如何校準(zhǔn)虛擬儀器 - 全文

　　1 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x器，即我們常說(shuō)的虛擬儀器與計(jì)算機(jī)聯(lián)系日益緊密，虛擬儀器由于設(shè)置靈活，數(shù)據(jù)處理功能完善等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍幾乎覆蓋了測(cè)試的各個(gè)領(lǐng)域：從數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、聲音和振動(dòng)測(cè)量、視覺、運(yùn)動(dòng)、儀器控制、信號(hào)發(fā)生、信號(hào)測(cè)量、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通訊領(lǐng)域無(wú)所不能，并且隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高和虛擬儀器卡的類型不斷增加，更多的用戶接受虛擬儀器的概念，使得虛擬儀器的運(yùn)用范圍不斷擴(kuò)大。

　　2 虛擬儀器的構(gòu)成

　　傳統(tǒng)測(cè)試儀器主要由輸入/輸出部分，電源部分，儀器內(nèi)部核心，顯示控制單元等組成。對(duì)于虛擬儀器而言，顯示控制部分改由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，儀器內(nèi)部核心部分為各種類型總線結(jié)構(gòu)的虛擬儀器卡。虛擬儀器作為一種新概念的測(cè)試儀器，就其功能而言，是真實(shí)的儀器，具有與傳統(tǒng)測(cè)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(xiàn)傳統(tǒng)儀器中許多硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)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(cè)試軟件的編寫，NI等公司除了提供虛擬儀器的測(cè)試板卡外，還開發(fā)了專門用于虛擬儀器編程的圖形化編程語(yǔ)言，如LABVIEW等，并以子VI形式向用戶提供大量測(cè)量算法的軟件包，用戶可以方便地用這些完成常規(guī)的虛擬儀器測(cè)量任務(wù)，從而大大降低了虛擬儀器開發(fā)的復(fù)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(zhǔn)的必要性

　　虛擬儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度與所采用的虛擬儀器卡的準(zhǔn)確度及測(cè)試軟件有關(guān)，而測(cè)試軟件中的算法等在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮（比如進(jìn)行多次平均以減少單次測(cè)量誤差），因此，虛擬儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度主要取決于虛擬儀器板卡的準(zhǔn)確度。

　　大家都知道，測(cè)試儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度是按一定的因子變化的，測(cè)量?jī)x器內(nèi)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(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度。

　　通過按照一定的時(shí)間間隔將測(cè)量?jī)x器的測(cè)試結(jié)果與溯源到國(guó)家基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，將測(cè)量不確定度量化，以確認(rèn)測(cè)量?jī)x器是否工作在儀器技術(shù)指標(biāo)內(nèi)，這就是校準(zhǔn)的目的。

　　與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器一樣，虛擬儀器也有一個(gè)校準(zhǔn)周期，必須定期校準(zhǔn)以確保其測(cè)量準(zhǔn)確度。虛擬儀器的校準(zhǔn)與傳統(tǒng)的測(cè)試儀器的校準(zhǔn)的相同之處是與傳統(tǒng)儀器一樣，也需要定期使用標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行外部校準(zhǔn)；不同之處是虛擬儀器的校準(zhǔn)是僅對(duì)虛擬儀器卡進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　3.1 校準(zhǔn)虛擬儀器卡是否滿足虛擬儀器校準(zhǔn)要求

　　前面已經(jīng)說(shuō)過，校準(zhǔn)虛擬儀器只需校準(zhǔn)虛擬儀器卡；但是校準(zhǔn)虛擬儀器卡所使用的計(jì)算機(jī)是校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的校準(zhǔn)計(jì)算機(jī)，而不是原來(lái)所用的配套計(jì)算機(jī)。也許有人會(huì)問，這樣校準(zhǔn)后，校準(zhǔn)后的虛擬儀器卡用于原來(lái)的計(jì)算機(jī)時(shí)，是否還保持在實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)后的技術(shù)指標(biāo)？

