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1、 智能仪器与系统智能仪器与系统33-3433-34学时学时第六章第六章 智能仪器的自动测量和自检技术智能仪器的自动测量和自检技术 （一）（一）仪器的自动校准仪器的自动校准v测量的准确度和可靠性是智能仪器的两项基本技测量的准确度和可靠性是智能仪器的两项基本技术指标。术指标。(体现仪器优劣体现仪器优劣)v对智能仪器引入自动测量和自检功能对智能仪器引入自动测量和自检功能,可以极大提可以极大提高仪器的测量准确度。高仪器的测量准确度。v自动测量功能与自检功能的概念自动测量功能与自检功能的概念一一. .概概 述：述：1.1.自动测量功能自动测量功能主要指智能仪器在测量之前或开始测量之时主要指智能仪器在测量
2、之前或开始测量之时, ,对仪器对仪器的自动校准技术的自动校准技术. .例如零点自动校准例如零点自动校准, ,放大倍率的自校放大倍率的自校准准, , 量程的自动转换等功能量程的自动转换等功能. .2.2.自检功能自检功能仪器运行一段时间后仪器运行一段时间后, ,自动对仪器故障进行检测与诊断自动对仪器故障进行检测与诊断的功能的功能. .1)1)检测检测: :只判断有无故障只判断有无故障. .2)2)诊断诊断: :判断故障出现的部位判断故障出现的部位. . 3. 传统仪器有两种校正方案可供选择。传统仪器有两种校正方案可供选择。利用同类型的利用同类型的 准确度高的标准仪器来校准。准确度高的标准仪器来校
3、准。v校准的时候，标准仪器和被校仪器同时测量由可校准的时候，标准仪器和被校仪器同时测量由可调信号源输出的一个信号，标准仪器上的输出作调信号源输出的一个信号，标准仪器上的输出作为真值，它与被校仪器的测量值之间的差值即为为真值，它与被校仪器的测量值之间的差值即为被校仪器的测量误差。由小到大的改变信号源的被校仪器的测量误差。由小到大的改变信号源的输出，就可以获得在所有测量点上的校准值。输出，就可以获得在所有测量点上的校准值。可调信号源标准仪器被校仪器采用准确度高的可步进调节输出值的标准信号源采用准确度高的可步进调节输出值的标准信号源v校准的时候，信号源的示值作为真值，它与被校校准的时候，信号源的示值
4、作为真值，它与被校仪器示值的差值就是该被校仪器的测量误差。从仪器示值的差值就是该被校仪器的测量误差。从小到大调节标准信号源的输出，就可以得到被校小到大调节标准信号源的输出，就可以得到被校仪器在所有的测量点上的校准值。仪器在所有的测量点上的校准值。可调标准信号源被校仪器被校信号以上二种方案的缺点以上二种方案的缺点: :1)1)需由专业人员手动操作需由专业人员手动操作, ,使用极为不便使用极为不便. .2)2)需由计量检定部门给出误差修正表或使用专门标准仪器需由计量检定部门给出误差修正表或使用专门标准仪器. .4.4.智能仪器的校准智能仪器的校准 与传统仪器的校准是有区别的。智能仪器采用在微与传统
5、仪器的校准是有区别的。智能仪器采用在微机的命令下，自动进行校准。采用校准方程机的命令下，自动进行校准。采用校准方程, ,利用利用软件实现自动校准软件实现自动校准. . 它有如下的特点：它有如下的特点：1)1)无需手动无需手动, ,整个校准过程自动完成整个校准过程自动完成. .2)2)根据校准源的取向分为外部校准和内部校准两种根据校准源的取向分为外部校准和内部校准两种 方法。方法。1.1.零点漂移的自动校准零点漂移的自动校准二、智能仪器的自动校准二、智能仪器的自动校准 1)1)零点漂移零点漂移是造成零位误差的主要原因之一是造成零位误差的主要原因之一. .即当输即当输入信号为零的时候，输出不为零入
6、信号为零的时候，输出不为零. .并且有时零点漂移值并且有时零点漂移值随温度的变化而变化。随温度的变化而变化。( (主要是器件稳定性引起的系差主要是器件稳定性引起的系差),),可以通过选用稳定性高的输入器件可以通过选用稳定性高的输入器件, ,从硬件上消除这从硬件上消除这种影响种影响, ,但成本较高但成本较高, ,且温度变化较大的场合且温度变化较大的场合, ,该方法不该方法不能确保零点的稳定性能确保零点的稳定性. .为此可利用零点自动校准技术为此可利用零点自动校准技术. .2)2)自动校准原理自动校准原理 假设零点漂移电压为假设零点漂移电压为V Vosos,校准零点漂移电压校准零点漂移电压V Vo
