|
1 引言 隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于計算機的測量?jì)x器，即我們常說(shuō)的虛擬儀器與計算機聯(lián)系日益緊密，虛擬儀器由于設置靈活，數據處理功能完善等特點(diǎn)，應用范圍幾乎覆蓋了測試的各個(gè)領(lǐng)域：從數據采集、信號調理、聲音和振動(dòng)測量、視覺(jué)、運動(dòng)、儀器控制、信號發(fā)生、信號測量、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通訊領(lǐng)域無(wú)所不能，并且隨著(zhù)計算機性能的不斷提高和虛擬儀器卡的類(lèi)型不斷增加，更多的用戶(hù)接受虛擬儀器的概念，使得虛擬儀器的運用范圍不斷擴大。 2 虛擬儀器的構成 傳統測試儀器主要由輸入/輸出部分，電源部分，儀器內部核心，顯示控制單元等組成。對于虛擬儀器而言，顯示控制部分改由計算機實(shí)現，儀器內部核心部分為各種類(lèi)型總線(xiàn)結構的虛擬儀器卡。虛擬儀器作為一種新概念的測試儀器，就其功能而言，是真實(shí)的儀器，具有與傳統測試儀器相同的功能；而虛擬儀器中“虛擬”的含義是指用軟件來(lái)實(shí)現傳統儀器中許多硬件來(lái)實(shí)現的功能，其核心為虛擬儀器卡。為了使硬件工程師也能夠完成測試軟件的編寫(xiě)，NI等公司除了提供虛擬儀器的測試板卡外，還開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)用于虛擬儀器編程的圖形化編程語(yǔ)言，如LABVIEW等，并以子VI形式向用戶(hù)提供大量測量算法的軟件包，用戶(hù)可以方便地用這些完成常規的虛擬儀器測量任務(wù)，從而大大降低了虛擬儀器開(kāi)發(fā)的復雜性，從而使虛擬儀器的廣泛使用成為可能。 3 虛擬儀器校準的必要性 虛擬儀器的測量準確度與所采用的虛擬儀器卡的準確度及測試軟件有關(guān)，而測試軟件中的算法等在設計時(shí)已經(jīng)考慮（比如進(jìn)行多次平均以減少單次測量誤差），因此，虛擬儀器的測量準確度主要取決于虛擬儀器板卡的準確度。 大家都知道，測試儀器的測量準確度是按一定的因子變化的，測量?jì)x器內部所使用的電子元器件的老化，儀器的使用時(shí)間，環(huán)境變化，以及誤用都會(huì )影響測量結果準確度。 通過(guò)按照一定的時(shí)間間隔將測量?jì)x器的測試結果與溯源到國家基準的標準儀器的標準值進(jìn)行比較，將測量不確定度量化，以確認測量?jì)x器是否工作在儀器技術(shù)指標內，這就是校準的目的。 與傳統測量?jì)x器一樣，虛擬儀器也有一個(gè)校準周期，必須定期校準以確保其測量準確度。虛擬儀器的校準與傳統的測試儀器的校準的相同之處是與傳統儀器一樣，也需要定期使用標準儀器進(jìn)行外部校準；不同之處是虛擬儀器的校準是僅對虛擬儀器卡進(jìn)行校準。 3.1 校準虛擬儀器卡是否滿(mǎn)足虛擬儀器校準要求 前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，校準虛擬儀器只需校準虛擬儀器卡；但是校準虛擬儀器卡所使用的計算機是校準實(shí)驗室內的校準計算機，而不是原來(lái)所用的配套計算機。也許有人會(huì )問(wèn)，這樣校準后，校準后的虛擬儀器卡用于原來(lái)的計算機時(shí)，是否還保持在實(shí)驗室校準后的技術(shù)指標？ 按照檢定規程和校準規范，校準任何儀器都應在滿(mǎn)足環(huán)境要求的實(shí)驗室進(jìn)行。實(shí)際使用時(shí)，有可能出現環(huán)境條件與實(shí)驗室的環(huán)境條件有所不同，由于虛擬儀器的設計是有一定的使用環(huán)境條件的，在滿(mǎn)足上述條件的環(huán)境下使用虛擬儀器時(shí)，仍然滿(mǎn)足技術(shù)說(shuō)明書(shū)要求。將在校準實(shí)驗室內校準后的虛擬儀器卡安裝到一臺新的計算機所構成的測試儀器與將某一環(huán)境中的傳統的數字多用表搬到另一個(gè)環(huán)境中使用相比，二者之間并無(wú)本質(zhì)區別。因此，校準虛擬儀器卡完全能夠滿(mǎn)足虛擬儀器的校準要求。 3.2 虛擬儀器的內部自校準能否代替外部校準 當今傳統的測試儀器數字示波器或者頻譜分析儀就具有內部自校準功能，與傳統測試儀器類(lèi)似，虛擬儀器具有內部自校準功能。 內部自校準目的是補償由于儀器工作壞境變化、內部校準溫度的變化和可能影響測量的其它因素對虛擬儀器的影響，以提高虛擬儀器的測量準確度。內部校準是調用內部校準測量電路的軟件，與儀器內部的標準值比較。 你也許會(huì )問(wèn)，既然虛擬儀器具有了內部自校準功能，是否仍需要將虛擬儀器卡定期送至校準實(shí)驗室進(jìn)行定期外部校準？ 回答是肯定的，雖然虛擬儀器已經(jīng)具有了內部自校準功能，但是也需要定期（一般是每年一次）進(jìn)行送實(shí)驗室外部校準。