自1960年自动化的观念开始建立，此一阶段是以传统性之生产技术改良为主，系针对工厂大量生产的技术而言。到了1970年，电脑科技突飞猛进，以电脑为基础之自动化技术开始应用在工厂与办公室。从1980年起个人电脑之蓬勃发展与价格大幅下降，更使得电脑被广泛地使用在工业界与实验研究单位，于是以个人电脑为基础之自动化系统遂成为工程与研究人员所追求之目标。而自动化量测系统（Auto matic Measurement System；AMS）一词对不同的使用者有不同的意义，因为适用于自动量测系统之工作不胜枚举，不同的应用系统就有不同的测试原理与技巧。近几年来个人电脑在自动量测与测试系统中扮演着非常重要的角色，以个人电脑为基础之自动化量测系统能很有效地减低成本以及提升品质与可靠度，因此自动化是现代工业发展之趋势，也是唯一能解决复杂的控制问题以及克服由于人为因素对系统所造成之影响的最佳途径。电机、电脑、通讯与机械是发展工业自动化不可缺少之工具，然而在利用电脑系统去控制机械式之生产工具机时，如何将电气信号转换成相对应之机械动作，借以操作机械设备已成为自动化控制中最重要的一环，此电气转换便是目前工业界和学术界极为重视之「机电整合」的主要课题之一。而自动化量测系统为机电量测系统之标准界面作电气之转换及资料的撷取与量测信号之回授，才能达成机电整合控制。

在现代化自动量测系统基本上是由精密的标准量测和测试仪器设备所组成，用于AMS之仪器设备必须是完全可程式的（Programmable），以便于测试程序之控制与设定。另外还必须具备由电脑或系统控制器（System Controller）接收规划指令之能力。自动量测系统之另一特性要求为，所使用之仪器设备可透过切换装置连接成任意所要之电气架构。另外，自动化量测系统必须具备某种型式可通知操作者测试结果及提供指示给操作员之人机界面（Man–machine Interface）。透过交谈式之人机界面，AMS能提供友善（Friendly）且具人性化之测试环境给使用者，操作员只需操作滑鼠做些简单之选项，即可完成自动化测试作业。而自动化量测系统之型式依其应用方式一般分为两大类：

泛用（General-purpose）型系统

泛用型系统可适合各种不同应用场合之要求，高可挠性与扩充性是本类系统之特色；它由一般用途之可程式量测和激励设备所组成，这些设备具有可分离（Separable）功能。例如一用于泛用型系统中之多功能电表（Multimeter），若自系统中移去时，它仍然可以手动之控制方式来进行量测功能，此即具有可分离功能。泛用型量测系统应用范围与目标较广，其主要优点有，可多方面选择组成系统设备之卖主、系统具扩展能力、初始之工程设计与发展费用较低，以及设备之卖主具有专业知识可供资询等；而其缺点有，潜藏之发展成本较高、元件设备之使用较无效率、系统规模较大以及增加了维修费用等。

专用（Special-purpose）型系统

专用型系统是针对一特定应用而设计，其适用范围大都是唯一的；它由特殊用途之激励和量测设备所构成，且构成此型系统之设备若自系统环境移去时，便无法用于其他系统。相较于泛用型系统，其主要优点有规模较小、效率与可靠度增加、维修简单、设备利用率较高以及适合作特殊测试等；而其缺点有，成本有比泛用型系统高之趋势、系统设备之专门知识要求较高以及测试设定能力有限等。

在测试功能而言，系统的执行测试程序之方式也分为两大类：

时域（Time-domain）响应测试

一或多个已知之输入量于一所给之时间点上输入至待测装置。而以一周期性速度量测输出量，以便特性化输出量于时间上之变动。量测响应之准确度视被量测之时间而定，虽然对于不同的输入测试情况，系统可重复执行测试，但对于每个输入都会做多个量测。

稳态（Steady-State）响应测试

一或多个已知之输入供给待测装置，等到它的输出到达稳态值，才开始作量测动作。此种测试过程一般是与时间相依的（Time-dependent），若太早去作量测，则量测准确度会因输出未到达稳态值而受损。因此，只要有足够的稳定延迟时间，则于任一时间均可作准确之量测。此种测试方式之输入与输出间有着一对一（One-to-one）之对应关系；也就是说每个测试输入，只有做一次的输出响应量测。