7、sos电路电路的原理如下图的原理如下图: :模拟通道的内部自动校准原理图模拟通道的内部自动校准原理图在仪器内部的微机控制下，它们可以使模拟量测在仪器内部的微机控制下，它们可以使模拟量测量通道依次与地、仪器内部标准源量通道依次与地、仪器内部标准源V Vr r和被测量和被测量ViVi相接。相接。V Vosos为折合到模拟量输入端的零点漂移电压。为折合到模拟量输入端的零点漂移电压。模拟测量通道cpu驱动器接 口S3S1 S2ViVosVr我们分两种情况对我们分两种情况对VosVos的校准进行讨论：的校准进行讨论：1)1)当零点漂移电压不变化的时候：当零点漂移电压不变化的时候： 这个时候的校准分以下三
8、个步骤：这个时候的校准分以下三个步骤：切断开关切断开关S2S2、S3S3，闭合开关，闭合开关S1S1。即在微机的控制下，即在微机的控制下，将模将模拟量输入通道与地接通，得到这种情况下的拟量输入通道与地接通，得到这种情况下的A/DA/D转换的输转换的输出值出值N0；则有：；则有：N0=KVos； 该式中，该式中，K K为总的放大系数为总的放大系数. .模拟测量通道cpu驱动器接 口S3S1 S2ViVosVrV在微机控制下在微机控制下, ,切断开关切断开关S1S1、S2S2，闭合开关，闭合开关S3S3。将被测信。将被测信号号ViVi和漂移电压和漂移电压Vos一同送入模拟量通道；这个时候得到的一同
9、送入模拟量通道；这个时候得到的一个一个A/DA/D转换的输出值为：转换的输出值为：N1=K(Vi+Vos)；最后一步，就是利用微机对上面两次测量数据进行计算：最后一步，就是利用微机对上面两次测量数据进行计算：模拟测量通道cpu驱动器接 口S3S1 S2ViVosVrefVN=N1-N0= K(Vi+Vos)KVos=KVi 计算后的计算后的A/DA/D转换的输出值转换的输出值N N，是消去了零点漂移电压，是消去了零点漂移电压VosVos的影的影响，真正代表了输入电压响，真正代表了输入电压ViVi的输出值。的输出值。NOTENOTE：1)1)在这两次测量过程中，我们是假定在这两次测量过程中，我们
10、是假定VosVos和总的倍率系数和总的倍率系数K K是是 保持不变的。保持不变的。2)2)为了消去为了消去VosVos，需进行两次测量，用了双倍的时间，对，需进行两次测量，用了双倍的时间，对 测量速度的影响比较大。测量速度的影响比较大。2)2)当零点漂移电压当零点漂移电压VosVos变化时：变化时： 如果在上面的两次测量之间，如果在上面的两次测量之间，VosVos发生了变化，上述方法发生了变化，上述方法就不再适用；这个时候，就必须对就不再适用；这个时候，就必须对VosVos进行一个插值处理。进行一个插值处理。假设假设VosVos是线性变化的，对它的校准步骤如下：是线性变化的，对它的校准步骤如下
11、：合上开关合上开关S1S1，将输入通道与地接通将输入通道与地接通,设这个时候的零点漂移电设这个时候的零点漂移电压为压为V Vos1os1。在微机启动。在微机启动A/DA/D转换测量转换测量V Vos1os1的同时，启动仪器内部的的同时，启动仪器内部的计时单元，使它开始对测试时间计时。设起始时间为计时单元，使它开始对测试时间计时。设起始时间为t1t1，A/DA/D转转换的输出值为换的输出值为N1N1。则：。则： N1=KVN1=KVos1os1；模拟测量通道cpu驱动器接 口S3S1 S2ViVosVrV打开开关打开开关S1S1，合上开关，合上开关S3S3，将被测量，将被测量ViVi接入接入,
