|
對于標準電阻這樣的高精度產品在生產后，需要對其逐個檢定。人工檢定的方法操作煩瑣且易引入誤差，采用AGILENT 34970A(數據采集/開關單元)，通過HPIB總線與PC主機相連，組成自動測試虛擬儀器對其進行測試。測試完畢，通過DDE(Dynamic Data Exchange)自動生成檢定報告書。這樣，不僅簡化了測量過程，測量精度也得到了提高。 引言 標準電阻生產后參數的檢定，目前國內一般采用的是直接測量法或同標稱值替代法，測量儀器通常是電橋。雖然這種方法已很成熟，但所用的配套設備較多，操作繁瑣，而且整個檢定過程是在人工干預下進行，難免引入偏差（如：人工讀數等因素造成的），加之一些非技術性因素（如人的情緒等），檢定質量難以保證。在計算機技術與測量技術高速發展的今天，測試自動化已成必然趨勢。 基于上述原因，我們利用安捷倫公司的AGILENT 34970A，并通過GPIB總線連接到計算機主機，在AGILENT VEE軟件平臺下，開發了標準電阻自動檢定系統，它使檢定在自動狀態下進行，包括檢定完成后的檢定報告書也是利用DDE（Dynamic Data Exchange）自動在EXCEL中生成，因此該系統集可靠、高效于一體。 測試系統結構 1. 檢定方法探討 標準電阻的檢定方法很多，有直接測量法、同標稱值替代法、過渡傳遞法等。直接測量法的優點是簡便，但要求電阻測量儀器的精度要比被測電阻高兩個等級，對測量較多等級的標準電阻來說，付出的代價就是使用精度更高、價格昂貴的測試儀器；過渡傳遞法是通過對兩個不同電阻值的測量得到兩者的比值來實現電阻量值的傳遞，此方法常用于高精度電阻的測量，對測試儀器要求高且測試過程也比較復雜；同標稱值替代法是用電阻測量儀器依次測量標準電阻器（已計量并達到要求的標準電阻器）RS和被檢電阻器RX的電阻值，經下式運算后得到檢定結果。 RX = RS +（AX - AS） 式中 AS——測量RS時測量儀器的示值 AX——測量RX時測量儀器的示值 由上可知，同標稱值替代法對電阻測量儀器的精度要求較直接測量法低，測量方法也較前二者簡便。按規程JJG166-93可知，當電阻測量儀器達不到比被檢標準電阻RX精度等級高出兩個等級，而又有與被檢電阻器RX同標稱值的電阻標準器RS時，被檢電阻器電阻值的檢定可采用同標稱值替代法。我們現在實現的是檢定0.01級的標稱電阻，而現有測量儀器是AGILENT 34970A，由AGILENT 34970A的精度可知，雖然達不到直接測量0.01級標準電阻所需的高兩個等級的要求，但完全能利用其作為同標稱值替代法的測量儀器。基于上述分析，本系統采用同標稱值替代法，并用AGILENT 34970A作為測試核心儀器。 2. AGILENT 34970A及其應用 AGILENT 34970A是集多種功能于一體的測量儀器，本身帶有6 1/2 A/D轉換器，后部帶有三個模塊插槽，安捷倫公司提供八種模塊選件，可根據需要構成不同測量模式，完成多種測試功能。本系統主要用于標準電阻測量，因此選用AGILENT 34901，AGILENT 34901提供20路（單端輸入40路）模擬通道，我們選用其中二路，接標準電阻器RS和被測電路器RX。由于測試采用同標稱值替代法，在測試過程中將對RS和RX依次測量，需要一個開關供切換，因此再選用AGILENT 34904模塊，這是一個4×8雙線矩陣式變換開關，可隨意程控，切換被測對象。圖1是標準電阻測試接線示意圖（四線制接線）。 根據JJG166-93規程的要求，做電阻替代比較用的電阻測量儀器引入的誤差應不大于10×10-6（等級指數的1/10），為了達到這一目標，在測量低值電阻值時采用四線制測量方法（AGILENT 34970A提供這一功能）；為了消除接觸電勢等零電勢對電阻測量所帶來的誤差，應用了AGILENT 34970A提供的“偏移補償”（OFFSET COMPENSATION）技術：第一次是在恒流源的作用下測量電阻的電壓值，第二次是在關閉恒流源的情況下測量電阻的零電壓值，通過兩次測量電阻的電壓值來消除替代測量中給被測電阻帶來的零電勢影響，使之達到規程要求。 3．