數字示波器技術能力比對中時基檢定結果異常值分析

寇瓊月，周睿，王鵬

(中國人民解放軍92228部隊，北京 100072)

0 引言

實驗室間比對是按照預先規定的條件，由兩個或多個實驗室對相同或類似的測試樣品進行檢測的組織、實施和評價，從而確定實驗室能力、識別實驗室存在的問題與實驗室間的差異，是判斷和監控實驗室能力的有效手段之一[1]。基于16個計量機構數字示波器計量技術能力比對工作的實際情況，針對數字示波器時基檢定中，有兩個實驗室的比對數據與其它實驗室存在較大偏差，也偏離了比對參考實驗室提供的參考值的情況，介紹了比對數據分析處理方法，分析了異常值產生的原因，提出實際檢定工作中出現類似問題時的處置方法。

1 比對數據處理方法及結果的表征

1.1 歸一化偏差法

數字示波器技術能力比對主要過程是：主持實驗室攜帶傳遞標準，按照擬定的順序在各參比實驗室間進行傳遞，各參比實驗室在規定時間內完成檢定及測量結果不確定度評定，主持實驗室對各參比實驗室提交的測量數據進行統計、分析處理，評價參比實驗室的技術能力[2]。

用“歸一化偏差法”[3]來評定各實驗室的結果，根據比對結果數據，計算各實驗室測量結果的歸一化偏差En

(1)

式中：En為某實驗室的測量結果的歸一化偏差；Aj為第j個實驗室的測量結果；Uj為第j個實驗室測量結果的擴展測量不確定度(k=2)；As為傳遞標準的參考值；Us為傳遞標準參考值的擴展測量不確定度(k=2)。

當某實驗室測量結果的歸一化偏差的絕對值滿足|En|≤1時，判該測量結果符合要求或判為測量結果一致，即受控；若|En|>1時，判該測量結果離群或測量結果不一致[4]。

1.2 歸一化偏差中As和Us的確定

1.2.1參比實驗室示波器校準儀時基技術能力分析

參比實驗室的示波器校準儀時標信號技術能力相差甚大，根據示波器校準儀技術能力劃分為三類，如表1所示。從表1延遲10 ms引入最大允許誤差絕對值可知，示波器校準儀引入的不確定度相差兩個數量級，若16個參比實驗室均采用參考實驗室(主標準器為9500B)提供的參考值進行數據處理，則參考值的擴展不確定度在歸一化偏差計算中將被淹沒。歸一化處理主要由參比實驗室不確定度量值決定，在測量值與參考值接近的情況下，歸一化偏差|En|值均小于1，沒有可比性，也說明不了問題。因此，時基比對數據處理中，持有5520A(SC300)示波器校準儀的參比實驗室，不參加時基歸一化數據處理。其它參比實驗室按技術能力及參考值確定方法分兩組進行數據處理，第一組，對于與參考實驗室具有同等技術能力的參比實驗室，歸一化偏差中As和Us采用參考值法，對應于表1中第一類；第二組，對于其它技術能力相近的參比實驗室歸一化偏差中As和Us采用算術平均值法，對應于表1中第二類。

表1 參比實驗室示波器校準儀時基技術能力比較

1.2.2參考值法

對應表1中第一類，歸一化偏差數據處理中的As和Us采用參考值法來確定，由比對參考實驗室為傳遞標準提供參考值(參考標準為FLUKE9500B示波器校準儀)，比對現場測試期間，兩臺傳遞標準器先后4次返回參考實驗室獲取參考值，主持實驗室根據參考實驗室提供的4次參考檢定值，取平均值為傳遞標準的參考值As，并完成測量擴展不確定度Us的評定。

1.2.3算術平均值法

對應表1中第二類，歸一化偏差數據處理中的As和Us采用算術平均值法來確定，具體方法如下：

設測試結果為Ai(i為參加實驗室的編號，N個實驗室參加，i=1,2,…,j,…,N),每個測量結果的擴展不確定度為Ui(Ui=kuci,k=2)，除去被評價的實驗室的測量結果后，計算其余實驗室測量結果的算術平均值，以此算術平均值作為被測量的約定真值As。

(3)

則

(3)

1.3 參比實驗室時基比對數據統計

此次比對的兩臺傳遞標準均參加了比對現場測試，16個參比實驗室提交的數據均有效。本文選擇傳遞標準TDS3032C(編號：C013920)數字示波器檢定數據進行歸一化數據處理及比對結果分析，時基比對數據如表2所示，參比實驗室名稱以代碼標稱。

表2 參比實驗室數字示波器時基比對數據

1.4 測量異常值判定方法

1.4.1異常值的剔除方法

在進行時基歸一化偏差計算之前，先用統計方法剔除異常的測量結果，異常值的剔除方法采用格拉布斯準則[5]，即：

(4)

從N個測量結果中找出可疑值Ad(通常將測量結果從小到大排列后，以最小值或最大值為可疑值)，或Ad滿足式(5)，則Ad為異常值，予以剔除。

(5)