12、,假设这时的零点漂假设这时的零点漂移电压为移电压为Vos2Vos2。Vos2Vos2和被测量和被测量ViVi一起输入到模拟测量通道的输一起输入到模拟测量通道的输入端，设入端，设A/DA/D转换的输出值为转换的输出值为N2N2，则有，则有N2=K(Vi+Vos2)N2=K(Vi+Vos2)；同样在；同样在启动这一次启动这一次A/DA/D转换的时候，要读取内部计时单元的时间转换的时候，要读取内部计时单元的时间t2t2。打开开关打开开关S2,S2,再一次合上开关再一次合上开关S1S1，将模拟输入接地，将模拟输入接地, ,假设这个时假设这个时候的零点漂移电压为变化为候的零点漂移电压为变化为Vos3,
13、A/DVos3, A/D转换的输出值为转换的输出值为N3N3，则，则N3=KVos3N3=KVos3；当微机启动；当微机启动A/DA/D的时候，同样要读取一个时间的时候，同样要读取一个时间t3t3。设在时间设在时间t1-t3t1-t3之间另点漂移之间另点漂移VosVos呈线性变化，可以通过计算机呈线性变化，可以通过计算机利用线性插值法来求利用线性插值法来求零点漂移电压零点漂移电压Vos2Vos2。模拟测量通道cpu驱动器接 口S3S1 S2ViVosVrefV v从上面的表达式中可知从上面的表达式中可知: :1)1)只要零点漂移电压只要零点漂移电压VosVos是线性变化的是线性变化的, , 经
14、过计算后的值经过计算后的值, ,已已经消去了零点漂移电压经消去了零点漂移电压Vos2Vos2的影响，真正代表了的影响，真正代表了ViVi的值。的值。2)2)如果测量时间间隔不太长，完全可以近似认为零点漂移电如果测量时间间隔不太长，完全可以近似认为零点漂移电压压VosVos是线性变化的。是线性变化的。则则A/DA/D转换后消除零点漂移后的总的输出值为转换后消除零点漂移后的总的输出值为: :等式二边同乘以等式二边同乘以K,K,整理后得整理后得: :2 2、增益、增益K K的内部自动校准的内部自动校准v利用内附标准源利用内附标准源V Vrefref可以对增益偏离额定值产可以对增益偏离额定值产生的影响
15、进行校准，它的校准仍然参看下图。生的影响进行校准，它的校准仍然参看下图。模拟测量通道cpu驱动器接 口S3S1 S2ViVosVrV 步骤如下：假设此时无零点漂移步骤如下：假设此时无零点漂移( (即即V VOSOS=0),=0),在计算机控制下在计算机控制下, ,将将S2S2闭合闭合,S1,S3,S1,S3断开断开, ,即接通标准源即接通标准源VrVr，这个时候得到一，这个时候得到一个接通标准源的个接通标准源的A/DA/D转换后的输出值转换后的输出值Nr=KVr ，将，将N Nr r存入存入RAMRAM 的确定单元中的确定单元中. .将将S3S3闭合闭合,S1,S2,S1,S2断开断开, ,即
16、被测量即被测量ViVi接入，得到一个接入，得到一个A/DA/D转换转换后的输出值后的输出值N1=KVi仪器内部仪器内部CPUCPU对测量数据进行以下计算对测量数据进行以下计算: :从上式可看出从上式可看出, ,这样得到的输入信号与增益这样得到的输入信号与增益K K没有关系没有关系, ,消除消除了因了因K K偏离额定值所引起的误差偏离额定值所引起的误差N=N1/Nr=(KVi)/(KVr) =Vi/=Vi/VrVr整理上式得整理上式得: :归纳内部自动校准的流程如下归纳内部自动校准的流程如下: : 在实际进行内部自动校准的时候，既要考虑零点漂移，也在实际进行内部自动校准的时候，既要考虑零点漂移，
17、也要考虑倍率要考虑倍率K K的变化。这时的校准步骤如下的变化。这时的校准步骤如下( (假设假设V VOSOS和和K K值值是固定不变的是固定不变的) )： 1)1)程序控制输入通道接地程序控制输入通道接地, ,得到输出值得到输出值N0N0，则，则N0=N0=KVosKVos 2) 2)程序控制输入通道与标准源相接程序控制输入通道与标准源相接, ,得到输出值得到输出值NrNr，则：，则：Nr=Nr=K(Vr+VosK(Vr+Vos) ) 3) 3)程序控制输入通道与输入信号相连程序控制输入通道与输入信号相连, ,得到输出得到输出NxNx，则：，则：NxNx= =K(Vi+VosK(Vi+Vos)
