基于LabWindows/CVI的直流電阻自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

陳明亮，蔡衛(wèi)平

（深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，廣東 深圳 518055）

0 引 言

直流電阻是用于保存和傳遞電阻單位歐姆的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)，其量值傳遞是準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)。對(duì)電阻值≥1Ω的直流電阻，通常采用數(shù)字多用表直接測(cè)量；而對(duì)于＜1Ω的直流電阻，需要采用直流恒流源給直流電阻提供電流，使用納伏表測(cè)量電阻兩端電壓的方式計(jì)算出被測(cè)直流電阻的電阻值。對(duì)于含有各個(gè)電阻值的直流電阻儀器測(cè)量過(guò)程過(guò)于繁瑣，使用的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備眾多，測(cè)量的精度難以保證；因此，研制一套針對(duì)各個(gè)電阻值進(jìn)行測(cè)量的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

為實(shí)現(xiàn)直流電阻儀器高精度和快速測(cè)量，同時(shí)也為了提高校準(zhǔn)工作的效率和可靠性，減少證書(shū)報(bào)告差錯(cuò)率，降低檢定人員的工作強(qiáng)度，開(kāi)發(fā)出基于LabWindow/CVI平臺(tái)的自動(dòng)化校準(zhǔn)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種型號(hào)的直流電阻器、直流電阻箱和雙電橋校驗(yàn)儀的校準(zhǔn)，測(cè)試過(guò)程操作簡(jiǎn)單，具有較好的應(yīng)用前景。

1 直流電阻自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)原理

直流電阻自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)使用一組已經(jīng)標(biāo)定好的標(biāo)準(zhǔn)電阻，量值從1mΩ～1MΩ不等。測(cè)試時(shí)選擇與被測(cè)電阻同數(shù)量級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電阻，通過(guò)讀取標(biāo)準(zhǔn)電阻與被測(cè)電阻上的電壓值，對(duì)被測(cè)直流電阻的阻值進(jìn)行量值傳遞。

式中：Un——標(biāo)準(zhǔn)電阻壓降；

Rn——標(biāo)準(zhǔn)電阻值；

Ux——被測(cè)電阻壓降；

Rx——被測(cè)電阻值[1]。

利用電壓比等于電阻比的方法，可以避免測(cè)試引線電阻的干擾。特別對(duì)于≤0.1Ω直流電阻，由于測(cè)試額定電流＞1 A，不能直接使用數(shù)字多用表進(jìn)行測(cè)量，使用比例方法能夠達(dá)到很好的測(cè)量效果。直流電阻自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件原理如圖1所示。

圖1 直流電阻自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件原理圖

系統(tǒng)使用RS-232作為通信接口，降低了系統(tǒng)的成本。程控恒流源輸出的電流值范圍從0.1mA～10A，且連續(xù)可調(diào)，覆蓋了測(cè)試電阻需要的額定電流值；輸出電流值需有足夠的穩(wěn)定度，其值低于被測(cè)電阻精度的十分之一。納伏表用于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻與被測(cè)電阻上的壓降，電壓測(cè)量的準(zhǔn)確度為讀數(shù)的十萬(wàn)分之幾，測(cè)量速度快；納伏表測(cè)量中使用專(zhuān)用的低熱電勢(shì)屏蔽測(cè)試線纜，提高抗噪聲能力。

在自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)串行通信總線控制恒流源輸出額定的電流值，旋轉(zhuǎn)低熱電勢(shì)開(kāi)關(guān)，使納伏表測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻上的壓降，再旋轉(zhuǎn)低熱電勢(shì)開(kāi)關(guān)，使納伏表測(cè)量被測(cè)電阻上的壓降，納伏表測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串行通信總線傳回計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中利用式（1）計(jì)算被測(cè)電阻的阻值，根據(jù)電阻的技術(shù)指標(biāo)判斷是否合格。測(cè)試數(shù)據(jù)最后保存在Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便查詢(xún)和打印原始記錄。

對(duì)于≤0.1Ω的直流電阻，由于電阻上的壓降往往小于100 mV，測(cè)量電路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)不能忽略。針對(duì)于此：（1）系統(tǒng)中采用了低熱電勢(shì)開(kāi)關(guān)；（2）采用電流正向測(cè)量、反向測(cè)量方法，消除熱電勢(shì)影響。兩種不同材質(zhì)的金屬相互接觸就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，跟電流的流向無(wú)關(guān)，因此通過(guò)納伏表兩次測(cè)量電壓值相減取絕對(duì)值的平均值，就可以很好地消除系統(tǒng)中熱電勢(shì)的影響[2-4]。

2 直流電阻自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)由串行通信總線配置模塊、直流電阻器測(cè)試模塊、直流電阻箱測(cè)試和雙電橋測(cè)試模塊、測(cè)試數(shù)據(jù)的保存與查詢(xún)、測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊和用戶(hù)管理模塊組成。軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 直流電阻自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

測(cè)試前，首先進(jìn)行端口配置，查找到系統(tǒng)中的程控恒流源和納伏表。配置完成后，選擇需要測(cè)試的模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完畢，最后保存測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊對(duì)已完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、導(dǎo)出和打印。

