合格判定在時間頻率計量校準領(lǐng)域應(yīng)用研究
2019-11-16 11:06:27安平曾亮
中國測試 2019年10期
安平 曾亮
摘要：為避免時間頻率校準工作中對被校準設(shè)備合格判定產(chǎn)生錯誤判定，通過對頻率偏差參數(shù)合格判定方法的研究，針對晶振老化或原子鐘頻率漂移、頻率復(fù)現(xiàn)性及測量不確定度對測量結(jié)果影響，建立3種合格判定典型數(shù)學(xué)模型，分析造成錯誤判定的原因并提出解決思路;采用高穩(wěn)晶振、銣原子鐘等典型儀器進行試驗驗證和數(shù)據(jù)分析。實驗表明：歸納總結(jié)出的3種方法能夠在實際工作中得到運用，避免產(chǎn)生錯誤判定，為時間頻率計量校準工作中合格判定提供解決思路和指導(dǎo)方法廠具有較強的指導(dǎo)性和應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：時間頻率校準;合格判定;頻率漂移;測量不確定度
中圖分類號：TH1391;TP242.2 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）10-0016-05
收稿日期：2018-09-27;收到修改稿日期：2018-11-16
作者簡介：安平（1984-），女，內(nèi)蒙古巴彥淖爾市人，工程師，碩士，主要從事時間頻率計量校準及計量管理工作。
0 引言
隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，計量為生產(chǎn)、貿(mào)易和科學(xué)技術(shù)等關(guān)系國計民生的重要領(lǐng)域提供單.位制的統(tǒng)一和量值的準確可靠，在科技進步和現(xiàn)代化建設(shè)中有著無可替代的重要作用[1]。隨著全新的計量測試技術(shù)和測量方法的不斷涌現(xiàn)，對計量器具檢定是否合格的判定成為社會的焦點，判定結(jié)論是否正確將會對產(chǎn)品的質(zhì)量控制起到?jīng)Q定性的作用[2]。
時間頻率計量是目前所有物理量中復(fù)現(xiàn)準確度最高，測量裝置和手段精密度最高，并且也是唯一可以在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)遠距離傳遞和校準的物理量[3]。時間頻率計量中常用的典型儀器，如氫、銣、艷原子鐘及高穩(wěn)晶振等，大量使用在雷達測試、信息通信等綜合測試儀器中，而且主要作為時間頻率參考源[4-5]。因此這部分典型儀器在計量校準中，如果出現(xiàn)錯誤評定將會給綜合測試儀器的測量結(jié)果產(chǎn)生直接影響。
由于時間頻率設(shè)備自身特有的計量特性，如高穩(wěn)晶振、銣鐘和氫鐘等設(shè)備具有老化、頻率漂移及頻率復(fù)現(xiàn)等特性，在對這些設(shè)備進行合格判定時，就不可避免的需要對上述特性進行具體分析，針對不同的影響情況對測量結(jié)果進行合理的合格判定。
1 頻率偏差影響分析
1.1 頻率參數(shù)定義
根據(jù)JJF1180-2007《時間頻率計量名詞術(shù)語及定義》[6]中規(guī)定頻率偏差為頻率實際值與標準值之差，一般用相對值表示為
式中：y——頻率偏差;
fx——測量值;
f0——標稱值。
頻率偏差為頻率偏差的最大范圍，表明頻率實際值靠近標稱值的程度。用數(shù)值定量表示時，不帶正負號。如一個頻標頻率標稱值為5MHz，頻率偏差為2×10-10，其頻率實際值f應(yīng)滿足
4.999999999MHz≤f≤5.000000001MHz（2）
日老化率為表征石英晶體頻標連續(xù)工作時頻率隨時間單方向慢變化的程度，每天的變化量稱為日老化率，用最小二乘法估算，變化量用相對值表示。對于日老化率的檢定按JJG 180-2002≤電子測量儀器內(nèi)石英晶體振蕩器檢定規(guī)程》[7]進行，按下式計算得到：
式中：K——日老化率;
