專用測試裝備計量特性的分析方法

文 海 翟巧麗 秦項乾

(中國華陰兵器試驗中心計量測試站，華陰 714200)

1 引 言

專用測試裝備是為完成某一特定測試任務(wù)而組合起來的成套裝備(設(shè)備)，是靶場發(fā)揮測試能力的基礎(chǔ)載體。長期以來，由于專用測試裝備[1]的組成復(fù)雜、同型數(shù)量較少，又被稱為非標(biāo)測試裝備，沒有相應(yīng)的計量檢測規(guī)程，也沒有可供參考的分析指南，其計量特性[2,3]不能得到科學(xué)、規(guī)范的參數(shù)描述，部分指標(biāo)要求過高，有的直接將裝備的設(shè)計參數(shù)指標(biāo)或功能指標(biāo)當(dāng)成計量特性，導(dǎo)致其量值難以有效溯源，從而影響了專用測試裝備測試結(jié)果的可信性。因此，為專用測試裝備建立一套計量特性分析方法，便于專用測試裝備向國家計量基準(zhǔn)進(jìn)行量值溯源，從而在裝備的測試結(jié)果與國家計量基準(zhǔn)之間建立起計量溯源鏈[4]。

2 系統(tǒng)分析法

通用測試設(shè)備，尤其是計量設(shè)備的計量特性，一般是依據(jù)國家或行業(yè)發(fā)布的計量規(guī)程或型式評定要求進(jìn)行確定。而專用測試裝備的計量特性大多是在研制或制造過程中，根據(jù)裝備的設(shè)計需求或功能確定。采用的方法是從制造者視角出發(fā)，要求全方位覆蓋，對使用者來說，既沒有技術(shù)積累，也無法將計量保障聚焦到裝備本身的測試功能上，造成經(jīng)濟(jì)和時間的浪費(fèi)。

專用測試裝備是基于靶場測試任務(wù)而建立的一類測試裝備，其結(jié)果呈現(xiàn)主要是測試能力。為此，以測試能力為基點，應(yīng)用系統(tǒng)分析法，將專用測試裝備視為一個系統(tǒng)，從組成原理上將專用測試裝備抽象為主機(jī)(終端)、信息獲取、驅(qū)動執(zhí)行和支持保障等四個設(shè)備(或分系統(tǒng))組成，如圖1。

圖1 專用測試裝備的原理框圖

在圖1中，除支持保障設(shè)備(或分系統(tǒng))外，其他設(shè)備(或分系統(tǒng))均直接參與專用測試裝備實現(xiàn)其測試能力的過程。

2.1 分析思路

分析專用測試裝備計量特性，主要有三項任務(wù)：一是根據(jù)測試能力與性能參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，識別并確定計量特性；二是參照通用計量專業(yè)，對計量特性進(jìn)行規(guī)范的參數(shù)描述；三是根據(jù)裝備實際，對計量特性的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行合理確定。為此，分析確定專用測試裝備計量特性的思路主要是：立足于裝備的測試任務(wù)，綜合考慮裝備的組成原理及實際參試測試環(huán)節(jié)，以裝備現(xiàn)有性能參數(shù)為參考，以“可計量”為原則，兼顧裝備的使用環(huán)境、時間效應(yīng)、安全風(fēng)險及經(jīng)濟(jì)成本等因素，通過建立專用測試裝備的測試能力與計量特性之間的關(guān)聯(lián)模型，如圖2所示，最終確定其計量特性。

圖2 關(guān)聯(lián)模型圖

2.2 識別范圍

2.2.1 凡是影響專用測試裝備準(zhǔn)確測試的性能參數(shù)，均應(yīng)納入計量特性的識別范圍：

(1)對裝備系統(tǒng)運(yùn)行有直接影響的系統(tǒng)級性能參數(shù)；

(2)當(dāng)分系統(tǒng)對接或集成到裝備系統(tǒng)當(dāng)中時，對裝備運(yùn)行有影響的分系統(tǒng)性能參數(shù)；

(3)當(dāng)設(shè)備作為系統(tǒng)或分系統(tǒng)中的一部分使用時，對裝備運(yùn)行有影響的設(shè)備性能參數(shù)；

(4)若裝備實際使用環(huán)境既有標(biāo)準(zhǔn)實驗室環(huán)境，又有野外環(huán)境，尤其是高原、濕熱、低溫等環(huán)境，應(yīng)將該裝備對使用環(huán)境敏感的性能參數(shù)納入識別；