其中，g值可在格拉布斯準則表中查得。

1.4.2延遲10 ms時基測量結果異常值判定

16個參比實驗室提供16個時基測量值，因此，首先取N=16，查格拉布斯準則表得g(16，0.05)=2.44，取TDS3032C示波器時基誤差測量值(見表2)Aj中最小值為第一個可疑值，經判定最小值A7=-41.0為異常值，予以剔除；再取N=15，查格拉布斯準則表得g(15，0.05)=2.41，取Aj中最大值為第二個可疑值，判定結果：最大值A4=-13為異常值，予以剔除；再取N=14，g(14，0.05)=2.37，取A13=-29.2為第三個可疑值，經判定為非異常值。即時基測量數據中編號為07，04實驗室提供的數據含粗大誤差，予以剔除。

1.5 比對結果表述

比對結果表述通常采用控制圖法。那么，表3中的比對數據處理結果即可表示為圖1，其中用菱形表示參比實驗室的測量結果，菱形向上和向下延伸線段代表該實驗室報告的測量結果擴展不確定度；基線為各實驗室在測量點的參考值(即圓點標志)As的連線，菱形與基線的偏差為(Aj-As)。圖2為參比實驗室時基歸一化偏差En值控制圖，編號為02，16實驗室因測量標準技術能力不滿足被測件時基量傳要求，不參與此項歸一化處理；編號為04，07實驗室時基測量結果經判定，作為異常值被剔除。

表3 時基測量第一組比對數據處理結果

圖1 延遲10 ms時基測量第一組比對測量結果及不確定度圖

圖2 時基歸一化偏差En值控制圖

2 時基測量結果異常值分析

2.1 延遲10 ms時基測量結果異常值描述

14個參比實驗室的時基測量值，經格拉布斯準則進行異常值判定，得出 04，07實驗室提供的數據含粗大誤差，予以剔除。以 07實驗室為例分析異常值產生原因，07實驗室時基比對測量數據如表4所示。

表4 參比實驗室數字示波器時基比對數據

2.2 時基測量結果異常值分析

2.2.1時基測量結果異常值來源判定

1)判定量傳關系的符合性

最大允許誤差為±25 ns的源(示波器校準儀)檢定最大允許誤差為±200 ns的表(數字示波器)，測試不確定度比為8∶1，滿足量傳要求；測量標準溯源合格，且在有效期內。

2)判定比對被測件完好性及操作的正確性

由于兩臺被測示波器均較參考值偏離-20 ns，排除被測件出現異常。設備連接、阻抗匹配及操作，均無誤。

3)判定測量標準輸出信號的準確性

比對現場主持實驗室采用頻率計(型號：53132A)對示波器校準儀輸出的10 ms時標信號進行了測試，測量值為9.9999783 ms，示波器校準儀10 ms時標信號輸出較標稱值偏小22 ns，其在該點最大允許誤差為±25 ns，因而判定示波器校準儀10 ms時標信號符合技術要求。查測量標準溯源證書,證明該數據準確。

2.2.2時基測量結果異常值原因分析

基于示波器校準儀10 ms時標信號偏差分析，得知，07實驗室時基測量結果-41 ns，由被測示波器時基偏差(-20 ns)和示波器校準儀10 ms時標信號偏差(-22 ns)兩部分組成，這也是該實驗室時基偏離過大的原因。而且測量結果偏小的量值(21 ns)與示波器校準儀10 ms偏差的量值(22 ns)相當，如圖3(a)所示。

對于TDS3032B數字示波器，時基測量中體現的更為突出，07實驗室判定時基超差，給出時基檢定不合格結論。經參考實驗室檢定，TDS3032B示波器時基測量值為-185 ns(即參考值)，該測量點最大允許誤差-200 ns，所以該示波器時基檢定結論為合格。07實驗室測得該示波器時基測量值為-204 ns，因超出最大允許誤差范圍，07實驗室判定該示波器時基不合格。原因同樣是時基測量結果-204 ns中包含了被測示波器時基偏差(-185 ns)和示波器校準儀10 ms時標信號偏差(-22 ns),如圖3(b)所示。

圖3 07參比實驗室時基比對測量異常值分析圖

若去除示波器校準儀-22 ns的影響，07實驗室測得的時基絕對誤差為-182 ns，與參考值基本一致，且在最大允許誤差-200 ns以內，檢定結論應為合格，與參考實驗室給出的檢定結論一致，如表5所示。

表5 07參比實驗室時基比對測量異常值分析表

經以上分析可知異常值產生的原因是：主標準器示波器校準儀10 ms時標輸出信號偏差(-22 ns)帶入并 疊加在測量結果上，使得測量結果偏離增大；在被測件(TDS3032B示波器)時基測量值接近其允許誤差極限(-200 ns)時，由于主標準器偏差的疊加，致使檢定結果偏大，超出了最大允許誤差極限，給出不合格結論，造成誤判。因此，在實際檢定工作中，若檢定結果超差，且所用測量標準溯源結果接近最大允許誤差極限，應分析測量標準偏差對測量結果的疊加影響，再進行合格判定。若單純從檢定結果判定檢定項目合格與否，具有誤判風險，應進行全面的分析、驗證。

3 結論

本文介紹了數字示波器時基技術能力比對數據處理方法及結果表征，具體分析了時基測量結果比對異常值產生原因，指出實際檢定工作中，當測量標準技術能力接近其最大允許誤差，且檢定結果超差時，應當進行綜合分析，考慮測量標準偏差對測量結果的影響，避免因為檢定值超差單方面給出誤判。同時，文中梳理出的比對數據處理方案具有一定代表性，可供組織實驗室間比對的主持實驗室參考借鑒。