自1960年自動化的觀念開始建立，此一階段是以傳統性之生產技術改良為主，係針對工廠大量生產的技術而言。到了1970年，電腦科技突飛猛進，以電腦為基礎之自動化技術開始應用在工廠與辦公室。從1980年起個人電腦之蓬勃發展與價格大幅下降，更使得電腦被廣泛地使用在工業界與實驗研究單位，於是以個人電腦為基礎之自動化系統遂成為工程與研究人員所追求之目標。而自動化量測系統（Auto matic Measurement System；AMS）一詞對不同的使用者有不同的意義，因為適用於自動量測系統之工作不勝枚舉，不同的應用系統就有不同的測試原理與技巧。近幾年來個人電腦在自動量測與測試系統中扮演著非常重要的角色，以個人電腦為基礎之自動化量測系統能很有效地減低成本以及提升品質與可靠度，因此自動化是現代工業發展之趨勢，也是唯一能解決複雜的控制問題以及克服由於人為因素對系統所造成之影響的最佳途徑。電機、電腦、通訊與機械是發展工業自動化不可缺少之工具，然而在利用電腦系統去控制機械式之生產工具機時，如何將電氣信號轉換成相對應之機械動作，藉以操作機械設備已成為自動化控制中最重要的一環，此電氣轉換便是目前工業界和學術界極為重視之「機電整合」的主要課題之一。而自動化量測系統為機電量測系統之標準界面作電氣之轉換及資料的擷取與量測信號之回授，才能達成機電整合控制。

在現代化自動量測系統基本上是由精密的標準量測和測試儀器設備所組成，用於AMS之儀器設備必須是完全可程式的（Programmable），以便於測試程序之控制與設定。另外還必須具備由電腦或系統控制器（System Controller）接收規劃指令之能力。自動量測系統之另一特性要求為，所使用之儀器設備可透過切換裝置連接成任意所要之電氣架構。另外，自動化量測系統必須具備某種型式可通知操作者測試結果及提供指示給操作員之人機界面（Man–machine Interface）。透過交談式之人機界面，AMS能提供友善（Friendly）且具人性化之測試環境給使用者，操作員只需操作滑鼠做些簡單之選項，即可完成自動化測試作業。而自動化量測系統之型式依其應用方式一般分為兩大類：

泛用（General-purpose）型系統

泛用型系統可適合各種不同應用場合之要求，高可撓性與擴充性是本類系統之特色；它由一般用途之可程式量測和激勵設備所組成，這些設備具有可分離（Separable）功能。例如一用於泛用型系統中之多功能電表（Multimeter），若自系統中移去時，它仍然可以手動之控制方式來進行量測功能，此即具有可分離功能。泛用型量測系統應用範圍與目標較廣，其主要優點有，可多方面選擇組成系統設備之賣主、系統具擴展能力、初始之工程設計與發展費用較低，以及設備之賣主具有專業知識可供資詢等；而其缺點有，潛藏之發展成本較高、元件設備之使用較無效率、系統規模較大以及增加了維修費用等。

專用（Special-purpose）型系統

專用型系統是針對一特定應用而設計，其適用範圍大都是唯一的；它由特殊用途之激勵和量測設備所構成，且構成此型系統之設備若自系統環境移去時，便無法用於其他系統。相較於泛用型系統，其主要優點有規模較小、效率與可靠度增加、維修簡單、設備利用率較高以及適合作特殊測試等；而其缺點有，成本有比泛用型系統高之趨勢、系統設備之專門知識要求較高以及測試設定能力有限等。

在測試功能而言，系統的執行測試程序之方式也分為兩大類：

時域（Time-domain）響應測試

一或多個已知之輸入量於一所給之時間點上輸入至待測裝置。而以一週期性速度量測輸出量，以便特性化輸出量於時間上之變動。量測響應之準確度視被量測之時間而定，雖然對於不同的輸入測試情況，系統可重複執行測試，但對於每個輸入都會做多個量測。

穩態（Steady-State）響應測試

一或多個已知之輸入供給待測裝置，等到它的輸出到達穩態值，才開始作量測動作。此種測試過程一般是與時間相依的（Time-dependent），若太早去作量測，則量測準確度會因輸出未到達穩態值而受損。因此，只要有足夠的穩定延遲時間，則於任一時間均可作準確之量測。此種測試方式之輸入與輸出間有著一對一（One-to-one）之對應關係；也就是說每個測試輸入，只有做一次的輸出響應量測。

