AGILENT 34970A在產(chǎn)品參數(shù)檢定中的應(yīng)用

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電阻這樣的高精度產(chǎn)品在生產(chǎn)后，需要對(duì)其逐個(gè)檢定。人工檢定的方法操作煩瑣且易引入誤差，采用AGILENT 34970A(數(shù)據(jù)采集/開(kāi)關(guān)單元)，通過(guò)HPIB總線與PC主機(jī)相連，組成自動(dòng)測(cè)試虛擬儀器對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試完畢，通過(guò)DDE(Dynamic Data Exchange)自動(dòng)生成檢定報(bào)告書(shū)。這樣，不僅簡(jiǎn)化了測(cè)量過(guò)程，測(cè)量精度也得到了提高。

引言

　　標(biāo)準(zhǔn)電阻生產(chǎn)后參數(shù)的檢定，目前國(guó)內(nèi)一般采用的是直接測(cè)量法或同標(biāo)稱(chēng)值替代法，測(cè)量?jī)x器通常是電橋。雖然這種方法已很成熟，但所用的配套設(shè)備較多，操作繁瑣，而且整個(gè)檢定過(guò)程是在人工干預(yù)下進(jìn)行，難免引入偏差（如：人工讀數(shù)等因素造成的），加之一些非技術(shù)性因素（如人的情緒等），檢定質(zhì)量難以保證。在計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量技術(shù)高速發(fā)展的今天，測(cè)試自動(dòng)化已成必然趨勢(shì)。

　　基于上述原因，我們利用安捷倫公司的AGILENT? 34970A，并通過(guò)GPIB總線連接到計(jì)算機(jī)主機(jī)，在AGILENT VEE軟件平臺(tái)下，開(kāi)發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)電阻自動(dòng)檢定系統(tǒng)，它使檢定在自動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行，包括檢定完成后的檢定報(bào)告書(shū)也是利用DDE（Dynamic Data Exchange）自動(dòng)在EXCEL中生成，因此該系統(tǒng)集可靠、高效于一體。

測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1. 檢定方法探討

　　標(biāo)準(zhǔn)電阻的檢定方法很多，有直接測(cè)量法、同標(biāo)稱(chēng)值替代法、過(guò)渡傳遞法等。直接測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便，但要求電阻測(cè)量?jī)x器的精度要比被測(cè)電阻高兩個(gè)等級(jí)，對(duì)測(cè)量較多等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電阻來(lái)說(shuō)，付出的代價(jià)就是使用精度更高、價(jià)格昂貴的測(cè)試儀器；過(guò)渡傳遞法是通過(guò)對(duì)兩個(gè)不同電阻值的測(cè)量得到兩者的比值來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻量值的傳遞，此方法常用于高精度電阻的測(cè)量，對(duì)測(cè)試儀器要求高且測(cè)試過(guò)程也比較復(fù)雜；同標(biāo)稱(chēng)值替代法是用電阻測(cè)量?jī)x器依次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻器（已計(jì)量并達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)電阻器）RS和被檢電阻器RX的電阻值，經(jīng)下式運(yùn)算后得到檢定結(jié)果。

??????? 　　RX = RS +（AX - AS）

　　式中??? AS——測(cè)量RS時(shí)測(cè)量?jī)x器的示值

??????? 　　AX——測(cè)量RX時(shí)測(cè)量?jī)x器的示值

　　由上可知，同標(biāo)稱(chēng)值替代法對(duì)電阻測(cè)量?jī)x器的精度要求較直接測(cè)量法低，測(cè)量方法也較前二者簡(jiǎn)便。按規(guī)程JJG166-93可知，當(dāng)電阻測(cè)量?jī)x器達(dá)不到比被檢標(biāo)準(zhǔn)電阻RX精度等級(jí)高出兩個(gè)等級(jí)，而又有與被檢電阻器RX同標(biāo)稱(chēng)值的電阻標(biāo)準(zhǔn)器RS時(shí)，被檢電阻器電阻值的檢定可采用同標(biāo)稱(chēng)值替代法。我們現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)的是檢定0.01級(jí)的標(biāo)稱(chēng)電阻，而現(xiàn)有測(cè)量?jī)x器是AGILENT 34970A，由AGILENT 34970A的精度可知，雖然達(dá)不到直接測(cè)量0.01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電阻所需的高兩個(gè)等級(jí)的要求，但完全能利用其作為同標(biāo)稱(chēng)值替代法的測(cè)量?jī)x器。基于上述分析，本系統(tǒng)采用同標(biāo)稱(chēng)值替代法，并用AGILENT 34970A作為測(cè)試核心儀器。

