波形记录仪校准规范

JJF1876—20201波形记录仪校准规范1范围本规范适用于电压幅度量程5mV~1000V、频率范围DC~2MHz的电压测量式波形记录仪的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:JJF1057数字存储示波器校准规范GB/T15289数字存储示波器通用规范IEEEStd1057数字式波形记录仪IEEE标准(IEEEStandardforDigitizingWaveformRecorders)凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3概述波形记录仪,是以电压量测量并记录电气参数的综合性仪表,其类型可分为模拟式波形记录仪和数字式波形记录仪。模拟式波形记录仪是以模拟记录笔在记录纸上记录测量得到的数据。数字式波形记录仪是将测量得到的波形数据存储于记录仪中,在测量和记录完成后,可调出所记录波形及数据。波形记录仪广泛应用于电力、电子、交通安全监控、环境监测等行业领域。4计量特性4.1直流电压测量范围:±(5mV~1000V);最大允许误差:±(0.25%FS~1%FS)。4.2交流电压测量范围:5mV~1000V(峰-峰值);最大允许误差:±(0.5%FS~3%FS)。4.3时基最大允许误差:±1×10-6。4.4频带宽度频率范围:≤2MHz(-3dB)。4.5输入电阻范围:50Ω~100MΩ;JJF1876—20202最大允许误差:±1%。4.6直流增益最大允许误差:±(0.25%~1%)。4.7记录时间长度最大允许误差:±1×10-6(数字式波形记录仪);±3%(模拟式波形记录仪)。注:以上技术指标不作合格性判别,仅提供参考。5校准条件5.1环境条件环境温度:(23±5)℃;相对湿度:≤80%;电源要求:(220±11)V,(50±1)Hz;周围无影响仪器正常工作的机械振动和电磁干扰。5.2测量标准及其他设备5.2.1标准直流电压源电压范围:±(1mV~1000V);最大允许误差:±(0.02%~0.1%)。5.2.2标准正弦交流电压源电压范围:1mV~1000V;最大允许误差:±(0.1%~1%);频率范围:50Hz~10kHz;最大失真:≤1%。5.2.3任意波形发生器频率范围:1μHz~5MHz;最大允许误差:±1×10-7;输出功率电平范围:(-50~+20)dBm;幅度平坦度:优于±0.3dB。5.2.4电阻测量仪电阻测量范围:10Ω~300MΩ;最大允许误差:±0.2%。5.2.550Ω匹配负载频率范围:DC~5MHz;最大允许误差:±1%。6校准项目和校准方法校准项目见表1校准项目表。3表1校准项目表数字式波形记录仪校准项目模拟式波形记录仪校准项目外观及工作正常性检查外观及工作正常性检查23交流电压交流电压4时基5频带宽度频带宽度67 86.1.1被校准波形记录仪应无影响正常工作及读数的机械损伤，功能标识清晰，各开6.1.2被校准波形记录仪接通电源后，仪器应能正常工作，各功能切换正常，各类触6.1.3被校准波形记录仪及校准用测量标准应按规定时间预热(一般为30min)。6.2.1仪器连接如图1所示。输出输入图1直流电压校准连接图6.2.2被校仪器为数字式波形记录仪时，设置直流电压测量功能，被校准通道直流偏置设为零。根据量程，设置标准直流电压源输出正电压，使被校准低于屏幕最顶端1格，从被校准波形记录仪上读出直流电压指示值U₁+,记录于A.2中。设置标准直流电压源输出负电压，使被校准波形记录仪波形显示高于屏幕最底端1格，从被校准波形记录仪上读出直流电压指示值U₁-,记录于A.2中。被校仪器为模拟式波形记录仪时，在无电压输入状态下，录纸电压测量轴中心刻度位置，走纸速度设为合适值。根据输出正电压，使记录波形与记录纸满刻度顶端下一整格处刻度对流电压源电压值U,+,记录于A.2中。再调节标准直流电压源输出负电压，使记录波形与记录纸满刻度的底端上一整格处刻度对齐，读出此时的标准直流电压源电压值U-,记录于A.2中。6.2.3在波形记录仪的不同量程，重复6.2.2。46.2.4在波形记录仪的不同通道，重复6.2.2、6.2.3。6.3交流电压6.3.1仪器连接如图2所示。标准正弦交流电压源6.3.2被校仪器为数字式波形记录仪时，设置交流电压测量功能，被校准通道直流偏置设为零。根据量程，设置标准正弦交流电压源输出频率及峰-峰值电压，使被校准波形记录仪波形显示低于屏幕最顶端1格，高于屏幕最底端1格。