使用多功能校准器特性修正技术校准高精度数字多用表

使用多功能校准器特性修正技术校准高精度数字多用表

讲演者/作者：Gary Bennett

福禄克公司

PO Box 9090

Everett, WA 98206

电话：(425) 446-6365; FAX: (425) 446-5649

电子邮件：Gary.Bennett@

1 摘要

多功能校准器真的能够校准比该校准器更准确的高精度数字多用表吗？本文介绍了一种方法，在校准 8 位半数字多用表的所有测试点上将一台多功能校准器的特性修正，得到优于其出厂的 24 小时技术指标。使用自动化的程序、数据采集和统计方法，我们发现，通过将一台校准器进行特性修正，可以在所有需要的数值点上达到能够校准高精度数字多用表的不确定度。这时必须解决的误差来源包括热电势、测量校准器输出的设备所引起的负载误差和在测量特性修正时数字多用表所引起的负载误差。重复测量校准器所得到的数据表明在 30 天内 10V 的漂移小于 0.3µV/V 。对于电阻，类似的数据表明，在相同的时间内，10kΩ的漂移保持在 0.25µΩ/Ω之内。随着校准器不确定度的减低，还必须对用来校准多功能校准器的各种标准器和各种技术方法重新进行评估以降低其不确定度。

2 前言

一级标准实验室一直在开展对一台 5700A/EP 进行特性修正的工作，并用它来校准安捷伦公司的 3458A/HFL。不使用经过特性修正的源也可以校准高精度数字多用表，但是对于某些校准点必须使用保护带的方法[1]。当福禄克公司的 8508A 出现以后，我们已经拥有了 3458A 校准的经验，并且确认我们的计量站所拥有的这台 5700A/ EP 对于校准 3458A 来说性能是足够好的了。但是它的性能对于校准 8508A 来说是否也是足够呢？本文阐述了我们为找出这个问题的答案所经历的工作历程。

3 校准器特性修正概览

我们曾经编写了一个 Met/Cal 的程序使得对校准器进行特性修正的工作实现自动化。该程序直接将新的特性修正值写入 5700.cor 文件，而该文件则在校准安捷伦公司的 3458A 时使用。我们将该程序进行了更新，使之包括校准福禄克公司的 8508A 所需要的测试点，这样总共有 148 个点要经过特性修正。校准数字多用表所使用的校准器和对该校准器进行特性修正所使用的大多数的设备——诸如系统数字多用表、Data Proof 公司的 160A 扫描器、742A 标准电阻器、732A标准电压参考标准和 752A 分压器等一起都安装在一个机架上。机架上的这些设备一直保持通电，并仅当对这些标准器进行例行的校准工作时才从机架上拆下来。实验室的环境保持在 23℃±0.6℃的条件下。

4 校准器的直流电压的特性修正

对该校准器的直流电压参数进行特性修正是使用一台福禄克公司的 732A 直流电压参考标准、一台 752A 参考分压器和一个检测器来完成的。为改进自动化操作的能力，使用一台数字多用表来作为该检测器。通常是使用检零计来作为检测器的，而使用数字多用表来作为检测器则必须计算由于偏置电流引起的误差。对于我们的特定的系统数字多用表，由它引入的误差是很小的。对于 100 mV、1 V、10 V、100 V 和 1 kV 各点的正、负两个极性

都测量出其特性修正值。对于该 5700A/EP 的 10V 输出在 11 V 量程和 22 V 量程都进行测量。需要这样做的原因是，为了校准 8508A 我们需要对 5700A/EP 的 15 V 输出和 19 V 输出都进行特性修正。自动化的程序获得 22V 量程的 10V 输出的比例偏差值，并使用相同的比例偏差值计算出 15V 和 19V 的特性修正值。对于这些数值的不确定度分析，其不确定度中包括了公布的 5720A 的线性度技术指标。使用同样的方法来根据 11V 量程的 10V 输出计算出 5V 的特性修正数值。

进行特性修正时必须考虑到如何对 UUT 进行测量的问题。例如，在 3458A 的自动化程序中，我们使用在其端子上加一个铜短路片的方法来测量零伏的偏置电压，然后进行 100mV 的绝对测量。对于这种测量来说，我们的参考点是铜的短路片（0V ）。校准器的 100mV 输出必须参考零伏来测量。由于增益是参考一个直接的短路片测量的，所以这是一种绝对的测量。对于福禄克公司的 8508A 测量程序，采用了向数字多用表施加来自校准器的零伏的方法来对 8508A 的量程进行消零。校准器 100mV 量程的固定项技术指标为 0.5 µV 。如果校准器处在其技术指标的极限点，就会在 100mV 量程引起 5 µV/V 的误差。对这种偏置必须予以补偿。我们补偿这种误差的方法是对校准器的 100mV 输出作一个附加的特性修正。我们把校准器的输出连到 752A 的输入端，使校准器向 752A 施加零伏。在参考输入为零的情况下，我们记录下系统数字多用表的偏置值。该表上纪录的偏置值就是校准器的零伏偏置值的影响。这个值变成了我们的参考值。当施加 100mV 时，我们根据校准器的零输出，而不是根据绝对零点来记录增益变化。这个 100mV 的测量结果是相对于校准器的零点偏置的。有了这两个 100mV 输出的特性修正值，我们既可以根据绝对零伏（铜短路片）来输出 100mV 的输出，也可以相对于校准器的零电压输出来输出 100mV 。

本文中给出了技术指标和不确定度的简洁说明。在制造厂手册中用小字列出了各种不同的工作模式之下的所有附加项。在本文中所列出的技术指标是在 99% 置信水平之下的一年之内的绝对技术指标。我已经将指标的增益项和固定项加在一起 [2、3、4]。对于安捷伦公司的 3458A/HFL 来说，我们已经把安捷伦公司的工厂溯源性附加误差加了进去，以使得这些技术指标成为绝对的技术指标。图中所示的不确定度极限值用“Char Uncert （特性修正不确定度）”的符号来表示，这些数值是赋给经过特性修正的校准器的不确定度，其置信水平为 95%。在校准数字多用表时所报告的不确定度包括经过特性修正的校准器的不确定度、数字多用表的 A 类不确定度分量、

表1 100mV 的技术指标型号

µV/V 安捷伦公司 3458A

14安捷伦公司

3458A-002

10安捷伦公司 3458A/HFL

9福禄克公司 8508A

7.2福禄克公司 5720A

15福禄克公司 5720A （24小时相对指标）

6Char Uncert （特性修正不确定度） 1.98

图 1 校准器 +100mV 的稳定性

图2 校准器 +10V 的稳定性型号

µV/V 安捷伦公司 3458A

10.05安捷伦公司 3458A-002

6.05安捷伦公司 3458A/HFL

5.05福禄克公司 8508A

4.5福禄克公司 5720A

4.3福禄克公司 5720A （24小时相对指标）

1.3Char Uncert （特性修正不确定度）0.6

表2 10V 的技术指标