　　2. AGILENT 34970A及其應(yīng)用

　　AGILENT 34970A是集多種功能于一體的測(cè)量?jī)x器，本身帶有6 1/2 A/D轉(zhuǎn)換器，后部帶有三個(gè)模塊插槽，安捷倫公司提供八種模塊選件，可根據(jù)需要構(gòu)成不同測(cè)量模式，完成多種測(cè)試功能。本系統(tǒng)主要用于標(biāo)準(zhǔn)電阻測(cè)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(biāo)準(zhǔn)電阻器RS和被測(cè)電路器RX。由于測(cè)試采用同標(biāo)稱(chēng)值替代法，在測(cè)試過(guò)程中將對(duì)RS和RX依次測(cè)量，需要一個(gè)開(kāi)關(guān)供切換，因此再選用AGILENT 34904模塊，這是一個(gè)4×8雙線矩陣式變換開(kāi)關(guān)，可隨意程控，切換被測(cè)對(duì)象。圖1是標(biāo)準(zhǔn)電阻測(cè)試接線示意圖（四線制接線）。

圖：1

根據(jù)JJG166-93規(guī)程的要求，做電阻替代比較用的電阻測(cè)量?jī)x器引入的誤差應(yīng)不大于10×10-6（等級(jí)指數(shù)的1/10），為了達(dá)到這一目標(biāo)，在測(cè)量低值電阻值時(shí)采用四線制測(cè)量方法（AGILENT 34970A提供這一功能）；為了消除接觸電勢(shì)等零電勢(shì)對(duì)電阻測(cè)量所帶來(lái)的誤差，應(yīng)用了AGILENT 34970A提供的“偏移補(bǔ)償”（OFFSET COMPENSATION）技術(shù)：第一次是在恒流源的作用下測(cè)量電阻的電壓值，第二次是在關(guān)閉恒流源的情況下測(cè)量電阻的零電壓值，通過(guò)兩次測(cè)量電阻的電壓值來(lái)消除替代測(cè)量中給被測(cè)電阻帶來(lái)的零電勢(shì)影響，使之達(dá)到規(guī)程要求。

3．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)以AGILENT 34970A作為測(cè)量?jī)x器，通過(guò)AGILENT 34901、AGILENT 34904模塊連接被測(cè)電阻，采用AGILENT VEE做測(cè)試系統(tǒng)軟件操作平臺(tái)，通過(guò)HPIB總線接口與AGILENT 34970A相聯(lián)。AGILENT 34970A支持SCPI命令，AGILENT 34970A所有動(dòng)作均由AGILENT VEE平臺(tái)對(duì)其發(fā)送SCPI命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

軟件實(shí)現(xiàn)

　　AGILENT VEE（AGILENT Visual Engineering Environment）是安捷倫公司開(kāi)發(fā)的圖形化編程語(yǔ)言，它具有以下特點(diǎn)：

圖：2

a. 易于編程；

　　b. 強(qiáng)大的GUI功能：無(wú)需花大力氣就能制作出功能強(qiáng)大且友好的用戶(hù)界面；

　　c. 強(qiáng)大的儀器控制功能：大量的儀器驅(qū)動(dòng)函數(shù)，使用戶(hù)能自如地控制儀器。

　　由于上述特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用AGILENT VEE作為測(cè)試軟件，圖2是測(cè)試程序流程圖。

　　軟件運(yùn)行時(shí)，會(huì)提示操作者輸入一些最必須的數(shù)據(jù)，如：被檢定的電阻數(shù)、希望的平均測(cè)量次數(shù)、被測(cè)電阻器標(biāo)稱(chēng)值等，如果被檢對(duì)象種類(lèi)單一，可免去這些交互。圖3是本測(cè)試程序操作界面。

