直流電壓校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度評定分析

馬驥騰

(北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院 北京 100000)

一、測量方法

依據(jù)JJF1587-2016《數(shù)字多用表校準(zhǔn)規(guī)范》，本文選擇以多功能標(biāo)準(zhǔn)源5730A為參考標(biāo)準(zhǔn)，采用標(biāo)準(zhǔn)源法對數(shù)字多用表直流電壓功能進(jìn)行校準(zhǔn)，即用多功能源5730A輸出直流電壓，記錄被校數(shù)字多用表34470A示值。

二、測量模型

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)源的直流電壓輸出為Un，數(shù)字多用表的直流電壓讀數(shù)為Ux，所以示值誤差可表示為：

Δ=Ux-Un

式中：Δ——示值誤差；Ux——數(shù)字多用表讀數(shù)值；Un——標(biāo)準(zhǔn)源輸出值。

由此可得，示值誤差的測量不確定度主要來源于數(shù)字表的讀數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)源自身誤差的影響。考慮多功能源的負(fù)載特性及溫度系數(shù)等對校準(zhǔn)結(jié)果的影響，另外還應(yīng)考慮到各種其他因素對多功能標(biāo)準(zhǔn)源電壓值的影響，數(shù)字多用表的分辨力對測量結(jié)果的也會(huì)產(chǎn)生影響。對于多功能源和數(shù)字表，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，溫度、濕度、輸入零電流、輸入阻抗等帶來的影響可忽略，所以綜合考慮后其測量模型為：

Δ=Ux+δUx-Un

式中：Δ——示值誤差；Ux——數(shù)字多用表讀數(shù)值；Un——標(biāo)準(zhǔn)源輸出值；

δUx——數(shù)字多用表分辨力的影響

三、標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

由測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA(Ux)進(jìn)行重復(fù)性測試，按A類評定方法評定。由重復(fù)性試驗(yàn)要求可知，數(shù)字多用表校準(zhǔn)結(jié)果的重復(fù)性應(yīng)當(dāng)直接作為一個(gè)不確定度來源，用于數(shù)字表校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評定中，所以直接引用重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果作為數(shù)字多用表讀數(shù)，引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量。則實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

則單次測得值的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

uA(Ux)=s(yi)

標(biāo)準(zhǔn)源輸出值不準(zhǔn)確引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Un)。由于誤差或不確定度的存在以及校準(zhǔn)時(shí)上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的影響，在復(fù)現(xiàn)量值時(shí)會(huì)引入不確定度分量，主要從影響輸出值不準(zhǔn)確的原因上去分析，即上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和被校表本身誤差或不確定度。

由上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

因?yàn)樾?zhǔn)5730A多功能源時(shí)，5730A的技術(shù)指標(biāo)很高，上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的不確定度與5730A的最大允許誤差或總的不確定度之比一般不小于1/3，校準(zhǔn)結(jié)果存在上級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)帶來的不確定度影響，會(huì)影響實(shí)際輸出值，所以5730A輸出值存在由于上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不準(zhǔn)確引入的不確定度，由多功能標(biāo)準(zhǔn)源5730A的校準(zhǔn)證書可得上級(jí)校準(zhǔn)5730A時(shí)引入的不確定度分量為u(Un1)。

其他因素對多功能標(biāo)準(zhǔn)源直流電壓值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量主要考慮5730A本身由于誤差的存在而使輸出值不準(zhǔn)確的影響因素，儀器使用說明書中給出了在校準(zhǔn)溫度±5℃范圍內(nèi)儀器總不確定度、穩(wěn)定性指標(biāo)、溫度系數(shù)、線性度、紋波噪聲、負(fù)載調(diào)整率、電源調(diào)整率、穩(wěn)定時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)。其中對輸出直流電壓值有影響的主要是儀器穩(wěn)定性指標(biāo)、溫度系數(shù)、穩(wěn)定時(shí)間等，其中穩(wěn)定性指標(biāo)、溫度系數(shù)、穩(wěn)定時(shí)間可忽略計(jì)算。

在規(guī)定測量條件下，多功能標(biāo)準(zhǔn)源直流電壓11V量程，測量時(shí)環(huán)境要求在規(guī)范要求范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)源的校準(zhǔn)歷史記錄表明各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均合格。說明書注明該不確定度服從正態(tài)分布，且k=2。對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為u(Un2)

四、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于各輸入量間相互獨(dú)立，均互不相關(guān)，由不確定度傳播律可得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

由測量模型計(jì)算靈敏系數(shù)：

考慮到被測數(shù)字表讀數(shù)的重復(fù)性和分辨力存在重復(fù)，在合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度時(shí)將二者中較小值舍去，所以舍去被校數(shù)字表的分辨力的影響，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

通過實(shí)際測量和計(jì)算，分析和評定了標(biāo)準(zhǔn)源法校準(zhǔn)數(shù)字多用表時(shí)交流電壓。另外，直流電壓、交流電流、直流電流、電阻4種參數(shù)校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度可以參照評定交流電壓方法進(jìn)行。評定的測量不確定度結(jié)果是否滿足校準(zhǔn)的需求，還需進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證的方法可以選擇傳遞比較法。