為了校準5500A、5502A、5520A、5522A，即55xxA多產(chǎn)品校準器的交直流電壓、交直流電流和電阻五項主要功能，使用的標準設備必須滿(mǎn)足校準不確定度比率的要求，即被校儀器的不確定度與校準標準的不確定度之比率TUR，按國際上的要求，需要大于4:1，按國內JJF1638-2017多功能源校準規范的要求，則要至少大于3:1。

本文對這五項校準的測量不確定度的要求進(jìn)行了討論，分析了使用不同標準設備時(shí)的校準不確定度和不確定度比率。分析表明，要完成這五項功能的校準，需要8508A/01或8588A高精度數字多用表，A40B精密分流器系列，5790B交流電壓測量標準以及742A標準電阻系列，才能較好的滿(mǎn)足國際國內標準的要求。

引言

在直流低頻電學(xué)校準實(shí)驗室和研究機構，多產(chǎn)品校準器發(fā)揮著(zhù)重要作用，其中，美國福祿克公司的55XX系列多產(chǎn)品校準器應用廣泛。計量人員可用它們檢定多類(lèi)儀表，例如數字多用表、功率表、歐姆表、開(kāi)關(guān)板表、記錄儀、鉗形表、示波器、溫度二次儀表等。使用一臺這種校準器就可以承擔一個(gè)小型的電學(xué)校準實(shí)驗室的大部分校準負荷。

為了保證量值的溯源性，保證校準質(zhì)量，這些校準器自身也需要定期校準溯源。由于它們功能多、量程寬、指標高，校準溯源的難度也比較大。如何可靠地校準這些校準器，保證量值溯源性，是一項技術(shù)性很強的工作。目前國內有些校準實(shí)驗室在校準這些校準器的工作中，還存在一些問(wèn)題。有時(shí)候，其校準不確定度并不能滿(mǎn)足技術(shù)要求。本文對這些問(wèn)題做了分析，并提出了解決方法。

校準依據

校準儀器時(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大于校準標準的不確定度。它們之間的比率稱(chēng)為不確定度比率TUR。一般要求TUR至少大于4:1或者3:1。達到要求，可以開(kāi)展校準或檢定；達不到要求，只能進(jìn)行儀器間的比對測量。

ISO17025明確要求校準結果要報告測量（校準）不確定度，校準實(shí)驗室或測試實(shí)驗室做所有校準測量時(shí)，應該擁有并使用固定的程序來(lái)評估測量不確定度。中國國家實(shí)驗室認可委員會(huì )CNAS-CL07:2011《測量不確定度的要求》，要求切實(shí)執行ISO17025，在校準結果中逐點(diǎn)正確報告校準不確定度。報告不確定度就是要說(shuō)明在各項校準工作中，實(shí)驗室的校準能力是否達到要求，保證校準質(zhì)量。

例如，下圖是某校準實(shí)驗室前些年校準5502A的校準證書(shū)節選：

從上面證書(shū)摘錄內容可以看出，這個(gè)《高精度電壓、電流、電阻測量標準裝置》實(shí)際上是福祿克高精度數字電壓表8508A。列出的擴展不確定度是8508A的一年總不確定度，置信度為95%。但是，在這份校準證書(shū)中，每個(gè)測量功能只給出了一個(gè)測試點(diǎn)的擴展不確定度，也是該測量功能的最優(yōu)不確定度。用戶(hù)無(wú)法得知這個(gè)測量標準在其他測量點(diǎn)的不確定度，更無(wú)法知道在其它各個(gè)測試點(diǎn)是否都滿(mǎn)足不確定度比率的要求?？梢哉f(shuō)，這種校準不確定度的報告方式不滿(mǎn)足國家規定，也不能滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。正確的報告方式應該是逐功能、逐個(gè)測試點(diǎn)報告校準不確定度，并全面滿(mǎn)足校準比率的要求。

隨著(zhù)ISO17025在國內的貫徹，最近幾年，各級校準實(shí)驗室和標準計量機構已經(jīng)開(kāi)始在校準證書(shū)中逐點(diǎn)報告校準不確定度，因此現在用戶(hù)已經(jīng)有機會(huì )可以去對比上級單位給出的校準不確定度與被檢設備的不確定度指標，從而判斷上級單位的校準標準是否完全符合校準要求。但不可否認的是，雖然校準不確定度是逐點(diǎn)報告了，但校準不確定度的比率卻不見(jiàn)得都能完全滿(mǎn)足。

