褚衍廷 余雨婷 温占燕

摘要：在静态测试和动态测试中都会不可避免的产生测量误差，由于测量误差具有不可避免性，因此，应加强误差控制，保证测量结果准确与真实。本文主要针对基于LabVIEW自动测试系统的测量误差进行分析及优化。首先对自动测试系统的发展进行介绍，并对基于LabVIEW自动测试系统的组成及现状进行分析。然后在对自动测试系统随机误差及系统误差产生的原因，传递过程进行分析的基础上，给出优化措施。最后以轨道交通装备基地现场测试所存在的实际问题为案例，对测试线长度、仪器本身及地线三个方面对误差的影响进行分析并给出改进措施。

Abstract： Measurement errors are inevitable in both static and dynamic tests. Because of the inevitability of measurement errors， it is necessary to strengthen error control to ensure the accuracy and authenticity of measurement results. This paper mainly analyzes and optimizes the measurement error of automatic test system based on LabVIEW. Firstly， the development of automatic test system is introduced， and the composition and current situation of automatic test system based on LabVIEW are analyzed. Then， based on the analysis of the random error， the cause of system error and the transfer process， the optimization measures are given. Finally， taking the practical problems existing in the field test of rail transit equipment base as an example， the influence of test line length， instrument itself and ground wire on the error is analyzed and improvement measures are given.

关键词：自动测试系统;随机误差;系统误差;优化措施

Key words： automatic test system;random error;system error;optimizing measures

中图分类号：P207+.1                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）16-0193-03

0  引言

在测量期间，测量获得的结果、真实参数之间的差距，称为测量误差。真实参数在客观环境中，具有存在的真实性，能够在特定时空环境中展现出事物真实状态，在表达时存在局限性。在测量过程中，想要获得待测结果的真实情况，减少误差具有必要性。测量工作，应遵循一定原理、测量技巧、特定测量设备，在受控环境中，由专业人士完成测量工作，以保障测量准确。由于测量操作，在理论认知、实践活动方面，存在着相似性，无法保障测量方法的完善性。同时在实验仪器精准度、测量精确性方面，存在测量精度控制的局限性。加之环境因素作用，在多方干扰条件下，将会形成测量结果与真实值之间的差距，统称为误差。

针对误差构建的自测系统，在多年应用发展历程中，功能逐渐完善，适用于多种误差检测，同时添加了精度、效率的检测项目。基于LabVIEW的自动测试系统是面向仪器资源管理的代表，虽然自动测试可以去除人工测试所产生的误差，但误差仍不可避免地存在，影响测试结果的精度。因此，研究测量及测试系统误差，尤其在工业现场实际应用中减少和消除误差的影响非常必要。

1  自动测试系统发展及现状分析

1.1 自动测试系统的发展

以计算机为运行平台，在控制程序作用下，自动化运作误差测定程序的设备，称作自测程序。在上世纪60年代，测定领域中广泛开展了计算机的应用，自测技术获得了技术发展，在众多领域中开展了广泛应用。自测程序的发展历程，早期侧重于单项专业检测，中期关注单个领域检测，后期以模块检测程序为主，具有检测的适用性。

①专业型：早期的自動测试系统多为针对具体测试任务而研制的专业系统，随着单片机与嵌入式系统应用技术以计算机总线技术的飞速发展，这类自动测试系统已具有新的测试思路和技术支持。第一代自动测试系统，在多个领域中，性能显著超越人工测试，比如测试时间，测试精准性等。

②单个领域检测：中期检测程序，此系统的建设，是以接口总线为平台，采取组件搭建形式，形成了全新的自测程序。添加此种自测程序的设备有多种类型，比如万用表。此种自测程序，具有独立的运行优势，可作为备用设备。现阶段此种类型的自测程序，添加的接口总线，具有可编译、功能通用等特性，现已广泛应用于工业、交通、航空航天等多种领域。

③模块化集成型：后期自测程序，其程序组成以模块化设备为主，测试项目具有通用性，在数据传输、组建配置等方面，表现出较高灵活性、功能拓展性等测试优势，作为当前测试程序的主要应用。

1.2 自测程序的现实发展情况

自测程序一般由五部分组成。第一是控制器（计算机、微处理器、单片机等），它是整个系统的核心;第二是被程控的测量仪器或设备，称为可程控仪器;第三是总线与接口，连接控制器和可程控仪器，完成信息交换;第四是测试软件，为了完成测试任务而编制的应用软件;第五是适配器，连接被测设备和可程控仪器。

