機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，基于計算機的測量儀器應(yīng)當(dāng)支持內(nèi)部校準(zhǔn)?；谟嬎銠C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。

　　基于計算機的測量儀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儀器被安裝于多種不同的計算機環(huán)境當(dāng)中，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)記住基于計算機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、對電源信號的進行局部過濾、對敏感元件進行屏蔽。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的測量儀器從一臺計算機移到另一臺計算機?；卮鹗强隙ǖ模绻@個測量儀器采用上述標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，校準(zhǔn)仍是有效的。基于計算機的測量儀器同傳統(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。將基于計算機的測量儀器安裝到一臺新的計算機與將某一環(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區(qū)域內(nèi)且用戶無法取得，這樣就保護了由于偶然的調(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的測量儀器裝置上進行外部校準(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)采集裝置上進行外部校準(zhǔn)，就要進行增益、動態(tài)范圍和極性三種測量，這就需要進行幾百次的測量。

　　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)以確保測量儀器達到所要求的精度。設(shè)計正確的基于計算機的測量裝置應(yīng)當(dāng)向用戶提供可進行自動內(nèi)部校準(zhǔn)的工具和服務(wù)，以及進行外部自動校準(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。