近幾年來應用處理機來做自動量測方式已經極為普遍，但在這些方法中大都是只侷限於某一類別項目，雖然在其類別應用具有一定的成效，但就整體的經濟與實用性而言，並非具有很完善的價值，故本文中希望藉由一組交、直流激磁源與高階的數位示波器來達成一套通用型的全自動化量測系統。

硬體架構

本套量測系統之測試電路與硬體架構由個人電腦（PC）、交流與直流可程式電源供應器（AC/DC PEPG）、數位式儲存示波器（DSO）、可撓性電路教具板、馬達制動器（MPB）、角度移動控制電路及待測試之機電設備及磁性元件所組成，而外部儀器及電路的溝通分別採用了GPIB與DAQ通訊模式。則各組成單元之功能茲分述如下：

個人電腦

個人電腦與人機界面軟體（LabVIEW）配合做為系統控制器，透過人機界面之操作，PC會經由GPIB、DAQ通訊模式，對所要求的儀器下達動作指令或是資料設定，藉由這樣的方式可簡化控制與監督整個量測程序進行的複雜度，並快速簡便的計算、顯示及存檔量測的資料。

激磁電源組

利用可程式化的直流與交流電源供應器做為系統激磁源，可自行選擇所要產生測試項目的激磁信號，且具有可調（programmable）電壓大小與頻率的功能。另外需要方波信號的激磁信號時，可透過直流電源、信號產生器及可撓性電路板的組合，電壓的大小由直流電源提供，信號產生器的脈波時間調整便達成控制開關元件之導通責任週期（duty cycle）。

數位式儲存示波器

數位式儲存示波器具有幾個優點：

所量測到的電壓與電流對時間之資料，透過GPIB溝通模式傳回至PC，以進行各種特性參數之計算。

制動器（MPB）與角度移動控制電路

此項針對磁阻馬達量測時或其它需要定位後的量測，由於對磁阻馬達單相繞組激磁時轉子立即會被磁吸，定其為耦合角度。但在測量其他角度時，必須藉由制動器來鎖住馬達轉子否則又會被磁吸，而無法量到其他角度資料；角度移動控制電路是利用DAQ卡與PC溝通。每當PC進行完單一角度量測後，透過DAQ卡接收依編碼器（Encoder）的變化位元數，進行控制小型伺服馬達使SRM完成轉子角度上的移位。額外系統也可經由DAQ介面選擇所需要切換的激磁種類。

可撓性電路教具板

可撓性教具板主要是提供測試設備所需硬體驅動電路設計，而在面版上考量到許多測試設備與元件，所需之電路架構、規格、元件數及周遭搭配零件進而研究開發而成，富有可撓性的測試與設計功能，並可同時組合多種電路於面版上，因為面版的提供元件都是單一獨立，因此可依編號靈活接線且加以比較各種電路的不同，嘗試改變正規電路外的設計，激發學習者之電路創造能力並與帶來更多實務驗證經驗。

軟體規劃

由於已有許多的輔助工具或設計工具皆以交談式的應用架構於個人電腦系統，因此本系統也依此為基礎。但有所不同的是，一般在新的輔助教材或工具開發時，大部分偏重於專業成效未能真正以學習者做為考量，導致往往只有極專業的人士或設計者本身才能很上善於操作。故在維持系統測試品質裡，將格外著重人機畫面上的操控設計與除錯功能，並以圖形式的說明面版讓使用者能更明瞭所進行的步驟意義，達到更佳良好的學習成效。

人機界面軟體開發是由LabVIEW程式語言去撰寫，軟體系統的主要功能為：定義量測程序、系統設備之定址與重設、量測程序之控制與監控、資料擷取與計算、測試信號與狀態顯示、量測結果之運算與顯示等。由於在量測過程中，常常會因為雜訊、儀器以及人為的問題，導致無法非常精確獲得所期待的波形，為了能使磁性元件的特性更加完整與精準，需以數值分析的辦法來做補償的動作，本文中使用線性差分及逼近兩種方式來修正系統量測時的誤差。其修正後的差異可由磁阻馬達轉距量測中比較得知，如(圖一)所示；另外軟體的運作流程為(圖二)所示，在載入時，只需挑選實驗的設備，便可進行自動與手動的量測試驗。