从被校准波形记录仪上读出交流电压指示值U₂,并记录于A.3中。被校仪器为模拟式波形记录仪时，在无电压输入状态下，调节记录笔，使其位于记录纸电压测量轴中心刻度位置，走纸速度设为合适值。根据量程，调节标准正弦交流电压源输出频率及峰峰值电压，使记录波形峰-谷分别对齐记录纸满刻度顶端下一整格与底端上一整格处刻度，读出此时的标准正弦交流电压源电压值U。,并记录于A.3中。6.3.3在波形记录仪的不同量程，重复6.3.2。6.3.4在波形记录仪的不同通道，重复6.3.2、6.3.3。6.4.1仪器连接如图3所示。6.4.2设置任意波形发生器输出周期T。为1s、幅度为3V、脉冲宽度适当的脉冲波。设置波形记录仪水平扫描系数为合适挡位、记录时间长度设定为合适的MT。(M为正整数)值、垂直偏转系数1V/div、采样速率置合适挡位、连续记录模式。波形记录仪开始记录直至记录结束，以△'=(M-1)T。为时间间隔标准值，以脉冲波上升沿的中间(50%)幅值为位置参考点，测量第1个脉冲波与第M个脉冲波上升沿之间的时间间隔△r,通过公式(1)计算时基误差δr,并把校准结果记入A.4中。502匹配连接△r——第1个脉冲波上升时刻与第M个脉冲波上升沿之间的时间间隔，s;56.5频带宽度6.5.1仪器连接如图3所示。6.5.2被校仪器为数字式波形记录仪时，设置交流电压测量功能，直流偏置设为零。根据量程，设置任意波形发生器输出正弦信号，选取合适的参考频率(通常选用1kHz),调节输出信号幅度，使波形记录仪显示波形占屏幕满刻度的80%,当前频率下波形记录仪显示幅值V₁。保持任意波形发生器输出幅度不变，调节其输出频率，使波形记录仪记录的电压幅度降低至0.707V₁,读取此时的频率并记录于A.5中。被校仪器为模拟式波形记录仪时，在无电压输入状态下，调节记录笔，使其位于记录纸电压测量轴中心刻度位置，走纸速度设为合适值。根据量程，设置任意波形发生器输出正弦信号，选取合适的参考频率(通常选用0.1Hz),调节输出信号幅度，使记录波形峰-谷分别对齐记录纸满刻度顶端下一整格与底端上一整格处刻度，当前频率下记录纸记录的电压幅值为V₂。保持任意波形发生器输出幅度不变，调节其输出频率，使记录纸记录的电压幅度降低至0.707V₂,读取此时的频率并记录于A.5中。6.5.3在波形记录仪的不同量程，重复6.5.2。6.5.4在波形记录仪的不同通道，重复6.5.2、6.5.3。6.6输入电阻6.6.1仪器连接如图4所示。6.6.2波形记录仪通电开机状态下，初始化设置，电阻测量仪的量程设置为自动，从通道1开始测量，将电阻测量仪的测量结果记入A.6中，直到所有通道测量完成。6.7直流增益6.7.1仪器连接如图1所示，选定波形记录仪的测量通道与量程。设置波形记录仪为直流耦合，调整直流偏置为零。根据量程，设置标准直流电压源输出正电压A+,使被校准波形记录仪波形显示低于屏幕最顶端1格，从被校准波形记录仪上读出直流电压指示值A+;设置标准直流电压源输出负电压A-,使被校准波形记录仪波形显示高于屏幕最底端1格，从被校准波形记录仪上读出直流电压指示值A,-,将数据记录于按公式(2)计算直流增益：Ar+——被校准波形记录仪在相应量程下直流正电压指示值，V;A,_——被校准波形记录仪在相应量程下直流负电压指示值，V;6A+——标准直流电压源输出正电压标准值，V;A_——标准直流电压源输出负电压标准值，V。按公式(3)计算直流增益误差：G₀——被校准波形记录仪标称直流增益值，G₀G——直流增益。6.7.2在波形记录仪的不同量程，重复6.7.1。6.7.3在波形记录仪的不同通道，重复6.7.1、6.7.2。6.8记录时间长度6.8.1仪器连接如图3所示。6.8.2被校仪器为数字式波形记录仪时，将波形记录仪设置为连续记录模式，记录时间长度为1000s或合适设定值，垂直偏转系数0.1V/div。调节任意波形发生器，输出合适幅度的1Hz方波。根据记录完整波形的个数n以及完整波形前后的部分，测量全部波形起点至终点的时间长度T₁(图5),并记入A.8中。6.8.3被校仪器为模拟式波形记录仪时，在无电压输入状态下，调节记录笔，使其位于记录纸电压测量轴中心刻度位置。设置波形记录仪电压量程及任意波形发生器输出方波电压幅值为合适值。根据走纸速度，设置任意波形发生器输出频率，使其方波周期T₂与波形记录仪走纸速度的格数相对应。任意波形发生器输出方波电压并开始记录波形，直至记录纸上至少记录一个完整周期的波形，以T₂为标准值，读取记录纸时间轴一个周期的时间长度T₃,并记录于A.9中。