示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性考核

王 玲，李憲優(yōu)，于麗娟，魏學(xué)榮，韓 光

（西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024）

0 引 言

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性是指計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)保持其計(jì)量特性隨時(shí)間恒定的能力，是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的主要計(jì)量特性之一。示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置是檢定模擬示波器和數(shù)字示波器的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性考核是衡量、考核新建標(biāo)和已建標(biāo)示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置量值傳遞是否準(zhǔn)確可靠的一種重要手段。穩(wěn)定性考核的目的是為了判斷示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置是否保持隨時(shí)間恒定的計(jì)量特性，為了保證示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置所提供的標(biāo)準(zhǔn)量值長(zhǎng)期有效，確保示波器檢定結(jié)果的質(zhì)量，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性考核尤為重要。

1 示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性考核方法

對(duì)于新建標(biāo)的示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置和已建標(biāo)的示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置，都必須進(jìn)行穩(wěn)定性考核，只是采用的穩(wěn)定性考核方法有所不同。

1.1 新建示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置

新建標(biāo)的示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置需要進(jìn)行半年以上的試運(yùn)行，并在一定時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行多次穩(wěn)定性測(cè)量。示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置包含多個(gè)參數(shù)，如直流電壓、方波電壓、時(shí)基、上升時(shí)間和穩(wěn)幅正弦波等，應(yīng)分別對(duì)每個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定性進(jìn)行考核。

下面以直流電壓測(cè)量為例，詳述新建示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性考核的方法。

（1）選擇核查標(biāo)準(zhǔn)。首先需要確定示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性考核參數(shù)，針對(duì)考核參數(shù)再選擇核查標(biāo)準(zhǔn)。在穩(wěn)定性測(cè)量過(guò)程中，為了減小測(cè)量?jī)x器對(duì)穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果的影響，應(yīng)盡可能地選擇一個(gè)穩(wěn)定的、分辯力足夠的測(cè)量?jī)x器作為核查標(biāo)準(zhǔn)。由FLUKE公司9500B示波器校準(zhǔn)儀構(gòu)成的示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，選用WAVETEK公司1281數(shù)字多用表作核查標(biāo)準(zhǔn)。

（2）測(cè)試條件。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)量，環(huán)境條件和必要的設(shè)施應(yīng)該滿(mǎn)足測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和核查標(biāo)準(zhǔn)的使用要求，測(cè)試臺(tái)接地良好，無(wú)影響儀器正常工作的機(jī)械振動(dòng)及電磁干擾，實(shí)驗(yàn)室溫度和相對(duì)濕度控制在允許范圍內(nèi)，示波器校準(zhǔn)儀預(yù)熱30min，數(shù)字多用表預(yù)熱60min。

（3）測(cè)試方法。儀器連接如圖1所示，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)如果有較寬的測(cè)量范圍時(shí)，在其測(cè)量范圍內(nèi)選擇高、中、低3個(gè)典型量值點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)量，示波器校準(zhǔn)儀產(chǎn)生的直流電壓有50Ω檔（10mV～5V）和1MΩ檔（10mV～200V），在50Ω檔和1MΩ檔的范圍內(nèi)從低至高各選取3個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

圖1 直流電壓測(cè)量連接框圖

每隔一段時(shí)間，至少一個(gè)月，用數(shù)字多用表對(duì)示波器校準(zhǔn)儀產(chǎn)生的直流電壓進(jìn)行一組n次（n≥6）的重復(fù)測(cè)量，取其算術(shù)平均值作為該組的測(cè)量結(jié)果，共測(cè)量m組（m≥4），至少考核4個(gè)月，用所得測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差sm來(lái)定量表征該參數(shù)的穩(wěn)定性。sm按下述方法計(jì)算：

當(dāng) m＜6時(shí)，按照式（1）計(jì)算：

式中：xmax——m組測(cè)量結(jié)果中的最大值；

xmin——m組測(cè)量結(jié)果中的最小值；

dm——與測(cè)量組數(shù)有關(guān)的常數(shù)，d4=2.06，d5=2.33。

從2011年12月至2013年3月共測(cè)量了4組數(shù)據(jù)，每組的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置直流電壓穩(wěn)定性測(cè)量記錄

當(dāng)m≥6時(shí)，按照式（2）計(jì)算：

m——測(cè)量組數(shù)。

根據(jù)環(huán)境條件和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)本身的具體情況來(lái)確定穩(wěn)定性考核時(shí)間的長(zhǎng)短，當(dāng)環(huán)境條件不易控制或測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)受環(huán)境影響較大時(shí)，就需要較長(zhǎng)的考核時(shí)間。

