数字多用表自动校准检定系统及其不确定度评定方法的研究

'摘要独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年月日 摘要摘要随着电子测量技术的发展和测量范围的进一步拓宽，对测量的要求越来越严格。它对自动校准和检定的快捷准确带来了新的要求。传统的人工测试已经很难满足要求，对许多先进的仪器设备是一种浪费，因此，必须采用自动校准、检定或测试系统。该系统根据校准源和数字多用表的原理、结构、性能及特点，使用VC++语言和MicrosoftAccess数据库设计数字多用表自动校准检定系统软件，实现测试和数据处理过程自动化。使系统能够控制标准仪器和被检仪器进行全自动校准检定，满足仪器检定工作的实际需要，检定结果自动记录存储，并可按标准输出相应检定证书或测试报告。本文分析了国内外自动化校准检定的发展状况，从本单位实际应用出发，结合文献阅读的体会，叙述了以下几方面内容：1)首先介绍了数字多用表自动校准检定系统研究的背景、现状、必要性、可行性以及达到的功能。2)数字多用表自动校准检定系统的硬件组成。3)数字多用表自动校准检定系统软件设计。4)进行数字多用表自动检定系统测量结果不确定度评定方法的研究，实现数据处理自动完成。5)对操作界面进行研究，达到系统软件操作过程的简单、舒适。关键词：自动校准检定VISA不确定度评定操作界面设计I ABSTRACTABSTRACTWiththetesttechniqueimprovedandtestrangewiden,therequesttotestisstricterandstricter.Itbringsforwardnewrequeststothecelerityandveracityofautocalibrationandverification.Formermanpowerverificationtestinghasnotsatisfiedthemeasurementrequest.Atthesametime,itisahugewastetotheresourceofmanyadvancedinstrumentsandfacilities.Soitmusttoadoptautocalibrationandverificationandmeasurementsystem.TheprojectappliesVC++andMicrosoftAccessdatabasetodesignmultimeterautocalibrationandverificationprogramme,accordingtotheprincipleandstructureandfunctioncharacteristicofcalibratioranddigitalmultimeter.Thesystemcancontrolthestandardinstrumentandverifiedinstrumentworkedautomatically.Theoutcomesofverificationareautomemorizedandstorage.Anditcanputoutcorrespondingverificationcertificateandtestingreport.Thisarticleanalyzesthestatusquoofdomesticandoverseasresearchesonthemultifunctionalauto-calibration.Andsomecontentsareintroducedinthearticle.1)Inthefirstplace,theautocalibrationandverificationsystemofdigitalmultimeterisintroducedaboutbackground,actuality,necessity,feasibility,anditsfunction.2)Hardwareconstructionofthedigitalmultimeterautocalibrationandverificationsystem.3)Softwaredesignofthedigitalmultimeterautocalibrationandverificationsystem.4)WeresearchthewaysofweedingoutsomeaccidentalinaccuiacyandAccessmentofuncertainty,andachievethefunctionofprocessingautomaticallydata.4)Forsimplyandcomfortablyoperatingsoftwareoftheautocalibrationandverificationsystem,weresearchedtheoperatinginterfacedesign.Keywords:AutoCalibrationandVerification；VISA；AccessmentofUncertainty；OperatinginterfacedesignII 目录目录第一章绪论.....................................................................................................................11.1数字多用表自动校准检定系统研究背景.............................................................11.2数字表自动校准检定的现状.................................................................................21.3系统研究必要性.....................................................................................................21.4系统研究的可行性.................................................................................................31.5主要研究内容.........................................................................................................31.6自动检定系统和不确定度评定过程实现的功能..................................................4第二章系统的硬件组成.................................................................................................52.1系统硬件设计方案.................................................................................................52.2系统工作原理.........................................................................................................52.3数字多用表自动校准检定系统硬件组成.............................................................62.3.15700A校准源...................................................................................................72.3.25725A功率放大器...........................................................................................72.3.3控制计算机......................................................................................................82.1.4GPIB接口卡.....................................................................................................82.1.5数字多用表......................................................................................................92.4系统硬件调试过程.................................................................................................9第三章自动校准检定及不确定评定系统软件设计...................................................103.1系统软件设计方案...............................................................................................103.1.1检定方法依据................................................................................................103.1.2校准检定软件设计方案................................................