雷達(dá)TR生產(chǎn)線測(cè)試系統(tǒng)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)整體校準(zhǔn)技術(shù)研究

樓紅英 楊 忠 沈保龍 陳效杰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所，江蘇南京 210039)

1 引 言

為滿足小批量、多品種軍工產(chǎn)品快速測(cè)量的迫切需求，適用于多型產(chǎn)品測(cè)試的復(fù)雜中大型專用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[1]應(yīng)運(yùn)而生。其涉及參數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得生產(chǎn)線測(cè)試系統(tǒng)在質(zhì)量控制、現(xiàn)場(chǎng)快速、系統(tǒng)整體計(jì)量校準(zhǔn)等方面存在突出的計(jì)量難點(diǎn)問題。測(cè)試系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system calibration

目前，雷達(dá)TR生產(chǎn)線大型測(cè)試系統(tǒng)[2]校準(zhǔn)難點(diǎn)主要表現(xiàn)如下。

1)復(fù)雜大型測(cè)試系統(tǒng)具有多通道、多量程、多參數(shù)、多狀態(tài)、多模式并行工作的特殊性；

2)測(cè)量信號(hào)的種類眾多，信號(hào)時(shí)序狀態(tài)、邏輯狀態(tài)及交聯(lián)互耦關(guān)系復(fù)雜；

3)復(fù)雜大型測(cè)試系統(tǒng)體積龐大，拆裝搬移困難，現(xiàn)場(chǎng)整機(jī)校準(zhǔn)缺少有效手段；

4)復(fù)雜大型測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)時(shí)間長(zhǎng)，影響產(chǎn)線生產(chǎn)效率，無(wú)法保障測(cè)試系統(tǒng)的快速故障診斷手段和計(jì)量效率。

因此，在智能制造和智慧測(cè)試新形勢(shì)、新技術(shù)形態(tài)下，急需開展計(jì)量方法與傳遞標(biāo)準(zhǔn)的研究，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合信息化、自動(dòng)化手段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中采集、分析、利用、追溯，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的遠(yuǎn)程[3]在線、現(xiàn)場(chǎng)原位、整體快速校準(zhǔn)[4]。

2 創(chuàng)建測(cè)試系統(tǒng)傳遞標(biāo)準(zhǔn)體系

根據(jù)雷達(dá)TR生產(chǎn)線測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量項(xiàng)目[5]，確定測(cè)試系統(tǒng)需量傳的關(guān)鍵參數(shù)[6]主要有幅度[7]、相位、噪聲系數(shù)、反射系數(shù)等。對(duì)應(yīng)各量傳參數(shù)，研建適用于現(xiàn)場(chǎng)量傳的多通道、多參數(shù)的小型、便攜計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)件，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的遠(yuǎn)程在線、現(xiàn)場(chǎng)原位、自動(dòng)整體校準(zhǔn)，實(shí)時(shí)判斷系統(tǒng)的功能性能正常。

計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)件需覆蓋多品種、小批量研制產(chǎn)品的主要參數(shù)和范圍，包括單件傳遞標(biāo)準(zhǔn)(如衰減器、移相器、低噪聲放大器等)和組合傳遞件(由電控衰減器、電控移相器等組合而成)以及“GOLDEN DUT”即優(yōu)質(zhì)被測(cè)件，它們都具有極高的重復(fù)性與穩(wěn)定性。其中單件和組合傳遞標(biāo)準(zhǔn)主要用于測(cè)試系統(tǒng)定期校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)；“GOLDEN DUT”則在測(cè)試系統(tǒng)測(cè)不準(zhǔn)或測(cè)不穩(wěn)時(shí)，作為核查標(biāo)準(zhǔn)使用。計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)件經(jīng)測(cè)量不確定度[8]分析和評(píng)定，重復(fù)性和穩(wěn)定性考核，測(cè)量不確定度驗(yàn)證后使用。

產(chǎn)品的多品種、小批量導(dǎo)致了測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試端的多樣性。被計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)的輸入輸出端口終端各不相同，需配備不同的計(jì)量適配器，以確保各種信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)耐瑫r(shí)不破壞信號(hào)的計(jì)量特性，計(jì)量校準(zhǔn)適配器具有通用性和一定的可擴(kuò)展性。對(duì)帶適配器的計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)件，通過開展去嵌入校準(zhǔn)技術(shù)研究，及應(yīng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀SmartCal校準(zhǔn)等技術(shù)，編制自動(dòng)誤差修正程序，并實(shí)時(shí)修正，保證計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)件的準(zhǔn)確定標(biāo)，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

