基于LabWindows/CVI的直流电阻自动校准系统

2012-11-15陈明亮蔡卫平

中国测试 2012年5期

陈明亮，蔡卫平

（深圳市计量质量检测研究院，广东深圳 518055）

0 引言

直流电阻是用于保存和传递电阻单位欧姆的实物标准，其量值传递是准确测量的基础。对电阻值≥1Ω的直流电阻，通常采用数字多用表直接测量；而对于＜1Ω的直流电阻，需要采用直流恒流源给直流电阻提供电流，使用纳伏表测量电阻两端电压的方式计算出被测直流电阻的电阻值。对于含有各个电阻值的直流电阻仪器测量过程过于繁琐，使用的测量标准设备众多，测量的精度难以保证；因此，研制一套针对各个电阻值进行测量的自动校准系统已经成为一种发展趋势。

为实现直流电阻仪器高精度和快速测量，同时也为了提高校准工作的效率和可靠性，减少证书报告差错率，降低检定人员的工作强度，开发出基于LabWindow/CVI平台的自动化校准软件，能够实现对各种型号的直流电阻器、直流电阻箱和双电桥校验仪的校准，测试过程操作简单，具有较好的应用前景。

1 直流电阻自动校准系统原理

直流电阻自动校准系统使用一组已经标定好的标准电阻，量值从1mΩ～1MΩ不等。测试时选择与被测电阻同数量级的标准电阻，通过读取标准电阻与被测电阻上的电压值，对被测直流电阻的阻值进行量值传递。

式中：Un——标准电阻压降；

Rn——标准电阻值；

Ux——被测电阻压降；

Rx——被测电阻值[1]。

利用电压比等于电阻比的方法，可以避免测试引线电阻的干扰。特别对于≤0.1Ω直流电阻，由于测试额定电流＞1 A，不能直接使用数字多用表进行测量，使用比例方法能够达到很好的测量效果。直流电阻自动校准系统硬件原理如图1所示。

图1 直流电阻自动测试系统硬件原理图

系统使用RS-232作为通信接口，降低了系统的成本。程控恒流源输出的电流值范围从0.1mA～10A，且连续可调，覆盖了测试电阻需要的额定电流值；输出电流值需有足够的稳定度，其值低于被测电阻精度的十分之一。纳伏表用于测量标准电阻与被测电阻上的压降，电压测量的准确度为读数的十万分之几，测量速度快；纳伏表测量中使用专用的低热电势屏蔽测试线缆，提高抗噪声能力。

在自动校准系统中，通过计算机串行通信总线控制恒流源输出额定的电流值，旋转低热电势开关，使纳伏表测量标准电阻上的压降，再旋转低热电势开关，使纳伏表测量被测电阻上的压降，纳伏表测量数据通过串行通信总线传回计算机，在计算机中利用式（1）计算被测电阻的阻值，根据电阻的技术指标判断是否合格。测试数据最后保存在Microsoft Access数据库中，方便查询和打印原始记录。

对于≤0.1Ω的直流电阻，由于电阻上的压降往往小于100 mV，测量电路中产生的热电势不能忽略。针对于此：（1）系统中采用了低热电势开关；（2）采用电流正向测量、反向测量方法，消除热电势影响。两种不同材质的金属相互接触就会产生热电势，跟电流的流向无关，因此通过纳伏表两次测量电压值相减取绝对值的平均值，就可以很好地消除系统中热电势的影响[2-4]。

2 直流电阻自动校准系统软件设计

在软件设计中，系统由串行通信总线配置模块、直流电阻器测试模块、直流电阻箱测试和双电桥测试模块、测试数据的保存与查询、测试数据导出模块和用户管理模块组成。软件架构如图2所示。

图2 直流电阻自动测试系统软件架构

测试前，首先进行端口配置，查找到系统中的程控恒流源和纳伏表。配置完成后，选择需要测试的模块进行测试，测试完毕，最后保存测试结果。测试结果保存在数据库中，通过数据查询模块对已完成的数据进行查看、导出和打印。

标准电阻组精度影响着系统测量精度，系统中的标准电阻标定模块用于维护标准电阻组。每年标准电阻送检后，利用标准电阻标定模块保存标准电阻组的实际值以及测试时的电流值。

2.1 双电桥测试模块

双电桥校验仪可能包含的定值电阻从0.1mΩ~1kΩ不等，电阻盘步进值从0.01~10Ω不等。测试前，测试人员根据被测双电桥实际电阻值选择相应的定值电阻和电阻盘，并选择其对应的允许误差，确认之后，系统根据选择的电阻值与允许误差自动生成测试过程。双电桥测试模块操作界面如图3所示。

图3 双电桥测试模块操作界面

测试过程中，首先测试双电桥的残余电阻值，此时所有电阻盘都处于关闭状态。紧接着测试各个定值电阻和电阻盘，系统会根据测试的定值电阻值或电阻步进值提示测试人员准备标准电阻值，其阻值将从数据库中调出。测试过程中，测试人员根据测试示意图旋转至下一步测试点。对于电阻值＜0.1 Ω的电阻，将要进行正向电流测试和反向电流测试，来消除热电势带来的影响。测试结束后测试结果保存到数据库中。

2.2 测试数据的保存与查询模块

测试结果信息的保存和查询是LabWindow/CVI对Microsoft Access数据库[5]进行写入和读出的过程。LabWindow/CVI在安装了CVI SQL Took it之后支持对数据库的操作，通过开放数据库互连（open database connectivity，ODBC）[6]方式实现对访问数据库。通过注册ODBC数据源访问数据库，对数据库表中的记录进行查询、插入、更新和删除。

2.3 测试数据导出

LabWindow/CVI提供对外部组件Active X的调用方式，利用自身的开发向导自动生成仪器驱动器，当加载仪器驱动器之后，就可以像LabWindow/CVI内部函数一样使用。使用Active X自动化技术，使LabWindow/CVI程序在后台操作Microsoft Excel，读出Microsoft Access数据库中的信息后导入进Microsoft Excel中。Microsoft Excel具有精确定位、快速写入等特性，方便测试数据的顺利导入[7-8]。

LabWindow/CVI应用程序查找已经编辑好的统一格式Microsoft Excel原始记录模板，打开的同时创建工作簿，设定工作薄操作区域，接着从Microsoft Access数据库中读出数据，然后将数据写入进工作簿对应位置，导入完毕释放工作簿，保存Microsoft Excel文档，最后在Microsoft Excel将原始记录打印。

3 测试结果及分析

利用自动校准系统对ZX4A型双电桥进行测试，测试结果如表1和表2所示。

系统对双电桥的定值电阻盘和电阻盘分别进行测试。表中列出了定值电阻盘与电阻盘中各个电阻的标称值和实测值，误差以相对值表示，依据各个电阻的技术指标，对每一个电阻值进行合格与否判断，整个结果获取过程清晰明了，具有很强的可读性。

4 结束语

综上所述，利用自动校准系统对直流电阻仪器进行校准，能够模仿人工校准的过程来实现自动化校准，测试完毕后测试结果保存进数据库，最后原始记录打印出来完成整个校准过程，具有速度快、实用性强等特点。针对0.0001~0.1Ω的电阻，在使用多用表无法直接测量时，该系统具有不可替代作用；相比直接测量，系统利用定级的电阻组，使用比率法，提高电阻测量的精度，增强了系统抗干扰能力。系统结构层次分明，测试结果保存在数据库中，可以方便查询和修改，大大降低了检定人员的工作强度，提高校准的效率，降低证书报告的错误率，校准的准确性和可靠性也得到更好的保障，具有较强的推广应用性。