数字示波器校准与测量结果不确定度评定

汪雪君

中煤科工集团常州研究院有限公司 江苏省常州市 213000

摘要：随着科技发展，示波器款式层出不穷，示波器校准仪也在逐年更新。因此，基于示波器校准测量系统进行了数字示波器校准与测量结果不确定度评定的研究。首先介绍了不确定度，阐述了数字示波器校准测量系统的组成及软件，重点介绍了基于示波器校准测量系统的，数字示波器校准与测量结果不确定度的评定。有利于防爆电气产品生产企业的质量管控并保持数据可追溯性。

关键词：数字示波器；校准；测量系统；不确定度评定

引言

防爆电气产品的生产企业经常在生产、检验过程中使用示波器。对防爆电气产品的质量控制及数据可追溯性而言，对示波器进行定期校准及并评定期不确定度尤为重要。随着技术发展，示波器的时间、幅度的量程及精度均有所提高。数字示波器自动校准系统也在发展中，该系统应符合JJF 1057-1998《数字存储示波器校准规范》及GJB 7691-2012《数字示波器检定规程》。基于该自动校准系，对示波器的参量进行了不确定度评定的研究。

1不确定度及来源分析

1.1不确定度的介绍

测量不确定度是与测量结果相关联的参数，表征合理地赋予被测量值的分散性。不确定度在被测量真值未知的情况下科学地表示了测量结果。正确评定测量结果的不确定度，必须理解不确定度的概念，区分测量不确定度与测量误差。测量误差是测量值与真值之差，表示测量结果接近被测量值的程度。测量不确定度表明，对给定的被测量和给定的测量结果，存在的不是一个值，而是分散在测量结果附近的无穷多个值，这些值按不同的置信度可以赋予被测量。测量不确定度是基于统计理论得到的与最佳值接近程度的一种估计，不一定能反映出测量结果接近被测量值的程度。

1.2不确定度来源分析

不确定度来源的分析取决于对测量方法、测量设备及被测量的详细了解和认识，必须具体问题具体分析。不确定度的评定是对测量结果来说的，原则上对测量结果有影响的因素都应考虑，在对各个不确定度来源都比较清楚的前提下，应考虑主要影响因素，影响程度微小的因素则可忽略。在不确定度分析中，可通过测量得到的数据计算其实验标准偏差的为A类标准不确定度分量，其余的都属B类标准不确定度分量。测量不确定度最终表述时，应满足数据规则，保持测量结果的末位与不确定度的末位对齐。参照GB/T 27418-2017《测量不确定度评定和表示》、JJF1059—2012《测量不确定度的评定与表示》，测量结果的不确定度可能有以下来源:(1)被测量的定义不完全；(2)被测量的定义值的复现不理想；(3)被测量的样本可能不完全代表定义的被测量；(4)对环境条件影响认识不足或对环境条件测量的不完善。

2校准原理和校准项目

2.1校准原理

数字示波器校准一般所用的测量标准设备包括:多功能校准器及附件等，数字示波器的自动校准系统也层出不穷，其中福禄克开发的应用软件平台应用广泛。本系统采用5520校准仪作为校准装置，通过示波器校准仪产生一定的标准信号，数字示波器接收到信号后进行测量，对测量得到的数据进行分析处理后，实现被校数字示波器的相应技术参数的校准。

2.2校准项目

数字示波器校准的主要项目计量项目涵盖:频带带宽、瞬态响应、有效位数、信噪比、垂直偏转系数及误差、扫描时间因数、通道随机噪声、时间测量、幅度测量、触发特性、通道间延迟时间差、直流增益准确度、通道隔离度、方波校准信号,输入阻值，项目繁多。

3 数字示波器自动校准系统及不确定度评定研究

3.1数字示波器自动校准系统组成

为解决传统的校准方式费时费力和校准结果可靠性的技术问题，通过设定测量标准设备(示波器校准仪Fluke5520)及被校数字示波器的驱动程序实现校准的远程自动控制，解决传统人工校准需要手动调节输出和测量参数的问题。自动化系统的分为系统软件、硬件组成，总体能够实现主要功能包括:获取被检数字示波器型号、编号、通道、示波器校准仪的通信地址等，具有获取失败报警提醒；校准参数配置，如方波校准信号标准值等。将校准参数及校准点保存记录。校准测试，校准波形实时显示、校准数据的处理、得出校准结果、保存数据等。自动生成校准报告。

3.2软件操作

该数字示波器自动校准系统基于Windows7及以上的操作系统。软件的组织结构、处理流程以及功能分配，依据软件的组织结构划分为数据存储层、数据处理层、人机交互层。其中数据存储层负责数据的修改、查询、添加操作，而数据处理层主要向仪器发送指令，并接收仪器传回的数据，通过校准程序实现对接收数据的校准处理，并在数据库中进行数据的存储，该层是自动校准功能实现的核心。人机交互层主要为人们提供校准、仪器参数设置等操作的界面，因采用多任务操作模式，多个模块可同时运行。为满足示波器自动校准功能，并达到易于操作的目的，软件具有以下功能：仅允许具备权限的人员登录到系统中进行相关操作。根据校准操作要求，选择是否生成证书。同时，编辑并查询生成的证书，并决定是否打印，所有操作完成后便可退出系统。数字示波器自动校准系统主要包括登录模块、校准模块、数据管理模块、文件管理模块等，校准模块可选择不同的校准规范，分别进入对应程序应用，实现不同功能。

3.3基于数字示波器自动校准系统的测量不确定度

由于数字示波器的参量很多，以其中较常用的电压为例进行评定。由于该系统由示波器校准仪提供校准信号，因此，不确定度的主要来源是示波器校准仪Fluke5520的电压输出的不准确和不稳定。不准确所引入的不确定度采用B类方法评定，查技术说明书中具体数值进行计算。另外，不稳定所引入的不确定度采用A类方法评定,重复测量10次进行计算。最后根据公式分别计算得出合成不确定度及扩展不确定度。

结语

为了长期保持数字示波器测量结果的不确定度不扩大并保持数据的可追溯性，除定期校准外，还应进行期间核查，同时注意设备保养。

参考文献

［1］江思杰，马耿，江传华.基于 GJB7691‐2012 的通用数字示波器自动检定关键技术的研究[J].舰 船 电 子 工 程,2015(3):55-58,153.

［2］数字存储示波器校准规范：JJF 1057-1998[S].北京.国家质量技术监督局.1999

［3］数字示波器检定规程：GJB 7691-2012[S].北京.中国人民解放军总装备部.2012.

［4］李凡.示波器电压探头衰减比测量结果的不确定度评定[J]品牌与标准化.2021,(02),52-53,57.