1研究目标
某型号专用检测系统校准装置(以下简称专测系统校准装置)的研制，主要是完成标准设备满足指标要求的情况下对专测系统微波信号频率模块、微波信号幅度模块、通道插入损耗模块、脉冲干扰模块、以及功率测量模块完成自动校准，并进行误差溯源，及对测量结果进行不确定度分析。为了提高校准工作效率，减小计量工作人员的劳动强度和提高校准结果的可靠性，开发校准应用软件。校准软件不仅能实现现有的五种模块参数的自动校准功能，也可以选择某一功能或量程单独进行校准，同时，校准过程和参数处理方法符合相关国家检定规程中的各项要求。专测系统校准装置自动校准软件对测试数据进行妥善保存，提供查询、回放，并按被校准设备校准规范格式对被校准设备进行数据分析、报表、打印等功能。
2设计方案
2.1总体设计方案
本项目技术方案采用外部校准法，专测校准装置主要由综合标准组件、被校系统和计算机系统以及GPIB连接线等组成。综合标准组件由一系列标准源、标准表、通讯控制接口等构成;计算机系统是校准装置的控制中心，运行校准软件，处理校准结果。综合标准组件采用一系列标准器(标准表或者标准源)输出作为标准值，通过检定标准器来解决测试系统的溯源问题。
2.2校准技术方案
专测系统的校准采取原位系统校准法，即在专测系统实际使用环境中进行计量，并保持系统的完整性，校准方案原理框图如图1所示。此方案具备以下几个特点:1)系统计量性专测系统被作为一个整体进行计量，类似于校准一个多参数、多功能的可程控测试仪器，校准方法具备三个优点:a)避免设备在拆卸、运输、安装过程中的损坏;b)现场原位校准，校准环境与使用环境一致，减小了环境条件对系统测量结果的影响：c)减小微波信号连接组件安装条件不一致导致的校准数据的不确定度。基于上述三点，本方案能够有效评价系统在实际使用过程中的技术状况。2)专测系统的周期补偿性专测系统的主要测试功能为微波信号测试，随着使用周期的增长，测试系统中的微波信号通道所产生的衰减、插入损耗、驻波系数等参数会逐年变化，将直接影响测试结果，本方案提出的计量方法可随校准周期形成补偿数据库，用于专测系统完成测试任务过程中的误差修正，提高产品测试质量。3)测试参数的可溯源性专测系统的所有参数溯源至外部校准装置，并通过外部校准装置采用单参数溯源方式建立不间断溯源链向上溯源至国家基标准。图2为校准系统主要模块组成及对应校准关系。依据被校模块参数可分为5个模块。各模块检定方法分别对应参考文献［1－3］，仪器控制语句对应参考文献［4－7］。篇幅有限这里不具体介绍各具体参数对应的检定方法及控制语句。
2.3校准装置
校准装置主要由标准设备构成的仪器资源、用于GPIB通讯的总线控制器、运行校准软件的主控计算机、对输入低频信号进行切换的扫描开关和连接被校信号的校准专用适配器等构成，主控计算机与总线控制器通过USB相连。其中，仪器资源、扫描开关和校准专用适配器安装在专测系统校准装置的机柜内;便携式计算机和总线控制器可以放置在工作台上或校准装置机柜中可收放的托盘上。被校设备、标准设备和总线控制器通过GPIB总线相连，主控计算机与总线控制器通过USB总线相连。
2.4校准软件设计
软件校准设计方案依据被校准模块参数特性，设计采用不同的校准方案。被校参数大致可分为两大类，一类是信号源类参数，例如干扰脉冲校准模块的脉冲宽度、脉冲周期、脉冲幅度、脉冲延迟、微波信号频率、微波信号幅值等等参数，则采用标准表法进行校准;另一类参数为数表类参数，例如通道插入损耗、功率测试等等参数，则采用标准信号源法进行校准。2.4.1软件设计思路该软件设计的基本思路是开发出一套通用系统，即针对不同的测试系统替换基本模块即可实现系统构建。设计应用软件时，尽量提高代码组件的可重用性、可扩展性和可维护性。尽量将软件的每个功能做到模块化，在改动较少甚至不需要改动的前提下就能进行重用。由此，在设计阶段开发采用自顶向下的设计方式。明确模块划分，单一功能和每个模块一一对应，保证每个模块独立性，同一层模块之间无连接。软件功能的模块化是软件可重用性的基础，是指同一程序不作修改或稍加改动就可以被多次重复使用。此外，在编写代码阶段采用自下向上的编写方式，易于调试，同时有利于发现设计阶段的不足，予以弥补。设计控制面板的界面时，功能键应能重复操作，且在测试应用软件运行过程，数据及曲线应能实时更新。2.4.1软件设计方法本项目的校准软件框架总体上采用层次递进式设计原则，共分为四个层次。第一层为系统管理层，首先扫描系统配置、连接数据库、文档等等，为校准过程提供系统环境，然后可控制选择进入不同的事件;第二层为校准或分析系统(即校准测试层)以及数据管理查询、事件响应、由用户界面和菜单选项构成;第三层为仪器的驱动程序，也叫“驱动层”，由NI提供仪器的驱动程序，及I/O接口。第四层为退出，还原仪器，关闭窗口［8］。因此，本校准系统使用状态机和事件结构相结合的模式的第二种组合方式构建，程序主体为状态机结构，设置进入各校准模块的接口;进入校准模块后则采用事件结构，实现校准过程中能够选择不同的校准项目，进入不同的校准子程序，每个校准项目完毕后，还能够进行下一校准项目的选择。