................................103.1.3数据处理设计方案........................................................................................123.1.4系统采用的编程语言.....................................................................................123.2系统整体构成.......................................................................................................133.2.1仪器接口管理模块........................................................................................143.2.2校准模块.........................................................................................................163.2.3检定模块........................................................................................................193.2.4数据库模块....................................................................................................21III 目录3.2.5数据处理模块................................................................................................23第四章测量结果不确定度评定...................................................................................254.1测量不确定度评定方法.......................................................................................254.1.1测量不确定度的数学模型.............................................................................254.1.2测量结果不确定度的来源............................................................................264.1.3测量结果的不确定度评定............................................................................264.1.4结论................................................................................................................314.2自动不确定度评定程序.......................................................................................314.3粗大误差剔除过程...............................................................................................33第五章人机交互界面设计...........................................................................................355.1自动校准检定系统软件界面设计的原则...........................................................355.1.1合理性和系统性............................................................................................355.1.2界面效果的易用性和独特性........................................................................365.1.3界面效果协调性............................................................................................365.2软件操作界面介绍...............................................................................................375.2.1菜单设计.........................................................................................................385.2.2工具条设计.....................................................................................................385.2.3窗体................................................................................................................385.3软件操作各步骤界面设计...................................................................................385.3.1仪器校准........................................................................................................395.3.2检定过程........................................................................................................434.4.3数据库管理....................................................................................................46第六章结论...................................................................................................................51致谢.............................................................................................................................52参考文献.........................................................................................................................53攻硕期间取得的研究成果.............................................................................................55IV 表目录表目录表2-15700A校准源的性能指标.......................................................................................................7表3-1VISA的内部层次结构表........................................................................................................14表4-1标准不确定度B类评定的参数对照表..................................................................................27表4-2数字多用表测量结果.............................................................................................................31表4-3不确定度汇总表.....................................................................................................................32V 