漁船救生圈燈色溫測(cè)量不確定度評(píng)定與分析

胡欣

摘 要：救生圈是漁船救生裝備最重要也是最基本的裝備之一，救生圈燈直接關(guān)系到落水漁民的生還概率。本文主要研究了救生圈燈色溫測(cè)量的影響因素，對(duì)救生圈燈色溫測(cè)量的不確定度進(jìn)行了評(píng)定，通過(guò)對(duì)救生燈具光色測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立了數(shù)學(xué)模型，分析了救生圈燈測(cè)量不確定度來(lái)源。經(jīng)過(guò)計(jì)算A類和B類不確定度，最后得出測(cè)量結(jié)果的合成不確定度和擴(kuò)展不確定度。通過(guò)分析得出影響測(cè)量的最主要因素是光譜輻射計(jì)的精度和標(biāo)準(zhǔn)燈，同時(shí)救生圈燈實(shí)驗(yàn)環(huán)境也會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生一定影響。

關(guān)鍵詞：救生圈燈 色溫測(cè)量 標(biāo)準(zhǔn)燈 不確定度

中圖分類號(hào)：TQ533 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）12（b）-0093-02

農(nóng)業(yè)部漁業(yè)漁政管理局發(fā)布《2016年全國(guó)漁業(yè)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》指出，截至2016年年末我國(guó)漁船總數(shù)為101.11萬(wàn)艘、總噸位1098.48萬(wàn)噸、漁業(yè)人口1973.41萬(wàn)人，龐大的漁船數(shù)量及從業(yè)人口不可避免地會(huì)出現(xiàn)漁民落水事故，這些落水事故給遇難家屬帶來(lái)了巨大的痛苦。為了避免事故帶來(lái)更大的人員和財(cái)產(chǎn)損失，我國(guó)《漁船船舶法定檢驗(yàn)規(guī)則（2000）》[1]規(guī)定每條漁船都應(yīng)該根據(jù)自身情況配備相應(yīng)數(shù)量的漁船救生裝備，而救生圈就是其中最重要也是最基本的救生裝備之一，其中救生圈燈直接關(guān)系到落水漁民的生還概率，特別是夜晚發(fā)生事故的時(shí)候。色溫是衡量救生圈燈在極端情況下是否滿足顯眼可見(jiàn)的重要參數(shù)指標(biāo)。救生燈具光色測(cè)試系統(tǒng)由HAAS-2000高精度快速光譜輻射計(jì)、Φ2M精密測(cè)光積分球及YW305精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源等組成。HAAS-2000高精度快速光譜輻射計(jì)通過(guò)對(duì)CCD和光柵的匹配設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)用了帶通色輪校正技術(shù)和分光積分結(jié)合技術(shù)，對(duì)救生圈燈相關(guān)色溫進(jìn)行測(cè)量，適合于海安會(huì)決議MSC81（70）及《ISO 24408-2005船舶和海洋技術(shù)救生用具示位燈測(cè)試、檢驗(yàn)及產(chǎn)品標(biāo)注》對(duì)救生筏燈色溫規(guī)定的要求。本文就是對(duì)使用救生燈具光色測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量救生圈燈色溫的不確定度進(jìn)行分析評(píng)定。

1 色溫測(cè)量不確定度來(lái)源分析

1.1 測(cè)量結(jié)果不確定度的來(lái)源

（1）樣品重復(fù)測(cè)量隨機(jī)誤差造成的不確定度。

（2）HAAS-2000光譜輻射計(jì)系統(tǒng)的固有誤差引起的不確定度。

（3）Φ2M精密測(cè)光積分球光的漫反射不均勻等引起的不確定度。

（4）YW305精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源電壓波動(dòng)引起的不確定度。

（5）標(biāo)準(zhǔn)燈D204不穩(wěn)定造成的不確定度。

（6）1.2M光纖的傳輸偏差造成的不確定度。

（7）光源燈具測(cè)試安裝方向的不同造成的不確定度。

（8）環(huán)境溫度和氣流波動(dòng)造成的不確定度。

1.2 數(shù)學(xué)模型

由于測(cè)量數(shù)據(jù)是由測(cè)試系統(tǒng)直接測(cè)試得出，所以本次評(píng)定使用最直接的數(shù)學(xué)模型，即：

式中：為被測(cè)色溫的修正值；為每次色溫的測(cè)量值；為各種誤差對(duì)被測(cè)量結(jié)果的影響值。

1.3 方差和傳播系數(shù)

對(duì)于每個(gè)輸入估計(jì)值xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，用表示；對(duì)于估計(jì)值y的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，用表示，則不確定度傳播公式可寫(xiě)作：

由數(shù)學(xué)模型公式（1）代入式（2），又由于傳播系數(shù)可得：

2 色溫測(cè)量不確定度計(jì)算

2.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評(píng)定

通常由重復(fù)測(cè)量引起的不確定度，我們稱為A類不確定度。在試驗(yàn)和測(cè)試中由于試驗(yàn)環(huán)境、樣品本身微小改變以及人為讀數(shù)誤差等原因是引起重復(fù)測(cè)量結(jié)果不一致的原因。表1是救生筏燈色溫一致性測(cè)試的10次實(shí)測(cè)值。

