常 偉,文海,吳應(yīng)發(fā)

(63875部隊,華陰 714200)

0 引言

電子秒表是一種具有啟動、停止、復(fù)零、數(shù)碼顯示功能的手動計時器[1,2],因其小巧方便、計時準確、成本低廉,靶場常用于“裝備展開與撤收、維修性、可靠性”等試驗科目的測量計時[3],進而評價被試品的戰(zhàn)技性能指標(biāo)。目前,靶場電子秒表是采取外送計量技術(shù)機構(gòu)的方式進行計量檢定[4,5]。只要電子秒表的測量間隔(也稱計時長度)在10 s、10 min、1 h、1 d 時的測量誤差(也稱計時誤差)均低于計量檢定規(guī)程JJG 237—2010《秒表計量檢定規(guī)程》規(guī)定的最大允許誤差[6],計量技術(shù)機構(gòu)就給出檢定合格的結(jié)論,否則為檢定不合格。由于JJG 237—2010規(guī)定“日差”(即“測量間隔為1 d 時的測量誤差”)為選檢項目,當(dāng)送檢時未向計量技術(shù)機構(gòu)聲明時,該“日差”項目一般不檢。因此,大多數(shù)計量檢定證書僅為電子秒表給出計時長度在10 s、10 min、1 h時的測量誤差及測量不確定度。然而,近年來,靶場已有多項試驗任務(wù)需要電子秒表進行數(shù)小時、甚至一天以上的計時測量保障?，F(xiàn)行計量保障方法難以滿足要求。而將電子秒表臨時外送計量技術(shù)機構(gòu),對其計時誤差進行校準,不僅要提前做好溝通,而且還要等待校準結(jié)果,前后需要多個工作日,很容易影響靶場試驗任務(wù)進度。因此,迫切需要靶場利用內(nèi)部測量設(shè)備資源形成電子秒表計時誤差的校準能力。

1 靶場校準方法

1.1 概述

當(dāng)前,高密度試驗任務(wù),靶場測量設(shè)備儀器經(jīng)常處于環(huán)境惡劣、使用頻繁的狀態(tài)[7,8],其性能指標(biāo)很容易劣化;加之空閑時間短,很難及時外送計量校準。因此,不少單位提出建立一種科學(xué)可行、經(jīng)濟快捷的計量保障方法。

該方法的核心思想是:使用在計量有效期內(nèi)的單位自有測量設(shè)備儀器搭建校準裝置,校準裝置與被校對象之間的測試不確定度比不低于4 ∶1[9-11],其校準結(jié)果的可信度能夠通過不確定度驗證等計量技術(shù)手段證實[12-14]。

1.2 方法原理

經(jīng)過多年發(fā)展,靶場已建成一套運行有效的試驗測試系統(tǒng)。其中,時間發(fā)控終端是一種基于北斗衛(wèi)星授時的時間統(tǒng)一設(shè)備,可以為靶場測控系統(tǒng)提供具有精確時刻的零時信號;高速錄像設(shè)備是靶場常用的數(shù)字圖像采集設(shè)備,能夠以不低于1 000 Hz的拍攝頻率進行高速連續(xù)錄像,形成數(shù)字圖像。

擬采用一臺時間發(fā)控終端和一臺高速錄像設(shè)備組成計量校準裝置,基于比較測量法對電子秒表計時誤差進行校準。即:時間發(fā)控終端提供開始計時和結(jié)束計時的零時信號;高速錄像設(shè)備收到時間發(fā)控終端發(fā)出信號的同時,高速拍攝電子秒表的計時情況;校準裝置給出的計時長度為標(biāo)稱值,電子秒表給出的計時長度為測量值,進而實現(xiàn)計時誤差的校準,其校準示意圖如圖1 所示。

圖1 計時誤差靶場校準示意圖Fig.1 Schematic diagram of timing errors range calibration

具體校準過程,通常分為五步:

1)信號線連接時間發(fā)控終端的零時信號輸出端口、高速攝像設(shè)備的外觸發(fā)端口,同時信號線并聯(lián)到發(fā)光二極管上。其中,發(fā)光二極管用于標(biāo)識電子秒表計時的開始或結(jié)束時刻;

2)時間發(fā)控終端設(shè)置好測量時間間隔T,高速攝像設(shè)備設(shè)置好拍攝頻率f0和啟動后自動生成數(shù)字圖像文件的時間長度;