1)软件界面设计本设计通过LabVIEW进行软件界面设计，本系统界面包括三个部分，分别是菜单栏、数据显示区和控制区域。系统主界面和子界面以及对话框的设计规则为［9］:①为输入控件配合合适的输入范围，避免用户输入错误的数据，尽可能用枚举类型的输入控件，避免使用文本输入控件;②为控件设定描述和提示，增强程序的可读性;③合理安排控件布局，尽量简2.4.1软件设计方法本项目的校准软件框架总体上采用层次递进式设计原则，共分为四个层次。第一层为系统管理层，首先扫描系统配置、连接数据库、文档等等，为校准过程提供系统环境，然后可控制选择进入不同的事件;第二层为校准或分析系统(即校准测试层)以及数据管理查询、事件响应、由用户界面和菜单选项构成;第三层为仪器的驱动程序，也叫“驱动层”，由NI提供仪器的驱动程序，及I/O接口。第四层为退出，还原仪器，关闭窗口［8］。因此，本校准系统使用状态机和事件结构相结合的模式的第二种组合方式构建，程序主体为状态机结构，设置进入各校准模块的接口;进入校准模块后则采用事件结构，实现校准过程中能够选择不同的校准项目，进入不同的校准子程序，每个校准项目完毕后，还能够进行下一校准项目的选择。1)软件界面设计本设计通过LabVIEW进行软件界面设计，本系统界面包括三个部分，分别是菜单栏、数据显示区和控制区域。系统主界面和子界面以及对话框的设计规则为［9］:①为输入控件配合合适的输入范围，避免用户输入错误的数据，尽可能用枚举类型的输入控件，避免使用文本输入控件;②为控件设定描述和提示，增强程序的可读性;③合理安排控件布局，尽量简洁是设计前面板的最重要原则之一;④使用表格的形式，在测试界面上，显示测试过程的数据，供用户实时关注程序运行状态，以及实时分析测试数;⑤采用数据和图形两种显示方式，能适合大部分用户的要求。2)Access数据库应用该校准程序数据库使用Access实现如下功能，针对各测量模块所生成的证书，建立统一的命名规则、保存地址、排序，实现证书的保存、查询、调用等等内容，方便用户使用;通过输入的基本信息，例如:测试时间、仪器编号、生产厂家、送检单位等关键词保存证书至数据库，同理，查询功能即可通过搜索某一类关键词完成证书的查询。3)软件基本组成校准软件主要被校模块有五部分，校准名称及校准参数详见表1。校准软件的系统整体设计如图3所示。专测校准软件主要是为解决系统5大校准模块各参数的校准问题，由此，操作按键依据校准模块设置，同时设置配套的系统按键以及菜单栏等功能，例如系统自检、出具证书、数据库管理、退出等。每个校准模块采用Case选择结构构建基本框架，如图4所示。
3方案验证
3.1技术方案优缺点分析
标准信号源加标准表法是目前国内对专用测试系统最普遍使用的校准方法。这种方案综合考虑了先进性、可实施性、可靠性以及成本、可操作等多种因素，是一种很成熟的解决方案。校准系统采用一系列标准器监测被测量参数作为标准值，通过计量组成校准系统的标准器解决校准系统的溯源问题。校准方案的优点:1)校准系统和机载产品自动检测设备相互独立，不仅硬件相互关联性小，而且软件也各自独立;2)系统可靠性好，而且维护和软件升级都很方便;3)校准是对整个测试系统的校准，而不仅仅是对系统内部测试模块的校准，校准程序是规范的，校准结果完全针对测试需求，因而是完备的。外部综合校准法的不足:1)校准系统与测试设备校准过程中的连接需要专用适配器接口，导致校准系统本身必须作为系统进行溯源，否则无法有效评价校准系统的技术指标，大大增加了溯源工作量;2)校准系统与测试设备之间独立运行，必须通过信息通道连接两个系统，协调运行，增加了出错机会;3)这种方案对专用测试系统构建要求很高。往往需要专用的硬件测试接口适配器，为了使系统易于使用和维护，对测试软件要求很高，不仅要求可靠和安全，而且要有严格的层次，尤其是用户应用层程序必须实现与硬件的无关联性。
3.2校准数据验证
3.2.1手动与自动校准数据对比使用功率测量模块的数据，功率测量校准参数为校准因子(功率电平Pc=1mW)。手动与自动校准结果分别见表2、表3。由以上结果分析，可得手动和自动校准结果的一致性很好，证明了本校准软件完全能够替代手动校准过程，试验结果满足要求。3.2.1系统稳定性验证验证方法采用两次自动软件采集的校准数据对比的方法，采用干扰脉冲模块数据。测试数据见表4，其中实测值单位同设置值单位。脉冲频率允许误差极限为±0.1%，由此可以判定，脉冲延迟时间测量稳定性达到指标要求。由上可知，本自动校准软件满足使用需求，可以达到预期效果。
4结论
本文利用以上技术方案完成了预设的研究内容，研究目标和技术指标达到并优于任务要求，取得了预期的研究成果。建立了相应的校准系统，实现了原位校准与自动校准的设计理念，为今后开展类似的校准工作奠定了一定的理论基础和相应的实践经验，也期望在将来为更多的航空校准项目提供相关服务，为社会带来更多的效益。
作者：阿拉塔 石峰 吴忠燕 王建强 单位：中航工业北京长城计量测试技术研究所 内蒙古电力信通公司
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