系統結構 本系統以AGILENT 34970A作為測量儀器，通過AGILENT 34901、AGILENT 34904模塊連接被測電阻，采用AGILENT VEE做測試系統軟件操作平臺，通過HPIB總線接口與AGILENT 34970A相聯。AGILENT 34970A支持SCPI命令，AGILENT 34970A所有動作均由AGILENT VEE平臺對其發送SCPI命令來實現。 軟件實現 AGILENT VEE（AGILENT Visual Engineering Environment）是安捷倫公司開發的圖形化編程語言，它具有以下特點： a. 易于編程； b. 強大的GUI功能：無需花大力氣就能制作出功能強大且友好的用戶界面； c. 強大的儀器控制功能：大量的儀器驅動函數，使用戶能自如地控制儀器。 由于上述特點，本系統采用AGILENT VEE作為測試軟件，圖2是測試程序流程圖。 軟件運行時，會提示操作者輸入一些最必須的數據，如：被檢定的電阻數、希望的平均測量次數、被測電阻器標稱值等，如果被檢對象種類單一，可免去這些交互。圖3是本測試程序操作界面。 由圖3可以看到人-機交互界面的概貌。曲線動態地反映了每次測試的實時狀況，在曲線圖上方實時地映出各次測試的平均數字值；這些數字的顏色與曲線顏色相對應。移動曲線上的小三角，可在曲線下方反映出任意二點的數值差。它為操作者提供了簡單，但又必要的數據分析手段。測試結束，數據由AGILENT VEE提供的DDE功能直接傳遞給Excel( 電子數據表格軟件)，由EXCEL進行數據分析、綜合，并生成檢定報告，這一過程由程序一氣呵成。 誤差綜合 用替代法檢定標準電阻，其被測標準電阻誤差的主要來源是標準器RS以及檢定裝置。在本系統中主要的檢定儀器是AGILENT 34970A，根據規程JJG166-93中的規定，我們所選用的標準器RS是二等標準電阻，其等級指數是0.001%，完全符合規程所規定不大于被檢電阻器1/4～1/5的要求。綜合分析本檢定裝置，得到它可能的誤差源如下： a. 由二等標準電阻器RS的年變化即等級指數CS引起的誤差ΔU1； b. 二等標準電阻器RS被檢定時引起的傳遞誤差ΔU2； c. 由測量儀器的重復性引入的誤差ΔU3； d. 由于測量儀器的分辨力不夠引起的誤差ΔU4； e. 由環境溫度變化引起的誤差ΔU5； f. 由引線電阻，寄生電勢，零電流等引起的誤差ΔU6。 以上六項誤差中引線電阻引起的誤差主要是對小電阻而言，在我們所檢定的對象受其影響的主要是100Ω和1000Ω的電阻。根據AGILENT 34970A的特性，采用四線制的測量方法來消除引線電阻的影響。由寄生電勢及零電流的影響，采用34970A的又一特性—偏移補償的方法來減小其對測量帶來的影響，使由引線電阻、寄生電勢、零電流等引起的誤差ΔU6不大于0.05CX，即ΔU6=5×10-6。 采用 AGILENT 34970A 6位半的顯示能力，使積分時間增加到200PLC，此時分辨率達到0.00000022 X 量程，則分辨率誤差ΔU4=1.1×10-7。 測量儀器AGILENT 34970A的重復性根據其電阻單元精度的24小時指標可知在所使用的100Ω～10kΩ三個量程中，精度最低的是100Ω量程的電阻，其精度的24小時指標為0.0065%，而根據規程規定0.01級標準電阻的偏差極限為0.01%，根據我們實際測試，AGILENT 34970A的重復性誤差符合規程規定，即ΔU3≤10×10-6。 由環境溫度變化引起的誤差ΔU5，因實驗條件所限，認為符合規程規定，即ΔU5=8×10-6。 綜合以上六項誤差的綜合誤差ΔU： ΔU=√ΔU12+ΔU22+ΔU32+ΔU42+ΔU52+ΔU62 = 17.7×10-6 < 33×10-6 此值小于JJG166-93規程規定的由檢定裝置及環境條件所引起的總不確定度不大于被測電阻器33×10-6（等級指數的1/3）的要求。 具體的誤差分配及綜合誤差見下表（其值以相對誤差表示）: 結束語 本系統的研制，表明了基于同標稱值替代法檢定0.01級及其以下級別的范圍在102～104Ω的標準電阻是完全可行的。如果采用分辨率更高的測量儀器，如：7 1/2分辨率，則能使被檢電阻值范圍更寬。測試的自動化，不僅提高了測量精度，也大大提高了效率。從中我們也可以看到，虛擬儀器作為一種嶄新的概念，其應用前景十分誘人。 |