圖：3

由圖3可以看到人-機(jī)交互界面的概貌。曲線動(dòng)態(tài)地反映了每次測(cè)試的實(shí)時(shí)狀況，在曲線圖上方實(shí)時(shí)地映出各次測(cè)試的平均數(shù)字值；這些數(shù)字的顏色與曲線顏色相對(duì)應(yīng)。移動(dòng)曲線上的小三角，可在曲線下方反映出任意二點(diǎn)的數(shù)值差。它為操作者提供了簡(jiǎn)單，但又必要的數(shù)據(jù)分析手段。測(cè)試結(jié)束，數(shù)據(jù)由AGILENT VEE提供的DDE功能直接傳遞給Excel( 電子數(shù)據(jù)表格軟件)，由EXCEL進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、綜合，并生成檢定報(bào)告，這一過(guò)程由程序一氣呵成。

誤差綜合

　　用替代法檢定標(biāo)準(zhǔn)電阻，其被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)電阻誤差的主要來(lái)源是標(biāo)準(zhǔn)器RS以及檢定裝置。在本系統(tǒng)中主要的檢定儀器是AGILENT 34970A，根據(jù)規(guī)程JJG166-93中的規(guī)定，我們所選用的標(biāo)準(zhǔn)器RS是二等標(biāo)準(zhǔn)電阻，其等級(jí)指數(shù)是0.001%，完全符合規(guī)程所規(guī)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(biāo)準(zhǔn)電阻器RS的年變化即等級(jí)指數(shù)CS引起的誤差ΔU1；

　　b. 二等標(biāo)準(zhǔn)電阻器RS被檢定時(shí)引起的傳遞誤差ΔU2；

　　c. 由測(cè)量?jī)x器的重復(fù)性引入的誤差ΔU3；

　　d. 由于測(cè)量?jī)x器的分辨力不夠引起的誤差ΔU4；

　　e. 由環(huán)境溫度變化引起的誤差ΔU5；

　　f. 由引線電阻，寄生電勢(shì)，零電流等引起的誤差ΔU6。

　　以上六項(xiàng)誤差中引線電阻引起的誤差主要是對(duì)小電阻而言，在我們所檢定的對(duì)象受其影響的主要是100Ω和1000Ω的電阻。根據(jù)AGILENT 34970A的特性，采用四線制的測(cè)量方法來(lái)消除引線電阻的影響。由寄生電勢(shì)及零電流的影響，采用34970A的又一特性—偏移補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)減小其對(duì)測(cè)量帶來(lái)的影響，使由引線電阻、寄生電勢(shì)、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(shí)間增加到200PLC，此時(shí)分辨率達(dá)到0.00000022 X 量程，則分辨率誤差ΔU4=1.1×10-7。

　　測(cè)量?jī)x器AGILENT 34970A的重復(fù)性根據(jù)其電阻單元精度的24小時(shí)指標(biāo)可知在所使用的100Ω～10kΩ三個(gè)量程中，精度最低的是100Ω量程的電阻，其精度的24小時(shí)指標(biāo)為0.0065%，而根據(jù)規(guī)程規(guī)定0.01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電阻的偏差極限為0.01%，根據(jù)我們實(shí)際測(cè)試，AGILENT 34970A的重復(fù)性誤差符合規(guī)程規(guī)定，即ΔU3≤10×10-6。

　　由環(huán)境溫度變化引起的誤差ΔU5，因?qū)嶒?yàn)條件所限，認(rèn)為符合規(guī)程規(guī)定，即ΔU5=8×10-6。

　　綜合以上六項(xiàng)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(guī)程規(guī)定的由檢定裝置及環(huán)境條件所引起的總不確定度不大于被測(cè)電阻器33×10-6（等級(jí)指數(shù)的1/3）的要求。

具體的誤差分配及綜合誤差見(jiàn)下表（其值以相對(duì)誤差表示）:

結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)的研制，表明了基于同標(biāo)稱(chēng)值替代法檢定0.01級(jí)及其以下級(jí)別的范圍在102～104Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻是完全可行的。如果采用分辨率更高的測(cè)量?jī)x器，如：7 1/2分辨率，則能使被檢電阻值范圍更寬。測(cè)試的自動(dòng)化，不僅提高了測(cè)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(yīng)用前景十分誘人。