現在，國家已經(jīng)出臺了JJF1638-2017多功能源校準規范，覆蓋福祿克55xxA多產(chǎn)品校準器交直流電壓電流和電阻五項功能的校準，每個(gè)功能校準方法上也有不同的選擇。但具體到55xxA每一個(gè)型號各項功能的校準，則要具體分析，基于不同的校準標準和方法進(jìn)行探討和研究，詳細計算和分析逐點(diǎn)TUR，最終才能確定最適用的校準標準和方法，從而確保整個(gè)計量校準活動(dòng)的嚴謹和合規。

另外，在校準不確定度的比率計算上，很多人不太留意儀器指標的置信度，但實(shí)際上，只有確保校準器和標準表的不確定度指標的置信度處于同一水平，計算出的TUR比率才是真實(shí)的。

具體到多產(chǎn)品校準器的每項功能校準，也有不同的問(wèn)題，我們將在下述章節逐一分析。

校準55XXA系列校準器

55XXA系列校準器包括新型號5502A，5522A，以及老型號的5502A和5522A。它們的主要功能有如下幾項：

以往，很多實(shí)驗室校準這些多產(chǎn)品校準器的方法，就是使用8508A八位半高精度數字多用表直接測量。但一臺8508A真的就能夠完成55XX系列校準器的校準嗎？我們必須對不同的型號做具體的分析。

一、55xxA直流電壓功能校準

1、校準中存在的問(wèn)題

直流電壓功能是福祿克多產(chǎn)品校準器55xxA核心、指標最高的功能，其校準復雜，校準標準的選擇也較難。我們以5520A/5522A的DC 3.3V量程校準點(diǎn)為例來(lái)說(shuō)明。

552xA在0~3.3V量程指標是±（11ppm輸出+2μV），最常見(jiàn)的1V點(diǎn)的允差為Δ552x=±(11×10-6× 1V + 2mV)= ±13mV，，指標置信度為99%，而8508A在2V量程TCAL±5℃且相同置信度的指標為±（4.5ppm+0.25ppm量程），則Δ8508=±(4.5×10-6×1V + 0.25×10-6 ×2)= ±5mV，因此兩者TUR=2.6，并不完全滿(mǎn)足3:1要求。

類(lèi)似的，我們還可以獲得整個(gè)DCV 3.3V量程的測試點(diǎn)TUR，可以看出都未能達到3：1的要求，這一方面是由于552xA是指標中等偏上的校準器，另外一方面也是由于8508A在2V檔量程滿(mǎn)度僅1.99990000V，導致2V不得不放到20V高一檔量程測量，量程的不匹配導致TUR更低。

我們還可以發(fā)現如果只用8508A，552xA在33V，330V，1000V量程的TUR大部分都不能滿(mǎn)足3：1，只有330mV才能滿(mǎn)足這一要求，很顯然，用8508A獨立校準552xA的直流電壓是行不通的，我們必須另尋他法。

2、55xxA直流電壓功能的校準

對于指標中等的5500A/5502A，即550xA校準器，幸運的是，單臺8508A即可以完全勝任其直流電壓功能的校準，因為如下所示的各量程關(guān)鍵測試點(diǎn)TUR均可以滿(mǎn)足3：1的要求。

