CN103176161B

CN103176161B - 一种电学量自动校准系统及其校准方法

Info

Publication number: CN103176161B
Application number: CN201310076907.1A
Authority: CN
Inventors: 雷正伟; 刘福; 华翔; 冯广斌; 牛满科; 耿斌; 张军; 刘海涛; 贾波; 王胜磊
Original assignee: 63908 Troops of PLA
Current assignee: 63908 Troops of PLA
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: CN103176161A

Abstract

本发明公开了一种电学量自动校准系统及校准方法，属于电磁学计量技术领域。电学量自动校准装置主要由计算机、AD/DA模块、定时器/计数器模块、信号分配模块、信号调理模块、信号转接模块、系统溯源计量接口模块、设备计量接口模块、系统电源模块组成，自动校准系统主要由自检系统、标定子系统、设备计量子系统、溯源子系统和数据、证书或报告处理子系统组成。本发明中装置具有体积小、重量轻、操作简单、功能强大、精度高等优点，校准系统运用面向信号的信号分配、调理、转换、计量适配等设计技术，实现了计量信号激励和测试，可满足自动测试系统在实验室和遂行条件下的自动化校准工作。

Description

一种电学量自动校准系统及其校准方法

技术领域

本发明属于电磁学计量技术领域。

背景技术

随着科学技术高度的发展，武器系统的复杂程度越来越高，为了满足现代化武器系统在研制、设计、生产以及维护过程中的保障需求，大量采用军用自动测试系统（ATS）作为相应的检测维护手段，为武器系统的可靠运行提供必要保证，其系统的性能指标必须由计量校准保证。

由于军用测试设备多采用自动化测试和控制技术，在电学参数的计量校准中，目前一般采用以下两种校准方法和方式：

（1）分散式通用测量标准

利用通用测量标准（如多功能校准源、示波器校准源、兆欧表检定装置等），需建立多参数的测量标准装置，成本高，费效比低，而且采用人工校准的手段，依次将各校准点、校准通道打开与关闭，测量电学参数特性并记录数据，计量保障时存在以下问题：

a）通用测量标准与被测设备之间缺乏必要的通信“握手”信号端口，信号的协调和控制难，无法实现自动化校准；

b）某些武器系统的计量保障需求和基本原理相似，计量校准参数相同，采取传统分型号的计量保障模式,不仅浪费大量人力物力,而且计量保障资源存在较大冗余和浪费，没有进行资源优化配置，建标成本高，工作效率低下；

c）计量校准结果不仅包含测试数据和不确定度评估，还包含生产厂家、型号、唯一性编号、委托对象、检测用设备本身信息、被测设备的均匀性和稳定性数据等。采用通用测量标准进行计量校准时，特别时大型自动化测试系统，计量数据量大，人工处理难度大，差错率高；

d）计量设备众多，不利于靠前计量保障。

（2）程控仪器组建的计量检定系统

利用程控仪器组建的计量检定系统，能够实现自动计量检定，检定效率高，但没有统一标准和设计框架，没有针对计量对象柔性设计，不能实现按需分配计量资源，计量资源冗余浪费严重，建标成本高，技术支持力度不大，未能实现计量保障设备的模块化、通用化和系列化，且不利于靠前计量保障。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电学量自动校准系统及其校准方法，自动化校准系统具有体积小、重量轻、成本低、操作简单、功能强大、标准化通用化程度高、可扩展强等优点，实现了硬件资源可柔性组合和配置、校准功能可按需升级和扩展，达到“一机多能、一机多用”的平台化校准思想；自动校准系统解决了校准过程中大量原始数据的记录、处理、分类、报表以及报告、证书的智能化处理问题，节约了大量的校准时间，大大提高了计量校准效率。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种电学量自动校准系统，其特征在于主要由计算机、AD/DA模块、定时器/计数器模块、信号分配模块、信号调理模块、信号转接模块、系统溯源计量接口模块、设备计量接口模块、系统电源模块组成，系统溯源计量接口模块和设备计量接口模块为数据采集模块，系统溯源计量接口模块和设备计量接口模块依次通过信号转换模块和信号分配模块与计算机连接，信号转接模块和信号分配模块之间设有信号调理模块，信号分配模块与计算机之间并列设有AD/DA模块和定时器/计数器模块，所述AD/DA模块、定时器/计数器模块、信号分配模块、信号调理模块、信号转接模块、系统溯源计量接口模块、设备计量接口模块分别与系统电源模块连接。

对上述结构作进一步说明，所述信号调理模块分为输入信号调理模块和输出信号调理模块，输入信号调理模块和输出信号调理模块并列设于信号转接模块和信号分配模块之间。

对上述结构作进一步说明，还包括通用测量标准模块，所述通用测量标准模块把信号转换模块与计算机连接。

对上述结构作进一步说明，所述计算机内存储有设备操作系统，所述设备操作系统主要由自检子系统、标定子系统、设备计量子系统、溯源子系统和数据、证书或报告处理子系统5部分组成；

