超差数字多用表的校准调整

数字多用表是科研、生产领域最普遍使用的测量仪器之-，也是计量检定机构接触较多的电学仪器。

在计量检定过程中经常会碰到因为测量数据超差而被判定为不合格的数字表，这是因为数字表内部电子元器件会受环境影响老化，从而造成了测量误差增大。

目前大部分的计量检定机构只对超差的数字表进行校准调整。甚至部分检定机构只负责检定数字表，不负责校准调整超差的数字表。他们只是简单地给超差的数字表贴上检定不合格标签，同时向送检单位发出检定结果通知书。这样造成了资产的浪费，因为绝大多数超差的数字表都可以进行校准调整以重新满足准确度指标的要求。实际上要想数字表保持最佳的技术指标，应该定期对其进行校准调整。本文主要对数字表准确度指标，数字表误差与超差，数字表校准调整的相关内容进行了介绍与论述。

1 理解数字多用表准确度指标1.1 数字多用表准确度指标含义准确度指标是数字表具体性能的体现，给出了经检定/校准合格的数字表在给定条件下的测量不确定度范围。此测量不确定度即为检定/校准数字表时用到的最大允许误差。数字表厂商-般以时间和温湿度为条件，给出数字表在最佳使用情况下的准确度指标，表 1所示为 Agilent 34401a直流电压各量程的准确度指标。

表 1 34401 a直流电压各量程的准确度指标表注：准确度指标 ± (%渎数 %量程)数字表厂商-般分别提供数字表的24h、90天和1年的准确度指标，甚至有的提供了5min和2年的准确度指标。24h准确度指标即数字表的短期准确度指标，反映了数字表在短时间内、稳定的环境下全部测量量程的相对准确度。短期准确度要求的条件是数字表校准调整后 24h之内、23℃ ±1℃之间。90天、1年和2年的准确度指标是数字表的长期准确度指标，反映了累加的起始校准误差和长期漂移误差对数字表准确度的影响。由于我国检定规程规定数字表的检定周期为 1年，所以对数字表的检定/校准用到是 24h和 1年的准确度指标。然而上世纪 70、8O年代出产的-些数字表只提供 9O天、180天的长期准确度指标。National Instrument公司近几年出产的拈式数字表 (覆盖 PXI、PXIe、PCI、PCIe、USB等总线)只提[收稿日期]2012-04-18[作者简介]王浩伟 (1981-)，男，山东烟台人，博士研究生，研究方向为武器装备综合保障技术。

· 36· Industrial Measurement 2013 Vo1.23 No.2MEASUREMENT EQUIPMENT AND APPLICATION 计量装置及应用供了2年的长期准确度指标。

1.2 数字多用表准确度指标制定原理简介数字表的准确度指标是数字表厂商和计量技术机构利用实验室的测量手段，选择足够多的样本进行大量实验并进行统计分析得出的结果。大体过程简介如下：用大量同-型号的数字表测量同- lOV输入信号，得到-组测量数据，计算出其平均值和实验标准偏差。这组测量数据应该集中在-个比较窄的 10V左右的范围内，实验标准偏差表征测量样本在平均值左右的发散程度～大量的测量数据统计起来，可以得到-个正态分布图 (如图 1所示)，数字表厂商正是根据大量样本的正态分布和实验标准偏差制定数字表的准确度指标。

图 1 测量数据正态分布图根据正态分布的特点，可知 68.26%的测量数据在平均值的 1个实验标准偏差范围内，即 ( -or， )。其中 表示算术平均值，or表示实验标准偏差。95.45%的测量数据在平均值的2个实验标准偏差内，99.73%的测量数据在平均值的 3个实验标准偏差范围以内。对数字表厂商来说，制定其准确度指标时采用的标准偏差的阶数越大，准确度指标的置信水平也就越高，数字表在检定周期内超差的可能性越校以上是对数字表准确度指标制定原理的简介，其实具体制定数字表准确度指标是个非常复杂的过程。

现在还没有统-的标准为各数字表厂商制定准确度指标作出规 范，就连准确度指标 的计算方法都存在多种。

1.3 数字多用表准确度指标使用须知利用数字表进行测试、计量等工作，不可避免地要使用其准确度指标。正确理解数字表准确度指标 ，需要了解以下三点注意事项。

(1)准确度指标体现的是同型号数字表在检定周期各个时间点上的统计测量不确定度，而不是具体-台数字表在其整个检定周期内测量不确定度的变化情工业计量 2013年第23卷第 2期况。例如 Fluke 8845a的准确度指标中以95%的置信水平给出测量不确定度 (最大允许误差)，表明95%此型号的数字表在检定周期内和要求的环境条件下正常使用不会超差。而不是说每-台数字表在检定周期内有 95%的可能性不会超差。实际上在不进行校准调整的条件下，同型号的数字表有的半年就会超差，而有的5年都不会超差。