標(biāo)準(zhǔn)電阻組精度影響著系統(tǒng)測(cè)量精度，系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)電阻標(biāo)定模塊用于維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)電阻組。每年標(biāo)準(zhǔn)電阻送檢后，利用標(biāo)準(zhǔn)電阻標(biāo)定模塊保存標(biāo)準(zhǔn)電阻組的實(shí)際值以及測(cè)試時(shí)的電流值。

2.1 雙電橋測(cè)試模塊

雙電橋校驗(yàn)儀可能包含的定值電阻從0.1mΩ~1kΩ不等，電阻盤(pán)步進(jìn)值從0.01~10Ω不等。測(cè)試前，測(cè)試人員根據(jù)被測(cè)雙電橋?qū)嶋H電阻值選擇相應(yīng)的定值電阻和電阻盤(pán)，并選擇其對(duì)應(yīng)的允許誤差，確認(rèn)之后，系統(tǒng)根據(jù)選擇的電阻值與允許誤差自動(dòng)生成測(cè)試過(guò)程。雙電橋測(cè)試模塊操作界面如圖3所示。

圖3 雙電橋測(cè)試模塊操作界面

測(cè)試過(guò)程中，首先測(cè)試雙電橋的殘余電阻值，此時(shí)所有電阻盤(pán)都處于關(guān)閉狀態(tài)。緊接著測(cè)試各個(gè)定值電阻和電阻盤(pán)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測(cè)試的定值電阻值或電阻步進(jìn)值提示測(cè)試人員準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)電阻值，其阻值將從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出。測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試人員根據(jù)測(cè)試示意圖旋轉(zhuǎn)至下一步測(cè)試點(diǎn)。對(duì)于電阻值＜0.1 Ω的電阻，將要進(jìn)行正向電流測(cè)試和反向電流測(cè)試，來(lái)消除熱電勢(shì)帶來(lái)的影響。測(cè)試結(jié)束后測(cè)試結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)的保存與查詢(xún)模塊

測(cè)試結(jié)果信息的保存和查詢(xún)是LabWindow/CVI對(duì)Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)[5]進(jìn)行寫(xiě)入和讀出的過(guò)程。LabWindow/CVI在安裝了CVI SQL Took it之后支持對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，通過(guò)開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)互連（open database connectivity，ODBC）[6]方式實(shí)現(xiàn)對(duì)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)注冊(cè)O(shè)DBC數(shù)據(jù)源訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)表中的記錄進(jìn)行查詢(xún)、插入、更新和刪除。

2.3 測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)出

LabWindow/CVI提供對(duì)外部組件Active X的調(diào)用方式，利用自身的開(kāi)發(fā)向?qū)ё詣?dòng)生成儀器驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)加載儀器驅(qū)動(dòng)器之后，就可以像LabWindow/CVI內(nèi)部函數(shù)一樣使用。使用Active X自動(dòng)化技術(shù)，使LabWindow/CVI程序在后臺(tái)操作Microsoft Excel，讀出Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息后導(dǎo)入進(jìn)Microsoft Excel中。Microsoft Excel具有精確定位、快速寫(xiě)入等特性，方便測(cè)試數(shù)據(jù)的順利導(dǎo)入[7-8]。

LabWindow/CVI應(yīng)用程序查找已經(jīng)編輯好的統(tǒng)一格式Microsoft Excel原始記錄模板，打開(kāi)的同時(shí)創(chuàng)建工作簿，設(shè)定工作薄操作區(qū)域，接著從Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)寫(xiě)入進(jìn)工作簿對(duì)應(yīng)位置，導(dǎo)入完畢釋放工作簿，保存Microsoft Excel文檔，最后在Microsoft Excel將原始記錄打印。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

利用自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)ZX4A型雙電橋進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

系統(tǒng)對(duì)雙電橋的定值電阻盤(pán)和電阻盤(pán)分別進(jìn)行測(cè)試。表中列出了定值電阻盤(pán)與電阻盤(pán)中各個(gè)電阻的標(biāo)稱(chēng)值和實(shí)測(cè)值，誤差以相對(duì)值表示，依據(jù)各個(gè)電阻的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)每一個(gè)電阻值進(jìn)行合格與否判斷，整個(gè)結(jié)果獲取過(guò)程清晰明了，具有很強(qiáng)的可讀性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，利用自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)直流電阻儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，能夠模仿人工校準(zhǔn)的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化校準(zhǔn)，測(cè)試完畢后測(cè)試結(jié)果保存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，最后原始記錄打印出來(lái)完成整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程，具有速度快、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。針對(duì)0.0001~0.1Ω的電阻，在使用多用表無(wú)法直接測(cè)量時(shí)，該系統(tǒng)具有不可替代作用；相比直接測(cè)量，系統(tǒng)利用定級(jí)的電阻組，使用比率法，提高電阻測(cè)量的精度，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次分明，測(cè)試結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以方便查詢(xún)和修改，大大降低了檢定人員的工作強(qiáng)度，提高校準(zhǔn)的效率，降低證書(shū)報(bào)告的錯(cuò)誤率，校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和可靠性也得到更好的保障，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用性。

表1 標(biāo)準(zhǔn)電阻示值誤差

表2 電阻盤(pán)示值誤差

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