AGILENT 34970A在产品参数检定中的应用

对于标准电阻这样的高精度产品在生产后，需要对其逐个检定。人工检定的方法操作烦琐且易引入误差，采用AGILENT 34970A(数据采集/开关单元)，通过HPIB总线与PC主机相连，组成自动测试虚拟仪器对其进行测试。测试完毕，通过DDE(Dynamic Data Exchange)自动生成检定报告书。这样，不仅简化了测量过程，测量精度也得到了提高。

引言

　　标准电阻生产后参数的检定，目前国内一般采用的是直接测量法或同标称值替代法，测量仪器通常是电桥。虽然这种方法已很成熟，但所用的配套设备较多，操作繁琐，而且整个检定过程是在人工干预下进行，难免引入偏差（如：人工读数等因素造成的），加之一些非技术性因素（如人的情绪等），检定质量难以保证。在计算机技术与测量技术高速发展的今天，测试自动化已成必然趋势。

　　基于上述原因，我们利用安捷伦公司的AGILENT  34970A，并通过GPIB总线连接到计算机主机，在AGILENT VEE软件平台下，开发了标准电阻自动检定系统，它使检定在自动状态下进行，包括检定完成后的检定报告书也是利用DDE（Dynamic Data Exchange）自动在EXCEL中生成，因此该系统集可靠、高效于一体。

测试系统结构

1. 检定方法探讨

　　标准电阻的检定方法很多，有直接测量法、同标称值替代法、过渡传递法等。直接测量法的优点是简便，但要求电阻测量仪器的精度要比被测电阻高两个等级，对测量较多等级的标准电阻来说，付出的代价就是使用精度更高、价格昂贵的测试仪器；过渡传递法是通过对两个不同电阻值的测量得到两者的比值来实现电阻量值的传递，此方法常用于高精度电阻的测量，对测试仪器要求高且测试过程也比较复杂；同标称值替代法是用电阻测量仪器依次测量标准电阻器（已计量并达到要求的标准电阻器）RS和被检电阻器RX的电阻值，经下式运算后得到检定结果。

        　　RX = RS +（AX - AS）

　　式中    AS——测量RS时测量仪器的示值

        　　AX——测量RX时测量仪器的示值

　　由上可知，同标称值替代法对电阻测量仪器的精度要求较直接测量法低，测量方法也较前二者简便。按规程JJG166-93可知，当电阻测量仪器达不到比被检标准电阻RX精度等级高出两个等级，而又有与被检电阻器RX同标称值的电阻标准器RS时，被检电阻器电阻值的检定可采用同标称值替代法。我们现在实现的是检定0.01级的标称电阻，而现有测量仪器是AGILENT 34970A，由AGILENT 34970A的精度可知，虽然达不到直接测量0.01级标准电阻所需的高两个等级的要求，但完全能利用其作为同标称值替代法的测量仪器。基于上述分析，本系统采用同标称值替代法，并用AGILENT 34970A作为测试核心仪器。

　　2. AGILENT 34970A及其应用

　　AGILENT 34970A是集多种功能于一体的测量仪器，本身带有6 1/2 A/D转换器，后部带有三个模块插槽，安捷伦公司提供八种模块选件，可根据需要构成不同测量模式，完成多种测试功能。本系统主要用于标准电阻测量，因此选用AGILENT 34901，AGILENT 34901提供20路（单端输入40路）模拟通道，我们选用其中二路，接标准电阻器RS和被测电路器RX。由于测试采用同标称值替代法，在测试过程中将对RS和RX依次测量，需要一个开关供切换，因此再选用AGILENT 34904模块，这是一个4×8双线矩阵式变换开关，可随意程控，切换被测对象。图1是标准电阻测试接线示意图（四线制接线）。

图：1

根据JJG166-93规程的要求，做电阻替代比较用的电阻测量仪器引入的误差应不大于10×10-6（等级指数的1/10），为了达到这一目标，在测量低值电阻值时采用四线制测量方法（AGILENT 34970A提供这一功能）；为了消除接触电势等零电势对电阻测量所带来的误差，应用了AGILENT 34970A提供的“偏移补偿”（OFFSET COMPENSATION）技术：第一次是在恒流源的作用下测量电阻的电压值，第二次是在关闭恒流源的情况下测量电阻的零电压值，通过两次测量电阻的电压值来消除替代测量中给被测电阻带来的零电势影响，使之达到规程要求。

