基于Fluke MET/CAL和5700A的 Agilent 34401A自動(dòng)校

0 引 言
“科技要發(fā)展，計(jì)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(jì)量保障幾乎是不可能的。但是，在我國計(jì)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(cè)試接口，但實(shí)際的測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)，人工計(jì)算測(cè)試不確定度等，不僅工作量巨大，而且容易出錯(cuò)。為了能提高效率，廣大計(jì)量測(cè)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(shí)現(xiàn)計(jì)量自動(dòng)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(tái)的選擇，校準(zhǔn)校準(zhǔn)點(diǎn)的制定，校準(zhǔn)軟件的設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)報(bào)告模板的設(shè)計(jì)等來闡述如何簡單快速地組建、設(shè)計(jì)自動(dòng)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(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件包括我所電磁學(xué)最高計(jì)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(jì)算機(jī)以及打印機(jī)組成的。通過安裝在計(jì)算機(jī)中的Fluke公司的MET／CAL校準(zhǔn)管理軟件平臺(tái)(簡稱MET／CAL)及自行編寫的34401A校準(zhǔn)程序控制整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(cè)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(cè)試信號(hào)，再把34401A的讀數(shù)返回給計(jì)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(jì)算出該校準(zhǔn)點(diǎn)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(diǎn)完成后再調(diào)用報(bào)告模板打印校準(zhǔn)報(bào)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(cè)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(tái)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(xiàng)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(gè)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(jì)算機(jī)，而USB接口無論臺(tái)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(shí)連接16個(gè)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(diǎn)，是當(dāng)前非常流行的GPIB控制器。
3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)選擇
要通過GPIB接口編程控制5700A和34401A，在軟件平臺(tái)選擇上可以有多個(gè)方案，像Microsoft的VB，VC／C++，NI的LabView等都是不錯(cuò)的選擇。但對(duì)于普通計(jì)量工作者來說，學(xué)會(huì)這些語言的編程絕非易事。沒有一定的編程經(jīng)驗(yàn)，想完成這個(gè)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(shí)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(gè)Sybase校準(zhǔn)引擎，提供了對(duì)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(jì)算機(jī)自帶的COM串行口對(duì)具有GPIB或RS-232接口的儀表實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的計(jì)量測(cè)試，甚至對(duì)沒有接口的儀表也可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)測(cè)試。最為人稱道的是它還可以按ISO17025的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量不確定度的自動(dòng)計(jì)算，最后利用配套的Crystal Report(水晶報(bào)告)軟件設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)校準(zhǔn)點(diǎn)
根據(jù)國家數(shù)字多用表的計(jì)量檢定規(guī)程，對(duì)34401A進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)必須對(duì)其交直流電壓、電流、電阻測(cè)量功能的各個(gè)量程進(jìn)行檢定，每個(gè)量程測(cè)量3～5個(gè)點(diǎn)，基本量程測(cè)量10個(gè)點(diǎn)，直流信號(hào)還要對(duì)正負(fù)滿度值進(jìn)行測(cè)量，交流信號(hào)要對(duì)主要的頻率拐點(diǎn)的性能予以驗(yàn)證；同時(shí)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(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的標(biāo)稱值來分別計(jì)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(duì)直流1 V量程的0．5 V校準(zhǔn)點(diǎn)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(bào)告程序中每一點(diǎn)的TUR，不需要用戶計(jì)算，因此可以很方便的確定校準(zhǔn)是否符合校準(zhǔn)要求。