(2)数字表厂商给出的准确度指标的置信水平不尽相同，甚至同-厂商不同型号的数字表所采用的置信水平也不同。在购买数字表或者使用数字表的准确度指标时应该注意到这-点，而且可以认为置信水平越高，其准确度指标就越可信。Fluke数字表的准确度指标-般采用95%的置信水平，相当于2.6个标准偏差。Agilent的数 字表-般 采用 3个标准偏 差，99.73%的置信水平。Agilent 34401 a服务手册指出其准确度指标的设计和实测标准高于4个标准偏差。

(3)数字表的准确度指标-般以绝对不确定度的形式给出，但有的数字表是以相对不确定度的形式给出，例如 Agilent 3458a。相对不确定度不考虑校准标准的不确定度，主要反映了数字表 自身的稳定性、漂移特性。它是指数字表相对于校准标准的不确定度，是为了扩大、拓宽数字表的应用范围而给出的。绝对不确定度是相对不确定度和校准标准不确定度之和，在数字表的检定/校准活动中使用的是数字表的绝对不确定度 。

2 数字多用表的误差与超差2.1 如何判定数字多用表是否超差通常所说的数字表超差是指数字表的示值误差超出了准确度指标给出的最大允许误差范围，现在大多数数字表的示值误差包含了其线性误差和稳定性误差 。

判定数字表是否超差是根据数字表的检定规程，在数字表各个功能和量程上选取-定数量的测试点，对计量标准的标准值进行测量，从而判断各个测试点上的测量值与标准值之差是否在最大允许误差范围之内。测量值的表达形式可以是数字表的示值也可以是示值的算术平均值，但应包含其测量不确定度3 J。

2.2 数字多用表误差来源及超差原因数字多用表的误差主要来源于模拟电路部分，模拟电路-般又可分为功能量程切换拈，直流电压转换拈，直流电压标定电路，A/D转换器和直流参考标准五部分。图2所示为数字多用表模拟电路部分的功能框图。

直流电压转换拈的功能是把输入的交直流电· 7 ·MEASUREMENT EQUIPMENT AND APPLICATlON图 2 数字多用表模拟电路功能框图压、交直流电流和电阻转换为等效直流电压。直流标定电路之中的直流分压器和直流放大器相互配合把等效直流电压转换到 A/D转换器的输入量程之内。数字表的误差来源主要是以下几部分：(1)直流参考标准随时间和温度发生老化 、漂移引起的误差。

(3)直流分压器和直流放大器的电阻网络不准引起的误差。

以上数字表内部电路的误差可分成偏移误差、增益误差和非线性误差三种 J。偏移误差是数字表输人为零时的总误差，主要由 A/D转换器和直流电压放大器的电压偏移引起。增益误差由直流参考电压误差以及所有决定增益的电阻网络的误差决定，而非线性误差是由-些二级的误差来源引起的。数字表的最大允许误差主要是以偏移、增益和非线性误差为基础而得出的，最常用的最大允许误差计算公式如下：A±( %Ux卢%U )式中： 为误差的相对项系数也称为读数误差系数，它跟增益误差和非线性误差有关。 为误差的固定项系数也称为满度误差系数，它跟量化误差、偏移误差有关。

由于三种类型误差的存在，数字表测量值的典型拟合曲线如图3所示。

由于高线性 A/D转换器的采用和数字表内校准技术的完善，-些高性能数字表的非线性误差可忽略不计，偏移误差也被减校测量值拟合曲线如图 4所示。

测量值和输入值之间有这样的函数关系：y 似 6式中：y代表测量值， 代表输入值， 代表增益，6. 3R 。

图3 数字表测量值典型拟合曲线图测量值实际情 / ，锄 输入值/况图4 高性能数字表测量值典型拟合曲线图代表零点偏移。

3 数字多用表的校准调整3.1 数字多用表校准调整的原理由于数字表电子元器件参数随时问、温度、湿度和其它环境条件的变化发生改变，会造成偏移、增益和非线性误差的增大，从而导致数字表超差。数字表的校准调整就是对数字表的偏移、增益和非线性误差进行校准调整，使数字表测量准确度满足技术指标的要求。实现原理是根据测量值与标准值之差，计算出每-个功能和量程的偏移校准常数和增益校准常数，利用这些校准常数对测量结果进行修正 。