图目录图目录图2-1系统结构设计框图....................................................................................................................5图2-2系统硬件组成示意图................................................................................................................6图3-1系统软件整体构成示意图.....................................................................................................13图3-2通讯属性管理模块结构.........................................................................................................16图3-3自动校准程序流程图.............................................................................................................16图3-4自动检定程序流程图.............................................................................................................21图4-1测量结果不确定度评定.........................................................................................................31图4-2粗大误差剔除程序流程图.....................................................................................................33图5-1软件界面示意图.....................................................................................................................37图5-2校准步骤(1)...........................................................................................................................39图5-3校准步骤(2)...........................................................................................................................40图5-4校准步骤(3)...........................................................................................................................40图5-5校准步骤(4)...........................................................................................................................41图5-6校准步骤(5)...........................................................................................................................41图5-7校准步骤(6)...........................................................................................................................42图5-8校准步骤(7)...........................................................................................................................43图5-9检定步骤(1)...........................................................................................................................43图5-10检定步骤(2).........................................................................................................................44图5-11检定步骤(3).........................................................................................................................44图5-12检定步骤(4).........................................................................................................................45图5-13检定步骤(5).........................................................................................................................45图5-14数据库管理步骤(1).............................................................................................................46图5-15数据库管理步骤(2).............................................................................................................47图5-16检定证书生成向导第一步...................................................................................................47图5-17检定证书生成向导第二步...................................................................................................48图4-18检定证书生成向导第三步...................................................................................................48图5-19检定证书生成向导第四步...................................................................................................49图5-20检定证书生成向导第五步...................................................................................................49图5-21自动生成的电子版检定证书...............................................................................................50VI 第一章绪论第一章绪论1.1数字多用表自动校准检定系统研究背景随着本单位电子装备技术的不断发展，试验范围和技术也在快速发展，对电子[1]测量技术的要求越来越高。既要保证测量数据的准确可靠，又要测量过程简便快捷。发展自动化测试成为必然的出路。数字多用表是常用测试设备，对其的检定校准是保证其测试准确可靠的前提和技术保证，是保证电学参数测试能力的一个不可缺少的重要环节。对其进行自动化控制的作用主要有两点：一是在数字多用表检定中，其功能多，校准检定点繁杂，存在着大量的重复劳动，耗时耗力，极易导致操作人员疲劳出错，而自动化测试能较好地解决这一问题；二是对于高准确度数字表，利用自动化系统在相同的条件下多次测量能提高检定校准的准确性和可信性，并能实时地完成大量的数据处理工作[2][3]。为了满足计量室数字表检定校准要求的提高和适应未来计量检定测试的发展方向，有必要从事自动化校准检定等一系列系统的研究，从而保证检定质量，保持一流的检定技术水平。从已经投入实际检定工作的自动检定系统的使用情况可以看出，采用自动测试系统进行检定，其效率较手工检定时得到很大的提高，手工检定一台数字多用表平[4]均需要4至6小时，而使用自动检定方法平均只需2小时。而且由于省去了读取数据、记录数据、误差计算等人工处理数据的过程，检定结论出现错误的概率大大降低，极大提高了检定工作的质量，测量结果记录规范化，使检定证书的质量有了可靠保证。所以，依照传统的人工检定测试已不能很好地适应计量检定的要求，同时也是对本单位目前具有的先进校准仪器的计量资源的巨大浪费。而在自动测试系统中，可按事先编好的程序快速、准确地进行操作，可以自动切换测试点和进行巡[5]回检测，容易适应测试内容复杂、工作量大的要求。随着测试准确度的要求越来越高，自动测试系统在避免因疏忽等原因造成的粗大误差方面有着人工测试无法比拟的优势。