近几年来应用处理机来做自动量测方式已经极为普遍，但在这些方法中大都是只局限于某一类别项目，虽然在其类别应用具有一定的成效，但就整体的经济与实用性而言，并非具有很完善的价值，故本文中希望藉由一组交、直流激磁源与高阶的数位示波器来达成一套通用型的全自动化量测系统。

硬体架构

本套量测系统之测试电路与硬体架构由个人电脑（PC）、交流与直流可程式电源供应器（AC/DC PEPG）、数位式储存示波器（DSO）、可挠性电路教具板、马达制动器（MPB）、角度移动控制电路及待测试之机电设备及磁性元件所组成，而外部仪器及电路的沟通分别采用了GPIB与DAQ通讯模式。则各组成单元之功能兹分述如下：

个人电脑

个人电脑与人机界面软体（LabVIEW）配合做为系统控制器，透过人机界面之操作，PC会经由GPIB、DAQ通讯模式，对所要求的仪器下达动作指令或是资料设定，藉由这样的方式可简化控制与监督整个量测程序进行的复杂度，并快速简便的计算、显示及存档量测的资料。

激磁电源组

利用可程式化的直流与交流电源供应器做为系统激磁源，可自行选择所要产生测试项目的激磁信号，且具有可调（programmable）电压大小与频率的功能。另外需要方波信号的激磁信号时，可透过直流电源、信号产生器及可挠性电路板的组合，电压的大小由直流电源提供，信号产生器的脉波时间调整便达成控制开关元件之导通责任周期（duty cycle）。

数位式储存示波器

数位式储存示波器具有几个优点：

所量测到的电压与电流对时间之资料，透过GPIB沟通模式传回至PC，以进行各种特性参数之计算。

制动器（MPB）与角度移动控制电路

此项针对磁阻马达量测时或其它需要定位后的量测，由于对磁阻马达单相绕组激磁时转子立即会被磁吸，定其为耦合角度。但在测量其他角度时，必须藉由制动器来锁住马达转子否则又会被磁吸，而无法量到其他角度资料；角度移动控制电路是利用DAQ卡与PC沟通。每当PC进行完单一角度量测后，透过DAQ卡接收依编码器（Encoder）的变化位元数，进行控制小型伺服马达使SRM完成转子角度上的移位。额外系统也可经由DAQ介面选择所需要切换的激磁种类。

可挠性电路教具板

可挠性教具板主要是提供测试设备所需硬体驱动电路设计，而在面版上考量到许多测试设备与元件，所需之电路架构、规格、元件数及周遭搭配零件进而研究开发而成，富有可挠性的测试与设计功能，并可同时组合多种电路于面版上，因为面版的提供元件都是单一独立，因此可依编号灵活接线且加以比较各种电路的不同，尝试改变正规电路外的设计，激发学习者之电路创造能力并与带来更多实务验证经验。

软体规划

由于已有许多的辅助工具或设计工具皆以交谈式的应用架构于个人电脑系统，因此本系统也依此为基础。但有所不同的是，一般在新的辅助教材或工具开发时，大部分偏重于专业成效未能真正以学习者做为考量，导致往往只有极专业的人士或设计者本身才能很上善于操作。故在维持系统测试品质里，将格外着重人机画面上的操控设计与除错功能，并以图形式的说明面版让使用者能更明了所进行的步骤意义，达到更佳良好的学习成效。

人机界面软体开发是由LabVIEW程式语言去撰写，软体系统的主要功能为：定义量测程序、系统设备之定址与重设、量测程序之控制与监控、资料撷取与计算、测试信号与状态显示、量测结果之运算与显示等。由于在量测过程中，常常会因为杂讯、仪器以及人为的问题，导致无法非常精确获得所期待的波形，为了能使磁性元件的特性更加完整与精准，需以数值分析的办法来做补偿的动作，本文中使用线性差分及逼近两种方式来修正系统量测时的误差。其修正后的差异可由磁阻马达转距量测中比较得知，如(图一)所示；另外软体的运作流程为(图二)所示，在载入时，只需挑选实验的设备，便可进行自动与手动的量测试验。