根據(jù)貝塞爾公式算得試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

2.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評(píng)定

《試驗(yàn)不確定度建議書(shū)INC-1》提出，在修正了可以修正的系統(tǒng)誤差后，把可以用統(tǒng)計(jì)方法算出的分量歸入A類，而用非統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出的分量歸入B類。這種無(wú)法取得實(shí)測(cè)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，我們只能用一個(gè)極大值或者極小值或者某個(gè)概率區(qū)間來(lái)表示，對(duì)于這些無(wú)法掌握分布方式和自由度的分量，我們通常用B類不確定度來(lái)評(píng)定，用uB表示，有：

式中：a為該分量的B類不確定度的分散區(qū)間的半寬。通過(guò)以前的測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)量校準(zhǔn)證書(shū)、鑒定證書(shū)說(shuō)明書(shū)、引用手冊(cè)等方法我們可以獲得輸入估計(jì)值xi，還可以通過(guò)B類不確定度的實(shí)際分布形式來(lái)確定包含因子ki。

（1）由HAAS-2000光譜輻射計(jì)測(cè)試系統(tǒng)固有的系統(tǒng)誤差估算的不確定度。

根據(jù)HAAS-2000光譜輻射計(jì)的用戶手冊(cè)，該系統(tǒng)的相對(duì)極限誤差±1%，設(shè)該系統(tǒng)的誤差為均勻分布，則k1，傳播系數(shù)1。則不確定度：

（2）由Φ2M精密測(cè)光積分球光的漫反射不均勻等原因引起的不確定度。

通過(guò)查詢?chǔ)?M精密測(cè)光積分球用戶手冊(cè)，可知該積分球的相對(duì)極限誤差±0.5%，設(shè)該系統(tǒng)的誤差為均勻分布，則k2，傳播系數(shù)1。則不確定度：

（3）YW305精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源電壓波動(dòng)造成的不確定度。

由校準(zhǔn)證書(shū)可以知道穩(wěn)壓穩(wěn)流電源擴(kuò)張不確定度為0.02%，k3=2，傳播系數(shù)1，所以不確定度：

（4）標(biāo)準(zhǔn)燈D204測(cè)量不確定度造成的不確定度。

由標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)證書(shū)可以得到，標(biāo)準(zhǔn)燈測(cè)量不確定度為1.5%，k4=2，傳播系數(shù)為1，所以由標(biāo)準(zhǔn)燈引起的不確定度分量為：

（5）救生圈燈的安裝位置造成的不確定。

使用十字激光對(duì)準(zhǔn)器對(duì)救生圈燈的安裝位置校準(zhǔn)。因?yàn)闆](méi)有明確的誤差參數(shù)，并且這種誤差引起的測(cè)量不確定度十分微小，所以這里不進(jìn)行評(píng)定。

（6）環(huán)境溫度和空氣波動(dòng)造成的不確定度。

實(shí)驗(yàn)室溫度范圍25±1℃，溫度精確度為±0.2℃，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣流動(dòng)速度不超過(guò)0.2m/s。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)溫度和空氣流動(dòng)造成的極限誤差≤±1%，認(rèn)為誤差均服從均勻分布，所以k=，所以由環(huán)境和空氣波動(dòng)引起的測(cè)量不確定度分量為：

（7）光纖的傳輸偏差造成的不確定度。

由于光纖的傳輸偏差沒(méi)有明確具體的誤差參數(shù)，并且通常認(rèn)為這種誤差引起的測(cè)量不確定度十分微小，所以這里不進(jìn)行評(píng)定。

通過(guò)上述分析及計(jì)算，我們可以得出B類不確定度為：

2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

通過(guò)上述分析及計(jì)算我們得出了所有A類和B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度，具體見(jiàn)表2。

由已經(jīng)得到的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度和B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.4 色溫的擴(kuò)展不確定度

擴(kuò)展不確定度由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc乘以包含因子k而得到，置信概率為95%時(shí)，k=2，所以擴(kuò)展不確定度為：

相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)救生圈燈光色溫測(cè)量不確定度的系統(tǒng)分析可以得出，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，對(duì)測(cè)量不確定度影響最大的是光譜輻射計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)燈，因此盡可能地提高光譜輻射計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)燈的精度，同時(shí)定期校準(zhǔn)光譜輻射計(jì)，定期維護(hù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)燈都可以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。其次環(huán)境也會(huì)引起色溫測(cè)量不確定度，所以應(yīng)該保持試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，降低對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。本次測(cè)試由于采用了高精度穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，所以對(duì)試驗(yàn)影響較小。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)漁業(yè)船舶檢驗(yàn)局.漁業(yè)船舶法定檢驗(yàn)規(guī)則檢驗(yàn)（2000）[S].北京：交通人民出版社，2000.