為了校準(zhǔn)5500A、5502A、5520A、5522A等型號(hào)多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的交直流電壓、交直流電流和電阻五項(xiàng)主要功能，使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備必須滿足校準(zhǔn)不確定度比率的要求，即被校儀器的不確定度與校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的不確定度之比率TUR至少大于 4:1 或者 3:1。

本文對這五項(xiàng)校準(zhǔn)的測量不確定度的要求進(jìn)行了討論分析了使用不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備時(shí)的校準(zhǔn)不確定度和不確定度比率。分析表明，要完成這五項(xiàng)功能的校準(zhǔn)，需要8508A高精度數(shù)字多用表，A40B精密分流器，5790A交流電壓測量標(biāo)準(zhǔn)或者其他類似的標(biāo)準(zhǔn)儀器;在直流電壓和電阻的幾個(gè)校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)還需要應(yīng)用校準(zhǔn)邊界保證(Guardbanding)技術(shù)或者使用其他的測量儀器。

一、 引言

在直流低頻電學(xué)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，多產(chǎn)品校準(zhǔn)器發(fā)揮著重要作用，其中，美國福祿克公司的55XX系列多產(chǎn)品校準(zhǔn)器是應(yīng)用最廣泛的校準(zhǔn)器。計(jì)量人員用它們檢定各類儀表，例如數(shù)字多用表，功率表，歐姆表，開關(guān)板表，記錄儀，鉗形表，示波器，熱工儀表等等。使用一臺(tái)這種校準(zhǔn)器就可以承擔(dān)一個(gè)小型的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的大部分校準(zhǔn)負(fù)載。為了保證對量值的溯源性，保證校準(zhǔn)質(zhì)量，這些校準(zhǔn)器本身也需要定期校準(zhǔn)溯源。 這些校準(zhǔn)器功能多，量程寬，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，校準(zhǔn)溯源要求也比較高。如何可靠地校準(zhǔn)這些校準(zhǔn)器，保證可靠地量值溯源性，是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作。目前國內(nèi)各有些校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室在校準(zhǔn)這些校準(zhǔn)器的工作中，還存在一些問題。有時(shí)候，其校準(zhǔn)不確定度并不能滿足技術(shù)要求。本文對這些問題做了分析，并提出了解決方法。

二、 存在的問題

校準(zhǔn)儀器時(shí)，有一個(gè)最基本的要求，就是要求被校儀器的不確定度遠(yuǎn)大于校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的不確定度。它們之間的比率稱為不確定度比率TUR。一般要求TUR至少大于 4:1 或者 3:1。達(dá)到要求，可以開展校準(zhǔn)或檢定;達(dá)不到要求，只能進(jìn)行儀器間的比對測量。

ISO 17025 明確要求校準(zhǔn)結(jié)果要報(bào)告測量(校準(zhǔn))不確定度，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室或測試實(shí)驗(yàn)室做所有校準(zhǔn)測量時(shí)，應(yīng)該擁有并使用固定的程序來評(píng)估測量不確定度。中國國家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可委員會(huì) CNAS-CL07:2011《測量不確定度的要求》，要求切實(shí)執(zhí)行 ISO17025，在校準(zhǔn)結(jié)果中逐點(diǎn)正確報(bào)告校準(zhǔn)不確定度。報(bào)告不確定度就是要說明在各項(xiàng)校準(zhǔn)工作中，實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)能力是否達(dá)到要求，保證校準(zhǔn)質(zhì)量。

福祿克55XX系列校準(zhǔn)器，包括5500A，5502A, 5520A, 5522A等多產(chǎn)品校準(zhǔn)器，在國內(nèi)已有近兩千臺(tái)，服務(wù)于各級(jí)計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室以及研究機(jī)構(gòu)。對于多產(chǎn)品校準(zhǔn)器本身的量值溯源，一直是個(gè)比較困難的問題。由于目前我們國家還沒有出臺(tái)這些校準(zhǔn)器的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，國內(nèi)各校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室在校準(zhǔn)這些校準(zhǔn)器時(shí)，校準(zhǔn)的方法不同，使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器也不同，校準(zhǔn)的水平也相差很大。

例如，下面是某校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)5502A的校準(zhǔn)證書的一部分：