因此，实现计量检定测试的系统化、自动化已是必然趋势。自动校准检定系统就是根据计量室工作的需要，结合计量检定实际需求，利用[15]VisualC++软件开发环境开发的，此软件系统通过自动化校准、自动化检定、自动进行测量不确定度评定和数据自动化处理来保障检定进度和数据的准确性。1 电子科技大学硕士学位论文1.2数字表自动校准检定的现状随着自动化测试要求的提高和仪器的发展，软件在仪器构成及测试系统组建上[1]的作用越来越受到重视。国外在软件测试技术上比较领先，如：惠普公司的HP-VEE（VisualEngineeringEnvironment）、NI公司的LabVIEW和LabWindows/CVI等，国内也有一些科研院校等单位从事过这种软件包的开发。这些软件包脱离了传统的软件开发模式，采用面向对象的图形化编程，给参数自动化测试和虚拟面板开发提供了方便，这些软件可以编制仪器软面板，软面板在功能上和台式仪器的操作是一样的，可以象操作台式仪器一样，利用软面板操作仪器，实现用鼠标和键盘控[2][3]制仪器。另外，可以通过基础软件VisualC++、VisualBasicforWindows、BorlandC++等，利用接口卡动态连接库DLL（DynamicLinkLibraries）或接口仪器驱动程[6][7]序（InstrumentDrivers）实现虚拟面板的编制。电子测量仪器的自动校准检定软件系统是目前各大电子仪器制造公司的一个研究重点，经过多年的发展，已推出了一些自动校准检定软件系统产品。其不足之处有：对仪器和接口有专门要求，必须使用指定的设备组成系统的硬件平台，只针对少量设备适用。如果更换其他类型仪器，就无法使用。这使得该自动检定系统的应用受到一定的限制。1.3系统研究必要性由于数字多用表的检定项目和检定点多，工作量大，不同型号数字多用表检定项目不同，测试任务复杂，对检定工作要求更快的测试速度和更高的测量准确度，应用以往传统的手动检定方式，要做大量的重复劳动，耗费大量的时间，极易造成操作人员疲劳，容易疏忽而导致检定结果的不准确，显然更不能满足大批量检定工作的需要。而且，相对同样的校准源和被检数字表，多次采集数据的自动检定系统[6]测量结果的不确定度明显优于手动检定结果的不确定度。因此，为提高测量准确度以保证对数字多用表进行更合理的评价，利用现代仪器普遍具备的程控接口，采用自动化测试技术很有必要。只有自动测试才能足够快的实施实时测量、记录存储、运算处理和结果评定等操作，使测试、处理和出具结果一体化。同时高速测量更好地保证了测量重复性条件，为多次测量、误差处理和不确定度评定创造了有利的条件，也可减少随机误差。按照计算机提示下完成检定操作，也能减少人为因素造成的损坏，更好地维护设备。2 第一章绪论由于5700A标准设备及数字多用表普遍配备程控接口，数字多用表功能指标大幅度超过模拟多用表，如果仍按照传统的手动检定方式，不仅工作量大大增加，而且，数字多用表众多先进性能的检测也不可能用传统的手工方式实现，例如瞬时[8]数据的读取。另外，在稳定性考核中，至少需要采样数百个数据、数据处理计算量极大，几乎不可能依赖人工系统高质量地完成。诸如此类，检定方法应结合自动[9]化技术进行。依据量值溯源的科学性、有效性、合理性原则，实现校准检定自动化，在提高检定质量的同时大大提高检定工作效率。为了全面提高本单位计量校准检定水平，提高检定准确性和可信度，充分发挥现有仪器设备潜力，开发自动校准检定及不确定度评定系统应用软件成为必然的出路。1.4系统研究的可行性5700A多功能校准器是美国FLUKE公司生产的高准确度多功能校准源，它的内部结构和输出功能相当于—个标准电学计量实验室，功能齐全、范围宽广。适用于检定各种手持式、台式和系统式数字多用表，也可以校验射频电压表、模拟式电表、功率表以及其他电学测量和电子测量仪器。除了其可靠性好，操作简单，校准方便，兼容性高，以及极高的不确定度指标外，还具有完备的程控能力，为组建自动测试系统提供了硬件条件。完成数字多用表自动校准检定系统及其不确定度评定的研究是本单位建设及科研的实际需要，国内外在这一领域己经进行了广泛的研究并开发出了相关产品，但还需要改进和提高，因此，设计该系统软件有很大的科研和社会价值。有关成果可以与同行相互交流，共同提高检定技术水平。1.5主要研究内容该系统以仪器操作自动化为目标，利用先进的5700A可程控校准源，建立起稳定可靠、高效实用的数字多用表自动校准检定系统，并进行程序数据库的设计研究，满足不同型号多种规格数字多用表的检定需求，最后对自动检定所采集的数据作存储、粗大误差剔除和不确定度评定等自动化处理。这是一个系统工程，牵涉到多个方面，大体分为以下几个方面的内容：1)根据仪器性能和检定方法设计系统硬件结构。3 电子科技大学硕士学位论文2)通过使用VISAI/0接口函数库实现自动校准检定系统软件与常见数字表接口的兼容。3)使用数据库技术和合理的校准、检定流程设计方法完成系统软件。4)进行粗大误差剔除方法和测量结果不确定度评定方法的研究，实现数据处理自动完成。5)对操作界面进行研究，达到系统软件操作过程的简单、舒适。1.6自动检定系统和不确定度评定过程实现的功能在计算机的控制下，系统软件对系统内可程控设备进行自动控制，完成对测试设备的校准检定，并实现对数字多用表的自动测试，进行有效的数据录取处理及测试检定证书输出，并可以进行测量结果不确定度评定。1)自动校准功能完成对数字多用表的A/D转换器、直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻、频率等功能校准。2）自动检定功能完成对数字多用表的直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、电阻、频率等功能检定。3)自动存储和查询功能完成对检定记录的自动存储及按条件查询功能。4)证书生成功能根据检定条件和检定结果，自动生成符合实验室要求的检定证书或测试报告。5)粗大误差剔除功能对于测量中偶然出现的粗大误差，在程序中作简单判断予以剔除，然后对该点重新测量。6)测量结果的不确定度自动评定功能根据需要得到测量结果不确定度，然后与设备指标进行比较得到不确定度评定结论。4 第二章系统的硬件结构第二章系统的硬件组成2.1系统硬件设计方案5700A校准源和绝大多数数字多用表都有GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）程控接口，它符合IEEE488.2标准。由于IEEE488.2标准完善地制定了包括功能、[7]机械和电气上的规定，能够保证带有GPIB接口的设备相互之间充分的兼容。由于GPIB接口总线适用性强，系统结构简单，性能稳定，操作方便灵活，价格低廉，得到了广泛的应用。该接口传输方式上采用位并行，字节串行的模式，传输速率最[10][11]高能达到1MB/s。显然采用GPIB接口建立自动校准检定系统比较方便，用GPIB接口可以任意组成星型或网状结构，也方便系统功能上的扩展。由GPIB接口设计的数字多用表自动校准检定系统框图如下：控制计算机打印机GPIB接口卡5700A/5725A多功被检数字多用表能校准源图2-1系统结构设计框图由于GPIB接口线缆可随意连接，因此该设计方案优点是可灵活进行仪器的插接。利用GPIB接口总线定义，设计仪器驱动程序就可以完成控制仪器。2.2系统工作原理系统各设备均带有GPIB接口，在控制计算机上编制测试软件的操作界面和程控接口的代码。控制计算机能够控制校准源输出信号、被检仪器测试状态，同时又5 电子科技大学硕士学位论文能采集分析测试结果的数据，并打印出测试数据。系统程序根据测试参数要求，完成相应功能、量程的校准和检定，将测试结果采集并存储到数据库，利用应用测试软件对测试数据进行处理、修正和不确定度评定，从而实现自动化测试。系统工作原理如下：设置好各仪器的地址后,由控制计算机通过GPIB接口发出程控命令，校准源和被检数字多用表相互协调地进行各项设置。在计算机控制下，由校准源发送检定所需的各种信号到数字多用表，依次进行各项参数的校准检定。测量数据经GPIB总线上传至控制计算机，由计算机再对数据进行存储、修正和不确定度评定等处理，最后将检定结果打印出来，从而完成数字多用表的检定。2.3数字多用表自动校准检定系统硬件组成图2-2系统硬件组成示意图数字多用表自动校准检定系统硬件主要由计算机、5700A校准源、辅助设备（打印机等）、GPIB接口卡及各种总线连接电缆等组成。由计算机统一控制和管理，通过对可程控仪器的功能控制来实现自动化校准测试。其硬件组成框图如图2-2。6 第二章系统的硬件结构2.3.15700A校准源5700A多功能校准源是美国FLUKE公司生产的高精度校准源，是整个计量检定管理系统的核心部分。它能够提供精确的直流电压、交流电压、直流电流、交流电流、频率、2线电阻及4线电阻值。它能够在较宽的环境范围内保持稳定的性能[10]指标，其功能和量程覆盖了所有7位半以下数字多用表的范围。该仪器配备有标准的RS232接口和IEEE-488仪器用接口总线，支持SCPI可编程仪器标准命令，[11]具有完整的程控能力。可以接受控制计算机的命令和参数，根据命令和参数提供所指定的电学参数数据输出。作为系统标准设备的5700A校准源的性能指标是决定系统性能的关键组成部分，其性能指标如表2-1所示。表2-15700A校准源的性能指标功能量程范围最佳一年技术指标直流电压0～±1100V设置值的±7.0ppm交流电压2.2mV～1100V，10Hz～10kHz设置值的±75.0ppm直流电流220μA～±2.2A(使用5725A到11A)设置值的±50ppm220μA～2.2A(使用5725A时到11A)交流电流设置值的±140ppm10Hz～10kHz0～100MΩ电阻±12.0ppm分×1和×1.9两档，按十进制置数共18个值宽带交流电压300mV至3.5V，10Hz至30MHz设置值的±0.4%选件2.3.25725A功率放大器5725A功率放大器是美国FLUKE公司生产的具有增强5700A多功能校准源交流电压、交流电流、直流电压方面功能的一种放大器，通过电缆接口接受5700A的控制。