3、552xA直流電壓功能的校準

由于使用單臺8508A校準552xA時(shí)存在諸多TUR<3的情況，那么，我們該如何解決5522A的DCV功能校準呢？

方案一，我們可以用JJF 1638-2017多功能源校準規范在直流電壓校準中給出的電阻分壓箱法來(lái)解決。

規范給出的校準框圖表明除了要用一個(gè)高精度的電阻分壓箱，同時(shí)還需要使用固態(tài)電壓標準、參考直流電壓源，以及數字多用表。

對于10V以下的校準點(diǎn)，規程所示的校準框圖可以用實(shí)際的標準儀器來(lái)代替，這里的固態(tài)電壓標準732C具有高達2ppm的年穩定性和0.3ppm的90天短期穩定性，并具有10V/1V/0.1V三個(gè)標準輸出；5730A則有0~1100V的寬范圍輸出和高穩定性；8508A我們選擇的是帶后面板輸入的8508A/01，它可以巧妙替代規程框圖中的低熱電勢開(kāi)關(guān)，自動(dòng)地在參考源和被檢源之間進(jìn)行不斷的切換測量，給出兩者的差值或比差，并提供更高的比率準確度。如圖所示，參考直流電壓源5730A通過(guò)參考表8508A/01與固態(tài)電壓標準732C進(jìn)行比對溯源后，其輸出通過(guò)分壓器720A進(jìn)行分壓，以使其輸出與被檢源552xA輸出相同，并在過(guò)渡表8508A/01上進(jìn)行比對，從而完成對被檢源552xA的校準。

按照這個(gè)方案所計算的TUR如下所示，可見(jiàn)10V以下各個(gè)測試點(diǎn)TUR均能大于3：1。

對于10V以上的測試點(diǎn)，規范用另一張框圖來(lái)指示，其中區別在于分壓器的輸出用于與固態(tài)電壓標準比較溯源，反向確保分壓器的輸入端，即多功能源的輸出被標定溯源，從而直接與被檢源輸出進(jìn)行比較。    

按照這個(gè)方案所計算的TUR如下所示，由于考慮了多功能源的短期穩定性，因此在部分測試電上存在TUR小于3的情況。

方案二，福祿克公司使用的方法與JJF 1638-2017多功能源校準規范中的分壓器法略有不同，不再通過(guò)固態(tài)電壓標準去對參考直流電壓源進(jìn)行比對溯源，而是用固態(tài)電壓標準替代參考電壓源直接接到分壓器的輸入端，分壓器的輸出接到8508/01過(guò)渡表與10V以下輸出的被檢源直接進(jìn)行比較，10V以上輸出的被檢源則再通過(guò)另一個(gè)分壓器衰減到10V以下后再與分壓器的輸出進(jìn)行比較。按照這個(gè)方案，減少了參考直流電壓源和一臺數字多用表，在10V以上多使用了一個(gè)分壓器，總體計算的TUR均大于3。

c.至于10V點(diǎn)，則無(wú)需分壓器，直接用8508A/01前后面板輸入分別接入固態(tài)電壓標準732C和被檢源，就可以按JJF 1638-2017規程所述的標準源法進(jìn)行校準。

d  有些用戶(hù)可能受困于預算的限制，無(wú)法配置較完善的雙分壓器方案，實(shí)際工作中也可以考慮單分壓器配置，雖然固態(tài)電壓標準與分壓器的分壓輸出與被檢源輸出在8508A上比較的時(shí)候無(wú)法實(shí)現1：1的比率，但最終計算出的TUR也是不錯的，限于篇幅，此處不祥述。

二、55xxA交流電壓功能的校準

盡管8508A是8.5位高精度數字多用表，其交流電壓功能最優(yōu)不確定度可以達到65ppm，但針對55xxA，即使是低精度的550xA，使用8508A獨立校準它們的交流電壓功能，TUR計算的結果仍然不太理想，在330V以下量程存在諸多小于3：1的測試點(diǎn)。

因此，我們必須使用交流電壓測量性能更好的5790B交流測量標準來(lái)對55xxA的ACV功能進(jìn)行校準。5790包括早期的5790A和現在的5790B，兩者交流測量性能相同，但5790B在5790A的基礎上提高了測量帶寬，優(yōu)化了人機界面，并具有便利穩定性測試的統計測試等。它們都是高準確度的交流電壓測量標準，既有熱電轉換標準的優(yōu)異準確度，又有數字多用表易于使用、測量快捷的特點(diǎn)，是專(zhuān)門(mén)用于校準各種交流校準器的標準設備。

采用5790后，如示例在3.3V量程，實(shí)際計算的TUR比采用8508A的優(yōu)化很多，已能滿(mǎn)足校準552xA，自然也能滿(mǎn)足校準550xA的要求。其他量程也是類(lèi)似情況。

