發布日期：2022-07-14 點擊率：43
設備及測試結構的不理想性
我們可以在不考慮儀器工作的細節的情況下，對測量設備的不理想性進行描述。這時，我們討論的重點是儀器要做什么工作，而不是怎樣做或者為什么要做這種工作。這種方法有時稱為“黑盒子”分析方法，因為這種分析工作不需要了解儀器內部運作的細節。
有些計量學家發現黑盒子分析方法是不夠的。他們使用電路分析的方法，不僅了解所發生的現象，而且還要了解這種現象是怎樣發生的和為什么會發生。這一節將同時討論黑盒子分析法和電路分析法。
黑盒子分析法
一臺測量儀器具有若干組規定的性能。這包括儀器所能測量的標稱值的量程和準確度，以及各種類型的偏離標稱值的情況。我們將使用一個“黑盒子”校準器的+10 V輸出電壓作為例子，對這些考慮的問題進行討論。
我們使用一個檢零計，來對該校準器剛剛調好的+10 V輸出和福祿克公司的732B的+10 V輸出進行比較。假設檢零計和732B都是完全準確的。這時檢零計指示為準確的0V，所以校準器的輸出為準確的+10 V。把這種電路結構保持幾個小時。在此期間，我們在檢零計上觀察到達到土10μV的緩慢的偏移。這個偏移就是對校準器短期穩定度的一種度量。
接著把校準器放在一個環境試驗箱里。當溫度變化時，校準器的輸出也發生變化。經過幾個溫度變化循環以后，就可以畫出校準器的輸出隨溫度變化的平均速率。這項測量確定了校準器輸出電壓的溫度系數。
把校準器接通、斷開，來觀察它產生+10 V輸出電壓的重復性。把一臺示波器跨接在校準器的輸出端，來觀察疊加在其直流輸出上的交流電壓分量的峰-峰值幅度。這個交流分量通常稱為噪聲，其有效值也可以用一臺靈敏的交流電壓表來測量。
還可以在直流電壓功能或其它功能下，測量校準器的輸出電壓對其標稱值的其它偏離情況。這包括在某一輸出范圍內的線性偏差、交流波形的失真及其它的不理想性。
在這里，關鍵之點是可以在不了解校準器電路設計的情況下，對這些不理想性進行測量。使用這種方法，可以很容易地對各種型號的測量儀器的性能特點進行互相比較。這種方法通常用來為特殊的應用場合選擇測試設備。
電路和元件分析法
經典電工校準標準的基本的計量不理想特性，與其手動操作開關的接觸電阻和熱電動勢有關。這些開關一般比現代設備中使用的干簧繼電器和固態開關要好。所以當恰當使用時，這些儀器可以給出非常好的性能。和電子式校準標準相比，由于對小電流的靈敏度不夠和不能處理輸入、輸出負載電流，使其性能的動態范圍通常受到限制。
由于運算放大器的傳遞函數具有不理想性，這樣就會在數學運算中產生誤差。運算放大器的不理想性主要是由于其輸入端的偏置電壓和偏置電流，以及由有關反饋元件的不理想引起的增益誤差產生的。前者在被測量的信號上增加了一個恒定幅度的誤差，而后者則對測量引入了一個恒定的比例誤差(圖5—2)。
在測試儀器中引入微處理器之前，使運算放大器的增益誤差和偏置電壓、偏置電流誤差達到最小的方法，是用物理的方法調節與其輸入電路和反饋電路相關的電位器、變阻器和可變電容器。在最新的測試儀器中，則是將運算放大器的未經調節的模擬輸出數字化，然后由微處理器對其數值進行運算，以補償增益、偏置電壓和偏置電流的誤差。
測試的結構方式
為了更有效地使用儀器，使用經典儀器的計量學家必須努力了解儀器的工作原理及其限制因素。而與此相反，由于現代校準標準具有電子式的信號調理、處理、分析和修正等特點，所以使用這類儀器的計量學家將會發現這些儀器非常容易使用。然而，這種儀器的易于使用的特點，卻可能使得人們對儀器給出或顯示的數值過于相信。
例如，如果在校準器和用來校準此校準器的標準之間的基本連接線路上存在某種缺陷，那么在校準時，儀器的運算放大器和微處理器就會通過調節來補償這種儀器外部的誤差。這時，儀器的6位、7位或8位的數字顯示看起來可能很權威。但是，由于測量標準和被校準的儀器之間在連接上存在著問題，因而可能會給出虛假的結果。所以，在建立校準工作條件時，最好隨時都用經典計量學家的眼光來看待工作中的問題。
圖5—3歸納了由于校準標準從19世紀的經典儀器進化到今天的復雜的電子儀器，計量學家和他們所進行的測量工作越來越隔離的情況。
▲ 圖5-3 校準標準的進化
在經典的電阻測量方法中，標準電阻器Rstd和被測電阻器Rtest連接成電橋，如圖5—3上圖所示。調節圖中用符號Ra和Rs表示的電橋度盤，直到檢流計指示為零。這時，Rtest等于Rstd乘以電橋度盤設置值S。電橋的操作人員完全介入了測量過程的每一步。
在電子緩沖式電阻測量方法中，儀器為被測電阻器Rtest提供電流It。Rtest兩端的電壓降經過電壓跟隨器送到模擬數字變換器(ADC)進行處理，得到的數字化的數值在儀器的顯示器上顯示出來。
儀器通過其內部的控制機構周期性地進行校準調節。這種調節將設置It的數值，使得當使用已知數值的標準電阻器作為Rtest時，儀器的顯示器上顯示出正確的讀數。在正常工作時，電壓跟隨器和ADC的偏置電壓Vo及偏置電流Ib能夠使顯示的數值產生誤差。但是，除了在儀器的輸入端做好恰當的測試連接之外，操作人員不易識別和補償電子電路中的誤差。
在采用微處理器的變形的電子緩沖式測量方法中，校準時不再物理地調節It。它所用的方法是：由儀器的微處理器獲得軟件校正因子，以補償其零點讀數中的偏置并按It的實際值修正儀器的讀數。這種方法進一步把計量學家和對整個測量過程的控制隔離開來。
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