7 电子科技大学硕士学位论文2.3.3控制计算机控制计算机是一台能够满足程序运行基本需求的PC机，安装有5700A计量检定系统运行时需要的系统软件及应用软件和接口设备的驱动程序，能够插接GPIB接口卡或USB-GPIB连接线。系统操作人员通过控制计算机设置控制命令及参数，并且根据需要发送到指定的仪器设备，并接收仪器设备发送的测量结果或者命令执[16]行情况，将需要保存的数据保存到数据库中。运行于控制5700A校准源的计量检定系统软件通过数据库管理程序对计量检定结果进行处理，并可根据设置自动生成检定证书。2.1.4GPIB接口卡GPIB接口卡通常插于计算机的PCI或ISA插槽内，作为控制仪器互相通信的控制器。GPIB接口卡带有IEEE488.2库函数，该库函数包括基本通信指令、高级语言接口程序、硬件和软件安装检查诊断和通用管理程序等，这样用户利用高级语言编写仪器控制程序时可以很方便地调用该库函数。GPIB总线的技术指标如下：1)仪器容量:系统内仪器数不超过15台。2)母线构成：由16条信号线（8条数据线，3条挂钩线，5条管理线）及8条地线组成。3)连接方式:总线连接，仪器并联于总线上。4)总线构成：采用标准24线电缆。5)数传方式：串行byte，并行bit，三线连锁挂钩技术、双向异步通信。6)数传数率：250～500K字节/秒，最高1M字节/秒。[4]7)数据传输最大距离不超过20米。从上面的指标可知利用GPIB总线技术完全能够满足实验室内搭建仪器自动控制系统。GPIB接口卡是控制计算机与仪器之间通信的桥梁，随着测控技术的发展，接口卡类型在传统的PCI-GPIB的基础上，出现了USB-GPIB、LAN-GPIB等类型的接口卡，安装在控制计算机上的5700A计量检定系统软件需要正确的识别并加载不同类型接口卡的驱动程序，使系统软件具有较高的可移植性。8 第二章系统的硬件结构2.1.5数字多用表数字多用表是—种准确度较高、采用了微电子技术及先进的集成电路技术、具有自动校准功能是测量设备，能够快速准确地测量被试装备的交直流电压、交直流电流、两线四线制电阻、频率和周期等参数，通常该类仪器都配备有标准的RS232[12][15]接口和IEEE-488仪器接口总线，支持SCPI可编程仪器标准命令。这在系统中可以方便设备连接及实现程控。2.4系统硬件调试过程对这个系统来说，目前主流的计算机都能满足系统控制要求。GPIB接口卡的选择也较为灵活，为了系统搭建方便，采用了USB接口的GPIB板卡。USB接口的板卡在硬件调试过程中极为方便。下面以美国NI公司生产的USB-GPIB接口卡为例，说明其硬件安装调试步骤:1)将GPIB接口卡插入到计算机USB接口中。2)在WINDOWSXP操作系统下安装GPIB接口卡驱动程序。3)重新启动计算机。4)用接口卡自带的Measurement&Automation程序设置板卡的各项参数。5)进行硬件检测，直至通过。6)再做软件检测，直至通过。7)断电完成IEEE-488总线与各程控仪器的连接。9 电子科技大学硕士学位论文第三章自动校准检定及不确定评定系统软件设计自动校准检定及不确定度评定系统软件通过控制计算机，向5700A校准源和被检数字多用表发出程控指令，使它们相互协同工作，进行各项技术参数的校准检定，必要时，提示人工辅助操作，自动获取测量结果数据，并进行存储、修正和不确定度评定，最后出具检定证书。3.1系统软件设计方案3.1.1检定方法依据在检定规程中对每个检定项目都规定了相应的检定方法，在检定工作中要根据检定规程中的要求选用仪器和按照规程给出的检定方法进行检定。但有时由于数字多用表类仪器的功能差异，某些技术指标可能很高，因此在检定中要根据实际情况，参照检定规程的原则选用一些合适的仪器或方法进行检定。由于本单位锝700A多功能校准源输出范围宽，精度高，稳定度好，可以采用直接测量法进行数字多用表所有参数校准或检定。本系统检定过程的依据是国家计量检定规程，其中包括：国家计量检定规程JJG315-1983直流数字电压表检定规程国家计量检定规程JJG598-1989直流数字电流表检定规程国家计量检定规程JJG724-1991直流数字欧姆表检定规程国家计量检定规程JJG（航天）34-1999交流数字电压表检定规程国家计量检定规程JJG（航天）35-1999交流数字电流表检定规程3.1.2校准检定软件设计方案数字多用表自动校准检定系统的软件设计上要考虑以下几方面：1)自动校准检定系统软件的兼容性[22]为提高工作效率，应尽量减少人为操作，提高系统自动化程度。这就要求系统要具有比较强的兼容性，使系统的运行流畅，程序中各指令不能发生冲突，尤其在调用一些子程序过程中要有序进行。由于模块化设计可以很好解决这个问题，因此系统各部分采用模块化设计。10 第三章自动校准检定及不确定评定系统软件设计2)系统的完备性和通用性系统软件应能包括校准检定的各项参数和整个过程，即检定的全面性。在该系统中，作为标准设备的校准源是固定不变的，但作为被检设备的数字表是变化的，特别是由于各个数字表的校准原理不同，其校准方法和校准程序相差甚远，如果系统软件只针对某一种型号仪器设计，其使用范围就由限，实际意义也不大。为了使系统软件能够适应不同被检设备的不同校准要求，采用按规定格式编写文本形式的校准流程的方法，每类被检设备的校准流程文件以配置文件的形式存储起来，系统软件运行过程中，自动将相应的配置文件调入内存，并对该文本翻译成高级程序语言，然后逐行执行，实现校准过程自动化。由于系统软件的源代码不包含具体的校准流程信息，所以系统具有较好的可扩展性。另外，各型号数字多用表的检定项目和量程范围不尽相同，所取测量点也不同，在检定过程中需要对标准源设置不同参数，为此建立检定不同型号数字表的数据库，检定过程中根据型号选取检定程序模块这样可以加强系统的通用性。3）程序运行工作效率和稳定性具有较高的工作效率和良好的稳定性，是对该自动校准检定系统软件的一个重要要求。为此，应该考虑系统指令执行的同步性，使计算机与仪器在读写数据、收发指令和执行指令的先后顺序和运行时间等方面协调工作。本系统软件设计中主要采用了以下几种同步方法：(1)顺序执行命令法顺序执行是指将指令按照程序中的依次顺序执行。如用5700A多功能校准源已经输出信号，数字多用表设置好相关参数，才能接收到相应的信号。这就要求程序编写上要有很清楚的条理性。(2)延时法在顺序执行命令时为避免指令没执行完就丢失，或执行超时出错，可采用延时方法解决同步问题。在某条可能会用很长时间才能完成的程序指令后，设置等待时间，在等待时间内执行空操作指令，一直循环执行空指令，直到执行完毕或执行时间大于设置的等待时间。等待时间的长短一般根据经验设置，比如为避免5700A标准源操作过于频繁，其输出数据不稳定或出现错误，加5秒延时时间，这个时间也是考虑了一定的富裕量的。(3)状态查询方法当某条指令需要运行较长时间才能完成，而且随着测量参数不同需要设置的等待时间不同，无法用上述两种方法来实现同步，采用查询仪器状态，判断指令执行11 电子科技大学硕士学位论文[6]的情况，以免指令执行混乱，数据出错。比如该系统程序中涉及到数字多用表校准过程中的某一步骤是否完成，接下来需要做其他工作（连接四线电阻或连接电流端）时，系统会查找返回状态值是否等于8（表示校准完成），如果表示校准完成就提示下一操作步骤，如果没完成就继续等待。当然为避免操作错误或运行异常，导致死机或损毁仪器，系统软件要有较好的容错性。因为5700A自动校准检定系统软件要实现对各种型号的数字多用表的自动校准检定，这就要求软件要满足上述几方面要求。系统软件的设计按照校准检定流程来实现，按照模块化方法进行，结合校准检定过程中的每个细节和最终目标，采用数据库管理。3.1.3数据处理设计方案数据处理过程对系统软件实现效果很重要，它不仅包括数据的存储、打印，还包括数据的修正和判定。数据存储要考虑存储的格式，因为形成报告证书要按照规范格式打印，所以数据以证书模式存储时，就要进行相应的编排。数字多用表数据来源的准确性在测量性能上应该得到评价，这个评价要由数据[23]处理的理论分析和推导得到。这样的评价可以用测量不确定度评定方法进行，对一些测量点进行重复性测量，得出不确定度评定，给出该测量点的合格与否的结论。数字多用表的功能比较固定，通常包括交直流电压、交直流电流、两线电阻及四线电阻，部分多用表还包括频率、周期的测量。所以对其进行评价的基本思路为：先对各单项指标分别评价，然后综合各单项指标达到总体评价。在对数据采集过程中，因为一些偶然因素造成的数据严重偏离数字表的误差范[24]围时，要将该数据剔除，然后重新测量，这样所得数据才能给出正确的评价。3.1.4系统采用的编程语言VC++是目前使用最广泛的面向对象的文本语言开发工具，它用对象的观点来思考问题，把传统的代码和数据分离的过程式编程方法向前迈进了一大步。面向对象的编程方法改善了测试应用程序的规划方法，可以清晰、直观地勾画出实际测试任务的软件结构，并提高了代码的可重用性，使得对程序的维护和未来的扩展极为[26]方便。该系统软件的开发语言使用VC++，数据库采用Access类型数据库，使12 第三章自动校准检定及不确定评定系统软件设计用VISAI/O函数库编写I/0通信功能软件实现计算机和仪器的通信，不确定度评定使用EXCEL公式编辑器自动生成。3.2系统整体构成数字多用表自动校准检定系统软件的设计按照模块化思想进行，由校准模块、[25]检定模块、数据库管理模块、仪器接口管理模块和数据处理模块组成，如图3-1所示：数字多用表自动校准检定系统仪器数接校检数据据口准定处管模模库理模理块块模块模块块通通校执对仪检输打讯讯数准行仪测测器数数印路属据各器量定出据据查检设量结程过格径性读备参进数控程式输修询定管设写选数行据果指入正证理置校功的表表书取输记令准能出表设录置证证证自证单组书书书动书项合输备删置号条条入份除入查件件查查询询询证检有书定效编费期号图3-1系统软件整体构成示意图13 电子科技大学硕士学位论文系统的构成上考虑扩展性，将各模块独立存储，其中数据库模块是其他模块都要用到，在指令执行或数据处理中要随时调用。3.2.1仪器接口管理模块这个模块实现计算机和仪器的I/O通讯功能，通过调用VISAI/O函数库来完成。VISAI/O接口库是一个虚拟仪器系统标准I/O软件，其优点是不但兼容不同接口类型或网络机制，而且对不同接口类型连接的仪器的操作类型或函数是一致的。