（4）測(cè)量結(jié)果判定。根據(jù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范的要求，示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置性能用最大允許誤差表述時(shí)，示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性應(yīng)小于其最大允許誤差的絕對(duì)值；用擴(kuò)展不確定度表述時(shí)，示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性應(yīng)小于擴(kuò)展不確定度，即：

按照式（1）計(jì)算出實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差Sm，根據(jù)式（3），示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置直流電壓的穩(wěn)定性考核判定結(jié)論如表2所示。

表2 示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置直流電壓穩(wěn)定性考核結(jié)果

1.2 已建示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置

（1）已建標(biāo)的示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置，按規(guī)定每隔5年需要進(jìn)行復(fù)查考核，以檢查標(biāo)準(zhǔn)裝置是否準(zhǔn)確可靠。在一個(gè)復(fù)查周期內(nèi)，正常工作狀態(tài)下的示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置，每年要溯源至上級(jí)計(jì)量部門(mén)，因此具有5個(gè)年度的量值溯源值，可以采用上級(jí)計(jì)量部門(mén)出具的檢定證書(shū)數(shù)據(jù)作為一年期內(nèi)考核示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性的測(cè)量依據(jù)。

以示波器校準(zhǔn)儀的方波電壓參數(shù)為例，同一測(cè)點(diǎn)，當(dāng)年溯源的檢定證書(shū)測(cè)量數(shù)據(jù)與上一年檢定證書(shū)的測(cè)量數(shù)據(jù)相比較，其差值作為此測(cè)點(diǎn)方波電壓在該年度的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，每個(gè)年度的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)與示波器校準(zhǔn)儀最大允許誤差的絕對(duì)值相比較，小于最大允許誤差的絕對(duì)值即為穩(wěn)定性合格。

（2）如果能夠得到長(zhǎng)期穩(wěn)定的核查標(biāo)準(zhǔn)，最好用新建標(biāo)時(shí)做穩(wěn)定性考核的核查標(biāo)準(zhǔn)，每年對(duì)示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行一組n次（n≥6）的重復(fù)測(cè)量，取其算術(shù)平均值做為測(cè)量結(jié)果，以相鄰兩年測(cè)量結(jié)果的差值作為一個(gè)年度示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性，該穩(wěn)定性小于示波器校準(zhǔn)儀最大允許誤差的絕對(duì)值即為符合要求，見(jiàn)式（4）。

式中：Yi——當(dāng)年重復(fù)測(cè)量的算術(shù)平均值；

Yi-1——上一年重復(fù)測(cè)量的算術(shù)平均值；

Δ——示波器校準(zhǔn)儀的最大允許誤差。

2 注意事項(xiàng)

（1）核查標(biāo)準(zhǔn)的選擇。由于示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置需要進(jìn)行穩(wěn)定性考核的參數(shù)較多，如直流電壓、方波電壓、上升時(shí)間和正弦波等，不可能用一臺(tái)核查標(biāo)準(zhǔn)完成幾個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定性測(cè)量，針對(duì)每個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定性測(cè)量，選擇的核查標(biāo)準(zhǔn)除了要求性能穩(wěn)定之外，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要高于示波器校準(zhǔn)儀被測(cè)參數(shù)的指標(biāo)。

（2）測(cè)量時(shí)間。對(duì)于新建示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置和已建示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置，二者穩(wěn)定性考核的時(shí)間間隔不同，前者是每隔一段時(shí)間（大于一個(gè)月）進(jìn)行一組測(cè)量，后者是每年進(jìn)行一組測(cè)量。

（3）測(cè)量條件和數(shù)據(jù)記錄。應(yīng)在相同的測(cè)試地點(diǎn)、時(shí)間間隔、核查標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量方法條件下進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)量；示波器校準(zhǔn)儀的有源信號(hào)頭要放置平穩(wěn)；測(cè)量?jī)x器要可靠接地；使用多臺(tái)測(cè)量?jī)x器時(shí)，要滿(mǎn)足每臺(tái)儀器的預(yù)熱要求。原始記錄的數(shù)據(jù)要求記錄全面、有足夠的信息量，并且要妥善保管。

（4）結(jié)果處理。對(duì)示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行多個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定性考核，每個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定性考核均要給出考核結(jié)果，若有某個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定性考核不合格，就要對(duì)考核對(duì)象、核查標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)量環(huán)境和測(cè)量方法進(jìn)行分析判斷，找出原因，采取糾正措施，重新進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)量。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性考核過(guò)程涉及的參數(shù)多、量程多、高頻參數(shù)多、操作復(fù)雜，需要事先計(jì)劃認(rèn)真實(shí)施，示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性考核是復(fù)查考核的關(guān)鍵項(xiàng)目之一，做好穩(wěn)定性考核工作是示波器標(biāo)準(zhǔn)裝置良好、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地進(jìn)行量值傳遞的重要保證。

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