3．系统结构

　　本系统以AGILENT 34970A作为测量仪器，通过AGILENT 34901、AGILENT 34904模块连接被测电阻，采用AGILENT VEE做测试系统软件操作平台，通过HPIB总线接口与AGILENT 34970A相联。AGILENT 34970A支持SCPI命令，AGILENT 34970A所有动作均由AGILENT VEE平台对其发送SCPI命令来实现。

软件实现

　　AGILENT VEE（AGILENT Visual Engineering Environment）是安捷伦公司开发的图形化编程语言，它具有以下特点：

图：2

a. 易于编程；

　　b. 强大的GUI功能：无需花大力气就能制作出功能强大且友好的用户界面；

　　c. 强大的仪器控制功能：大量的仪器驱动函数，使用户能自如地控制仪器。

　　由于上述特点，本系统采用AGILENT VEE作为测试软件，图2是测试程序流程图。

　　软件运行时，会提示操作者输入一些最必须的数据，如：被检定的电阻数、希望的平均测量次数、被测电阻器标称值等，如果被检对象种类单一，可免去这些交互。图3是本测试程序操作界面。

图：3

由图3可以看到人-机交互界面的概貌。曲线动态地反映了每次测试的实时状况，在曲线图上方实时地映出各次测试的平均数字值；这些数字的颜色与曲线颜色相对应。移动曲线上的小三角，可在曲线下方反映出任意二点的数值差。它为操作者提供了简单，但又必要的数据分析手段。测试结束，数据由AGILENT VEE提供的DDE功能直接传递给Excel( 电子数据表格软件)，由EXCEL进行数据分析、综合，并生成检定报告，这一过程由程序一气呵成。

误差综合

　　用替代法检定标准电阻，其被测标准电阻误差的主要来源是标准器RS以及检定装置。在本系统中主要的检定仪器是AGILENT 34970A，根据规程JJG166-93中的规定，我们所选用的标准器RS是二等标准电阻，其等级指数是0.001%，完全符合规程所规定不大于被检电阻器1/4～1/5的要求。综合分析本检定装置，得到它可能的误差源如下：

　　a. 由二等标准电阻器RS的年变化即等级指数CS引起的误差ΔU1；

　　b. 二等标准电阻器RS被检定时引起的传递误差ΔU2；

　　c. 由测量仪器的重复性引入的误差ΔU3；

　　d. 由于测量仪器的分辨力不够引起的误差ΔU4；

　　e. 由环境温度变化引起的误差ΔU5；

　　f. 由引线电阻，寄生电势，零电流等引起的误差ΔU6。

　　以上六项误差中引线电阻引起的误差主要是对小电阻而言，在我们所检定的对象受其影响的主要是100Ω和1000Ω的电阻。根据AGILENT 34970A的特性，采用四线制的测量方法来消除引线电阻的影响。由寄生电势及零电流的影响，采用34970A的又一特性—偏移补偿的方法来减小其对测量带来的影响，使由引线电阻、寄生电势、零电流等引起的误差ΔU6不大于0.05CX，即ΔU6=5×10-6。 采用 AGILENT 34970A  6位半的显示能力，使积分时间增加到200PLC，此时分辨率达到0.00000022 X 量程，则分辨率误差ΔU4=1.1×10-7。

　　测量仪器AGILENT 34970A的重复性根据其电阻单元精度的24小时指标可知在所使用的100Ω～10kΩ三个量程中，精度最低的是100Ω量程的电阻，其精度的24小时指标为0.0065%，而根据规程规定0.01级标准电阻的偏差极限为0.01%，根据我们实际测试，AGILENT 34970A的重复性误差符合规程规定，即ΔU3≤10×10-6。

　　由环境温度变化引起的误差ΔU5，因实验条件所限，认为符合规程规定，即ΔU5=8×10-6。

　　综合以上六项误差的综合误差ΔU：

ΔU=√ΔU12+ΔU22+ΔU32+ΔU42+ΔU52+ΔU62= 17.7×10-6 < 33×10-6 

　　此值小于JJG166-93规程规定的由检定装置及环境条件所引起的总不确定度不大于被测电阻器33×10-6（等级指数的1/3）的要求。

具体的误差分配及综合误差见下表（其值以相对误差表示）:

结束语

　　本系统的研制，表明了基于同标称值替代法检定0.01级及其以下级别的范围在102～104Ω的标准电阻是完全可行的。如果采用分辨率更高的测量仪器，如：7 1/2分辨率，则能使被检电阻值范围更宽。测试的自动化，不仅提高了测量精度，也大大提高了效率。从中我们也可以看到，虚拟仪器作为一种崭新的概念，其应用前景十分诱人。