[16]它能够支持对串口、GPIB,VXI仪器的操作，并可扩展到其它接口类型。3.2.1.1VISA库的内部结构表3-1VISA的内部层次结构表层次名称第四层接口函数层(InterfacefunctionLever)第三层仪器资源层(InstrumentLeverResource)第二层I/O资源层(I/OLeverResources)第一层资源管理器层(ResourceManager)VISA库的内部结构是一个先进的、面向目标的结构，是以设备无关性模型为基础的，这使得VISA和之前的I/O接口软件相比，在接口无关性、可扩展性和功能上都有很大提高。在表5-１的VISA内部结构模型中，VISA被分为4个层次：接口函数层，仪器资源层，I/O资源层和资源管理器层，每一层都是由和仪器功能有关的函数组成的。(1)资源管理器层：在最底层，用来控制VISA中所有的资源及其分布。(2)I/O资源层：又称VISA仪器控制资源层，控制所有包括GPIB、IEEE1394、VXI和RS-232在内的I/O底层操作。(3)仪器资源层：又称VISA仪器控制组织，用来控制管理所有打开的仪器资源(4)接口函数层：提供多种接口操作函数，供上层程序调用。3.2.1.2仪器通讯功能设计设计的仪器接口模块用到的VISA核心函数分为以下三类，说明如下：1)通讯路径管理类函数:viOpenDefauItRM功能:打开和默认资源管理器的会话;函数:viOpen14 第三章自动校准检定及不确定评定系统软件设计功能:打开和每个仪器的会话:函数:viClose功能:关闭和每个仪器的会话:2)通讯属性管理类函数:viGetAttribute功能:获取和仪器的通讯属性:函数:viSetAttribute功能:设置和仪器的通讯属性;函数:viStatusDesc功能:获取仪器的状态描述;函数:viEnabIeEvent功能:开启事件;函数:viWaitOnEvent功能:等待事件;函数:viDisabIeEvent功能:不响应某类事件;3)基本I/O类函数:viRead功能:从仪器读取数据(字节):函数:viWrite功能:向仪器发送数据(字节);函数:viReadSTB功能:从有服务请求的仪器读其状态字寄存器(SBR):函数:viClear功能:清除接口，该函数执行一个GPIB接口的状态清除命令。仪器接口模块主要使用这三类函数设计了通讯路径管理、通讯属性设置和数据读写三个子模块，实现自动校准检定系统中计算机和仪器的通讯。这些子模块的设计方法以通讯属性管理子模块为例进行说明：通讯属性管理模块主要对系统中的总线接口的属性进行管理，包括属性的设置和读取功能。主要使用VISA的通讯属性管理类函数，设计过程是首先用状态锁定函数将接口的状态锁定，再对属性进行设置或读取操作，最后用状态解锁函数解除对接口的锁定，子模块的结构如图3-2所示：15 电子科技大学硕士学位论文接口状态锁定设置或读取接口属性接口状态解锁图3-2通讯属性管理模块结构3.2.2校准模块该模块的自动校准流程图如图3-3所示。开始人机交互确认被检设备型号存入系统配置文件NO有相应配置文件？编辑相应校准流程YES系统对配置文件进行解释控制系统设备执行相应操作NO配置文件执行完毕？YES结束图3-3自动校准程序流程图校准是在规定的条件下，将外标准产生的标准信号加到数字多用表，使仪器的显示值与标准信号进行比较而进行的全部调整工作。校准是保证数字多用表量值准16 第三章自动校准检定及不确定评定系统软件设计确，性能可靠的主要手段。在数字多用表的检定中，为保证其准确度，通常在其检定前，都需要对其进行校准。一般来说，数字多用表的校准通常包括两个方面的内容：首先是进行基础校准，这一步是对数字多用表的A/D变换器或零点进行校准，是整个校准过程的基础，必须首先完成；然后是功能量程校准，这一步是对数字多用表的各项功能及其每个[13][14]量程进行校准，是保证数字多用表量值准确的基本操作。通常基础校准必须首先进行，然后进行各个功能的校准。校准模块按软件功能上主要分为校准流程的编辑、解释及执行三个部分。校准流程编辑部分是在一个编辑界面进行，在此界面下按照规定的输入的格式进行校准流程的编辑，用户依照规定的格式输入相应的校准流程，经确认后，存入系统配置文件中。校准流程文本是规定格式的一段文本，用特定的一些标识字符区分文本中的各个功能段。用文本记录校准流程，既实现了对不同仪器校准特性的兼容，也避免使用专门的语言给使用者带来难以掌握的困难。校准流程解释部分主要对校准流程进行文字说明，校准流程是以特定格式的文本存储在系统配置文件中，在进行自动校准前，对文本记录的内容进行分解，然后翻译为自动校准软件需要的各项信息，包括功能、量程、程控指令等。具体步骤是：首先从系统配置文件中取出相应的校准流程文件，用字符串变量暂存在程序中；再对这个字符串依据预先规定的格式和标识字符(主要是“;”字符)进行划分，取出具体校准工作的各项信息，提供给校准执行模块来根据这些信息控制仪器进行操作。校准流程执行部分根据获得的校准流程解释内容，对系统中的标准和被检设备发送程控指令，控制标准仪器对被检仪器进行校准和检测，并对校准过程进行全程跟踪记录。由于校准流程的记录格式是规定好的，是固定的，变化的只是流程的内容，是根据不同设备的校准特性改变的，因此设计的校准流程的执行程序是以固定的次序来执行的，变化的只是向设备发送的程控指令。下面以FLUKE8840A进行直流电压校准的过程为例来说明整个校准过程。连接设备；编辑校准流程文本（需要时）；打开各个设备并预热30分钟；设置校准源和被检数字表的GPIB地址；运行自动校准软件；搜索系统中的所有仪器并建立通讯联系；软件会根据校准流程进行DCV项目的自动校准。对本次校准使用的校准流程文本的进行详细的说明如下:1)使用的校准流程文本内容DRAW:BitmapDCV.bmp;17 电子科技大学硕士学位论文//直流电压增益校准MSGBOX:"即将进行直流电压增益校准,请将源输出连接到正确的表输入端,准备完毕后单击确认按钮!";MSGBOX:"请再次确认线路连接的正确性!单击确定按钮继续!";//100mV量程校准SOUR>*CLS;//clearstatusregisterandservicerequestSOUR>STBY;//关闭源输出SOUR>OUT100mV;//100mV量程的校准DEST>FUNC"VOLT:DC";//表设置为电压测量功能DEST>VOLT:DC:RANG100mV;//设置表的量程DEST>CAL:VALUE100mV;//设置校准值SOUR>OPER;//打开源输出SOUR!4096;//等待源输出稳定DEST=CAL?;//执行校准操作,并且等待读取返回值WAIT:5000;//延时5秒钟,避免5700A标准源操作过于频繁//1V量程校准SOUR>STBY;SOUR>OUT1V;//1V量程的校准DEST>FUNC"VOLT:DC";//表设置为电压测量功能DEST>VOLT:DC:RANG1V;//设置表的量程DEST>CAL:VALUE1V;//设置校准值SOUR>OPER;//打开源输出WAIT:1000;//延时1000毫秒SOUR!4096;//等待源输出稳定DEST=CAL?;//执行校准操作,并且等待读取返回值WAIT:5000;//延时5秒钟,避免5700A标准源操作过于频繁//10V量程校准SOUR>STBY;SOUR>OUT10V;DEST>FUNC"VOLT:DC";DEST>VOLT:DC:RANG10V;DEST>CAL:VALUE10V;SOUR>OPER;SOUR!4096;DEST=CAL?;WAIT:5000;//-10V量程校准18 第三章自动校准检定及不确定评定系统软件设计SOUR>STBY;SOUR>OUT-10V;DEST>FUNC"VOLT:DC";DEST>VOLT:DC:RANG10v;DEST>CAL:VALUE-10V;SOUR>OPER;SOUR!4096;DEST=CAL?;WAIT:5000;//100V量程校准SOUR>STBY;SOUR>OUT100V;DEST>FUNC"VOLT:DC";DEST>VOLT:DC:RANG100V;DEST>CAL:VALUE100V;SOUR>OPER;SOUR!4096;DEST=CAL?;WAIT:5000;//1000V量程校准SOUR>STBY;SOUR>OUT1000V;DEST>FUNC"VOLT:DC";DEST>VOLT:DC:RANG1000V;DEST>CAL:VALUE1000V;SOUR>OPER;SOUR!4096;DEST=CAL?;WAIT:5000;SOUR>STBY;//最终关闭源输出SOUR>*RST;//重新设置为仪器初始状态[6][27]MSGBOX:"直流电压增益校准完毕,是否执行其它偏置或者增益校准?";2)使用的检定流程文本内容说明第一部分是仪器的功能设置与操作，每个校准项目都相同，它在校准流程文本前3行，主要包括：绘制标准源与待校准仪器连接示意图，提示用户进行硬件连接以及初始化仪器。第二部分是功能部分，设置待校准仪器的校准量程，以及标准源的输出，执行校准。第三部分为结束部分，关闭标准源的输出。3.2.3检定模块这个模块是根据检定流程的步骤，对系统中的标准源和被检数字表发送程控指令，控制标准源输出校准和检定信号，采集被检数字表测量数据，并对测量结果进行记录。3.2.3.1检定流程指令的翻译检定流程指令的翻译是指对检定流程文本内容用计算机识别的语言翻译。检定19 电子科技大学硕士学位论文流程是以特定格式的文本形式存储在数据库中的检定校准过程表里，检定程序运行过程与上述校准过程类似。用规定格式的文本记录检定流程，能够完整的记录检定过程中的各种信息，给使用者清楚的了解检定过程。检定流程文本记录格式分为两部分：对每个检定项目的规定和对检定项目下每个测量点的规定。其格式如下。(1)每个检定项目的规定：项目名；标准名；标准功能名；源功能码；基本设置；源ON码；源OFF码；提示；XXXX；x；表格号(2)检定项目下每个测量点的规定：标称值；标准功能名；标准设置；被测输出设置码或测量码；技术要求；结果小数位数，XXXX；x；表格号3.2.3.2检定流程根据获得的检定流程内容，向系统中的仪器发送程控指令，控制标准源对被检数字表进行检定，按提前设置好的测量点逐点测量，并记录测量数据。