三明建宁县实验室器具计量检测机构

电子仪器校准的不确定度计算方法
    通常在一些设备仪器校准或仪器校正试验中，常使用一些大型的电测设备，进行电信号的录取及数据处理。以往，对这类非标准设备的计量检定或校准，多采用更的通用电子测量仪器作为其参考标准。但是，随着设备系统的发展，鉴定试验用测试设备的精度也越来越高，有些与现有的计量参考标准精度相当。若仍采用目前的计量标准对这些电测系统进行校准，就考虑参考标准的测量不确定度，以及在此情况下被测系统扩展不确定度的估计方法。我们将就此问题进行讨论与分析。
新的不确定度估计方法
1.一般被测系统的不确定度估计
    对于不确定度的估计可采用测量列结果的统计分布估计，并以实验标准偏差表征。同时，也可采用基于经验或参考标准仪器信息的假定概率分布估计。当参考标准与被校准系统精度相当时，测量结果统计分布估计的测量次数(样本量)引起的误差，以及参考标准自身的不确定度带来的误差将被考虑。
    新的不确定度估计方法是将参考标准与被校准系统同时对一设定的电参量进行重复测量，参考标准已经上计量检定合格，测量标准值在其技术指标所规定的置信区间内，测量结果符合正态分布，于是有不确定度

式中:t是所给置信概率下置信区间的包含因子;
    σRef是参考标准正态分布的总体标准偏差，此参数可由技术指标中所给的扩展不确定度求得;
    k是样本量修正因子，它是指在与σRef相同的置信概率的情况下，由于有限次测量而对应置信区间包含因子的修正值;
    SDUT是被校准系统统计测量的实验标准偏差;
    δ是参考标准与被校准系统统计测量的样本均值之差。
    公式(1)推导如下:
    设X1, X2分别为参考标准及被校准系统(DUT)的测量读数，X2的测量误差可简单表示为X1- X2。考虑用标准偏差来表示的标准不确定度，对于扩展不确定度，只需在各自分布的方差前乘以置信因子。
    由概率论正态分布的定义可知，方差σ2就是无穷多次测得值误差平方的平均值。有:
  

    又因为不确定度可用测量结果的统计分布来评价，对于正态分布可用标准偏差来表征。于是有:

    在式(1)中σRef是由参考标准技术说明书中的扩展不确定度按B类标准不确定度计算而得。而对于大多数电子仪器公司如HP , Fluke和Datron/Wavetek，它们给出的不确定度指标其置信概率均为99.7%，其置信区间半宽度包含因子为3。当采用这些公司的仪器作参考标准时，测量结果不确定度的置信概率也要求与之相当。而由于在实际测量中，测量次数有限，SDUT不是σ的无偏估计，当与参考标准不确定度取相同的置信概率时，对被校准系统的合成标准不确定度的置信区间半宽度进行修正。即SDUT乘以修正因子K。表1给出了95%和99%置信概率下，各种测量次数时k的取值。

    例如:当参考标准的不确定度其置信概率为95%时，相应的置信区间半宽度为2σ。而实际测量次数为l0次，此时公式(1)中的K就不能为2，而应该是3.38.
    由公式(1)的推导可知，公式(1)的计算结果实际上表征了被测系统的扩展不确定度，其包含因子为3，置信水平为99.7%。由于被校准系统本身也是测量系统，因此用扩展不确定度比采用合成标准不确定度来描述更为恰当。
几种特殊情况下不确定度的计算
    在实际工作中，对于被测系统而言，虽然总是存在实验标准偏差。但有时由于被测系统显示位数的限制，在统计测量时，并不能观测得到。此时，公式(1)中的SDUT=0。而对于参考标准而言，即使统计观测结果的实验标准偏差为零，在公式(1)中的σRef仍将根据其技术指标所给扩展不确定度及置信概率进行计算。参考标准及被测系统的统计测量数据主要是用于获得δ值。在这种情况下，公式(1)变为:
 
    另一种情况是有时采用的参考标准，其技术指标所给出的扩展不确定度的置信概率为(如SimposonElectric公司等)。由此推算出的合成标准不确定度不是建立在统计测量基础上的，而是理论上的不确定度额定值。它实际上给出了测量标称值一定在其置信区间的大误差极限。此时，公式(1)中的项被δ项取代。公式((1)变为:
 