(5)雖然與裝備的功能用途沒有直接關(guān)系，但對預(yù)防裝備損壞(故障)、人身危害等安全風(fēng)險有利的性能參數(shù)。

2.2.2 符合下列情形的，可以從計量特性識別范圍內(nèi)剔除：

(1)當(dāng)性能參數(shù)的量值幾乎不受時間長短的影響時，比如：外觀尺寸、顯示分辨力等幾乎不受時間的影響；

(2)若對該性能參數(shù)直接溯源的經(jīng)濟(jì)成本(或時間成本)無法接受時。

2.3 “可計量”原則

2.3.1 可定量

其指標(biāo)要求可以定量化描述，不是功能性描述。

2.3.2可測量

其結(jié)果只能通過測量活動才能得到，不是通過設(shè)計、上級規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、經(jīng)驗總結(jié)或統(tǒng)計等方式得到。

2.3.3能溯源

其測量結(jié)果可以通過檢定、校準(zhǔn)、比對測試等專業(yè)計量活動直接或間接向國家計量基準(zhǔn)進(jìn)行量值溯源。

3 方法確定

3.1 主要步驟

分析專用測試裝備計量特性，主要按描述試驗測試能力、系統(tǒng)性能分析、組成原理分析、確定計量特性等4個步驟進(jìn)行，其分析流程如圖3所示。

圖3 分析流程圖

3.1.1描述試驗測試能力

根據(jù)專用測試裝備承擔(dān)的測試任務(wù)，逐項描述其試驗測試能力，明確該試驗?zāi)芰Φ膬?nèi)涵與外延，以便從中找出與專用測試裝備性能參數(shù)相關(guān)的線索。

3.1.2系統(tǒng)性能分析

以裝備的測試能力為觀察視角，從專用測試裝備的性能參數(shù)當(dāng)中，梳理并列出對該測試能力有關(guān)聯(lián)影響的系統(tǒng)級性能參數(shù)，并按“可計量”原則逐個判定，直至分析完全部有關(guān)聯(lián)影響的系統(tǒng)級性能參數(shù)，若系統(tǒng)級性能參數(shù)的計量成本無法接受時可進(jìn)行結(jié)構(gòu)組成原理分析。

3.1.3結(jié)構(gòu)組成原理分析

以選定的系統(tǒng)級性能參數(shù)為觀察視角，對裝備進(jìn)行結(jié)構(gòu)組成原理分析，梳理并列出對該系統(tǒng)級性能參數(shù)有關(guān)聯(lián)影響的組成設(shè)備(或分系統(tǒng))，并按“可計量”原則逐個設(shè)備進(jìn)行判定，直至分析完全部有關(guān)聯(lián)影響的設(shè)備。

3.1.4確定計量特性

針對上述分析列出的計量特性，結(jié)合使用環(huán)境、時間效應(yīng)、安全風(fēng)險及經(jīng)濟(jì)成本等因素進(jìn)行權(quán)衡，以最終確定出專用測試裝備的計量特性。

3.2 結(jié)果表達(dá)

專用測試裝備計量特性的結(jié)果表達(dá)主要包括參數(shù)描述和指標(biāo)要求兩部分。其中：參數(shù)描述是計量特性具有計量專業(yè)屬性的名稱；指標(biāo)要求反映了該計量特性的測量能力，包括使用范圍和允許誤差等兩個內(nèi)容。表1給出了部分計量特性的表達(dá)示例。

表1 計量特性表達(dá)示例Tab.1 Examplesofexpressionofmetrologicalcharacteristics序號參數(shù)描述指標(biāo)要求使用范圍允許誤差1溫度波動性18℃^20℃≤0.5℃(每小時變化)2直流電壓1mV^1000V±1%3信號功率-10dB^20dB(50MHz^26.5GHz)0.12dB^0.18dB4脈沖電壓1mV^200V±0.05%5上升時間>5ps1ps

3.2.1參數(shù)描述

為準(zhǔn)確描述計量特性的參數(shù)，可以參照通用計量專業(yè)的參數(shù)描述，對計量特性進(jìn)行規(guī)范化命名，確保參數(shù)描述的意義明確、無歧義，并指出所屬計量專業(yè)，為該裝備后期的計量溯源提供指引。