n——取樣次數(shù);
ti——取樣時序;
yi（τ）——頻率偏差算術(shù)平均值;
t——取樣時序的算術(shù)平均值。
相關(guān)系數(shù)按下式計算：
|r|≥0.6，老化曲線具有明顯的單方向性。頻率復(fù)現(xiàn)性頻標工作一段時間關(guān)機后，下次再開機達到穩(wěn)定后，頻率值與上次關(guān)機時頻率值的一致程度，用兩次相對頻差表示為
R=|y2（τ）-y1（τ）|（5）
1.2 判定情況分析
在頻率偏差測量時，受到頻率漂移日老化率K的影響，在進行頻率偏差合格判定時，參考JJG181-2005《石英晶體頻率標準檢定規(guī)程》[8]中頻率偏差測量和結(jié)果給出時，頻率漂移率（日老化率）K，應(yīng)按10倍考慮其引入的誤差。因此，進行頻率偏差測量結(jié)果判定時的不確定度U判為
U判=U+10×|K|+R（6）
式中：U判——進行格判定的疊加不確定度;
K——頻率漂移率（老化率）;
R——頻率復(fù)現(xiàn)性。
因此，頻率偏差合格判定時將會產(chǎn)生3種情況，從而對合格判定結(jié)果產(chǎn)生影響。
1.2.1 合格情況
頻率偏差校準時，當(dāng)測量值按照頻率漂移曲線單方向漂移時，疊加上頻率復(fù)現(xiàn)性和測量不確定度的影響，如果仍能滿足儀器指標上下限要求，可以對該儀器做出合格判定，如圖1所示。
由圖可看出，當(dāng)測量值在考慮測量結(jié)果不確定度、日老化率和頻率復(fù)現(xiàn)性的情況下，仍能在指標上下限內(nèi)，這種情況可直接做出合格判定。
1.2.2 正向頻率漂移率超差情況
當(dāng)頻率漂移率為正方向時，應(yīng)考慮頻率漂移率的影響，在此基礎(chǔ)上加人頻率復(fù)現(xiàn)性和測量結(jié)果不確定度，將會造成超出指標上、下限的情況。此時如果仍對該儀器進行做出合格判定，將會造成誤判，如圖2所示。
由圖可看出，當(dāng)測量值在考慮測量結(jié)果不確定度、正向日老化率和頻率復(fù)現(xiàn)性的情況下，由于受到正向日老化率的影響，測量值會超出儀器指標上限。
1.2.3 負向頻率漂移率超差情況
當(dāng)頻率漂移率為負方向時，測量值隨著頻率漂移方向往指標上、下限方向漂移時，在考慮頻率漂移率的影響，在此基礎(chǔ)上加人頻率復(fù)現(xiàn)性和測量結(jié)果不確定度，將會造成超出指標上、下限的情況。此時如果仍對該儀器進行做出合格判定，將會造成誤判，如圖3所示。
由圖可看出，當(dāng)測量值在考慮測量結(jié)果不確定度、負向日老化率和頻率復(fù)現(xiàn)性的情況下，由于受到負向日老化率的影響，測量值會超出儀器指標上限。
2 試驗驗證
采用時間頻率領(lǐng)域高穩(wěn)晶振、銣鐘等典型時間頻率測量儀器，針對提出的頻率偏差合格判定中可能出現(xiàn)的模型，開展頻率偏差試驗驗證，對3種不同情況下合格判定進行深入分析。
在頻率偏差測量時，測量值fx受到頻率漂移率K（日老化率）的影響，在進行頻率偏差y合格判定時，其判定時的不確定度U將會產(chǎn)生3種情況，從而對合格判定結(jié)果產(chǎn)生影響。
2.1 合格判定驗證
選擇信號發(fā)生器，后面板高穩(wěn)晶振頻率信號作為被測信號，采用頻差倍增法對其頻率偏差、日老化率和頻率復(fù)現(xiàn)性按照JJG180-2002《電子測量儀器內(nèi)晶體振蕩器檢定規(guī)程》進行。日老化率測量曲線如圖4所示，相關(guān)系數(shù)r=-0_86表明該臺儀器的高穩(wěn)晶振具備良好的線性漂移（老化）特性。
頻率漂移率舊老化率）K=-3.81×1011，頻率復(fù)現(xiàn)性，測量不確定度，頻率偏差的最終不確定度可由式（7）計算。
U判=U+10×|K|+R=7.81×1010（7）
頻率偏差測量結(jié)果A=-2.6×10-，頻率偏差指標為±5×10-9，A+U判=-3.38×10-9小于指標值，如圖5所示。