    式中的δ是被测系统统计测量的算术平均值与参考标准统计测量数据中的大值之差。
    对于数据传输系统以及信号放大器系统，一般来讲其本身不显示测量结果，但有时要求给其数据传输或放大倍数的扩展不确定度。此时在该类系统的输入及输出端分别并接参考标准，同时读取测试结果。
对于有一定增益的放大器，将测试结果经归一化处理后，按下式计算信号放大器系统的扩展不确定度。

式中:t是所设定置信概率下的置信区间的包含因子。
    σ1是输入端参考标准读数的标准偏差。
    σ0是输出端参考标准读数的标准偏差。
    δ是参考标准输入端、输出端读数均值归一化之差。
    尽管对放大器输入端、输出端测量结果的不确定度也可以用参考标准的技术指标所给出的扩展不确定度值进行计算，但是这样获得的结果往往偏大，而由参考标准对放大器输入端、输出端的测试数据计算出的扩展不确定度则更为客观。
2.新的不确定度计算方法的实际应用
    作为前述方法的实际应用，我们对某型弹道分析测量系统进行校准，并计算其扩展不确定度。弹道分析测量系统是模块化测试系统，主要用于内、外弹道参数的测量。
对该系统中的脉冲时间测量单元进行校准所采用的参考标准为HP54502数字存储示波器，将参考标准与被测系统并联，二者同时测量一脉冲信号源的脉冲延时输出，一共测量十次。
    从HP54502数字存储示波器的技术说明书中可知，其时间测量的扩展不确定度是:2.0%*s/div+0.01%*Δt+500ps。时基设置为500ns/div，十次重复观测读数的算术平均值为3.66720ms，则扩展不确定度U=377.2ns，又知HP公司电子仪器所给不确定度的置信概率为99.7%，所以有3σRef=377.2，即σRef=125.7ns。同时，由表1可得:k=5.59。其他测试结果如表2。

    则该系统中的脉冲时间测量单元的扩展不确定度为805.9ns(99.7%的置信概率)。
 
    我们给出一种实用的计算不确定度的方法。当对电子仪器进行校准时，遇到参考标准与被测设备精度相当的情况，采用此方法可给出较为客观的结果。同时，在计算被测设备不确定度时，由于直接引用了参考标准技术说明书提供的参数，所以为实际使用带来了方便。另外，通过对被测设备统计测试置信区间包含因子的修正，避免了由于选择测量样本量的不同，而对被测设备扩展不确定度计算的影响。

雾度计的仪器计量与仪器校准的研究
    雾度计是用于测试透明、半透明样品雾度的仪器，广泛应用于工农业各个领域。在雾度计校准过程中，有两个关键性的参数:雾度一透过试样而偏离入射光方向的散射光通量与透射光通量之比，用百分数表示;透光率一透过试样的光通量和射到试样上的光通量之比，用百分数表示。
    目前，雾度计的仪器校准所依据的计量技术规范是JJF 1303-2011《雾度计校准规范》，但在使用过程中往往会遇到一些函待解决的实际问题。我们针对JJF 1303中要求的校准过程，并结合日常工作的应用情况，提出3点值得深入探讨的问题，以求相关人员共同研究与探讨，从而使雾度测定仪的校准能够得到更为准确的测量结果，量值传递的可靠性。
1、环境因素直接影响雾度值的测量结果
    雾度标准片对所处环境，特别是温度、相对湿度比较敏感，这是由雾度标准片的材质和制造工艺决定的。雾度标准片在研制过程中，采用高分子有机材料作为基质，均匀掺杂适量无明显荧光特性的散光剂，经过高温、均匀性试验等严格工艺过程制作而成叫。擦拭或摩擦雾度标准片，容易破坏表而分子结构的排列，产生数据偏差。这就造成了当雾度标准片表而起雾时不可擦拭的现状，从而对其进行仪器校准过程中所处的环境条件有一定的约束。
   JJF 1303中给出的环境参考温度为(23±5)℃，相对湿度≦80%，是一对比较宽泛的范围值，而在实际校准过程中，还有不少因素值得注意。为此，进行了两项实验，分别模拟日常雾度值校准的情况，以验证环境因素对雾度值测量的影响及其程度。
1. 1高低温差影响
    当校准人员携带雾度标准片至校准现场时，如果室外环境温度和湿度相对于校准现场内环境的温、湿度差别较大，雾度标准片表而易起雾。此时，读取的雾度和透光率值会偏离正常值，直接导致判定的偏差。
    取一台测试结果计算重复性为0.034%的WUT-S透光率雾度测定仪，以室温(20±1)℃、相对湿度60%为基准，先测得整套(5片)雾度标准片相应雾度实测值Hd，及透射比实测值t，得到组数据，如表1所示。保持室内相对湿度60%不变，下而给出高低温试验的两种情况分析。
    情况1:保持环境湿度不变，将整套雾度标准片静置于20℃(模拟上海地区冬天的室外温度)恒温恒湿箱中等温20 min，取出后即在室温20℃的恒温试验室中观察雾度值的变化，得到第二组数据(见表1)。