由于检定流程的记录格式是固定的，只是根据不同检定目的检定流程内容里的设置有所改变，因此检定流程的执行过程是以固定的次序执行的，只是向仪器发送的程控指令有所变化，同时系统设计了多种形式的人机交互方式方便用户在检定前进行检定点的设置。执行一个检定项目的自动检定程序流程图如图3-4所示。主要操作步骤有：1)初始化标准源和被检数字表对系统中的标准源和被检数字表进行初始化设置，使仪器处于正常工作状态。具体执行的操作包括恢复出厂设置和自动调零等。2)检定功能选择与设置设置系统中的标准源处于所需输出功能状态，设置被检数字表测量状态，包括数字表的功能、量程、频率、精度等。这些设置对检定项目中的所有测量点都是相同的。人机交互检定点设置是指根据需要设置检定点，也可调用提前设置好的检定点。3)标准信号输出与测量数据读取通过向系统中的标准源和被检数字表发送校准检定流程中记录的程控指令和参数，进行检定项目中的每个测量点的信号输出和测量。标准源按照规定的测量功能、量程等设置进行输出。20 第三章自动校准检定及不确定评定系统软件设计4)检定数据的记录先将每一个检定项目当前测量点的测量结果暂时保存在数组里，等到该检定项目的所有测量点都测量完成后，把数组里的数据写入数据库的文本文件里，所有检定项目测量完成后，该文本就是检定报告的测量数据部分。开始系统设备初始化检定功能选择人机交互检定点设置标准设备功能量程设置被检仪器功能量程设置激励标准设备输出信号被检设备数据读取记录检定数据NO所有测量点测完？YESNO所有功能测完？YES结束图3-4自动检定程序流程图3.2.4数据库模块3.2.4.1数据库结构设计数据库设计必须满足对数据准确有效的管理，本系统数据库结构设计包括以下方面。1)新建数据库的目的该系统使用数据库的目的是使自动校准检定系统软件和各仪器资源无关，因此，设计的数据库负责存储具体检定环境下各程控仪器的指令和以被检设备类型区21 电子科技大学硕士学位论文分的检定流程信息。数据库由一些表格组成，每个表格分别设置相应主题的字段。2)确定数据库中需要的表确定表的原则是表中不应该包含重复信息，并且信息不应该在表之间复制，每条信息只保存在一个表中，只需要在一处进行更新，这样效率更高，同时也消除了包含不同信息的重复项的可能性。由于在检定过程中，所有的信息都是根据使用的仪器类型区分的，所以按不同的仪器类型设计表能够最大程度的实现这个目的。标准源和被检设备的信息采用不同的表存储，标准源的表中只包含程控指令信息，被检设备的表里包括程控指令和的检定流程。3)确定表中的字段每个表都有一个主题，该表中的信息反映相同主题，表中的各字段就是该主题的各个事件。因此，设计的表中的字段是各仪器的所有测量操作信息，包括程控指令，指令标识符，数据有效状态等字段。3.2.4.2数据库的表格设计该系统所设计的数据库的表包括：仪器程控指令表、检定过程表和输出格式表三类。1）仪器程控指令表仪器程控指令表内指令的存储以功能分类，即不同的字段存储不同功能的指令。每个表的字段又分为共有字段和特有字段，共有字段存储所有标准仪器共有的字段，字段名有：型号规格、结束符命令、结束符、初始化命令、读数有效标志、数据串格式、有SRQ、数据就绪请求标志、测量项目、注意事项和读数命令等。特有字段存储每一种具体类型的标准仪器所特有的指令，特有字段因仪器类型的不同而改变。例如作为标准仪器的5700A有：功能指令、量程指令、单位指令等特有字段。本系统规定把被检仪器的程控指令直接写入检定流程的文本中，在数据库中存储的是检定流程的文本，字段名称是检定过程。规定把仪器的程控指令和设置存储在与使用功能对应的字段里，如：HP34401A型数字多用表的初始化指令是RESET，[13][17]就直接存储在数据库中数字多用表类仪器程控指令表的初始化命令字段里。2）检定过程表根据系统的要求，设计的数据库的检定过程表包括：检定过程信息表、检定原始数据表和检定数据处理表类。其中检定过程信息表是针对被检设备的检定过程建立的数据表，它存储的是设备每次检定时的各种信息，主要包括检定文件名、被检设备名、设备编号、检定时22 第三章自动校准检定及不确定评定系统软件设计间、温度、湿度、检定员及备注等字段名，表中的记录与系统的每次检定过程相对应，即每次检定都将在表中添加一行数据来记录检定过程的真实情况。检定原始数据表是为了记录检定原始数据而建立的数据表，它也是随检定过程而随机产生的，每台设备的每次检定过程都将根据检定人员的命名产生一个数据表，该类表主要包括功能、量程、标准值、测量值、频率及检定时间等字段名，全面记录检定过程产生的所有原始记录。检定数据处理表存储的是各个型号的被检设备的数据处理信息，它主要是为输出模块做检定数据的处理工作做准备，主要包括功能、量程、频率及数据处理时间间隔等字段。对于系统中的每台设备都有其相应的数据处理表，以保证使用者可以按照不同的测试要求对原始记录进行相应的处理。3）输出格式表输出格式表存储检定证书中的输出格式，包括排序号、格式和表格行号三个字段。排序号字段记录了格式的标号，格式字段存储表格的样式，表格行号字段对应表格数据。检定证书就是以存储的表格样式形式来显示和输出的。参照检定证书格式，制作了检定证书模板，将证书模板中需要填充的部分以变量代替，即制作定位符。按照制作好的检定证书模板存储和打印检定证书就可出具完整的证书。3.2.5数据处理模块数据处理模块主要完成数据输入、数据修正、数据统计查询、填写检定证书以及打印证书和各种表单等各种检定的主要业务工作。在这个功能模块下又分别设证书输入、证书删除、自动编号、检定费价格管理、有效期管理、默认参数设置等子模块。1)证书输入是指检定证书数据的输入，证书输入默认参数设置子模块的功能，用户在制证时对一些固定不变的项目可以设置成默认值，例如送检单位。一旦设置好默认值，在数据输入时，这些内容就不必再键入了。在检定费价格数据输入时，可采用人工输入或自动检索输入方式，一旦在检定费价格数据库中没有检索到，将切换到人工输入，并自动登记到价格数据库中，以后碰到同种类型计量器具时，检定费价格将自动置入。检定时间及有效期管理也可采用自动置入或人工置入两种选择方式。由于连续制证时，相同内容较多，增加了复制、证书号自动编号等一些辅助功能,极大地简便了用户的数据输入。23 电子科技大学硕士学位论文2)证书查阅统计功能模块数据查询的设计既要考虑用户使用简单方便，又要满足要求。查询的方式是:按证书号快速查询；按计量器具名称、送检单位名称等单个项目检索查询；按组合条件查询。按组合条件查询是实现不同数据项的“与”操作和相同数据项的“或”操作。统计子模块是将按检索条件检索出来的检定情况(包括送检单位、种类、规格型号、计量器具数量等)进行汇总，并可通过磁盘上报。3)制证打印功能模块在这个功能模块下分成制证、打印检定费结算清单和周检计划单三个功能子模块。制证子模块实现单证制作或多证制作，证书格式有四种型式可选择。单证制作为每次只打印一份检定证书或检定结果通知书，多证连续制作则将用户指定的多份证书连续打印出来。打印检定费结算清单和周检计划单功能块是将按检索条件检索出来的检定情况打印出来，计量检定部门可按检定费结算清单进行结算，也可按周检计划单安排下次检定计划。24 第四章测量结果不确定度评定第四章测量结果不确定度评定不确定度是以误差理论为基础的，它表征测量值的分散程度。不确定度因素包括被测设备本身的不稳定性、标准源的不确定度、测量环境的扰动（如温度差引入[28]的不确定度）、测量分辨力等。由于数字多用表的参数多、量程多，对于不同测量点，其测量不确定度值不同，需要分别给出。按照规定，在计算A类不确定度之前，要对测量点重复测量6次以上。根据重复测量的数据，可计算出每个测量点的标准偏差，然后由标准偏差、数字多用表的分辨力、标准源的不确定度及其传递不确定度计算得到测量不确定度。在得出扩展不确定度后，对该测量点的技术指标和测量不确定度进行比较得到合格与否的结论。4.1测量不确定度评定方法4.1.1测量不确定度的数学模型测量不确定度评定数学模型如下：V-VxN被检表的示值误差；VX被检表的示值；VN标准器输出值；标准不确定度评定：输入量V的标准不确定度由测量值重复性引起，采用A评定方法，对应于某X一检定点的一组独立重复测量量值：x,x,,x12nn1计算平均值：xxi(1)ni1n2(xix)i1计算实验标准偏差S(x)=(2)n1对于一组试验数据(V)=s(x)/n(3)X25 电子科技大学硕士学位论文输入量V的不确定度，采用B类评定方法N(V)=a/k(4)Na为测量点量程的最大允许误差的半宽度k为包含因子合成标准不确定度u的评定c22f2按公式：uc()(V)u(xi)(5)I22222方差：uc(V)*u(V)c(V)*u(V)(6)cXXNNff传播系数：c(V)()=1，c(V)()=-1XVNVXN[28]扩展不确定度评定U=ku()(7)Pc4.1.2测量结果不确定度的来源根据检定规程检定过程采用直接测量方法，由多功能校准源输出标准值给数字多用表，在被测表上读得相应的读数。由检定方法可知,其测量不确定度主要来源于被测多功能校准源和测量用的数字多用表。影响数字多用表测量结果的不确定度分量主要包括3个部分：1)标准装置输出不准确引入的不确定度；2)被检仪器分辨力引入的不确定度；3)测量人员在重复条件下进行重复测量引入的不确定度。4.1.3测量结果的不确定度评定本文以数字多用表FLUKE8840A为例，下面分别对数字多用表直流电压1.5V、交流电压150mV，1kHz、直流电流2mA、交流电流2mA，1kHz、电阻1kΩ进行不确定度分析。1）数字多用表8840A输出直流电压1.5V时的测量结果不确定度分析(1)本仪器测量重复性引入的不确定度可采用A类不确定度方法评定。考虑到在重复性条件下，所测得的测量列的分散性包含了标准源的稳定性、调节细度及读数误差引起的不确定度，故不另作分析。测量列1234561.5V1.499991.499981.499991.499981.499981.4999926 第四章测量结果不确定度评定由以上测量列可计算平均值x=1.499985V，62(xix)用贝塞尔公式计算单次实验标准偏差S(x)=i1=5.477×10-6V61由(3)式得标准不确定度u(x)=2.24µV1(2)被检数字多用表分辨力引入的不确定度可采用B类不确定度方法评定。