由圖可看出在考慮頻率漂移率（日老化率）、頻率復(fù)現(xiàn)性和測量結(jié)果不確定度疊加影響的極限情況下，測量結(jié)果仍能滿足儀器指標要求，因此可對該儀器可做出合格判定。
2.2 正向頻率漂移率誤判驗證
選擇銣原子鐘DH1001（編號：10008）進行試驗驗證，采用JJG292-2009《銣原子頻率標準檢定規(guī)程》[9]中時差測量法對頻率漂移率和頻率偏差進行測量。頻率漂移率測量結(jié)果如圖6所示。
相關(guān)系數(shù)r=0.94表明該臺儀器具備良好的線性漂移特性，且頻率漂移率K為正值，呈現(xiàn)出正向漂移特性。
頻率漂移率（日老化率）K=1.68×10-12，頻率復(fù)現(xiàn)性R=2.8×10-11，測量不確定度U=2.2×10-12，頻率偏差的最終不確定度U判=4.3×10-11。
頻率偏差測量結(jié)果A=8.74×10-11，頻率偏差指標為±1×10-10，A+U判=1.34×10-10大于指標值，如圖7所示。
由圖中可看出在考慮頻率漂移率、頻率復(fù)現(xiàn)性和測量結(jié)果不確定度疊加影響的極限情況下，測量結(jié)果存在超出儀器指標的可能性，因此對該儀器做出合格判定結(jié)論將會存在很大風(fēng)險，有可能會造成錯誤判定。
2.3 負向頻率漂移率誤判驗證
按照2.1中相同測量方法，選擇高穩(wěn)晶振8607-BHM（345）進行試驗驗證。日老化率測量曲線如圖8所示。
相關(guān)系數(shù)r=-0.94表明該臺儀器的高穩(wěn)晶振具備良好的線性漂移（老化）特性，且頻率漂移率K為負值，呈現(xiàn)出負向漂移特性。
頻率漂移率舊老化率）K=-1.04×10-10，頻率復(fù)現(xiàn)性R=2.6×10-10，測量不確定度U=1.2×10-10，頻率偏差的最終不確定度U判=-1.42×10-9。
頻率偏差測量結(jié)果A=-3.75×10-9，頻率偏差指標為±5×10-9，A+U判=-5.17×10-9超出指標值，如圖9所示。
由圖中可看出在考慮日老化率、頻率復(fù)現(xiàn)性和測量結(jié)果不確定度疊加影響的極限情況下，由于在日老化率正向漂移的影響下，測量結(jié)果存在超出儀器指標的可能性[10]，因此對該儀器做出合格判定結(jié)論將會存在很大風(fēng)險，有可能會造成錯誤判定[11]。
3 結(jié)果分析
通過對時間頻率領(lǐng)域常用的信號發(fā)生器、銣原子鐘和高穩(wěn)晶振三類典型測量儀器的試驗驗證，可看出在進行頻率偏差合格判定時需要綜合考慮測量不確定度、頻率漂移率舊老化率）和頻率復(fù)現(xiàn)性對頻率偏差測量的影響。
對于電子測量儀器內(nèi)晶振采用日老化率，銣原子鐘用頻率漂移率的10倍作為影響量考慮，頻率復(fù)現(xiàn)性也應(yīng)作為分量進行考慮。在進行頻率偏差合格判定時，就需要針對頻率漂移率舊老化率）曲線的斜率方向，根據(jù)不同的測量結(jié)果結(jié)合實際情況進行深入分析，以免造成誤判，這也是頻率偏差參數(shù)的重要特性之一。因此在給出頻率偏差測量結(jié)果時如果被測儀器能夠調(diào)整，盡量將測量結(jié)果調(diào)整到頻率漂移率舊老化率）斜率的反方向。
4 結(jié)束語
通過對時間頻率領(lǐng)域重要參數(shù)頻率偏差測量結(jié)果合格評定影響因素的研究，分析了高穩(wěn)晶振、銣原子鐘受自身頻率漂移（老化率）和頻率復(fù)現(xiàn)性的影響，給出了測量結(jié)果合格判定時受頻率漂移率（日老化率）方向性等因素影響可能造成誤判的模型，并利用時間頻率領(lǐng)域典型的測量儀器進行了試驗驗證，對合格判定可能造成誤判的情況進行了深入的分析和討論，為頻率偏差合格判定提供了解決思路，可在計量工作中推廣使用，具有較強的運用價值。
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（編輯：劉楊）