《圖一　逼近開關式磁阻馬達3D轉矩比較》

《圖二　自動化量測系統操控流程》

系統信賴度

量測系統之信賴度可由靈敏度與精確度兩方面來評估，而其主要影響是來自設備及資料處理的過程，將分為四項來說明。

靈敏度

量測系統之靈敏度可由示波器擷取系統之解析度（Resolution）與取樣頻率計算得到。其結果可經由換算後作為各項目量測時的靈敏度評估，而系統靈敏度S可表示為：

《公式一》

其中：

n為示波器ADC之bit數；

VFS為ADC之滿刻度（Full-scale）電壓；

fs為示波器之取樣頻率。

故本文中所使用之示波器LeCroy-LT342其計算參數為：n＝8bits，VFS＝±5V，最大取樣頻率fS＝500MHz，以磁通特性的量測來說明，磁通是由感應電勢積分得到，而最小可量測到之磁通變量，為最小可量測得到之感應電勢變量與取樣率之乘積，故本系統針對磁特性量測下所提供的最大靈敏度約為0.78×10-10 Wb，至於其他的測試項目，依此方式可推算出。

精準度

整個系統的精確度受示波器擷取單元內之類比數位轉換器（ADC）解析度與直流抵補（DC Offset）、取樣的點數以及計算演算法之誤差所影響。示波器之ADC解析度為8bits，其量測非確定性（Uncertainty）低於100ppm（Part Per Million），取樣點數一般在2000點以上，而計算程式設計時使用數值分析的技巧來減少計算誤差。因此，整個系統之量測總非確定性於10ppm之隨機誤差下低於120ppm。而各項量測試驗之精確度，以利用量測出的結果與其廠商所提供標準值，於各種量測狀況下，相互比較來求取量測下誤差的大小，由目前已獲得的實驗結果得知，對於磁特性量測值與標準值之間的最大偏差量（Deviation）都小於±0.12％以下。另外加上對於其他實驗項目，所安裝的監控設備的性能考量，本套系統之總誤差（Overall Error）可維持在±0.35％以下。

儀器網路化

系統的遠端架構以現場的自動化量測系統，再連接至伺服器，透過乙太網路（Ethernet）與瀏覽器，達成遠距教學、線上實習及設備監控等功能。由教學網頁裡點選進入虛擬儀器的測試頁面後，可立即進行各種項目測試；而網路內的通訊原理，如(圖三)所示，先由LabVIEW內部的附屬程式庫，以Visual Basic改寫版面程式內容，透過Active X元件，與LabVIEW的網路函示庫Data Socket Server作資料通訊的溝通，最後，將整體的程式包裝成Html file和Cab file，使用者只要利用網路瀏覽器向伺服器提出要求讀取Html file即可。

《圖三　遠端通訊架構》

（作者為龍華科技大學電機工程系副教授；本文由NI美商國家儀器提供）

（本文下期將繼續介紹自動化量測的電子儀器設備設計方式，歡迎讀者繼續鎖定。）

市場動態

本文藉由撰寫LabVIEW程式，建立一套圖形介面之自動化量測系統，以期將來在開發自動平衡器或其他減振裝置時，能夠有效縮短系統之測試時間及減少工程人力的投入。而在整個自動化量測系統中將包含馬達轉速的監控、閃頻儀同步化以及量測穩態時之殘餘振動量等。相關介紹請見「搭配滾珠型自動平衡器之光碟機振動量測系統 」一文。 在競爭激烈的環境中，品質將視為產品是否勝出的關鍵，在品質優先的條件下，產品抽樣檢驗已經無法滿足廠商及消費者的需求。全檢可對每一個產品的品質把關，還能突顯出產品的優勢，因此，唯有使用符合客製化需求的自動化量測系統，才能在全檢的條件下完成大量生產及出貨的目標。你可在「 背光板輝度、均勻度量測系統簡介」一文中得到進一步的介紹。 談到量測自動化，就不能不提其中相當關鍵的資料擷取系統；「資料擷取」是由類比與數位訊號源自動化量測的過程，訊號來源包含感測器或是待測裝置。資料擷取裝置運用了PC-based量測硬體與軟體的結合，來提供一個具彈性且「客製化」的量測系統。在「 自動化量測 抓住未來」一文為你做了相關的評析。

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