被检数字多用表在直流电压1.5V的分辨力为10µV。根据标准不确定度B类评定的参数对照表4-1如下：表4-1标准不确定度B类评定的参数对照表信息来源半宽度a置信因子k1uB=a/k1技术说明书（±Δ）Δ3Δ/3溯源证书（U）U包含因子kU/k11可能值区间(b-～b+)(b+～b-)3(b+～b-)/322分辨力(δ)δ/23δ/23读数变化区间的半宽为分辨力的一半，则a2==5µV。2按均匀分布，取包含因子k=3。故由(4)式得标准不确定度u(x)=2.88675µV。2(3)由标准装置多功能校准源5700A输出值不准确引入的不确定度，可按B类不确定度方法评定。标准装置多功能校准源5700A直流电压1.5V在90天有效期内-6的最大允许误差极限为±(6×10×V实际值＋1.2µV)，则最大允许误差的区间半宽：-6-6a=6×10×V实际值＋1.2µV=6×10×1.5＋1.2µV＝10.2µV。设为正态分布，因P＝99％。查正态分布表得：k1=2.576。则由(4)式得标准不确定度：u(x)＝3.96µV。3由(6)式可得合成不确定度：222uu(x)u(x)u(x)5.4Vc123扩展不确定度Uku10.8V(k=2)c2）数字多用表8840A输出交流电压150mV，1kHz时的测量结果不确定度分析(1)本仪器测量重复性引入的不确定度可采用A类不确定度方法评定。考虑到在重复性条件下，所测得的测量列的分散性包含了标准源的稳定性、调节细度及读数误差引起的不确定度，故不另作分析。27 电子科技大学硕士学位论文测量列123456150mV150.005150.004150.006150.007150.008150.009由以上测量列可计算平均值x=150.0065mV，62(xix)实验标准偏差S(x)=i1=1.87µV61S(x)1.87标准不确定度u1(x)==0.76µVn6(2)被检数字多用表分辨力引入的不确定度可采用B类不确定度方法评定。被检数字多用表在交流电压150mV，1kHz的分辨力为1mV。根据标准不确定度B类评定的参数对照表4-1，读数变化区间的半宽为分辨力的一半，则a2==0.5mV。2按均匀分布，取包含因子k=3。0.5mV故标准不确定度u2(x)=＝0.29mV。3(3)由标准装置多功能校准源5700A输出值不准确引入的不确定度，可按B类不确定度方法评定。标准装置多功能校准源5700A交流电压150mV，1kHz在90天-6有效期内的最大允许误差极限为±(100×10×V实际值＋10µV)，则最大允许误差的区间半宽：-6-6a=100×10×V实际值＋10µV=100×10×150mV＋10µV＝25µV。设为正态分布，因P＝99％。查正态分布表得：k1=2.576。则标准不确定度：ua3(x)＝=9.7µV。k1合成不确定度222uu(x)u(x)u(x)9.7Vc123扩展不确定度Uku19.4Vc3）数字多用表8840A输出直流电流2mA时的测量结果不确定度分析(1)本仪器测量重复性引入的不确定度可采用A类不确定度方法评定。考虑到在重复性条件下，所测得的测量列的分散性包含了标准源的稳定性、调节细度及读数误差引起的不确定度，故不另作分析。测量列1234562mA1.971.981.991.991.991.99由以上测量列可计算平均值x=1.985mA，62(xix)实验标准偏差S(x)=i1=8×10-6A6128 第四章测量结果不确定度评定标准不确定度u1(x)=3.27µA(2)被检数字多用表分辨力引入的不确定度可采用B类不确定度方法评定。被检数字多用表在直流电流2mA的分辨力为10µA。根据标准不确定度B类评定的参数对照表3-1，读数变化区间的半宽为分辨力的一半，则a2==5µA。按均匀分布，2取包含因子k=3。故标准不确定度u2(x)=2.9µA。(3)由标准装置多功能校准源5700A输出值不准确引入的不确定度，可按B类不确定度方法评定。标准装置多功能校准源5700A直流电流2mA在90天有效期内-6的最大允许误差极限为±(50×10×V实际值＋10nV)，则最大允许误差的区间半宽：-6-6a=50×10×V实际值＋10nA=50×10×2mA＋10nA＝110nA。设为正态分布，因P＝99％。查正态分布表得：k1=2.576。a110nA则标准不确定度：u3(x)＝=＝42.7nA。k2.5761合成不确定：222uu(x)u(x)u(x)4.4Ac123扩展不确定度Uku8.8Ac4）数字多用表8840A输出交流电流2mA，1kHz时的测量结果不确定度分析(1)本仪器测量重复性引入的不确定度可采用A类不确定度方法评定。考虑到在重复性条件下，所测得的测量列的分散性包含了标准源的稳定性、调节细度及读数误差引起的不确定度，故不另作分析。测量列1234562mA2.222.232.222.212.202.23由以上测量列可计算平均值x=2.218mA，62(xix)实验标准偏差S(x)=i1=0.12µA61标准不确定度u1(x)=0.049µA(2)被检数字多用表分辨力引入的不确定度可采用B类不确定度方法评定。被检数字多用表在交流电流2mA，1kHz的分辨力为10µA。根据标准不确定度B类评定的参数对照表4-1，读数变化区间的半宽为分辨力的一半，则a2==5µA。按均25A匀分布，取包含因子k=3。故标准不确定度u2(x)=＝2.88675µA。3(3)由标准装置多功能校准源5700A输出值不准确引入的不确定度，可按B类29 电子科技大学硕士学位论文不确定度方法评定。标准装置多功能校准源5700A交流电流2mA，1kHz在90天有-6效期内的最大允许误差极限为±(140×10×V实际值＋40nA)，则最大允许误差的区间半宽：-6-6a=140×10×V实际值＋40nA=140×10×2mA＋40nA＝320nA。设为正态分布，因P＝99％。查正态分布表得：k1=2.576。a320nA则标准不确定度：u3(x)＝=＝124nA。k2.5761合成不确定度：222uu(x)u(x)u(x)2.9Ac123扩展不确定度Uku5.8Ac5）数字多用表8840A输出电阻1kΩ时的测量结果不确定度分析(1)本仪器测量重复性引入的不确定度可采用A类不确定度方法评定。考虑到在重复性条件下，所测得的测量列的分散性包含了标准源的稳定性、调节细度及读数误差引起的不确定度，故不另作分析。测量列1234561kΩ0.999991.000001.000010.999991.000001.00000由以上测量列可计算平均值x=0.999998kΩ，62(xix)实验标准偏差S(x)=i1=7.53mΩ61S(x)7.53标准不确定度u1(x)==3.1mΩn6(2)被检数字多用表分辨力引入的不确定度可采用B类不确定度方法评定。被检数字多用表在电阻1kΩ的分辨力为10mΩ。根据标准不确定度B类评定的参数对照表4-1，读数变化区间的半宽为分辨力的一半，则a2==5mΩ。按均匀分布，25m取包含因子k=3。故标准不确定度u2(x)=＝2.9mΩ。3(3)由标准装置多功能校准源5700A输出值不准确引入的不确定度，可按B类不确定度方法评定。标准装置多功能校准源5700A电阻1kΩ在90天有效期内最大-6允许误差极限为±(12×10×V实际值)，则最大允许误差的区间半宽：-6-6a=12×10×V实际值=12×10×1kΩ＝12mΩ。设为正态分布，因P＝99％。查正态分布表得：k1=2.576。a12m则标准不确定度：u3(x)＝=＝4.7mΩ。k2.5761合成不确定度222uu(x)u(x)u(x)6.3mc12330 第四章测量结果不确定度评定扩展不确定度Uku12.6mc4.1.4结论由以上计算过程得到该数字多用表的测量结果如下表：表4-2数字多用表测量结果功能检定点扩展不确定度允许误差直流电压1.5V11μV90μV交流电压150mV,1kHz19.4μV309μV直流电流2mA8.8μA40.8μA交流电流2mA,1kHz5.8μA2007μA电阻1kΩ12.6mΩ0.12Ω由上表可知各个功能的测量不确定度均不大于被测对象的三分之一允许误差，则该被测量满足所需的技术要求。符合上述条件的其它型号的数字多用表测量，一般可直接使用本不确定度的评定方法。4.2自动不确定度评定程序开始测量点的选取重复测量剔除粗大误差测量值是是否粗大误差?否A类不确定度B类不确定度合成不确定度扩展不确定度结论否测量是否完成？是结束图4-1测量结果不确定度评定流程图31 电子科技大学硕士学位论文根据上述不确定度评定方法，采用EXCEL编辑自动不确定度评定程序。不确定度评定首先要对测量点进行选取，一般检定证书不会给出所有检定点的不确定度评定，根据用户需要选择评定点。接下来对测量点进行重复测量，至少进行6次。得到的测量数据要进行粗大误差剔除。然后进行个分量的不确定度评定和合成不确定度评定。最后得出结论。其流程如上图4-1。首先在EXCEL中插入一个表格，用来对各不确定度分量和过程进行汇总。其中半宽值由各数字表和校准源的说明书查得直接输入，包含因子根据置信概率值对应查得。由于各表各量程的半宽值不同，因此分别建表。其计算过程用下表说明：表4-3不确定度汇总表序号ABCDEFGH1重复测量值x1x2x3x4x5x6x2不确定度来源半宽kuuU(k=2)允许误差结论iica3标准装置输出不a3u1B1准确引入的不确定度4被检仪器分辨力a3u2B2引入的不确定度5重复测量引入的//uA不确定度B1～G1是重复测量数据，H1单元格为平均值x，输入公式“=AVERAGE(B1:G1)”。D3为标准装置引入的不确定度u，输入公式“=B3/C3”。D4为被检数字多用表分辨B1力引入的不确定度u，输入公式“=B4/C4”。D5为重复测量引入的不确定度u，输B2A入公式“=STDEV(B1:G1)”。E3为合成不确定度值，输入公式“=SQRT(SUM(D3:D5))”。F3为扩展不确定度U的值，输入公式“=E3*2”。测量点允许误差值输入G3,H3为所得结论，输入公式“=IF(3*G3