3)電子秒表啟動計時,并將發(fā)光二極管與電子秒表正面置于高速攝像設(shè)備的視場中,時間發(fā)控終端通過其輸出端口發(fā)出零時信號,去觸發(fā)高速攝像設(shè)備和發(fā)光二極管同時動作,即發(fā)光二極管被點亮的同時,高速攝像設(shè)備啟動,并拍攝電子秒表的計時結(jié)果,自動形成給定時間長度的數(shù)字圖像文件;

4)從高速攝像設(shè)備中提取出計時開始和結(jié)束時采集所形成的兩組數(shù)字圖像文件,導(dǎo)入計算機,每組數(shù)字圖像按時間序列(注:每組第一張圖像的序列編號為1)進行人工識別:當(dāng)能清晰分辨出電子秒表顯示的計時結(jié)果、且能看清發(fā)光二極管被點亮,記錄該數(shù)字圖像的序列編號和電子秒表的計時結(jié)果。其中,第一組數(shù)字圖像中電子秒表顯示的計時結(jié)果為T1、圖像序列編號為n1;第二組數(shù)字圖像中電子秒表顯示的計時結(jié)果為T2、圖像序列編號為n2;

5)按式(1)計算電子秒表計時誤差(Δt):

式中:Δt——電子秒表計時誤差;T——測量時間間隔;n1——計時開始時高速攝像設(shè)備生成數(shù)字圖像的序列編號;n2——計時結(jié)束時高速攝像設(shè)備生成數(shù)字圖像的序列編號;f0——高速攝像設(shè)備拍攝頻率;T1——計時開始時的電子秒表讀數(shù);T2——計時結(jié)束時的電子秒表讀數(shù)。

2 校準過程及結(jié)果

2.1 校準前準備

前以電子秒表日差指標(biāo)校準為例進行闡述分析。同時校準8 塊電子秒表的日差指標(biāo)。所有電子秒表的表面均無碰傷、電池電量充足,計時功能正常,屏幕顯示正確。8 塊電子秒表均在高速攝像設(shè)備的視場內(nèi),高速攝像設(shè)備拍攝頻率f0設(shè)置為1 000 Hz、啟動后自動記錄的時間長度為10 s,時間發(fā)控終端的測量時間間隔T設(shè)置為24 h。時間發(fā)控終端發(fā)出零時信號后,高速攝像設(shè)備采集到的數(shù)字圖像如圖2 所示。圖2 中,從上至下、從左至右排列的電子秒表編號依次為1、2、3、4、5、6、7、8。

圖2 設(shè)備采集的數(shù)字圖Fig.2 Digital images acquired by the device

2.2 校準過程

通過人工識別高速錄像設(shè)備生成的數(shù)字圖像文件,得到8 塊電子秒表在計時開始、計時結(jié)束時的讀數(shù)以及圖像序列編號,按式(1)計算計時誤差。日差的校準結(jié)果如表1 所示。

表1 日差校準的結(jié)果統(tǒng)計Tab.1 Results statistics for daily difference calibration

2.3 校準結(jié)果的測量不確定度評定

整個校準過程都在恒溫實驗室內(nèi)進行,所用設(shè)備采取精密不間斷電源供電,周圍無影響計量校準工作的電磁干擾和機械振動,環(huán)境條件符合JJG 237—2010 規(guī)定的要求。因此,參考已有的電子秒表日差指標(biāo)測量不確定度評定情況[15],結(jié)合校準電子秒表計時誤差的實際情況,給校準結(jié)果帶來的測量不確定度來源主要有[16]:發(fā)光二極管的響應(yīng)時間、電子秒表顯示刷新頻率、高速攝像設(shè)備拍攝頻率誤差、數(shù)字圖像人工識別差錯、時間發(fā)控終端觸發(fā)時間誤差(發(fā)出零時信號的響應(yīng)時間)、時間發(fā)控終端時間間隔測量誤差等,采取B 類方法評定校準結(jié)果的測量不確定度[17]。

1)發(fā)光二極管響應(yīng)時間引入的標(biāo)準不確定度分量uB1。查看相關(guān)技術(shù)資料,發(fā)光二極管的響應(yīng)時間不大于1 ×10-7s,按均勻分布估計,可得uB1≈0.577 ×10-7s;