自动测试台具有优越的测试特性，其核心在于用软件实现自动测试，虽然可以消除因为人工测试所带来的误差，但是误差具有发生的必然性，对于测试结果真实性产生干扰作用。以测量精度为视角，应加强误差问题回避。针对误差形成类型、误差形成原因等方面做进一步分析。

2  测量误差的有效控制

依据误差形成特点，测试程序中的误差类型，主要包括随机类、粗放类、程序类三种。粗放类型的误差表现，主要表现为测试结果与真实理论参数之间形成了较大差异表现，可使用3σ法则回避此种误差问题。然而，事实上，此类误差问题，普遍归结于人为测量不规范。因此，在操作自测程序时，应规范操作，保障连接的准确性，能够有效回避粗放类误差问题。

2.1 随机误差分析及优化

当对同一个量测量多次时，得到一系列不同的测量值，每个值都有误差，这些误差出现没有特定的规律。

①测量设备形成的随机误差表现，表现在设备测量偏差，供电频率浮动，零部件结构异常，线束的老化等;

②环境方面的因素，包括温度、湿度微弱的变化，电磁场的干扰等。

随机误差特点如下：

①正负误差发生次数一致性：当正误差=负误差绝对值时，两种误差发生次数相似;

②小误差数量多：误差数量集中在绝对值较小的范围;

③误差均值趋零性：在测量次数累加作用下，误差均值约等于零。

由此确定：如若针对特定参数，进行不少于两次的测量，将会回避随机误差问题的干扰，由此获取较为真实的测量结果。多次测量活动中，获得了误差均值趋近于零，此种特性能够限制测量次数，减少随机误差干扰。

2.2 系统误差成因与回避方法

2.2.1 系统误差成因

测量结果的准确性，干扰条件包括误差、系统两类因素。由于系统形成的测量偏差问题，不容易被发现，而且多次测量也不能减小它的测量结果，这种误差对系统测量的精度影响更大。

系统误差的形成，具体指在等同测量条件下，对相同参数开展多次测量活动时，系统形成的误差，具有固定性。或者在测量条件有变化的情况下，误差呈现出规律性。结合误差表现特点发现：系统误差区别于随机误差，无法在多次测量活动中，回避误差问题;系统误差的形成，以函数规律为主。在误差分析期间，能够获取误差成因，可采取系统调试、修正等方式，减少误差影响。结合自测程序的组成情况，能够发现：系统误差渗透在信号处理的各系统程序中，包括采样误差、放大器误差、A/D转换误差以及软件运算中的误差等。

如图1所示，为系统误差传递过程。

自测程序在任意测试环节中，均会形成误差问题，此类具有传递性的误差问题，将会在误差输出时，形成积累误差。如若将被测信号与传感器的传输环节，误差设定为a1、将传感器与信号处理之间的环节误差，设定为a2，以此类推。由于各程序相互关系为串联，则有关系式：

a= a1×a2×a3×…×an

系统误差的传递过程可以表示如下：

Δy=a（1+e%）Δx

其中Δy是信号输出时形成的误差值，a作为测试程序中信号传输各环节的误差系数总值，e%表示测试程序运行带有的误差表现，Δx是指在测试程序中，被测信号传递时携带的传递误差。由Δy计算方法可知：测试程序形成的误差总数，是受到了系统各环节传递误差、系统自身误差等多项因素的共同作用。

2.2.2 系统误差回避方法

此种误差问题，可借助修正系统予以回避，以消除系统误差问题。

3  案例分析

本文根据某轨道交通装备基地现场测试所存在的实际问题，对测试线长度、仪器本身及地线三个方面分别对误差的影响进行分析并给出改进措施。

3.1 线长对误差的影响及改进措施

3.1.1 线长对误差的影响

现场在使用自动测试台测量精度要求较高的插件时，需要特别考虑线长对测量结果的影响。例如在某测试台上测量时，供电电压为24V，工作电流为0.3A，此时可确定选择0.5mm2的铜导线，根据电阻的计算公式R=ρL/S，在20℃时，铜导线的电阻率为0.0175Ωmm2/m，若一米长的导线，可知电阻为0.035Ω，当工作电流为0.3A时，此时在导线上的压降为0.0105V，即10.5mV，由此可见对于测量要求高的插件来说，线损造成的误差是相当大的。

由于线束自身带来的电阻导致产生压降，因此我们必须保证测量点和电源給过来的点位是等电势的，此时就引入了电源里的sense端的概念。具体如图2所示。

3.1.2 线长测量误差问题的改进方法

由图2可知，在测量电阻R时，如果不加上S+和S-，那么由于线损R1的影响，会导致A点的电压不等于电源电压，这样就会导致误差的产生。但是加上S+和S-时，起到一个补偿的作用，A点的电压为S+，B点的电压为S-，即在测量被测品R时，两端的电压为标准的电源电压，这样就消除了线损，减小了误差，达到了精确测量的目的。