自检子系统：调用AD/DA等模块和通用测量标准模块，模拟生成校准系统自身的激励信号，用于自身基本性能检测，确定各个检测通道的战术技术指标和功能正常与否；

标定子系统：调用标准信号源，经由信号适配、隔离通道提供标准信号，用于标定自身测量准确度；

设备计量子系统：校准系统一方面通过主控计算机，控制数据采集模块和模拟激励信号源，为被检设备提供各种模拟条件信号，通过信号转换模块和系统接口适配器的转换，输出到被检设备中，校准被检设备的测量准确度；另一方面通过主控计算机控制，将被检设备的输出信号输入到校准系统，校准被检设备的输出信号准确度；

溯源子系统：利用标准计量溯源端口和适配器，完成校准系统关键技术参数的量值溯源，保证综合校准系统的测量不确定度满足计量要求；

数据、证书或报告处理子系统：自动校准过程中，各校准数据自动存入数据库中，并通过波形和数字显示，可按不同用户要求，进行数据处理、分析和报表，判断各校准点是否超差，给出校准结论，自动打印证书或报告。

一种电学量自动校准系统的校准方法，其特征在于校准步骤如下：

（1）启动校准装置，校准开始；

（2）校准系统进行自检，判断系统正常后，则进入下一步骤；

（3）根据系统性能指标情况，确定是否进行自标定。若需自标定，调用自标定程序，标定完毕进入下一步骤；若不需自标定，直接进入下一步骤；

（4）加载被检设备，系统自动自动识别被检设备名称和类型；

（5）根据识别的设备类型，自动进入设备计量界面，输入被检设备和测量标准装置的信息；

（6）按照系统提示，采取触摸屏或鼠标、键盘方式，对被检设备进行交互式测试；测试的同时，各类计量数据后台同步处理、判断；

（7）根据委托方的要求，选择检定证书、校准证书、测试报告或检定结果通知书等证书类型后，自动生成证书报表；

对上述方法作进一步说明，所述步骤4中的系统自动自动识别被检设备，利用测量接口检测器对被检设备的插芯编码、电缆阻值进行测量，根据线缆编码和阻值对应的被检设备识别信息以及电阻阻值组的合确定设备型号，自动进入相应的校准界面。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明采用了模块化设计技术，成功研制出一种自动化电学量校准装置，用此装置可对被校设备进行信号激励和测量，从而实现了被校设备的量值溯源和传递。该装置实施计量校准时，从校准测试、数据处理和证书出具整个过程，均实现了自动化和智能化；通过计量接口模块，实现了国家计量标准到本校准装置的计量传递，使得本装置的量值输出和测量实现量值准确可靠，具备可溯源性；本发明装置具有体积小、重量轻、成本低、操作简单、功能强大、标准化通用化程度高、可扩展强等优点，实现了硬件资源可柔性组合和配置、校准功能可按需升级和扩展，达到“一机多能、一机多用”的平台化校准思想，解决了常规检定装置和被校设备之间的多资源冗余浪费、功能单一、工艺复杂而且计量校准过程操作复杂、建标成本高、校准效率低、功能强大等问题；解决了多类校准装置体积和功耗大，不利于运输和安装、操作和维护难，无法实现平时和战时条件下遂行计量保障的问题；还解决了自动校准过程中大量原始数据的记录、处理、分类、报表以及报告、证书的智能化处理问题，节约了大量的校准时间，大大提高了计量校准效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为电学量自动校准装置原理方框图；

图2为电学量自动校准系统原理方框图；

图3为自动校准方法的流程图；

图4为被检设备自动识别流程图；

图5为电源模块示意图；

图6为转接模块原理框图；

图7为时频信号调理模块原理方框图；

图8为电压信号调理模块原理方框图；

具体实施方式

本发明具体涉及一种电学量自动校准系统及其校准方法, 可满足自动测试系统在实验室和遂行条件下的自动化校准工作。要解决自动化校准问题，必须为被测对象提供高精度的信号激励，并精确实现被测系统电学参数的控制、识别和采样，并实现校准要素的自动化处理。

附图1是电学量自动校准装置原理框架，主要由计算机、AD/DA模块、定时器/计数器模块、信号分配模块、信号调理模块、信号转接模块、系统溯源计量接口模块、设备计量接口模块、电源模块和通用测量标准模块部分组成，各部分之间均进行电气隔离，实现模块化设计，并以模块为单元进行封装。不同精度等级的模块接口通用化、标准化，适宜升级、扩展。由于不同硬件厂商和软件厂商的产品差异，软件系统和硬件配置发生变化，软件维护和修改成本极高。本系统应用主程序独立于硬件之外，规定了某一类设备的标准编程结构，解决不同硬件厂商和软件厂商的冲突；通过改变程序参数，从而实现硬件功能或技术参数的自适应变化，实现基本功能和扩展功能的动态一体化、可互换性；通过封装不同厂商模块单元程序，升级扩展只需加入模块程序库即可。