　　按照檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范，校準(zhǔn)任何儀器都應(yīng)在滿足環(huán)境要求的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)際使用時(shí)，有可能出現(xiàn)環(huán)境條件與實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件有所不同，由于虛擬儀器的設(shè)計(jì)是有一定的使用環(huán)境條件的，在滿足上述條件的環(huán)境下使用虛擬儀器時(shí)，仍然滿足技術(shù)說(shuō)明書要求。將在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)校準(zhǔn)后的虛擬儀器卡安裝到一臺(tái)新的計(jì)算機(jī)所構(gòu)成的測(cè)試儀器與將某一環(huán)境中的傳統(tǒng)的數(shù)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(qū)別。因此，校準(zhǔn)虛擬儀器卡完全能夠滿足虛擬儀器的校準(zhǔn)要求。

　　3.2 虛擬儀器的內(nèi)部自校準(zhǔn)能否代替外部校準(zhǔn)

　　當(dāng)今傳統(tǒng)的測(cè)試儀器數(shù)字示波器或者頻譜分析儀就具有內(nèi)部自校準(zhǔn)功能，與傳統(tǒng)測(cè)試儀器類似，虛擬儀器具有內(nèi)部自校準(zhǔn)功能。

　　內(nèi)部自校準(zhǔn)目的是補(bǔ)償由于儀器工作壞境變化、內(nèi)部校準(zhǔn)溫度的變化和可能影響測(cè)量的其它因素對(duì)虛擬儀器的影響，以提高虛擬儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度。內(nèi)部校準(zhǔn)是調(diào)用內(nèi)部校準(zhǔn)測(cè)量電路的軟件，與儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)值比較。

　　你也許會(huì)問，既然虛擬儀器具有了內(nèi)部自校準(zhǔn)功能，是否仍需要將虛擬儀器卡定期送至校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行定期外部校準(zhǔn)？

　　回答是肯定的，雖然虛擬儀器已經(jīng)具有了內(nèi)部自校準(zhǔn)功能，但是也需要定期（一般是每年一次）進(jìn)行送實(shí)驗(yàn)室外部校準(zhǔn)。原因如下：

　　第一：虛擬儀器卡自校準(zhǔn)時(shí)，所顯示的結(jié)果為pass或fail，不顯示實(shí)際參數(shù)的測(cè)試結(jié)果值。

　　第二：自校準(zhǔn)參數(shù)不能全部覆蓋虛擬儀器卡的所有參數(shù)。

　　第三：由于自校準(zhǔn)需要儀器內(nèi)部提供一個(gè)用于自校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值，而這個(gè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)值是否滿足技術(shù)參數(shù)的要求也需要進(jìn)行定期外部校準(zhǔn)。

　　第四：由于具有自校準(zhǔn)功能的傳統(tǒng)測(cè)試儀器也需要定期外校準(zhǔn)，因此，具有自校準(zhǔn)功能的虛擬儀器也需要定期外送實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)。

　　4 校準(zhǔn)結(jié)果

　　為了使大家對(duì)虛擬儀器的校準(zhǔn)項(xiàng)目、校準(zhǔn)所需要的儀器以及技術(shù)指標(biāo)等有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，下面以NI公司E系列數(shù)據(jù)采集卡為例介紹實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，其它的板卡比如示波器卡，信號(hào)發(fā)生器卡，頻率計(jì)卡、以及射頻信號(hào)發(fā)生以及分析卡再此不再贅敘。

　　4.1 校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器

　　數(shù)據(jù)采集卡的校準(zhǔn)涉及到電壓輸入、電壓輸出和時(shí)基等參數(shù)的校準(zhǔn)，根據(jù)美國(guó)NI公司的要求，所需要選擇的標(biāo)準(zhǔn)器如下

　　表2 E系列數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入校準(zhǔn)結(jié)果

　　表3 E系列數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出校準(zhǔn)結(jié)果

　　表4 5MHz頻率的校準(zhǔn)結(jié)果

　　4.3 校準(zhǔn)結(jié)果的解讀

　　從表2、表3、表4中可以看出，校準(zhǔn)結(jié)果包括了E系列數(shù)據(jù)采集卡所需要校準(zhǔn)的全部參數(shù)：模擬輸入信號(hào)測(cè)量準(zhǔn)確度，輸出信號(hào)準(zhǔn)確度，5MHz頻率準(zhǔn)確度。