3.2 仪器对测量误差的影响及改进措施

3.2.1 仪器对测量误差的影响

当使用100MHz探头和100MHz示波器组成的测量系统，测量上升时间为3.5ns的方波信号时，其误差会有多少呢？示波器的上升时间是指一个示波器从理论上来说能够显示的最快的瞬变的时间，它与示波器的带宽有关。对于频率低于1GHz的示波器，有：

（1）

（2）

（3）

根据公式（1）可分别求出示波器和探头的上升时间：

根据公式（2）可求出测量系统的上升时间：

再根据公式（1）反推得出整个测量系统的带宽：

故100MHz的示波器和100MHz的探头组成的系统带宽为70MHz。现在可根据公式（3）计算出测量所得的上升时间：

即如果使用100MHz的示波器和100MHz的探头组成的测量系统测试3.5ns上升沿的方波信号，其测量所得的值应为6.08ns。相应的测量误差可计算出：

由此可得出使用100MHz的示波器和100MHz的探头组成的测量系统测试3.5ns上升沿的方波信號测量误差达到了73%。这种误差肯定是不允许存在的。

3.2.2 仪器测量误差问题的改进方法

通过前面的介绍了解到了示波器和探头的带宽对被测信号的影响。那么在已知测量上升沿的情况时，我们该如何选择测量系统的带宽。测量系统的上升时间与被测信号的上升时间的比例对应上升时间的测量误差如表1所示。

由此可知，示波器带宽（示波器和探头组成的系统带宽）一般选择被测信号频率的5倍以上才能达到较高的精度要求。

3.3 在测量误差中地线的作用及优化方法

3.3.1 在测量误差中地线的作用

在波形测量程序中，以波形上升沿和下降沿为测量方向时，地线过长会导致波形失真，从而影响测量的结果。地线过长即在测试程序中，信号反馈所经过的路径较长，在信号发送器位置输送的信号，将会反馈回流至发送器。反馈路径，具体指单一信号的传输回流路线。同时，差分信号在反馈时，表现出多种路线特点。因此，在测量误差期间，如若存在单端探头连接不规范，或者差分探头任意端口并未完成有效连接，信号回流信号就无法通过正常的路径回流，经过开关矩阵后，导致测量误差偏大。

3.3.2 地线不利作用的回避方法

在信号测量时使信号回路尽可能的短，在经过开关矩阵时就要考虑布线的长度等因素，或者采取地线与信号线闭合处理形式，在闭合处理形成的区域，将予以有效控制，减少闭合区域过大问题。同时，在测量期间，在使用单端探头测试活动时，可凭借接地线，完成被测信号的参考点和示波器的地连接起来，差分探头测试时应该将示波器和被测设备共地，这样就能减小测量中的误差，特别是在测量精度要求比较高的数值时（纳秒级别），会有很明显的效果。

4  结论

本文主要针对基于LabVIEW自动测试系统的测量误差进行分析及优化。在对自动测试系统随机误差及系统误差产生的原因，传递过程进行分析的基础上，给出优化措施。重点以轨道交通装备基地现场测试所存在的实际问题为案例，对具有代表性的测试线长度、仪器本身及地线三个方面对误差的影响进行分析并给出改进措施。仪表的测量误差是不可能绝对消除的，但是要尽可能减小误差对测量结果的影响，使其减小到允许的范围，所以要根据测量的要求和对测量结果的影响程度来选择消除方法。在测量准确度和精密度要求较高的测量中，必须全方面的考虑误差来源及对应减小误差的措施。

参考文献：

[1]田旭光，蔡金燕，张大伟.自动测试系统校准过程中测量通道的误差修正[J].电测与仪表，2007，44（10）：57-60.

[2]梁皖贵，杨世武，陈建译，等.基于虚拟仪器的自动测试系统误差分析及处理[J].铁道通信信号，2007，43（4）：9-10.

[3]电动机微机自动测试系统测试误差分析及改进方法[J].电力自动化设备，2014，34（6）：67-71.

[4]佚名.基于PXI总线的空间站对接机构自动测试系统硬件平台设计[J].载人航天，2018，24（5）：122-126.

[5]陈关君.基于虚拟仪器的多通道湿敏电容自动测试系统设计[J].传感器与微系统，2018，37（1）：108-109.