如何对基于计算机的测量仪器进行内部和外部校准

基于计算机的虚拟测量仪器比盒式测量仪器的成本要低，近年来应用普及很快。它与传统的盒式测量仪器一样，仪器都有一个校准有效期，因而需要进行定期校准以确保测量精度，本文介绍对基于计算机的测量仪器进行内部和外部校准的方法。

基于计算机的测量仪器具有很大的灵活性，应用因而日益普及。通过控制仪器功能，可以开发满足特殊要求的测量系统。对任何测量系统来说，成本是第一个考虑因素。开发一个基于计算机的测量仪器的费用常常比购买一个独立的台式仪器要便宜几倍。这是由于硬件成本较低、软件可重复使用，且一个测试仪器常常可代替若干独立的测量仪器的缘故。  

基于计算机的测量仪器与计算机行业联系紧密，它们得益于计算机技术的进步，这包括开放的通信标准、网络服务器和在仪器和桌面应用之间进行电子制表和字处理的简单界面。这些测量仪器也因计算机性能的稳定及价格的降低而获益，从而使基于计算机的测量仪器在没有加价的条件下性能得到持续的提高。

采用校准实现精确测量

大部分测量仪器以精度表的形式提供有关某一测量仪器的测量线路精确性的信息。精度规范表有助于确定测量仪器总的不确定性，然而，这些精确规范仅适用于被成功校准的电路板，因此，你必须在测量调整前后均要运用这些规范来验证板的工作。

测量仪器准确测量物理量变化的能力是按照一定的因子变化的。使用寿命、温度、湿度和暴露在外部环境的情况及误用都会影响测量的准确性。通过对所得测试结果与己知标准进行比较，校准将测量的不确定性进行了量化。它要验证测量仪器是否工作在规定的指标范围内。如果仪器的测量值超过了所公布的不确定性，那么就要调整测量电路以使之符合业已公布的规范。  

经过一段时间，用户要对传统的测量仪器进行校准，基于计算机的测量仪器也一样需要校准。用户应当选择具备内部校准(也称自动校准)和外部校准工具的的基于计算机的测试仪器。

内部校准

如果你使用了如示波器这样的仪器，那时你已经完成了内部校准。事实上，当你改变垂直范围设置的时候，大部分示波器已完成了内部校准。基本上仪器将高精确度和板上电压源进行数字化，并将其读数与己知值相比较，然后将校准因子保存在仪器自身携带的电可擦除只读存储器中，这个自身携带的板上电压源也被校准为如NIST之类的大家所知的标准，进行内部校准的主要目的是补偿工作坏境的变化、内部校准温度的变化和可能影响测量的其它因素。  

同传统的测量仪器一样，基于计算机的测量仪器应当支持内部校准。基于计算机的测量仪器的内部校准由调用校准测量电路的软件功能来启动。由于测量可立刻进行，并且无须等待这个内部校准无论何时调整垂直范围，因而由软件控制的内部校准技术可节省测试时间。  

基于计算机的测量仪器被安装在桌面计算机、PXI/CompactPCI机箱，或VXI/VME 机箱这样的环境中，因为基于计算机测量仪器被安装于多种不同的计算机环境当中，设计人员应当记住基于计算机的测量仪器会受到电磁干扰和电源电压的变化的影响，还要在宽的温度范围下工作。传统的测量仪器由于同个人电脑的集成日益紧密，也面临类似的挑战。  

消除电磁干扰的最基本的方案包括：将数字和模拟信号的地平面分开、对电源信号的进行局部过滤、对敏感元件进行屏蔽。为了补偿电压源的变化，可以采用DC-DC转换器提升电源电压，采用电压调节器控制板上电源的电压，采用大电容消除板上电源的谐波。可以采用板上温度传感器和内部校准来完成在操作环境下不同温度的校准。关于上述设计技术的资料，可查询NI网站上一篇题为“以基于PC的数据采集硬件来进行精确测量”的白皮书。  

许多用户都想知道，是否可在不影响校准的情况下将基于计算机的测量仪器从一台计算机移到另一台计算机。回答是肯定的，如果这个测量仪器采用上述标准进行设计，校准仍是有效的。基于计算机的测量仪器同传统的仪器一样，通常在度量衡实验室内进行校准。这个实验室的操作温度很可能与生产车间或设计实验室的操作温度有所不同。将基于计算机的测量仪器安装到一台新的计算机与将某一环境中的传统的示波器搬到另一个环境没有区别。由于仪器的设计是面向不同使用环境的，因而所有校准仍是有效的，上述白皮书包含了阐明该原因的测试结果。  