原因如下： 第一：虛擬儀器卡自校準時(shí)，所顯示的結果為pass或fail，不顯示實(shí)際參數的測試結果值。 第二：自校準參數不能全部覆蓋虛擬儀器卡的所有參數。 第三：由于自校準需要儀器內部提供一個(gè)用于自校準的標準值，而這個(gè)內部標準值是否滿(mǎn)足技術(shù)參數的要求也需要進(jìn)行定期外部校準。 第四：由于具有自校準功能的傳統測試儀器也需要定期外校準，因此，具有自校準功能的虛擬儀器也需要定期外送實(shí)驗室校準。 4 校準結果 為了使大家對虛擬儀器的校準項目、校準所需要的儀器以及技術(shù)指標等有一個(gè)直觀(guān)的認識，下面以NI公司E系列數據采集卡為例介紹實(shí)驗室校準，其它的板卡比如示波器卡，信號發(fā)生器卡，頻率計卡、以及射頻信號發(fā)生以及分析卡再此不再贅敘。 4.1 校準所使用的標準儀器 數據采集卡的校準涉及到電壓輸入、電壓輸出和時(shí)基等參數的校準，根據美國NI公司的要求，所需要選擇的標準器如下 表1校準NI公司E系列數據采集卡所需標準器 表2 E系列數據采集卡模擬輸入校準結果 表3 E系列數據采集卡的模擬輸出校準結果 表4 5MHz頻率的校準結果 4.3 校準結果的解讀 從表2、表3、表4中可以看出，校準結果包括了E系列數據采集卡所需要校準的全部參數：模擬輸入信號測量準確度，輸出信號準確度，5MHz頻率準確度。 校準時(shí)，校準程序要求虛擬儀器卡預熱15分鐘，緊接著(zhù)進(jìn)行內部自校準。 對于模擬輸入信號的測量準確度，校準參數選擇為10V量程范圍內增益為0.5,1,10,100時(shí)的上限、下限和零輸入時(shí)模擬電壓測量準確度，特別是增加的0輸入時(shí)的值的校準，目的是用于校準零點(diǎn)偏差。此項校準所使用的標準器為Fluke5500多功能校準器。 對于模擬輸出信號準確度：校準參數選擇為通道0和通道1中20V量程時(shí)的輸出電壓準確度。此項校準所使用的標準器為6位半數字多用表。 對于5MHz頻率準確度的校準，通過(guò)頻率計直接測量。 Before為調整之前的校準結果，After為調整后的校準結果。另外可以看出，NI公司所給出的Before的low limit和high limit 比起After的Low Limt 和High Limit略大，虛擬儀器卡的校準過(guò)程中進(jìn)行了參數值的調整，這一點(diǎn)從Before值與After值之間有少許不同可以看出。 由于本次數據是首先進(jìn)行校準后再進(jìn)行校準的，因此，Before 和After之間的差別不是很大。 5 校準結果的不確定度評定 PCI-6024E校準結果測量不確定度涉及到電壓參數和頻率參數，本文僅對4.9V電壓測量不確定度進(jìn)行評定，評定所使用的標準儀器為5520A多功能校準器。 5.1 測量不確定組成 測量不確定度由以下幾個(gè)方面組成 （1）5520A輸出電壓準確度 （2）測量重復性 （3）儀器顯示分辨率 5.2 標準測量不確定度評定 5.2.1 標準儀器5520A測量不確定度 5.3 測量不確定度合成 6 結論 同傳統測量?jì)x器一樣，虛擬儀器也需要定期送至具有校準能力的實(shí)驗室校準，以確保測量?jì)x器始終在其所規定的技術(shù)指標范圍內。作為上海市政府依法設立的法定計量機構－上海市計量測試技術(shù)研究院在虛擬儀器的計量校準中負有義不容辭的責任。為了更好的為客戶(hù)提供服務(wù)，上海市計量測試技術(shù)研究院本部于2006年搬遷至上海的微電子中心浦東張江高科技園區張衡路1500號，計量校準能力有了很大的發(fā)展。上海市計量測試技術(shù)研究院下屬的電子與電氣計量技術(shù)研究所由原來(lái)的電磁室、無(wú)線(xiàn)電室以及光學(xué)室合并而成，計量覆蓋范圍從直流信號、低頻信號、高頻信號、脈沖信號至無(wú)線(xiàn)電、可見(jiàn)光、直至不可見(jiàn)光，現在保存有國家基準、華東最高標準、上海市最高標準數十項，擁有教授級高工2名，高工十多名。美國國家儀器公司（NI公司）考慮各種因素，并經(jīng)多方考察，決定將中國的校準中心設定于上海市計量測試技術(shù)研究院電子所，校準范圍覆蓋其所有的產(chǎn)品（包括數據采集卡、信號發(fā)生器卡、示波器卡、頻率計卡、射頻信號發(fā)生器卡、射頻信號分析儀卡、下變頻器卡等所有的卡的類(lèi)型。我們不但可以提供虛擬儀器卡的校準服務(wù)（calibration），而且包括出現超出其技術(shù)指標（specification）時(shí)的調整服務(wù)（adjustment），我們?yōu)榭蛻?hù)的校準的虛擬儀器卡的數量也是在逐年提高，現在已經(jīng)為NI中國公司的用戶(hù)近千塊虛擬儀器卡提供了校準服務(wù)，滿(mǎn)足了客戶(hù)的需求。另外，也證明了虛擬儀器與傳統的測試儀器一樣，需要定期進(jìn)行校準。 |