校準交流電壓時(shí)，測試導線(xiàn)可使用普通的導線(xiàn)，測試導線(xiàn)要盡可能的短，特別是在頻率較高時(shí)，要越短越好，并使用屏蔽線(xiàn)，以減少信號衰減，避免撿拾干擾信號。如果使用5790校準，建議打開(kāi)5790的EXGRD鍵，并采用雙絞線(xiàn)，尤其是在高頻高壓時(shí)，可有效改善測量準確度。

三、55xxA直流電流功能的校準

校準器電流溯源問(wèn)題一直是個(gè)比較困難的任務(wù)。有些人喜歡用高精度數字多用表的電流測量功能來(lái)校準類(lèi)似55xxA這些常用校準器的電流輸出功能?？墒?，高精度數字多用表的電流測量功能是否能滿(mǎn)足準確度要求呢？

答案是否定的。數字多用表測量電流大都使用內置分流器。當被測電流流過(guò)分流器，在分流器上會(huì )產(chǎn)生與分流器阻值成比率的電壓，測量分流器兩端的電壓，就可以測量出電流。當電流較大時(shí)，分流器上會(huì )消耗相當大的功率，如果分流器的散熱效果比較差，分流器溫度就會(huì )升高，導致分流器電阻值發(fā)生變化，測量誤差就會(huì )很大。高精度數字多用表體積有限，電流測量功能使用的內置分流器一般都做的比較小，而且數字表內空間有限，散熱不夠好，大電流時(shí)誤差較大?？梢哉f(shuō)，一般使用內置分流器的數字多用表的電流測量準確度都不高。

5522A/5520A/5502A輸出電流范圍均達20A，5500A可達11A，雖然8508A的電流測量范圍可以達到20A，可以覆蓋55xxA的范圍，但從指標上看，要校準55xxA，以獨立標準8508A所TUR計算的結果并不理想。

要想改善這個(gè)局面，必須利用JJF 1638-2017多功能源校準規范建議的電流電壓轉換器法，即使用外部分流器A40B來(lái)測量被檢源的直流電流輸出，分流器的直流電壓輸出則由8508A進(jìn)行測量，利用歐姆定律計算出被檢源的直流電流值。在這個(gè)方法中，福祿克的A40B系列分流器具有高達20ppm的年測量準確度，且電流覆蓋范圍1mA~20A，完全可以滿(mǎn)足校準55xxA的要求。5790B比5790A更為方便，可以支持錄入A40B的電阻參數，測量時(shí)可以屏幕上直接顯示最終的電流值。

四、55xxA交流電流功能的校準

55xxA的交流電流功能校準和直流電流校準類(lèi)似，采用8508A獨立校準時(shí)依靠其內部分流器直接測量的TUR不甚理想，必須采用校準規范提出的電流電壓轉換器法，用外部分流器A40B來(lái)進(jìn)行。A40B系列交流電流測量范圍從1mA~100A,年不確定度最優(yōu)達23ppm，頻率范圍可達100kHz，再結合5790，可完美覆蓋55xxA的交流電流校準。校準時(shí)，用外部A40B分流器測量被檢源的交流電流輸出，分流器的交流電壓輸出則由5790測量，利用歐姆定律計算出被檢源的電流值。5790B在此也可以錄入A40B的分流器在不同頻率的交直流差和負載效應參數，精確計算出實(shí)際電流值，并顯示在屏幕上

五、55xxA電阻功能的校準

5522A/5520A/5502A電阻范圍均達1.1GΩ，5500A可達330MΩ，均為連續可調輸出，若采用8508A獨立校準，可以看出針對5500A的校準TUR是滿(mǎn)足的，但針對5522A/5520A/5502A校準則部分測試點(diǎn)TUR略微偏低。

我們也可以采用校準規范給出的標準電阻器法，通過(guò)一塊過(guò)渡表，把被檢源的電阻輸出與標準電阻進(jìn)行比較，改善TUR。實(shí)際校準時(shí)，我們可以用8508A/01充當過(guò)渡表，參考標準電阻742A接到8508A/01后面板，被檢源接前面板，利用8508A/01的前后面板掃描功能，自動(dòng)切換測量?jì)烧卟钪祷虮戎?，并提供更高的比率不確定度，這種情況下，總的TUR也會(huì )更理想。