图1中的AD/DA信号模块采用高分辨率模数转换板DMM16AT，最大采用速率可达200kHz；16位分辨率；16单端/8差分模拟量输入通道；512字节的FIFO高速缓存；输入量程±10V，4路任选模拟输出；模拟输出量程用户可调；8个数字输入口和8个数字输出；1个16位通用定时/计数器和1个32位的可程控定时/计数器；±5V工作电压。

图1中的定时/计数器模块选用Senbo公司的CDT2000-S定时/计数器模块和高稳晶振组成。定时计数器主要完成对频率信号的数量，其测量精度的高低对基本装置整体测量精度有一定的影响。综合考虑，选用Senbo公司生产的CDT2000-S定时计数器模块和高稳晶振配合对频率信号进行测量。CDT2000-S，16位计数器/定时器与数字量I/O模块可将与IBM PC兼容的PC104模块构成的系统变成一个高性能的控制系统。CDT2000-S模块结构紧凑，适合嵌入式及便携式应用，其主要特点包括：①3或6或9或12个独立的16位，8MHz计数器/定时器；②48通道基于TTL/CMOS 71055的可编程数字量I/O；③四个中断源经组合，可产生一个或两个或三个或四个PC总线中断；④在板提供RS-422与RS-232C串口通讯接口转换电路；⑤仅需+5VDC电源供电。

附图2为是电学量自动校准系统原理方框图，主要由自检子系统、标定子系统、设备计量子系统、溯源子系统和数据、证书或报告处理子系统等5部分组成。

设备计量子系统：校准系统一方面通过主控计算机，控制数据采集模块和模拟激励信号源，为被检设备提供各种模拟条件信号，通过信号转换模块和系统接口适配器的转换，输出到被检设备中，校准被检设备的测量准确度；另一方面通过主控计算机控制，将被检设备的输出信号输入到校准系统，校准被检设备的输出信号准确度。

溯源子系统：利用标准计量溯源端口和适配器，完成校准系统关键技术参数的量值溯源，保证综合校准系统的测量不确定度满足计量要求。

校准过程中，由计算机控制AD/DA模块、定时/计数器模块，完成激励信号和被测信号的控制、识别、采样或输出；信号转接、信号调理、信号分配等模块，完成对信号进行放大、滤波和通道分配以及信号的转接、适配等，其中信号分配模块采用“一进二出”的普通PG-114隔离信号分配器即可；设备计量接口模块和系统溯源计量接口模块提供测试接口，完成被检设备和校准装置自身信号测量和激励，实施量值溯源；通用测量标准模块作为AD/DA模块的补充，为可选模块，满足高精度计量场合；软件系统协调整个校准过程，并完成数据、证书或报告的自动化处理。

图3是自动校准装置进行设备计量的流程图。图中经步骤100启动程序后，进入步骤101对校准系统进行自检，判断系统正常后进入步骤102；根据系统适用情况，确定是否进行自标定。若需自标定，进入步骤103，调用自标定程序，标定完毕进入步骤104；若不需自标定，直接进入步骤104。在步骤104中，根据电缆识别电路和阻抗识别，自动识别被检设备名称和类型，进入步骤105设备计量界面输入被检设备和测量标准装置的名称、型号、编号、生产厂以及测量标准装置的证书号、测量范围和测量不确定度等信息；然后进入步骤106，按照系统提示，采取触摸屏或鼠标、键盘方式，对被检设备进行交互式测试；测试的同时，各类计量数据在步骤107中进行后台处理、判断；测试完毕后，进入步骤108，根据委托方的要求，选择检定证书、校准证书、测试报告或检定结果通知书等证书类型后，进入步骤109，自动生成证书报表；进入步骤110，是否开始计量另一设备，若需要，跳转步骤104，若不需要，进如步骤111结束。

图4是被检设备自动识别流程图。从步骤200开始加载设备，步骤201测量接口检测器对被检设备的插芯编码、电缆阻值进行测量，根据线缆编码和阻值对应的被检设备识别信息（如检测器编号、UUT编号等）以及电阻阻值组的合确定设备型号；进入步骤202，判断检测器阻值，编码是否正确，若阻值不正确，提示不正确，重新加载识别；若正确，进入步骤203，测量电缆识别电阻和编码；进入步骤204，判断电缆型号是否正确，若正确，开始校准；若不正确，重新判断电缆型号。