18、 ) 4) 4)在微机控制下进行下列的运算：在微机控制下进行下列的运算： N1=Nr-N0=KVr N2 = Nx-N0 = KVi N= N2/N1 = Vi/Vr所以所以NoteNote：1)1)每测量一个被测量要进行每测量一个被测量要进行3 3次测量，测量时间增加二倍。次测量，测量时间增加二倍。2)2)三次测量中，认为零点漂移电压三次测量中，认为零点漂移电压VosVos和倍率和倍率K K是保持不变的。是保持不变的。通常，在连续的三次测量期间，测量时间短而测量速度很通常，在连续的三次测量期间，测量时间短而测量速度很快时，可认为此条件满足。快时，可认为此条件满足。3)3)内附标准源稳定性好，
19、其准确数值为已知。内附标准源稳定性好，其准确数值为已知。 设计仪器时，安排内部自动校准有两种方案：设计仪器时，安排内部自动校准有两种方案：1)1)每测量一个被测量都进行零点漂移和倍率偏移的自动校准。每测量一个被测量都进行零点漂移和倍率偏移的自动校准。这时，测量速度会显著的降低，这是以牺牲速度求得测量这时，测量速度会显著的降低，这是以牺牲速度求得测量的准确度。的准确度。2)2)有选择的进行自定校准。仪表面板上设置了有选择的进行自定校准。仪表面板上设置了“自校准自校准”按按钮，只有按此按钮的时候，测量才进行零点漂移和倍率的钮，只有按此按钮的时候，测量才进行零点漂移和倍率的校准。校准。仪器的外部自动
20、校准可以采用自动校准系统来完成。仪器的外部自动校准可以采用自动校准系统来完成。例如例如. .一些智能仪器只需操作者按下自校准键一些智能仪器只需操作者按下自校准键, ,仪器就会提示仪器就会提示操作者输入标准电压操作者输入标准电压, ,当操作者按照提示给出了标准电压后当操作者按照提示给出了标准电压后, ,再按一次键再按一次键, ,仪器就会启动校准系统完成校准测量仪器就会启动校准系统完成校准测量, ,外部校准外部校准一旦完成一旦完成, ,新的校准常数就会被保存在测量仪器中新的校准常数就会被保存在测量仪器中. .有的公司有的公司还专门提供测量仪器中的外校准的标准软件还专门提供测量仪器中的外校准的标准软
21、件. .3、仪器的外部自动校准、仪器的外部自动校准4 4、量程的自动转换、量程的自动转换量程自动选择实现原理：量程自动选择实现原理：“手动手动”或或“自动自动” 选择。选择。传统仪器主要采用手动选择：先置于某个较大量程上，传统仪器主要采用手动选择：先置于某个较大量程上，根据读数值调整。根据读数值调整。智能仪器主要采用自动选择：确定各量程的界限值，智能仪器主要采用自动选择：确定各量程的界限值，且相邻两个量程之间应有适当的重叠，以避免当被测且相邻两个量程之间应有适当的重叠，以避免当被测电压在界限值附近变化时，两个相邻量程上频繁切换电压在界限值附近变化时，两个相邻量程上频繁切换( ( “摇摆不定摇摆
22、不定”) )。可将较大一档量程的最小电压设置为。可将较大一档量程的最小电压设置为相邻小一档量程满度值的相邻小一档量程满度值的90%90% 。量程自动转换的控制主要由系统软件来完成量程自动转换的控制主要由系统软件来完成:1)列出系统所要求的量程自动转换上下限值列出系统所要求的量程自动转换上下限值:例如下例如下图所示图所示:199.9199.9mvmv0 0mvmv1.999V1.999V19.99V19.99V199.9V199.9V12001200180mV180mV1.8V1.8V18V18V180V180V1200V1200V2)编写量程自动转换子程序编写量程自动转换子程序 量程自动转换子
23、程序由主程序完成一次测量量程自动转换子程序由主程序完成一次测量后调用后调用.该程序调用时该程序调用时,将根据最新测量数据与将根据最新测量数据与现行量程的极限值进行比较现行量程的极限值进行比较,若现行量程合适若现行量程合适,则显示测量读数后返回主程序则显示测量读数后返回主程序,反之则进行量反之则进行量程选择程选择,找到新的合适量程后再返回主程序找到新的合适量程后再返回主程序.下下一次测量就在新选择的量程下进行一次测量就在新选择的量程下进行.整个流程整个流程分为三条支路分为三条支路,分别是降量程分别是降量程,保护现行量程和保护现行量程和升量程升量程.见下图见下图:思考题与作业思考题与作业: :P177-6.1; P177-6.8P177-6.1; P177-6.8