选择测量仪器时，要确保基于计算机的测量仪器支持内部校准。为了方便使用，内部校准的过程应当自动进行，也就是说，这一过程无须调整装置中的分压器和跳线。例如，对NI的12位数据采集产品进行内部校准，大约10-20秒内就能自动完成全量程的内部校准。  

外部校准  

经过一段时期后，通常是一年后，用于完成内部校准的板上电压源需要校准到某一已知的标准，这一板上电源的校准过程就是外部校准的一个例子。  

外部校准要采用高精度的外部标准。进行外部校准期间，板上校准常数要参照外部标准来调整。同内部校准一样，外部校准不要求调整分压计或移动跳线。外部校准通常为度量衡实验室或其它具有可朔源的机构保留。外部校准一旦完成，新的校准常数就被保存在测量仪器存储器的被保护区域内且用户无法取得，这样就保护了由于偶然的调整对校准完整性的影响。无论任何测量仪器，制造商都必须提供相应的校准流程和在基于计算机的测量仪器装置上进行外部校准所必需的校准软件。  

手动及自动校准流程  

为了满足工程师对校准基于计算机的测量仪器的需要，可以采用手动及自动校准方案。自动校准系统能够快速、无须人力干预并可提供用于符合像ISO-9000的详细校准记录。手动校准流程为想要将嵌入校准功能直接嵌入测量系统的的用户提供详尽的信息，这就避免了将基于计算机的测量仪器搬回度量衡实验室的麻烦。  

手动校准流程告诉你如何对测量仪器进行外部校准，这一流程通常作为测量仪器的保养手册中的一部分用于销售，也可以从制造商网站上下载。  

手动流程校准的缺点是费时费力，这并非由于测量仪器的调整麻烦，而是由于较长的测量验证过程造成的。要符合校准指南的要求，在校准的前后都要对测量仪器的性能进行验证。只有这样才能确定测量仪器是否在校准前后的规范内工作。例如，要在E系列数据采集装置上进行外部校准，就要进行增益、动态范围和极性三种测量，这就需要进行几百次的测量。  

像Fluke MET/CAL这样的产品和NICalibration Executive工具包含了如何在度量衡实验室将这一过程自动化的描述，从而极大地减少外部校准所需要的时间。通过GPIB与外部标准通信，校准软件就能从仪器设置和读取外部电压的数值，这些数值然后用于验证和校准被调整的仪器，校准流程结束时，可以从配置文件中自动读取仪器技术指标并生成详细的校准报告(图1)。采用自动校准软件，可以在校准一台传统测量仪器所需要的时间之内，同时测量几台测量仪器，尤其当被测装置中不存在电压表的时候，设计这些工具的目的是满足度量衡实验室对校准的严格要求。  

对于自已拥有度量衡实验室的大公司，都配备了手动流程和校准软件产品。对于那些没有度量衡实验室的公司，数据采集和测量仪器公司通常必须与世界各地的度量衡服务公司合作。  

通常有2类外部校准证书。一种是基本校准证书，通常是在产品制造后生成并由测量仪器生产商提供。这种证书让NIST或本地标准检定机构有可能追源仪器的来源以及在校准有效期内测量环境状态的信息。认证度量衡实验室通常是提供详细的校准认证。这种认证除了提供在基础认证中所包含的相同信息外，还将每一次测量前后的数据加以完善。详细地校准认证应当符合ANSI-Z540-1这样的特定指南的要求，这类指南主要为美国所采用，或更多地为ISO指南25所采用。这些指南确保校准的连续性，并且多数经过ISO-9000认证的公司都符合这些指南的要求。  

本文小结

测量仪器基于计算机的测量仪器，同传统的仪器一样，需要周期性的内部和外部的校准以确保测量仪器达到所要求的精度。设计正确的基于计算机的测量装置应当向用户提供可进行自动内部校准的工具和服务，以及进行外部自动校准的方法。欲校准了解更多信息，请参见国家仪器校准网：www.ni.com/calibration。