3.2.2指標(biāo)要求

鑒于專用測試裝備的計量特性近似反映裝備的測試能力，其指標(biāo)要求越高，對應(yīng)的測量能力就越高，對計量保障的要求也就越高；指標(biāo)要求越低，對應(yīng)的測量能力就越低，對計量保障的要求就越低。所以，指標(biāo)要求高低與計量保障的難度、經(jīng)濟(jì)成本、時間成本之間成正相關(guān)。

為此，參照GJB 5109[5]，結(jié)合靶場的應(yīng)用實際，專用測試裝備指標(biāo)要求的確定原則如下：

(1)使用范圍和允許誤差不得高于該計量特性對應(yīng)性能參數(shù)的名義指標(biāo)；

(2)當(dāng)計量保障的難度、經(jīng)濟(jì)成本、時間成本難以接受時，使用范圍和允許誤差可以適當(dāng)?shù)陀谠撚嬃刻匦詫?yīng)性能參數(shù)的名義指標(biāo)；

(3)系統(tǒng)級計量特性的使用范圍不得小于與之有關(guān)的其他計量特性使用范圍，其允許誤差不得低于與之有關(guān)的其他計量特性允許誤差的3倍；

(4)當(dāng)計量特性來源于輸入激勵源的性能參數(shù)時，其使用范圍和允許誤差可以等同與之有關(guān)的系統(tǒng)級計量特性。

4 實例分析

下面以炮口沖擊波測試系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，對其中的指標(biāo)暫不作具體分析和描述。

在靶場，炮口沖擊波測試系統(tǒng)的使命任務(wù)是測試炮口沖擊波[6]，其工作原理是基于壓電效應(yīng)(或壓阻效應(yīng))，由壓電式(或壓阻式)壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號適調(diào)放大，輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，得到“沖擊波超壓—時間”曲線、超壓峰值、持續(xù)時間等測量結(jié)果，見圖4。

圖4 炮口沖擊波測試系統(tǒng)的原理示意圖

炮口沖擊波測試系統(tǒng)的測試能力主要有沖擊波壓力和持續(xù)時間等兩項。沖擊波壓力是在頻率響應(yīng)范圍內(nèi)的壓力測量，與該專用測試裝備系統(tǒng)級性能參數(shù)相關(guān)；沖擊波持續(xù)時間直接與主機(jī)(終端)——多通道數(shù)據(jù)采集器的性能參數(shù)相關(guān)。若沖擊波壓力作為計量特性，由于計量保障難度較大，計量成本高、時間長，因此，需從其結(jié)構(gòu)組成原理上分析確定其他計量特性。而炮口沖擊波測試系統(tǒng)是由壓力傳感器、適調(diào)放大器、多通道數(shù)據(jù)采集器等通用測試設(shè)備組成，依據(jù)JJG 860-2015[7]、JJG 624-2005[8]、JJF 1506-2015[9]和JJF 1048-1995[10]等計量技術(shù)規(guī)范，分析確定計量特性，見表2。

表2 炮口沖擊波測試系統(tǒng)的計量特性名稱Tab.2 Nameofmeasurementcharacteristicsofblast-wavetestsystemformuzzle結(jié)構(gòu)原理組成原理名稱實際名稱對應(yīng)的計量特性相關(guān)的測試能力主機(jī)(終端)信息獲取設(shè)備多通道數(shù)據(jù)采集器壓力傳感器適調(diào)放大器最高循環(huán)采集速率線性度誤差限時間漂移通道間串?dāng)_輸入電阻輸入通頻帶動態(tài)有效位數(shù)共模抑制比串模抑制特性溫度漂移特性絕緣電阻基本誤差限重復(fù)性遲滯線性零點漂移周期穩(wěn)定性幅值靈敏度上升時間振鈴頻率過沖量建立時間線性頻率響應(yīng)級線性頻率計權(quán)高、低通濾波器特性總失真沖擊波持續(xù)時間沖擊波壓力

5 結(jié)束語

從使用者視角，以測試能力為基點，建立了專用的測試裝備計量特性分析方法，具有簡單易行的特點，為評定靶場在役裝備計量特性提供支持，使其計量特性的參數(shù)描述更規(guī)范，既有利于理解，又有利于計量溯源，從而提高計量保障的針對性；定義的指標(biāo)要求更合理，可以降低經(jīng)濟(jì)成本和時間成本，提高計量保障的有效性。本文所述的方法為新建(或在研)裝備論證計量特性參數(shù)、指標(biāo)及檢測設(shè)備(儀器、儀表)配置提供參考，避免出現(xiàn)計量保障困難的先天缺陷。