图5是图2中电源模块示意图。电源模块采用台湾明纬开关电源，提供主机电源模板需要的±5V直流电源，继电器板、转接模块需要的±12V电源，信号调理模块需要的±15V电源，并向装置箱体插座输出±5V、±15V、±12V电源，以供外部设备的需要。电源模块体积较小，紧贴基本装置机箱壁安装，减小空间、增强电磁兼容性。

图6为图2中信号转接模块示意图。采用可编程逻辑器件（PLD）MACH4器件来构成继电器多路转接，外形尺寸90mm×95mm。应用系统可编程（ISP）技术，通过一根下载电缆对已装在印制板上的器件进行编程，实现可受系统数字输出口控制，用于对多路模拟信号进行转接，先断开后接通技术使两通道永不短路。该模块可以转换十六路模拟信号到一个输出口，并能串接多达16块板、256个通道。主要功能包括：6通道输入和1通道输出或1通道输入和16通道输出（由输入数据的低四位控制）；最多可扩展到16个模块串接达到256路输入（由输入数据的高四位选择模块地址）；先开后合通道切换（间隔时间3ms）；输入电压隔离最大可承受100V直流；最大转换电流0.5A；电源电压+12V。

图7是图1中调理模块中的时频信号调理模块原理图。时频信号的滤波变换由RC滤波电路和开关放大电路组成；信号整形和闸门信号的产生电路是由双D触发器和四二输入与非门组成。对外部频率信号进行变换整形，并通过双D触发器D端和cp端控制产生计数闸门信号，当D端为“1”，cp端在外部信号的上升沿到来时，Q端翻转为“1”，作为开门信号控制计数器开始计数，当D端为“0”，cp端在外部信号的上升沿到来时，Q端翻转为“0”，作为关门信号停止计数器计数，从而实现多周期同步测量外部信号频率。

图8是图1中调理模块中的电压信号调理模块的原理图。电路以INA115仪表放大器为中心对外部模拟电压信号实施衰减，用一个外部电阻，可设定1～1000的任意增益值；J1A～J4A继电器用于对衰减比例的控制；VS3为限幅器，用于限定进入数据采集板的信号电压。分三种情况，一是外部信号直接进入数据采集板，适用于信号频率较高且幅度较小的情况；二是1：0.1衰减进入数据采集板；三是1：10、1：100放大进入数据采集板。

本发明提出了内部标定、外部溯源的自动校准技术，运用面向信号的信号分配、调理、转换、计量适配等设计技术，实现了计量信号激励和测试，主要由自检系统、标定子系统、设备计量子系统、溯源子系统和数据、证书或报告处理子系统组成，具有体积小、重量轻、操作简单、功能强大、精度高等优点，可用于自动测试系统的自动化校准，可节约大量建标经费，工效提高5倍以上。

Claims

1. 一种电学量自动校准系统，其特征在于主要由计算机、AD/DA模块、定时器/计数器模块、信号分配模块、信号调理模块、信号转接模块、系统溯源计量接口模块、设备计量接口模块、系统电源模块组成，系统溯源计量接口模块和设备计量接口模块为数据采集模块，系统溯源计量接口模块和设备计量接口模块依次通过信号转换模块和信号分配模块与计算机连接，信号转接模块和信号分配模块之间设有信号调理模块，信号分配模块与计算机之间并列设有AD/DA模块和定时器/计数器模块，所述AD/DA模块、定时器/计数器模块、信号分配模块、信号调理模块、信号转接模块、系统溯源计量接口模块、设备计量接口模块分别与系统电源模块连接；还包括通用测量标准模块，所述通用测量标准模块把信号转换模块与计算机连接；

所述计算机内存储有设备操作系统，所述设备操作系统主要由自检子系统、标定子系统、设备计量子系统、溯源子系统和数据、证书或报告处理子系统5部分组成；

2.根据权利要求１所述的一种电学量自动校准系统，其特征在于所述信号调理模块分为输入信号调理模块和输出信号调理模块，输入信号调理模块和输出信号调理模块并列设于信号转接模块和信号分配模块之间。

3.如权利要求2所述的一种电学量自动校准系统的校准方法，其特征在于校准步骤如下：

（1）启动校准装置，校准开始；

（3）根据系统性能指标情况，确定是否进行自标定，若需自标定，调用自标定程序，标定完毕进入下一步骤；若不需自标定，直接进入下一步骤；

（4）加载被检设备，系统自动识别被检设备名称和类型；

（7）根据委托方的要求，选择检定证书、校准证书、测试报告或检定结果通知书等证书类型后，自动生成证书报表。

4.如权利要求3所述的校准方法，其特征在于：所述步骤4中的系统自动识别被检设备，利用测量接口检测器对被检设备的插芯编码、电缆阻值进行测量，根据线缆编码和阻值对应的被检设备识别信息以及电阻阻值组的合确定设备型号，自动进入相应的校准界面。