    情况2:将此套雾度标准片静置于40℃(模拟上海地区夏天的室外温度)恒温恒湿箱中等温20min,取出后即在室温20℃左右的恒温试验室中观察雾度值的变化，得到第三组数据(见表1〕。
    值得注意的是，将第二组实验中测出雾度值为1.61的雾度标准片在20℃左右的实验室中等温30 min,测得其雾度值为1.50。
    通过表1数据的对比分析，可得知严寒或酷暑的天气，确实对雾度片的校准产生一定影响。为测量值的准确可靠，在室内外温差较大的情况下，需将标准雾度片等温30min及以上方可适宜进行计量校准测试。
1. 2自然天气影响
    连日阴雨天气会导致空气中湿度增大，也可能会引起雾度标准片表而起雾，从而使读数产生误差。下面给出相对湿度试验的情况分析。
    在室内温度基本不变的情况下改变湿度条件，以测算雾度标准片的雾度值在不同湿度环境条件中是否对检测结果产生影响。将实验室室温控制在(20±2)℃，利用除湿、加湿设备改变空气中湿度并时刻关注温湿度的变化。取雾度值为10左右的雾度标准片进行测试，得到表2所示数据。

    从表2数据分析可知，当温度保持不变、相对湿度超过70%时，雾度仪测量的准确度将受到较大影响。
    综合考虑以上情况，测试时对操作环境的温度和湿度一定要严格把关。在影响雾度值测量的阴雨天，对校准现场进行除湿处理，且校准过程需在通风、干燥的环境中进行，以数据的准确与稳定。
 
2、雾度标准片示值误差分析
    在实际校准工作中，有不少客户会对JJF 1303提出很多疑问。其中，提出多的问题是相对示值误差范围与中国计量科学研究院给出的标准雾度片不确定度是否存在矛盾。现给出以下分析。
    在JJF 1303中，条款7.3给出雾度示值误差与重复性计算，ΔHd为每片标准雾度片测量的雾度示值误差即误差。目前中国计量科学研究院给出5块标准雾度片的不确定度均为U(Hd)=0.30;k=2。
    通常，光学仪器的标准器不确定度一般不超过示值误差，即
                U(Hd)≦ΔHd                         (1)
否则在判定上其给出的不确定度不能起到约束作用，就没有意义了。在JJF 1303中仅给出供参考的标准雾度片相对示值误差δHd，要求在±5%以内。
    将误差换算成相对示值误差的公式为:
               δHd=ΔHd/Hds×                    (2)
式中，Hds为各雾度片的雾度标准值。
    根据JJF 1303，应符合-5%<δhd<+5%。将式(2)代入，可得到< p="">
               -5%·Hds<δhd,<+5%·hds              (3)
    如取小值雾度为1的标准片，即H},, -1，代入式(3)中，计算得到
                -0.05<δhd<+0.05 4="" p="">
    在不确定度U(Hd)为0.30时，由公式(1)可知ΔHd≧0.3 ,导致与式(4)相互矛盾的结论。
    同理，对雾度值为5的标准雾度片，其示值误差为±0.25，此时不确定度也大于示值误差。详细说明见表3和表4。
 
 
 