　　校準(zhǔn)時(shí)，校準(zhǔn)程序要求虛擬儀器卡預(yù)熱15分鐘，緊接著進(jìn)行內(nèi)部自校準(zhǔn)。

　　對(duì)于模擬輸入信號(hào)的測(cè)量準(zhǔn)確度，校準(zhǔn)參數(shù)選擇為10V量程范圍內(nèi)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(cè)量準(zhǔn)確度，特別是增加的0輸入時(shí)的值的校準(zhǔn)，目的是用于校準(zhǔn)零點(diǎn)偏差。此項(xiàng)校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)器為Fluke5500多功能校準(zhǔn)器。

　　對(duì)于模擬輸出信號(hào)準(zhǔn)確度：校準(zhǔn)參數(shù)選擇為通道0和通道1中20V量程時(shí)的輸出電壓準(zhǔn)確度。此項(xiàng)校準(zhǔn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)器為6位半數(shù)字多用表。

　　對(duì)于5MHz頻率準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)，通過頻率計(jì)直接測(cè)量。

　　Before為調(diào)整之前的校準(zhǔn)結(jié)果，After為調(diào)整后的校準(zhǔn)結(jié)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(zhǔn)過程中進(jìn)行了參數(shù)值的調(diào)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(shù)據(jù)是首先進(jìn)行校準(zhǔn)后再進(jìn)行校準(zhǔn)的，因此，Before 和After之間的差別不是很大。

　　5 校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)定

　　PCI-6024E校準(zhǔn)結(jié)果測(cè)量不確定度涉及到電壓參數(shù)和頻率參數(shù)，本文僅對(duì)4.9V電壓測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定所使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器為5520A多功能校準(zhǔn)器。

　　5.1 測(cè)量不確定組成

　　測(cè)量不確定度由以下幾個(gè)方面組成

　?。?）5520A輸出電壓準(zhǔn)確度

　　（2）測(cè)量重復(fù)性

　　（3）儀器顯示分辨率

　　5.2 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度評(píng)定

　　5.2.1 標(biāo)準(zhǔn)儀器5520A測(cè)量不確定度

　　5.3 測(cè)量不確定度合成

　　6 結(jié)論

　　同傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器一樣，虛擬儀器也需要定期送至具有校準(zhǔn)能力的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，以確保測(cè)量?jī)x器始終在其所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。作為上海市政府依法設(shè)立的法定計(jì)量機(jī)構(gòu)－上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院在虛擬儀器的計(jì)量校準(zhǔn)中負(fù)有義不容辭的責(zé)任。為了更好的為客戶提供服務(wù)，上海市計(jì)量測(cè)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(qū)張衡路1500號(hào)，計(jì)量校準(zhǔn)能力有了很大的發(fā)展。上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院下屬的電子與電氣計(jì)量技術(shù)研究所由原來(lái)的電磁室、無(wú)線電室以及光學(xué)室合并而成，計(jì)量覆蓋范圍從直流信號(hào)、低頻信號(hào)、高頻信號(hào)、脈沖信號(hào)至無(wú)線電、可見光、直至不可見光，現(xiàn)在保存有國(guó)家基準(zhǔn)、華東最高標(biāo)準(zhǔn)、上海市最高標(biāo)準(zhǔn)數(shù)十項(xiàng)，擁有教授級(jí)高工2名，高工十多名。美國(guó)國(guó)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(guó)的校準(zhǔn)中心設(shè)定于上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院電子所，校準(zhǔn)范圍覆蓋其所有的產(chǎn)品（包括數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)發(fā)生器卡、示波器卡、頻率計(jì)卡、射頻信號(hào)發(fā)生器卡、射頻信號(hào)分析儀卡、下變頻器卡等所有的卡的類型。我們不但可以提供虛擬儀器卡的校準(zhǔn)服務(wù)（calibration），而且包括出現(xiàn)超出其技術(shù)指標(biāo)（specification）時(shí)的調(diào)整服務(wù)（adjustment），我們?yōu)榭蛻舻男?zhǔn)的虛擬儀器卡的數(shù)量也是在逐年提高，現(xiàn)在已經(jīng)為NI中國(guó)公司的用戶近千塊虛擬儀器卡提供了校準(zhǔn)服務(wù)，滿足了客戶的需求。另外，也證明了虛擬儀器與傳統(tǒng)的測(cè)試儀器一樣，需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)。