標(biāo)準(zhǔn)名稱：高精度電壓、電流、電阻測量標(biāo)準(zhǔn)裝置

從上面證書摘錄內(nèi)容可以看出，這個(gè)《高精度電壓、電流、電阻測量標(biāo)準(zhǔn)裝置》實(shí)際上是福祿克高精度數(shù)字電壓表8508A。列出的擴(kuò)展不確定度是8508A的一年總不確定度，置信度為 95%。但是，在這份校準(zhǔn)證書中，每個(gè)測量功能只給出了一個(gè)測試點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度，也是該測量功能的最優(yōu)不確定度。用戶無法得知這個(gè)測量標(biāo)準(zhǔn)在其他測量點(diǎn)的不確定度，更無法知道在其它各個(gè)測試點(diǎn)是否都滿足不確定度比率的要求。可以說，這種校準(zhǔn)不確定度的報(bào)告方式不滿足國家規(guī)定，也不能滿足用戶的要求。正確的報(bào)告方式應(yīng)該全面地滿足有關(guān)規(guī)定，逐個(gè)測試點(diǎn)報(bào)告校準(zhǔn)不確定度。

目前，中國計(jì)量院等國家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始在校準(zhǔn)證書中逐點(diǎn)報(bào)告校準(zhǔn)不確定度了，并且此工作已經(jīng)開展了幾年。今后，國家對整個(gè)計(jì)量活動(dòng)的要求更加嚴(yán)格，對標(biāo)準(zhǔn)器等級(jí)要求也會(huì)更高更嚴(yán)謹(jǐn)了。

三、 校準(zhǔn)55XX系列校準(zhǔn)器

55XX系列校準(zhǔn)器包括新型號(hào) 5080A，5502A，5522A，以及過去的舊型號(hào)的5502A和5522A。它們的主要功能有如下幾項(xiàng)：

· 直流電壓 ±(0~1020) V

· 交流電壓 1.0 mV~1020 V (1Hz~1MHz)

· 直流電流 ±(0~20.5) A

· 交流電流 29 mA~20.5 A, (1Hz~1MHz)

· 電阻 0 W~1100 MW

以往，很多實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)這些多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的方法，就是使用8508A八位半高精度數(shù)字多用表直接測量。 一臺(tái)8508A真的就能夠完成55XX系列校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)嗎?我們必須對不同的型號(hào)做具體的分析。在5500A、5502A、5520A、5522A的維護(hù)手冊中，對這些儀器的校準(zhǔn)要求和校準(zhǔn)方法作了詳細(xì)說明。尤其是提出了各個(gè)功能的校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)。只有保證這些校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)的準(zhǔn)確度，才能保證儀器各個(gè)功能全范圍的性能。當(dāng)檢查儀器性能時(shí)，應(yīng)該盡量包含這些校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)。如果發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)器準(zhǔn)確度下降，必須通過調(diào)整這些點(diǎn)來恢復(fù)儀器的準(zhǔn)確度。這里，我們以準(zhǔn)確度指標(biāo)較低的5502A為例，按照5502A說明書建議的各個(gè)校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)，實(shí)際計(jì)算每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的測量不確定度，分析用什么樣的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備可以校準(zhǔn)5502A。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，有很多功能，尤其是電流測量功能，8508A并不能滿足校準(zhǔn)多產(chǎn)品校準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度要求。

1. 直流電壓校準(zhǔn)

根據(jù)5502A維護(hù)說明書，5502A直流電壓除零點(diǎn)外，設(shè)有八個(gè)校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)。在各校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)上，我們計(jì)算出5502A的總不確定度，8508A的直流電壓測量功能的總不確定度，計(jì)算結(jié)果列于表1中。從表1可以看出，8508A直流電壓的性能非常優(yōu)異，在所有5502A直流電壓校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)上，5502A直流電壓的總不確定度與8508A總不確定度的比率TUR都大于7，可以滿足校準(zhǔn)的基本要求。因此，可以用8508A的直流電壓測量功能直接校準(zhǔn)5502A的直流電壓輸出功能。

校準(zhǔn)之前，應(yīng)該先做好校準(zhǔn)的準(zhǔn)備工作。首先，所有儀器都應(yīng)該開機(jī)后預(yù)熱至足夠的時(shí)間。然后，8508A和5502A都要做儀器校零，清除零點(diǎn)偏移對測量結(jié)果的影響。接著，就可以進(jìn)行各個(gè)測試點(diǎn)的校準(zhǔn)工作了。當(dāng)5502A輸出 3V 以下的小電壓時(shí)，應(yīng)該使用低熱電勢測試導(dǎo)線，消除導(dǎo)線中熱電勢對測量結(jié)果引起的測量誤差，保證測量準(zhǔn)確度。