6.8.4在模拟波形记录仪的不同走纸速度下，重复6.8.3。7校准结果表达波形记录仪校准后，出具校准证书。校准证书应至少包括如下信息：b)实验室名称和地址；JJF1876—20207c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;f)被校准对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校准对象的接收日期;说明;i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;k)校准环境的描述;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;n)校准证书签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校准对象有效的说明;p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。8复校时间间隔复校时间间隔由用户根据使用情况自行确定,推荐为1年。JJF1876—20208附录A原始记录格式A.1外观及工作正常性检查:A.2直流电压通道量程/V正电压标准值/V正电压指示值/V负电压标准值/V负电压指示值/VA.3交流电压通道量程/V频率/Hz标准值/V指示值/VA.4时基时间间隔标准值/s时间间隔指示值/s时基误差A.5频带宽度通道量程/V频带宽度/kHz9A.6输入电阻输入通道标称值/MΩ实测值/MΩA.7直流增益通道量程V标准值A+V指示值Ar+V标准值A-V指示值Ar-V直流增益误差%A.8记录时间长度(数字式波形记录仪)设定值/s实测值/sA.9记录时间长度(模拟式波形记录仪)走纸速度/(mm/min)标准值/s指示值/s10附录B校准证书内页格式B.1外观及工作正常性检查:B.2直流电压通道量程V正电压标准值V正电压指示值V负电压标准值V负电压指示值V不确定度B.3交流电压通道频率/kHz标准值/V指示值/V不确定度B.4时基时基误差不确定度B.5频带宽度通道量程/V频带宽度/kHz不确定度11B.6输入电阻输入通道标称值/MΩ实测值/MΩ不确定度B.7直流增益通道量程V标准值A+V指示值Ar+V标准值A-V指示值Ar-V直流增益误差%不确定度B.8记录时间长度(数字式波形记录仪)设定值/s实测值/s不确定度B.9记录时间长度(模拟式波形记录仪)走纸速度/(mm/min)标准值/s指示值/s不确定度JJF1876—202012附录C不确定度评定示例C.1直流电压测量不确定度评定C.1.1测量模型测量模型见式(C.1):A=A0(C.1)式中:A—被校准波形记录仪直流电压;A0—波形记录仪指示值。C.1.2不确定度来源a)测量重复性引入的标准不确定度u1;b)标准直流电压源输出直流电压的最大允许误差引入的标准不确定度u2;c)被校准波形记录仪的直流电压显示分辨力引入的标准不确定度u3。C.1.3合成标准不确定度计算公式各分量互不相关,合成标准不确定度uc计算公式见式(C.2):(C.2)uc=(C.2)C.1.4标准不确定度评定以下以标准直流电压源校准数字式波形记录仪为例进行标准不确定度评定。标准直流电压源输出0.9V直流电压。a)测量重复性引入的标准不确定度u1测量重复性引入的不确定度分量用测量结果的实验标准差表示,连续测量10次,用贝塞尔公式计算得到单次测得值的实验标准偏差为0.18mV,则由重复性引入的标准不确定度分量为:b)标准直流电压源输出直流电引入的标准不确定度u2设所用的标准直流电压源输出0.9V直流电压的最大允许误差为±0.1mV,设其为均匀分布(包含因子k=),则:u2==0.058mVc)被校准波形记录仪的直流电压显示分辨力引入的标准不确定度u3假设被校波形记录仪在1V量程下的读数分辨力为0.1mV,视为均匀分布,则其在1V量程下电压显示分辨力引入的标准不确定度u3为:u3=0.029mVC.1.5标准不确定度分量一览表JJF1876—202013标准不确定度分量一览表见表C.1。