    由此可以设想:
   (1)是否能对每一块标准雾度片给出相对应的、不同的不确定度。
   (2)是否可以采用相对不确定度来替代现在中国计量科学研究院给出的不确定度。
   (3)是否可以对雾度仪进行分段设置示值误差来规定仪器雾度的参数。如上海仪电物理光学仪器有限公司生产的雾度仪，其出厂检验标准定为雾度Hd≦1.00的示值误差为±0.10,Hd>1.00的示值误差为±0.50。当然，也可以把分段指标分得更详细，如按照JJF 1303规定使用的雾度值1,5,10,20,30的标准片来进行分段，雾度值为1～10给出其示值误差，雾度值为11～20再给出相应的示值误差，以此类推。
3雾度计的仪器校准值及间隔的影响
    仪器校准一台雾度计时，根据JJF 1303要求，使用雾度值为1,5,10,20,30的5块雾度标准片进行校准。所选用的雾度值固定不变且间隔范围较大，会使不合格产品变为合格产品。一些厂家只针对JJF 1303规定的5个校准点对雾度计进行电脑数据修正，重利益而忽视仪器的准确性。按JJF 1303要求用5块雾度标准片校准仪器时，必定符合要求才可判定为合格。然而，此台仪器不一定在其他雾度点上也都能符合JJF 1303要求。若使用雾度值为3,7,15,25等雾度片去测量，所测出的值还会落在JJF 1303要求的误差区间内吗?如果答案是否，这将会给产品带来误判。
    针对上述情况，选取一组理想的雾度计值和一组不合格的雾度计值用雾度标准片进行测试，并通过线性回归分析给出雾度测量值和雾度标准值的变化曲线。如图1所示，直观地表明雾度仪器生产可能存在的问题。

    针对这一问题，给出以下两种方案:
   (1)JJF 1303中能否给出雾度值不固定的5块雾度标准片，用作仪器的校准。即可以选取固定的雾度值间隔和固定的雾度点检测数量，但不规定具体的雾度值。比如，可以使用雾度值为1,5,10,20,30的雾度标准片做校准，也可以使用0.5,3,7,15,25的雾度标准片做校准。只要校准点在测量范围内分散分布即可，使厂家没有固定参考值来修正雾度点，从而仪器的准确性。
 
    (2)增加雾度标准片数量。优点是增加了雾度值检测的点数，使仪器的判定能够更准确;缺点是雾度标准片片数的增加必定会增加制造成本，同时也增加校准成本，导致产品制造成本的上升。
4结语
    以上提出了在对雾度仪的校准过程中所遇到的几点问题，并给出相应的解决方案，供行业内相关人士探讨与交流，以使雾度仪的量值传递更规范准确，仪器计量校准工作更公平公正。

