如何對基于計算機的測量儀器進行內部和外部校準

　　基于計算機的虛擬測量儀器比盒式測量儀器的成本要低，近年來應用普及很快。它與傳統的盒式測量儀器一樣，儀器都有一個校準有效期，因而需要進行定期校準以確保測量精度，本文介紹對基于計算機的測量儀器進行內部和外部校準的方法。

　　基于計算機的測量儀器具有很大的靈活性，應用因而日益普及。通過控制儀器功能，可以開發(fā)滿足特殊要求的測量系統。對任何測量系統來說，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)聯系緊密，它們得益于計算機技術的進步，這包括開放的通信標準、網絡服務器和在儀器和桌面應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。

　　采用校準實現精確測量

　　大部分測量儀器以精度表的形式提供有關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的電路板，因此，你必須在測量調整前后均要運用這些規(guī)范來驗證板的工作。

　　測量儀器準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確性。通過對所得測試結果與己知標準進行比較，校準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)定的指標范圍內。如果儀器的測量值超過了所公布的不確定性，那么就要調整測量電路以使之符合業(yè)已公布的規(guī)范。

　　經過一段時間，用戶要對傳統的測量儀器進行校準，基于計算機的測量儀器也一樣需要校準。用戶應當選擇具備內部校準(也稱自動校準)和外部校準工具的的基于計算機的測試儀器。

　　內部校準

　　如果你使用了如示波器這樣的儀器，那時你已經完成了內部校準。事實上，當你改變垂直范圍設置的時候，大部分示波器已完成了內部校準?；旧蟽x器將高精確度和板上電壓源進行數字化，并將其讀數與己知值相比較，然后將校準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為如NIST之類的大家所知的標準，進行內部校準的主要目的是補償工作壞境的變化、內部校準溫度的變化和可能影響測量的其它因素。

　　同傳統的測量儀器一樣，基于計算機的測量儀器應當支持內部校準?；谟嬎銠C的測量儀器的內部校準由調用校準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部校準無論何時調整垂直范圍，因而由軟件控制的內部校準技術可節(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)境當中，設計人員應當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轉換器提升電源電壓，采用電壓調節(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炔啃蕘硗瓿稍诓僮鳝h(huán)境下不同溫度的校準。關于上述設計技術的資料，可查詢NI網站上一篇題為“以基于PC的數據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?，如果這個測量儀器采用上述標準進行設計，校準仍是有效的?；谟嬎銠C的測量儀器同傳統的儀器一樣，通常在度量衡實驗室內進行校準。這個實驗室的操作溫度很可能與生產車間或設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)境中的傳統的示波器搬到另一個環(huán)境沒有區(qū)別。由于儀器的設計是面向不同使用環(huán)境的，因而所有校準仍是有效的，上述白皮書包含了闡明該原因的測試結果。

　　選擇測量儀器時，要確?；谟嬎銠C的測量儀器支持內部校準。為了方便使用，內部校準的過程應當自動進行，也就是說，這一過程無須調整裝置中的分壓器和跳線。例如，對NI的12位數據采集產品進行內部校準，大約10-20秒內就能自動完成全量程的內部校準。

　　外部校準

　　經過一段時期后，通常是一年后，用于完成內部校準的板上電壓源需要校準到某一已知的標準，這一板上電源的校準過程就是外部校準的一個例子。

　　外部校準要采用高精度的外部標準。進行外部校準期間，板上校準常數要參照外部標準來調整。同內部校準一樣，外部校準不要求調整分壓計或移動跳線。外部校準通常為度量衡實驗室或其它具有可朔源的機構保留。外部校準一旦完成，新的校準常數就被保存在測量儀器存儲器的被保護區(qū)域內且用戶無法取得，這樣就保護了由于偶然的調整對校準完整性的影響。無論任何測量儀器，制造商都必須提供相應的校準流程和在基于計算機的測量儀器裝置上進行外部校準所必需的校準軟件。

　　手動及自動校準流程

　　為了滿足工程師對校準基于計算機的測量儀器的需要，可以采用手動及自動校準方案。自動校準系統能夠快速、無須人力干預并可提供用于符合像ISO-9000的詳細校準記錄。手動校準流程為想要將嵌入校準功能直接嵌入測量系統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。

　　手動校準流程告訴你如何對測量儀器進行外部校準，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，也可以從制造商網站上下載。

　　手動流程校準的缺點是費時費力，這并非由于測量儀器的調整麻煩，而是由于較長的測量驗證過程造成的。要符合校準指南的要求，在校準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前后的規(guī)范內工作

　　。例如，要在E系列數據采集裝置上進行外部校準，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所需要的時間。通過GPIB與外部標準通信，校準軟件就能從儀器設置和讀取外部電壓的數值，這些數值然后用于驗證和校準被調整的儀器，校準流程結束時，可以從配置文件中自動讀取儀器技術指標并生成詳細的校準報告(圖1)。采用自動校準軟件，可以在校準一臺傳統測量儀器所需要的時間之內，同時測量幾臺測量儀器，尤其當被測裝置中不存在電壓表的時候，設計這些工具的目的是滿足度量衡實驗室對校準的嚴格要求。

　　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軟件產品。對于那些沒有度量衡實驗室的公司，數據采集和測量儀器公司通常必須與世界各地的度量衡服務公司合作。

　　通常有2類外部校準證書。一種是基本校準證書，通常是在產品制造后生成并由測量儀器生產商提供。這種證書讓NIST或本地標準檢定機構有可能追源儀器的來源以及在校準有效期內測量環(huán)境狀態(tài)的信息。認證度量衡實驗室通常是提供詳細的校準認證。這種認證除了提供在基礎認證中所包含的相同信息外，還將每一次測量前后的數據加以完善。詳細地校準認證應當符合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。這些指南確保校準的連續(xù)性，并且多數經過ISO-9000認證的公司都符合這些指南的要求。

　　本文小結

　　測量儀器基于計算機的測量儀器，同傳統的儀器一樣，需要周期性的內部和外部的校準以確保測量儀器達到所要求的精度。設計正確的基于計算機的測量裝置應當向用戶提供可進行自動內部校準的工具和服務，以及進行外部自動校準的方法。欲校準了解更多信息，請參見國家儀器校準網：www.ni.com/calibration。