雖然5520A和5522A的直流電壓輸出的不確定度比5502A要好很多，在國內(nèi)一般常校準(zhǔn)的0.1V, 1V, 10V, 100V和1000V測試點(diǎn)，它和8508A的校準(zhǔn)不確定度比率TUR仍然都大于3。但是，在生產(chǎn)廠家規(guī)定的校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)：3V, -3V和 30V的TUR僅為 2.2，2.7，2.7,這些測試點(diǎn)與8508A的直流電壓量程不匹配，是用8508A的20V量程或，200V量程測量的，測量值僅為量程的 15%，使得8508A測量不確定度大大增加。如果需要調(diào)整這些點(diǎn)，需要用分壓器將測量值變換為在滿量程處測量，就可以解決此問題。也可以應(yīng)用校準(zhǔn)邊界保證(Guardbanding)技術(shù)，更嚴(yán)格地控制校準(zhǔn)器的偏移，來滿足校準(zhǔn)的要求。

2.電阻功能校準(zhǔn)

5502A校準(zhǔn)器可以輸出連續(xù)可調(diào)電阻0-1100MΩ。根據(jù)5502A說明書，5502A交流電壓設(shè)有16個(gè)校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)?？梢杂?508A直接校準(zhǔn)5502A的各個(gè)校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)，可以滿足在各個(gè)校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)上測量不確定度的要求，校準(zhǔn)不確定度比率都大于5?？梢杂?508A電阻功能直接校準(zhǔn)，滿足測量不確定度的要求。表2列出了5502A的各電阻校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)的在校準(zhǔn)110 kW，1.1 MW，11 MW，110 MW 四個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，需要設(shè)置8508A的測量電流為LoI低電流模式，才能適合5502A電阻的工作電流范圍。在低電流模式時(shí)，8508A的測量不確定度會(huì)稍微增加，但是，校準(zhǔn)不確定度比率仍然都大于4滿足測量不確定度的要求。

一般測量100kΩ以下的小電阻時(shí)，應(yīng)該盡量使用四線電阻的測量方法進(jìn)行校準(zhǔn)。這是由于兩線電阻測量時(shí)，測試引線電阻和接觸電阻會(huì)帶來附加誤差，對于小電阻測量時(shí)，往往響較大。采用四線電阻測量方式，將電流激勵(lì)回路和測量電阻上的電壓降測量回路分開，測量到的電壓不受電流回路中電阻電壓降的影響，為真正的被測電阻兩端電壓，消除了測試引線及接觸電阻帶來的測量誤差。在高阻校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)使用屏蔽線，降低干擾，減少環(huán)境因素對測量讀數(shù)的影響。

校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)注意使用8508A的常規(guī)電阻測量功能，不要使用HiVΩ高壓電阻模式,在這種模式，測量電阻時(shí)的激勵(lì)電流是常規(guī)電阻測量模式的10倍，由此可能產(chǎn)生最高達(dá)240V的順從電壓，可能會(huì)對55xxA系列校準(zhǔn)器電阻功能造成損壞。

另外，校準(zhǔn)5502A的電阻功能時(shí)，最好根據(jù)測試點(diǎn)數(shù)值使用8508A電阻測量功能的手動(dòng)量程，避免設(shè)置在自動(dòng)量程時(shí)，測量儀表在尋找合適量程的同時(shí)，校準(zhǔn)器也在尋找合適的工作電流，使得兩臺(tái)儀器不能盡快選擇到合適的量程和合適的電流范圍，而不能正常測量，長時(shí)間得不到正確的測量結(jié)果。

在校準(zhǔn)5520A和5522A電阻功能時(shí)，在 36 MΩ，110MΩ兩個(gè)校準(zhǔn)測試點(diǎn)，不確定度為1.7 和 2.7。不能滿足校準(zhǔn)要求。可以應(yīng)用校準(zhǔn)邊界保證(Guardbanding)，在校準(zhǔn)調(diào)整時(shí)，更嚴(yán)格地控制校準(zhǔn)器的偏移，來滿足校準(zhǔn)的要求。

3. 交流電壓校準(zhǔn)

根據(jù)5502A說明書，5502A交流電壓設(shè)有13個(gè)校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)。在各個(gè)校準(zhǔn)調(diào)整點(diǎn)上，我們計(jì)算出5502A的總不確定度，8508A的交流電壓測量功能的總不確定度，計(jì)算結(jié)果列于表3中。從表3中，可以看出，8508A交流電壓的性能在多數(shù)點(diǎn)上不能滿足