3.2 数字多用表校准调整的-般步骤由于数字表的厂家和型号差别，每种数字表的校准调整的过程不尽相同，下面介绍的是数字表校准调整的-般项 目和步骤。

(2)对 A/D转换器的偏移、增益和线性度进行校准调整。DMM的所有功能都使用 A/D转换器，所以首先应对它进行校准调整。有些数字表厂商信赖其A/D转换器的准确度和线性度，不需要单独进行校准调整，而是通过直流 电压基本量程对其进行 自动调整。

(3)对直流各功能、量程的零点偏移进行校准调整。在电阻各量程要分别对 2线和4线接法进行零点Industrial Measurement 2013 Vo1.23 No.2MEASUREMENT EQUIPMENT AND APPLICATION F嚣 计量装置及应1]篡偏移校准调整。

(4)按照电压、电阻、电流的顺序对直流各功能各量程的增益误差进行校准调整。校准点-般包括直流电压基本量程的反极性的满度点电压值，这是用来调整直流放大器或 A/D转换器的线性度误差。在电阻各量程要分别对 2线和4线接法进行增益校准调整。

(5)对交流电压、交流电流各量程进行增益误差校准调整。

(6)对时间频率或是电容、温度等其它功能进行校准调整。

根据数字表型号的不同，校准调整项目可能还包括对直流参考电压和参考电阻的校准调整，对直流放大器零点偏移的校准调整，对交直流转换器的校准调整等。每种型号数字表详细的校准调整项目和步骤可查阅数字表的服务手册获得。

3.3 数字多用表校准调整的方式随着电子技术和测试测量技术的快速发展，数字表校准调整技术也在不断进步。目前对数字表进行校准调整的方式可分为四种：(1)开盖”校准调整。-些手持万用表需开盖调整内部关键元件 (电位器等)来减小误差。需开盖”校准调整的-般是低档的手持数字表。

(2)不开盖”校准调整。随着非易失存储元件的出现，用微处理器计算每个功能和量程的偏移、增益等校准常数，并把这些校准常数贮存在非易失存储元件中。在测量工作中，调用这些校准常数来修正显示的读数，因此此校准调整技术不需要打开机壳和调整内部元件▲行 不开盖”校准调整的大多是中端手持数字表，但也包括-些高端的8位半数字表。

(3)闭环校准调整。随着程控总线、程控校准器、程控数字表的出现，不开盖”校准调整可以由计算机程序控制自动进行。闭环校准调整完全实现了数字表校准调整工作的自动化∩进行闭环校准调整的包括绝大多数的程控数字表，包括手持、台式和模块化数字表。

(4)原器校准调整。这种 自动校准技术凭借数字表内部参考电压标准和参考电阻标准的优异稳定性以及 A/D转换器的超级线性，通过相应的方法使用少数几个校准标准 (1个直流电压标准和 1个 电阻标准)对数字表所有功能和所有量程进行 自动化校准。

Advantest R6581和 Agilent 3458a两台8位半数字表具有原器校准调整功能。

3.4 数字多用表校准调整的验证数字表经过校准调整后，应该对其准确度指标进工业计量 2013年第 23卷第 2期行验证以确定校准调整是否成功，验证的标准-般使用数字表的24h准确度指标。如数字表各校准点的误差在24h指标规定的最大允许误差范围之内，则认为数字表的校准调整是成功的，否则需要重新进行校准调整。数字表厂商-般对校准常数设置了调整范围，超出了范围则说明数字表有故障，需要进行维修。

数字表校准调整后，经验证满足 24h准确度指标则可保证数字表在接下来的检定周期 内基本不会超差。如果没有或者不方便使用数字表的24h准确度指标，可以使用数字表的30天或者 90天准确度指标进行验证，但是这样不能把数字表在接下来检定周期内的超差风险降到最低。

3.5 数字多用表校准调整注意事项(1)数字表校准调整要在规定的温湿度条件下进行，提前充分预热。而且要使用数字表的最佳测量设置，比如开启自动调零功能，使用低速滤波器等。

(2)按照-般要求，在各个校准点上提供标准值所用计量标准的准确度指标应小于数字表年准确度指标的1/4。Agilent要求小于 1/5，有些甚至要求小于24小时准确度指标的 1/5。

(3)数字表的校准调整-般是在数字表年检时或数字表维修后进行，由法定计量技术机构实施。如果在检定周期内私自对数字表进行校准调整，会影响到其稳定性指标的考核。

4 结束语由于数字表内部电子元器件的老化、温度漂移等影响，数字表超差是正常的现象，并不能说明数字表质量有问题。而且数字表不论等级高低都会存在超差的现象，因为越高等级数字表的准确度指标也越高。

超差的数字表进行成功的校准调整后，可以重新满足准确度指标的要求，而且数字表需要定期进行校准调整才能保持最佳的技术性能状态。