《图一 逼近开关式磁阻马达3D转矩比较》

《图二 自动化量测系统操控流程》

系统信赖度

量测系统之信赖度可由灵敏度与精确度两方面来评估，而其主要影响是来自设备及资料处理的过程，将分为四项来说明。

灵敏度

量测系统之灵敏度可由示波器撷取系统之解析度（Resolution）与取样频率计算得到。其结果可经由换算后作为各项目量测时的灵敏度评估，而系统灵敏度S可表示为：

《公式一》

其中：

n为示波器ADC之bit数；

VFS为ABC之满刻度(Full-scale)电压;

fs为示波器之取样频率。

故本文中所使用之示波器LeCroy-LT342其计算参数为：n＝8bits，VFS＝±5V，最大取样频率fS＝500MHz，以磁通特性的量测来说明，磁通是由感应电势积分得到，而最小可量测到之磁通变量，为最小可量测得到之感应电势变量与取样率之乘积，故本系统针对磁特性量测下所提供的最大灵敏度约为0.78×10-10 Wb，至于其他的测试项目，依此方式可推算出。

精准度

整个系统的精确度受示波器撷取单元内之类比数位转换器（ADC）解析度与直流抵补（DC Offset）、取样的点数​​以及计算演算法之误差所影响。示波器之ADC解析度为8bits，其量测非确定性（Uncertainty）低于100ppm（Part Per Million），取样点数一般在2000点以上，而计算程式设计时使用数值分析的技巧来减少计算误差。因此，整个系统之量测总非确定性于10ppm之随机误差下低于120ppm。而各项量测试验之精确度，以利用量测出的结果与其厂商所提供标准值，于各种量测状况下，相互比较来求取量测下误差的大小，由目前已获得的实验结果得知，对于磁特性量测值与标准值之间的最大偏差量（Deviation）都小于±0.12％以下。另外加上对于其他实验项目，所安装的监控设备的性能考量，本套系统之总误差（Overall Error）可维持在±0.35％以下。

仪器网路化

系统的远端架构以现场的自动化量测系统，再连接至伺服器，透过乙太网路（Ethernet）与浏览器，达成远距教学、线上实习及设备监控等功能。由教学网页里点选进入虚拟仪器的测试页面后，可立即进行各种项目测试；而网路内的通讯原理，如(图三)所示，先由LabVIEW内部的附属程式库，以Visual Basic改写版面程式内容，透过Active X元件，与LabVIEW的网路函示库Data Socket Server作资料通讯的沟通，最后，将整体的程式包装成Html file和Cab file，使用者只要利用网路浏览器向伺服器提出要求读取Html file即可。

《图三 远程通信架构》

（作者为龙华科技大学电机工程系副教授；本文由NI美商国家仪器提供）

（本文下期将继续介绍自动化量测的电子仪器设备设计方式，欢迎读者继续锁定。）

市场动态

本文藉由撰写LabVIEW程式，建立一套图形介面之自动化量测系统，以期将来在开发自动平衡器或其他减振装置时，能够有效缩短系统之测试时间及减少工程人力的投入。而在整个自动化量测系统中将包含马达转速的监控、闪频仪同步化以及量测稳态时之残余振动量等。相关介绍请见「搭配滚珠型自动平衡器之光碟机振动量测系统 」一文。 在竞争激烈的环境中，品质将视为产品是否胜出的关键，在品质优先的条件下，产品抽样检验已经无法满足厂商及消费者的需求。全检可对每一个产品的品质把关，还能突显出产品的优势，因此，唯有使用符合客制化需求的自动化量测系统，才能在全检的条件下完成大量生产及出货的目标。你可在「 背光板辉度、均匀度量测系统简介」一文中得到进一步的介绍。 谈到量测自动化，就不能不提其中相当关键的资料撷取系统；「资料撷取」是由类比与数位讯号源自动化量测的过程，讯号来源包含感测器或是待测装置。资料撷取装置运用了PC-based量测硬体与软体的结合，来提供一个具弹性且「客制化」的量测系统。在「 自动化量测 抓住未来」一文为你做了相关的评析。

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