同時(shí)傳遞標(biāo)準(zhǔn)件為適應(yīng)于被測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)整體量傳研建而成，穩(wěn)定可靠的量傳數(shù)據(jù)是測(cè)試系統(tǒng)是否滿足校準(zhǔn)要求的判斷依據(jù)，所以要定期對(duì)傳遞標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行定標(biāo)及誤差的修正，并對(duì)定標(biāo)數(shù)據(jù)測(cè)量不確定度進(jìn)行分析和評(píng)定[6]，以保證量值的準(zhǔn)確有效。雷達(dá)TR生產(chǎn)線測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)主要有幅度、相位、噪聲等等。根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)量傳參數(shù)，選用滿足各參數(shù)量值傳遞要求的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具，制定相應(yīng)的校準(zhǔn)方案，編制自動(dòng)定標(biāo)程序，實(shí)現(xiàn)多通道多參數(shù)計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)件的快速定標(biāo)。以幅度參數(shù)定標(biāo)為例，幅度參數(shù)定標(biāo)流程如圖2所示。

圖2 幅度參數(shù)定標(biāo)流程圖Fig.2 Flow chart of amplitude parameter calibration

計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)件在實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)后，在測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)可以很好的復(fù)現(xiàn)各參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)比對(duì)，快速實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)功能與性能的合格判斷。

計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)件所復(fù)現(xiàn)的參數(shù)均可溯源至國(guó)家/國(guó)防最高標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)量傳途徑如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)量值溯源圖Fig.3 Measurement value traceability diagram of test system

3 構(gòu)建生產(chǎn)線測(cè)試系統(tǒng)遠(yuǎn)程計(jì)量管控系統(tǒng)

構(gòu)建“計(jì)量-管理-數(shù)據(jù)”為一體的生產(chǎn)線測(cè)試系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線計(jì)量管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)在線計(jì)量及管理。在遠(yuǎn)程在線計(jì)量管控系統(tǒng)整體架構(gòu)中，通過建立跨網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心，及測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的整合、改造，制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)被校測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)的全流程驅(qū)動(dòng)；構(gòu)建跨網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)溝通機(jī)制，通過技術(shù)架構(gòu)確立不同網(wǎng)絡(luò)間的業(yè)務(wù)、標(biāo)準(zhǔn)、接口和關(guān)系，提供交互協(xié)議以及交互標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)計(jì)量任務(wù)溝通協(xié)調(diào)及計(jì)量數(shù)據(jù)的交互傳輸，完成計(jì)量結(jié)果分析及推送。通過跨網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心完成數(shù)據(jù)交換，制定業(yè)務(wù)流程，解決數(shù)據(jù)交換困難、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、信息孤島等問題，實(shí)現(xiàn)計(jì)量任務(wù)、計(jì)量數(shù)據(jù)、計(jì)量證書等計(jì)量信息互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享。

根據(jù)計(jì)量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理要求，測(cè)試系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線計(jì)量管控系統(tǒng)建立在一個(gè)跨網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)上，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過中間的數(shù)據(jù)溝通機(jī)制來進(jìn)行。因此測(cè)試系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線計(jì)量管控系統(tǒng)通過必要的數(shù)據(jù)溝通機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，其整體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程在線計(jì)量管控系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Fig.4 Overall architecture of remote online metering control system

在遠(yuǎn)程在線計(jì)量管控系統(tǒng)中，通過將計(jì)量測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)管理、校準(zhǔn)管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)分析等與業(yè)務(wù)流程深度融合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線測(cè)試系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線快速校準(zhǔn)。

測(cè)試系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線計(jì)量管控系統(tǒng)的建立分為兩部分。

1)基于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)管理部分，包括測(cè)試系統(tǒng)的計(jì)量計(jì)劃管理、計(jì)量需求管理等，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的計(jì)量計(jì)劃發(fā)布、計(jì)量信息公開、校準(zhǔn)需求發(fā)布的管理功能等等；