2)電子秒表顯示刷新頻率引入的標(biāo)準不確定度分量uB2。查看說明書,電子秒表顯示刷新頻率為100 Hz,按均勻分布估計,可得uB2≈0.577×10-2s;

3)高速攝像設(shè)備拍攝頻率誤差引入的標(biāo)準不確定度分量uB3。經(jīng)該查看計量報告,高速攝像設(shè)備拍攝頻率誤差不大于1 ×10-3Hz,按均勻分布估計,可得uB3≈0.577 ×10-3s;

4)數(shù)字圖像人工識別差錯引入的標(biāo)準不確定度分量uB4。人工識別最多出現(xiàn)一幀數(shù)字圖像的識別差錯,鑒于高速攝像設(shè)備設(shè)置的拍攝頻率f0為1 000 Hz,按均勻分布估計,可得uB4≈0.577×10-3s;

5)時間發(fā)控終端觸發(fā)時間誤差引入的標(biāo)準不確定度分量uB5。經(jīng)查看計量報告,時間發(fā)控終端發(fā)出零時信號的響應(yīng)時間不大于1 ms,按均勻分布估計,可得uB5≈0.577 ×10-3s;

6)時間發(fā)控終端時間間隔測量誤差引入的標(biāo)準不確定度分量uB6。經(jīng)查看計量報告,時間發(fā)控終端時間間隔測量誤差不大于500 ns,按均勻分布估計,可得uB6≈2.887 ×10-7s。

從上述分析可看出:相對于其他標(biāo)準不確定度分量,uB1和uB6忽略不計。上述標(biāo)準不確定度分量獨立且互不相關(guān),按式(2)計算合成標(biāo)準不確定度uc≈5.856 ×10-3s≈0.006 s。

當(dāng)包含因子k取2 時,則擴展不確定度U=k×uc=0.012 s。

3 校準結(jié)果的驗證分析

為驗證本方法校準結(jié)果的可信度,將上述8 塊電子秒表外送計量技術(shù)機構(gòu),要求計量技術(shù)機構(gòu)給出日差指標(biāo)的校準結(jié)果及測量不確定度。外送校準結(jié)果統(tǒng)計如表2 所示。

表2 日差指標(biāo)外送校準結(jié)果統(tǒng)計Tab.2 Statistics of calibration results of day difference

鑒于本次外送校準,計量技術(shù)機構(gòu)所用計量標(biāo)準為日差測量儀,與本方法所建計量校準裝置的技術(shù)指標(biāo)基本相當(dāng)。

為此,采用GJB 2749A—2009《軍事計量測量標(biāo)準建立和保持通用要求》所述的“兩臺比較法”對給出的校準結(jié)果進行驗證[18],驗證公式如式(3),驗證結(jié)果如表3 所示。

表3 日差校準結(jié)果的驗證結(jié)果統(tǒng)計Tab.3 Validation statistics for the daily difference calibration results

式中:Y1——本方法給出的校準結(jié)果;Y2——計量技術(shù)機構(gòu)給出的校準結(jié)果;U1——本方法給出的測量不確定度;U2——計量技術(shù)機構(gòu)給出的測量不確定度。

從表3 可看出:依據(jù)本方法所給的校準結(jié)果,與計量技術(shù)機構(gòu)給出的校準結(jié)果基本相近,說明使用本方法校準電子秒表是科學(xué)可行,所給的校準結(jié)果科學(xué)可信。

4 結(jié)束語

基于現(xiàn)有測試測量設(shè)備提出了一種校準電子秒表計時誤差的新方法。該方法采用時間發(fā)控終端和高速錄像設(shè)備等靶場現(xiàn)有測量設(shè)備組成校準裝置,不僅可以同時校準多塊電子秒表的計時誤差,還能快速校準電子秒表任意計時長度的測量誤差。通過評定測量不確定度,并與上級計量機構(gòu)的校準結(jié)果進行對比驗證,結(jié)果表明本方法方便快捷、簡單易行,給出的校準結(jié)果科學(xué)可信。雖然在校準過程中沒有考慮被檢秒表的按壓啟動、停止等操作帶來的誤差,但對于日差校準來說,可以忽略這些因素影響。同時,對于時效性要求較高的單位來說,這種采取現(xiàn)有設(shè)備資源來解決應(yīng)急校準問題的思路和做法是可行的,值得推廣應(yīng)用。