示波器標準裝置的穩定性考核

王 玲，李憲優，于麗娟，魏學榮，韓 光

（西北核技術研究所，陜西 西安 710024）

0 引 言

計量標準的穩定性是指計量標準保持其計量特性隨時間恒定的能力，是計量標準的主要計量特性之一。示波器標準裝置是檢定模擬示波器和數字示波器的計量標準器，示波器標準裝置的穩定性考核是衡量、考核新建標和已建標示波器標準裝置量值傳遞是否準確可靠的一種重要手段。穩定性考核的目的是為了判斷示波器標準裝置是否保持隨時間恒定的計量特性，為了保證示波器標準裝置所提供的標準量值長期有效，確保示波器檢定結果的質量，對其進行穩定性考核尤為重要。

1 示波器標準裝置的穩定性考核方法

對于新建標的示波器標準裝置和已建標的示波器標準裝置，都必須進行穩定性考核，只是采用的穩定性考核方法有所不同。

1.1 新建示波器標準裝置

新建標的示波器標準裝置需要進行半年以上的試運行，并在一定時間間隔內對該標準裝置進行多次穩定性測量。示波器標準裝置包含多個參數，如直流電壓、方波電壓、時基、上升時間和穩幅正弦波等，應分別對每個參數的穩定性進行考核。

下面以直流電壓測量為例，詳述新建示波器標準裝置穩定性考核的方法。

（1）選擇核查標準。首先需要確定示波器標準裝置的穩定性考核參數，針對考核參數再選擇核查標準。在穩定性測量過程中，為了減小測量儀器對穩定性測量結果的影響，應盡可能地選擇一個穩定的、分辯力足夠的測量儀器作為核查標準。由FLUKE公司9500B示波器校準儀構成的示波器標準裝置作為測量標準，選用WAVETEK公司1281數字多用表作核查標準。

（2）測試條件。在實驗室內進行穩定性測量，環境條件和必要的設施應該滿足測量標準和核查標準的使用要求，測試臺接地良好，無影響儀器正常工作的機械振動及電磁干擾，實驗室溫度和相對濕度控制在允許范圍內，示波器校準儀預熱30min，數字多用表預熱60min。

（3）測試方法。儀器連接如圖1所示，測量標準如果有較寬的測量范圍時，在其測量范圍內選擇高、中、低3個典型量值點進行穩定性測量，示波器校準儀產生的直流電壓有50Ω檔（10mV～5V）和1MΩ檔（10mV～200V），在50Ω檔和1MΩ檔的范圍內從低至高各選取3個測量點。

圖1 直流電壓測量連接框圖

每隔一段時間，至少一個月，用數字多用表對示波器校準儀產生的直流電壓進行一組n次（n≥6）的重復測量，取其算術平均值作為該組的測量結果，共測量m組（m≥4），至少考核4個月，用所得測量結果的實驗標準偏差sm來定量表征該參數的穩定性。sm按下述方法計算：

當 m＜6時，按照式（1）計算：

式中：xmax——m組測量結果中的最大值；

xmin——m組測量結果中的最小值；

dm——與測量組數有關的常數，d4=2.06，d5=2.33。

從2011年12月至2013年3月共測量了4組數據，每組的測量結果見表1。

表1 示波器標準裝置直流電壓穩定性測量記錄

當m≥6時，按照式（2）計算：

m——測量組數。

根據環境條件和測量標準本身的具體情況來確定穩定性考核時間的長短，當環境條件不易控制或測量標準受環境影響較大時，就需要較長的考核時間。

（4）測量結果判定。根據計量標準考核規范的要求，示波器標準裝置性能用最大允許誤差表述時，示波器標準裝置的穩定性應小于其最大允許誤差的絕對值；用擴展不確定度表述時，示波器標準裝置的穩定性應小于擴展不確定度，即：

按照式（1）計算出實驗標準偏差Sm，根據式（3），示波器標準裝置直流電壓的穩定性考核判定結論如表2所示。

表2 示波器標準裝置直流電壓穩定性考核結果

1.2 已建示波器標準裝置

（1）已建標的示波器標準裝置，按規定每隔5年需要進行復查考核，以檢查標準裝置是否準確可靠。在一個復查周期內，正常工作狀態下的示波器標準裝置，每年要溯源至上級計量部門，因此具有5個年度的量值溯源值，可以采用上級計量部門出具的檢定證書數據作為一年期內考核示波器標準裝置穩定性的測量依據。

以示波器校準儀的方波電壓參數為例，同一測點，當年溯源的檢定證書測量數據與上一年檢定證書的測量數據相比較，其差值作為此測點方波電壓在該年度的穩定性數據，每個年度的穩定性數據與示波器校準儀最大允許誤差的絕對值相比較，小于最大允許誤差的絕對值即為穩定性合格。

（2）如果能夠得到長期穩定的核查標準，最好用新建標時做穩定性考核的核查標準，每年對示波器標準裝置進行一組n次（n≥6）的重復測量，取其算術平均值做為測量結果，以相鄰兩年測量結果的差值作為一個年度示波器標準裝置的穩定性，該穩定性小于示波器校準儀最大允許誤差的絕對值即為符合要求，見式（4）。

式中：Yi——當年重復測量的算術平均值；

Yi-1——上一年重復測量的算術平均值；

Δ——示波器校準儀的最大允許誤差。

2 注意事項

（1）核查標準的選擇。由于示波器標準裝置需要進行穩定性考核的參數較多，如直流電壓、方波電壓、上升時間和正弦波等，不可能用一臺核查標準完成幾個參數的穩定性測量，針對每個參數的穩定性測量，選擇的核查標準除了要求性能穩定之外，其相關技術指標要高于示波器校準儀被測參數的指標。

（2）測量時間。對于新建示波器標準裝置和已建示波器標準裝置，二者穩定性考核的時間間隔不同，前者是每隔一段時間（大于一個月）進行一組測量，后者是每年進行一組測量。

（3）測量條件和數據記錄。應在相同的測試地點、時間間隔、核查標準、測量方法條件下進行穩定性測量；示波器校準儀的有源信號頭要放置平穩；測量儀器要可靠接地；使用多臺測量儀器時，要滿足每臺儀器的預熱要求。原始記錄的數據要求記錄全面、有足夠的信息量，并且要妥善保管。

（4）結果處理。對示波器標準裝置進行多個參數的穩定性考核，每個參數的穩定性考核均要給出考核結果，若有某個參數的穩定性考核不合格，就要對考核對象、核查標準、測量環境和測量方法進行分析判斷，找出原因，采取糾正措施，重新進行穩定性測量。

3 結束語

由于示波器標準裝置穩定性考核過程涉及的參數多、量程多、高頻參數多、操作復雜，需要事先計劃認真實施，示波器標準裝置的穩定性考核是復查考核的關鍵項目之一，做好穩定性考核工作是示波器標準裝置良好、穩定、準確地進行量值傳遞的重要保證。

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