2)基于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的計(jì)量測(cè)試部分，包括計(jì)量管理、計(jì)量校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)中心等，實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)查詢、周檢計(jì)劃管理、儀器送檢流程、傳遞標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)儀器管理、標(biāo)準(zhǔn)文件管理、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用等功能。計(jì)量測(cè)試主要包含傳遞標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)定標(biāo)程序(含自動(dòng)誤差修正)、測(cè)試系統(tǒng)整體校準(zhǔn)程序、數(shù)據(jù)采集和分析軟件、校準(zhǔn)報(bào)告生成軟件、校準(zhǔn)報(bào)告等功能。

測(cè)試系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線計(jì)量管控系統(tǒng)將測(cè)試系統(tǒng)的計(jì)劃管理與測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)整個(gè)過程通過校準(zhǔn)業(yè)務(wù)流程深度融合，從校準(zhǔn)需求、到標(biāo)準(zhǔn)選擇、建立，到數(shù)據(jù)采用、計(jì)算、分析，到數(shù)據(jù)報(bào)告生成以及校準(zhǔn)任務(wù)完成情況，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)流程化的遠(yuǎn)程在線、現(xiàn)場(chǎng)原位、整體快速校準(zhǔn)。

4 測(cè)試系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)整體計(jì)量

測(cè)試系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)整體校準(zhǔn)，是利用研建的傳遞標(biāo)準(zhǔn)件，采用直接加比對(duì)測(cè)量的方法來實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)試校準(zhǔn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：(實(shí)驗(yàn)室)傳遞標(biāo)準(zhǔn)件定標(biāo)、計(jì)量數(shù)據(jù)管理，測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)、校準(zhǔn)結(jié)果判定及故障預(yù)判，如圖5所示。管控系統(tǒng)包括測(cè)試管理功能和數(shù)據(jù)服務(wù)功能。

測(cè)試管理功能主要?jiǎng)澐譃閮刹糠郑簜鬟f標(biāo)準(zhǔn)件定標(biāo)管理、測(cè)試系統(tǒng)原位校準(zhǔn)管理，二者通過數(shù)據(jù)服務(wù)功能有機(jī)結(jié)合。從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)到數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)。程序管理、程序開發(fā)、數(shù)據(jù)管理及校準(zhǔn)報(bào)告的管理如圖6所示。

圖5 遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)圖Fig.5 Architectural diagram of remote automatic test platform

圖6 遠(yuǎn)程自動(dòng)原位校準(zhǔn)設(shè)計(jì)框圖Fig.6 Design block diagram of remote automatic field calibration

多通道、多參數(shù)的計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)件，在計(jì)量實(shí)驗(yàn)室采用自動(dòng)方式進(jìn)行標(biāo)定，并將定標(biāo)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器保存。在生產(chǎn)線測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，下載定標(biāo)數(shù)據(jù)作為測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)的參考值(標(biāo)準(zhǔn)值)，結(jié)合系統(tǒng)指標(biāo)可以快速判斷系統(tǒng)性能指標(biāo)是否滿足測(cè)試系統(tǒng)的使用要求。從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)快速校準(zhǔn)并給出結(jié)論。遠(yuǎn)程在線自動(dòng)測(cè)試流程如圖7所示。

具體步驟如下。

1)傳遞標(biāo)準(zhǔn)件定標(biāo)任務(wù)。傳遞標(biāo)準(zhǔn)件定標(biāo)任務(wù)依據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范和自編校準(zhǔn)方法中建議的校準(zhǔn)周期，由內(nèi)網(wǎng)下達(dá)，計(jì)量檢定員通過內(nèi)網(wǎng)，接收定標(biāo)任務(wù)，并在計(jì)量實(shí)驗(yàn)室完成傳遞標(biāo)準(zhǔn)件定標(biāo)；

2)傳遞標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)。計(jì)量人員接收定標(biāo)任務(wù)，下載并運(yùn)行傳遞標(biāo)準(zhǔn)件自動(dòng)校準(zhǔn)程序和記錄模板，完成傳遞標(biāo)準(zhǔn)件自動(dòng)定標(biāo)和其測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定，定標(biāo)完成后生成相應(yīng)的校準(zhǔn)證書；

圖7 遠(yuǎn)程在線自動(dòng)校準(zhǔn)流程示意圖Fig.7 Schematic diagram of remote online automatic calibration