电学仪器计量常见故障排除方法
基于欧姆定律、法拉第定律及麦克斯韦电磁理论，电磁仪器计量得以在实际生产、生活及科学研究中应用。电磁计量仪器可以分为两个部分，即电学计量仪器和磁学计量仪器。其中前者相对于后者具有发现研究早、检测技术成熟完善、准确度高、应用广泛的特点。而在实际当使用中，常存在使用不当、测试环境恶劣、自然老化等人为或自然因素导致的计量仪器测定数据不准确的现象，严重时甚至导致仪器损坏报废。故此，我们针对应用广泛的电学计量仪器常见的故障进行论述，并总结相应的故障排除方法。
1   电学计量仪器常见故障及原因
电学计量仪器主要包括以下几类：直流仪器类、交流仪器类、 电气测量仪器类、携带式电工仪表类、安装式电表类无线电测试仪器及仪器校准等类别。由于电学计量仪器的种类众多，故以其中的交流电气类、电气测量仪器类及无线电测试仪器类为例，以期能代表性的总结电学计量仪器的常见故障及原因。
1.1  交流电气类
生活中我们经常使用到交流电，相应的交流计量仪器则也是常见，例如三相调压器、交流耐压测试仪、三相交流仪表校验台及数字工频频率表等。交流耐压测试仪主要用于各种电机、电器、仪器仪表和家用电器以及强电系统的安全耐压和漏电流的测定。在测试过程中，随着电压的升高，电压的稍微增大变化，电流便急剧增加，从而产生电压谐振。在这中情况下，仪器很可能将被测试样品击穿。一方面，损坏被测试样品。另一方面，激增的电流会使得电压互感器（PT）烧毁、爆炸。终导致测试设备元件的损坏及整个仪器的不可使用。
1.2  电气测量仪器类
电气测量仪器包括了万用表、示波器、应变仪、电压电流通断测试仪及钳形电流表等。其中万用表是综合性仪表，可以测量交流或直流的电压，还可以测量元件的电阻以及晶体管的一般参数和放大器的增益等。万用表转换开关的接线较为复杂，因此故障往往也出现在接线之间。如分流电阻焊接不良或短路，则会导致直流电阻读数有时偏大，有时偏小。选择开关的烧坏、接触不良或附加电阻脱焊，则会导致某量程电压回路不通，而其他量程正常。
1.3  无线电测试仪器类
无线电测试仪器中具代表性的是无线电综合测试仪，它可以作为频率计、功率计、调制度计、信纳比仪，数字电压表、示波器及频谱仪等使用。由于采用大规模集成电路及微机控制测量数据，故此常出现的故障往往是一般性的故障，如：保险丝烧断、电源线接触不良等，此类不再赘述。这里只论述集成电路易出现的问题。集成电路可能出现某处电路铜箔存在细微裂痕、铝电解电容发热、驱动继电器晶体管损坏、高通滤波电容爆裂，电路的电压不升高、峰值保持电路的保持特性不好等现象，此类问题的出现往往容易造成整个仪器系统的不正常运转或根本无法运作。
由以上三类电气计量仪器常见故障分析，我们可以知道，仪器设备本身测试原理及结构特性是故障发生类别不同的主要原因，有些故障发生是由于本身测试存在一个不稳定过程，而有些则是仪器结构设计较为复杂引起，因此维修人员要不断积累每类仪器设备的测试原理及结构知识，才能在故障发生时准确的判断并排除。
2   排除方法与流程
2.1  故障现象调查与观察
维修人员在维修时，应向用户询问在何种情况下仪器设备发生故障现象，包括操作人员的熟练程度、故障发生时出现何种现象，如：烧焦气味、异常响动等、仪器所处环境是否有强磁场作用等。仔细询问故障发生的每一个细节并作好详细的记录，是下一步进行维修的关键，它能有效减少误判几率，提高维修的准确度及效率。
在清楚故障发生的整个过程之后，维修人员要亲自观察损坏仪器设备的情况。依据由外及里、先简后繁的原则。主要采取有两种方式进行。种，观察仪器设备的外观，主要包括了电源线接触情况、各个按键或旋钮的损坏情况等。如果在外观上观察不出明显的故障点，则需要将仪器设备进行简单的拆卸，仔细观察内部元件是否有明显的损坏。第二种，通电观察，在故障的发生之后，很多情况是仪器设备的部分功能依旧可以实现。所以在通电情况下，认真调试仪器，从中寻找可能的故障点。尤其需要注意的是仪器设备运行时的细节点，这些细节点往往是我们迅速而准确的找到故障点的关键。
2.2  故障原因分析
在经过故障现象调查之后，基本上可判断出现何种故障。
采用区域划分法逐步缩小损坏范围，直至寻找到故障产生部位。
若维修人员熟悉仪器测试原理与结构时，则可以进一步借助检修工具逐个排除故障。而在不熟悉仪器设备原理与结构时，则需要借助仪器设备的说明书或与生产厂家的技术人员进行了解。在详细、系统的了解清楚仪器设备情况之后，进行综合系统分析及研究，作出正确、准确的判断。
2.3  故障排除
通过前两步的工作，按照故障发生点的不同及仪器设备元件损坏的严重程度，可以进行调节或更换，从而使仪器设备正常运行。对于损坏元件要详细了解其参数，为下一步选择更换件做准备。更换元件的规格大小要尽量的与原件保持一致。在不得已的情况下，更换元件的参数也要求与原件参数相似。在某些特殊情况下还可以选择规格更大的，这则依赖于维修人员对仪器设备运行原理及结构的深刻理解，整体把握元件对机器的影响。
3   故障检测和排除时的注意事项
拆卸仪器设备时，不可强行蛮力拆卸，以免损坏仪器及破坏外观，尤其是保护性装置，要轻缓拆卸。
更换的损坏元件、拆开的电线及机械部件，要做好相应的标记，以便更换后快速的恢复原样。
故障检测及排除是在仪器设备非正常情况下进行，在通电检查时需要注意电源处及变压器部位，不要触碰到，以免发生触电事故。
在更换晶体管和电容元件时，要准确、准点的焊接牢固。
仪器设备在长期的使用过程中，会积沉灰尘，小颗粒等杂物，在维修完毕后，要清理仪器内部和外部的沉积物。
维修好之后，清理机器掉落的小物件，如线头、焊锡及螺丝等，以防止安全隐患的存在。
4   面临的问题及展望
随着科学技术的发展，涌现出多种新型的电学计量技术，如电学量子计量技术、数字化测量技术、等效模拟技术、虚拟仪表技术等。一方面，新技术的应用能够更为、简便、准确的测量所需要的数据。另一方面，对仪器维修人员也提出了更高的要求。维修人员要不断的学习了解新仪器的应用特性。
此外，随着电学计量仪器向便携式发展，越来越多的仪器需现场维修，也就要求维修人员有扎实的技术知识及丰富的经验。
总之，维修工作是一个逐步积累和不断学习的过程，维修人员只有端正态度、坚持学习与实践才能在工作中得心应手。