表C.1标准不确定度分量一览表序号不确定度来源标准不确定度符号数值/mV1测量重复性u10.182标准直流电压源直流电压最大允许误差u20.0583被校准波形记录仪直流电压显示分辨力u30.029C.1.6合成标准不确定度以上各分量互不相关,合成标准不确定度为:C.1.7扩展不确定度uc==0.20mV取包含因子k=2,则扩展不确定度为:U=kuc=0.4mVC.2时基测量不确定度评定C.2.1测量模型测量模型见式(C.3):δT=式中:ΔT-ΔΔ(C.3)δT—计算所得的时基误差;ΔT—第1个脉冲波上升时刻与第M个脉冲波上升沿之间的时间间隔,s;Δ—时间间隔标准值,由设定的脉冲个数计算可得,s。C.2.2不确定度来源a)测量重复性引入的标准不确定度u1;b)任意波形发生器时基准确度引入的标准不确定度u2;c)波形记录仪时间读数分辨力引入的标准不确定度度u3。C.2.3合成标准不确定度计算公式各分量互不相关,合成标准不确定度uc计算公式见式(C.4):uc=(C.4)C.2.4标准不确定度评定以下以任意波形发生器校准数字式波形记录仪为例进行标准不确定度评定。任意波形发生器输出波形为周期脉冲波,周期T0为1s,幅度为3V,占空比为1%;波形记录仪记录脉冲个数为1000个,即时间间隔标准值Δ为999s。a)测量重复性引入的标准不确定度u1测量重复性引入的不确定度分量用测量结果的实验标准差表示,连续测量10次,用贝塞尔公式计算得到单次测得值的实验标准偏差为8.2×10-5s,则由测量重复性引14=6×10-5s=6×10-5sb)任意波形发生器时基准确度定度u2所选用的任意波形发生器,输出脉冲波周期为1s,测量脉冲周期个数为999个,其输出脉冲波时的时基准确度为±1×10-7,设其为均匀分布(包含因子k=),则:u2=0.0000001×1s×9993c)波形记录仪时间读数分辨力引入的标准不确定度u3假设被校波形记录仪的时间读数分辨力为1×10-4s,半宽度为5×10-5s,故波形记录仪时间读数分辨力引入的标准不确定度u3为:=2.9×10-5su3=2.9×10-5sC.2.5标准不确定度分量一览表标准不确定度分量一览表见表C.2。表C.2标准不确定度分量一览表序号不确定度来源标准不确定度符号数值/s1测量重复性u18.2×10-52任意波形发生器时基准确度u26×10-53波形记录仪时间读数分辨力u32.9×10-5C.2.6合成标准不确定度各分量互不相关,合成标准不确定度为:uc=uc==1.1×10-4s1.1×10-4s999s1.1×10-4s999s=1.1×10-7C.2.7扩展不确定度取包含因子k=2,则相对扩展不确定度为:C.3频带宽度测量不确定度评定Urel=kucrel=3×10-7C.3.1测量模型测量模型见式(C.5):(C.5)F=F0(C.5)式中:F—被校准波形记录仪的频带宽度;F0—频带宽度测试值。15=6.9kHzC.3.2不确定度来源=6.9kHza)测量重复性引入的标准不确定度u1;b)任意波形发生器正弦波幅度平坦度引入的标准不确定度u2。注:任意波形发生器输出频率最大允许误差为±1×10-7,由此引入的标准不确定度影响远小于其他不确定度来源;经试验,由被校准波形记录仪的读数分辨力引入的标准不确定度影响仅为任意波形发生器正弦波幅度平坦度所引入标准不确定度的几十分之一,故忽略任意波形发生器输出频率及被校准波形记录仪读数分辨力引入的标准不确定度对结果的影响。C.3.3合成标准不确定度计算公式各分量互不相关,合成标准不确定度uc计算公式见式(C.6):(C.6)uc=(C.6)C.3.4测量不确定度评定1kHz为参考频率,测量波形记录仪电压量程为1V时的频带宽度。a)测量重复性引入的标准不确定度u1测量重复性引入的不确定度分量用测量结果的实验标准差表示,连续测量10次,用贝塞尔公式计算得到单次测得值的实验标准偏差0.128kHz,则由重复性引入的标准不确定度分量为:u1=0.128kHzb)任意波形发生器正弦波幅度平坦度引入的标准不确定度u20.707V1时的频率,任意波形发生器的正弦波幅度平坦度将影响波形记录仪频带宽度的测量。在本实验中,任意波形发生器电压平坦度为±0.2dB。通过实验,由任意波形发生器幅度不平坦引入的波形记录仪频带宽度误差为±12kHz,采用B类评定,则区间半宽度为12kHz,假设可能值在区间内为均匀分布,则任意波形发生器正弦波幅度平坦度引入的标准不确定度为:u2=12kHz3C.3.5标准不确定度分量一览表标准不确定度分量一览表见表C.3。表C.3标准不确定度分量一览表序号不确定度来源标准不确定度符号数值/kHz1测量重复性u10.1282任意波形发生器正弦波幅度平坦度u26.9C.3.6合成标准不确定度各分量互不相关,合成标准不确定度为:JJF1876—202016C.3