3)定標(biāo)數(shù)據(jù)上傳。工業(yè)網(wǎng)服務(wù)器作為數(shù)據(jù)中樞，傳遞標(biāo)準(zhǔn)件在計(jì)量實(shí)驗(yàn)室完成自動(dòng)定標(biāo)后，定標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)以定制文件形式上傳至工業(yè)網(wǎng)服務(wù)器，以備現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)作為判斷依據(jù)；

4)測(cè)試系統(tǒng)計(jì)量任務(wù)的驅(qū)動(dòng)。一般分為兩種情況，其一是周期驅(qū)動(dòng)的任務(wù)。測(cè)試系統(tǒng)依據(jù)相應(yīng)的自編校準(zhǔn)方法進(jìn)行周期校準(zhǔn)，測(cè)試系統(tǒng)的計(jì)量周檢任務(wù)通過所內(nèi)網(wǎng)下發(fā)至計(jì)量人員，計(jì)量人員接收該任務(wù)，在測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)，利用傳遞標(biāo)準(zhǔn)件，下載并運(yùn)行測(cè)試系統(tǒng)計(jì)量測(cè)試程序，完成測(cè)試系統(tǒng)計(jì)量校準(zhǔn)。其二是故障驅(qū)動(dòng)的任務(wù)，當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)在規(guī)定的周期(一般為1年)內(nèi)，出現(xiàn)測(cè)不準(zhǔn)、測(cè)不穩(wěn)等現(xiàn)象時(shí)，生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)人員，可以根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)檢驗(yàn)作業(yè)指導(dǎo)書，利用現(xiàn)場(chǎng)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)件，下載并運(yùn)行測(cè)試系統(tǒng)計(jì)量校準(zhǔn)程序，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)；

5)測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)下載定標(biāo)數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)下載測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)本地計(jì)算機(jī)。本地計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)將自動(dòng)獲取定標(biāo)數(shù)據(jù)。定標(biāo)數(shù)據(jù)將作為測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)的參考值呈現(xiàn)在原始記錄中；

6)測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)整體計(jì)量。測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)原位整體校準(zhǔn)分為兩部分：測(cè)試系統(tǒng)自校準(zhǔn)和系統(tǒng)整機(jī)校準(zhǔn)。在日常工作中，為保障雷達(dá)TR組件測(cè)試的準(zhǔn)確性和一致性，在測(cè)試前需要對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行自校準(zhǔn)。為確保計(jì)量的有效性，測(cè)試系統(tǒng)的原位整體計(jì)量要在測(cè)試系統(tǒng)正常測(cè)試狀態(tài)下完成，所以要按照被測(cè)系統(tǒng)的常規(guī)自校準(zhǔn)和各關(guān)鍵參數(shù)的校準(zhǔn)流程來編制自動(dòng)計(jì)量軟件。測(cè)試系統(tǒng)幅度校準(zhǔn)流程如圖8所示；

圖8 幅度校準(zhǔn)流程圖Fig.8 Flow chart of amplitude calibration

7)測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理。運(yùn)用自動(dòng)測(cè)試程序完成測(cè)試系統(tǒng)的計(jì)量校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果與定標(biāo)數(shù)據(jù)做差，比較兩者差值是否在系統(tǒng)允許誤差范圍內(nèi)，以此判斷系統(tǒng)是否合格。同時(shí)，結(jié)合歷年的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)一致性判斷；

8)測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)原始記錄回傳。原始記錄作為測(cè)試系統(tǒng)量值溯源的依據(jù)，測(cè)試完成后，計(jì)量測(cè)試平臺(tái)自動(dòng)生成原始記錄，并回傳至工控網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)TR生產(chǎn)線測(cè)試系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)整體校準(zhǔn)技術(shù)研究，通過創(chuàng)建傳遞標(biāo)準(zhǔn)件體系，建立遠(yuǎn)程計(jì)量管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的遠(yuǎn)程在線、現(xiàn)場(chǎng)原位自動(dòng)整體校準(zhǔn)，提高了測(cè)試系統(tǒng)的量傳準(zhǔn)確性和量傳效率，解決該型專用測(cè)試系統(tǒng)整體快速量傳的難題，確保測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)得準(zhǔn)，并提供快速的故障診斷功能，為故障排查節(jié)約寶貴時(shí)間，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)為專用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的遠(yuǎn)程在線計(jì)量校準(zhǔn)提供了技術(shù)參考，具有廣泛的應(yīng)用前景和深遠(yuǎn)的推廣應(yīng)用價(jià)值，具有較好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。