例如，標準電阻742A-1M年穩定度指標8ppm，8508A/01需要進(jìn)行兩次測量，以確定被測1MΩ和標準1MΩ的比率：，因此 = 8.28ppm，被檢552xA 1MΩ 年指標34ppm，TUR = 34/8.28 = 4.11，比單純用8508A校準TUR 2.58提高1.59倍。

一般測量100kΩ以下的小電阻時(shí)，應該盡量使用四線(xiàn)電阻的測量方法進(jìn)行校準。這是由于兩線(xiàn)電阻測量時(shí)，測試引線(xiàn)電阻和接觸電阻會(huì )帶來(lái)附加誤差，在小電阻測量時(shí)，往往影響較大。采用四線(xiàn)電阻測量方式，將電流激勵回路和測量電阻上的電壓降測量回路分開(kāi)，測量到的電壓就可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(xiàn)及接觸電阻帶來(lái)的測量誤差。在高阻校準時(shí)，應使用屏蔽線(xiàn)，降低干擾，減少環(huán)境因素對測量讀數的影響。 

校準時(shí)，應注意使用8508A的常規電阻測量模式，不要使用HiVΩ高壓電阻模式，在這種模式，測量電阻時(shí)的激勵電流是常規電阻測量模式的10倍，由此可能產(chǎn)生最高達240V的順從電壓，可能會(huì )導致55xxA系列校準器電阻功能輸出保護，甚至造成損壞。

另外，校準5502A的電阻功能時(shí)，根據測試點(diǎn)數值，尤其是在110kΩ以上，最好使用8508A電阻測量功能的手動(dòng)量程，避免設置在自動(dòng)量程時(shí)，測量?jì)x表在尋找最適合電阻范圍的量程時(shí)，因量程的改變引起激勵電流的變化，有可能超出55xxA合成電阻輸出的電流工作點(diǎn)范圍，導致校準器保護。

8508A的替代型號

8508A是一款功能、量程、準確度都很適合各類(lèi)電學(xué)校準器校準的測量標準，本文TUR計算也是依據8508A的性能指標進(jìn)行的描述，但不可否認的是，盡管仍然有不少用戶(hù)依然擁有和使用它，但它的替代型號，Fluke 8588A,業(yè)已登上了歷史舞臺。8588A的功能更多，性能指標也比8508A更勝一籌，尤其是其測量速度比8508A提高了幾十倍，校準效率得到了很大提高，另外8588A所具有的2.02倍量程滿(mǎn)度，使得前述DC 2V等測試點(diǎn)的TUR也大為改善。8588A特有的圖形界面統計分析功能和便捷的數據存取，對于校準器的性能和穩定性測試具有獨特作用，新增的高精度瞬態(tài)數字化測量功能也給校準器的性能測試提供了新的手段，如此種種益處，使得8588A未來(lái)在各類(lèi)校準器的校準中將發(fā)揮更大作用。

結束語(yǔ)

任何一個(gè)規范的校準任務(wù)，滿(mǎn)足測量不確定度的要求是最基本的要求。它表征了本次測量的質(zhì)量，也表征了測量結果的可信度。能否在各項校準工作中滿(mǎn)足測量不確定度的要求是考察一個(gè)校準實(shí)驗室能力的重要指標。ISO 17025對報告測量不確定度有明確的要求。為了開(kāi)展5500A，5502A，5520A，5522A等多產(chǎn)品校準器的校準工作，需要用8508A/01高精度數字多用表，732C 固態(tài)電壓標準，A40B精密分流器和5790B交流電壓測量標準等多個(gè)標準器，如果還要校準多產(chǎn)品校準器的其他功能，如頻率準確度，需要一臺高精度頻率計；電容功能，需要高精度LCR電橋或8588A，熱電偶測量功能，需要一支標準溫度計和合適的油槽或水槽（油杯或水杯）?？傊?，無(wú)論是那一項校準，我們都必須認真分析，逐項滿(mǎn)足測量不確定度比率的要求，這樣才能實(shí)現一個(gè)可靠的量值傳遞和溯源，也才能保證計量的質(zhì)量。