一種電子秒表計時誤差的靶場校準方法

常 偉,文海,吳應發

(63875部隊,華陰 714200)

0 引言

電子秒表是一種具有啟動、停止、復零、數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技性能指標。目前,靶場電子秒表是采取外送計量技術機構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)均低于計量檢定規程JJG 237—2010《秒表計量檢定規程》規定的最大允許誤差[6],計量技術機構就給出檢定合格的結論,否則為檢定不合格。由于JJG 237—2010規定“日差”(即“測量間隔為1 d 時的測量誤差”)為選檢項目,當送檢時未向計量技術機構聲明時,該“日差”項目一般不檢。因此,大多數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需要電子秒表進行數小時、甚至一天以上的計時測量保障。現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機構,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果,前后需要多個工作日,很容易影響靶場試驗任務進度。因此,迫切需要靶場利用內部測量設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

當前,高密度試驗任務,靶場測量設備儀器經常處于環境惡劣、使用頻繁的狀態[7,8],其性能指標很容易劣化;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可行、經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的單位自有測量設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],其校準結果的可信度能夠通過不確定度驗證等計量技術手段證實[12-14]。

1.2 方法原理

經過多年發展,靶場已建成一套運行有效的試驗測試系統。其中,時間發控終端是一種基于北斗衛星授時的時間統一設備,可以為靶場測控系統提供具有精確時刻的零時信號;高速錄像設備是靶場常用的數字圖像采集設備,能夠以不低于1 000 Hz的拍攝頻率進行高速連續錄像,形成數字圖像。

擬采用一臺時間發控終端和一臺高速錄像設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:時間發控終端提供開始計時和結束計時的零時信號;高速錄像設備收到時間發控終端發出信號的同時,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稱值,電子秒表給出的計時長度為測量值,進而實現計時誤差的校準,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)信號線連接時間發控終端的零時信號輸出端口、高速攝像設備的外觸發端口,同時信號線并聯到發光二極管上。其中,發光二極管用于標識電子秒表計時的開始或結束時刻;

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

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

4)從高速攝像設備中提取出計時開始和結束時采集所形成的兩組數字圖像文件,導入計算機,每組數字圖像按時間序列(注:每組第一張圖像的序列編號為1)進行人工識別:當能清晰分辨出電子秒表顯示的計時結果、且能看清發光二極管被點亮,記錄該數字圖像的序列編號和電子秒表的計時結果。其中,第一組數字圖像中電子秒表顯示的計時結果為T1、圖像序列編號為n1;第二組數字圖像中電子秒表顯示的計時結果為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備生成數字圖像的序列編號;n2——計時結束時高速攝像設備生成數字圖像的序列編號;f0——高速攝像設備拍攝頻率;T1——計時開始時的電子秒表讀數;T2——計時結束時的電子秒表讀數。

2 校準過程及結果

2.1 校準前準備

前以電子秒表日差指標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。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備的視場內,高速攝像設備拍攝頻率f0設置為1 000 Hz、啟動后自動記錄的時間長度為10 s,時間發控終端的測量時間間隔T設置為24 h。時間發控終端發出零時信號后,高速攝像設備采集到的數字圖像如圖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 設備采集的數字圖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備生成的數字圖像文件,得到8 塊電子秒表在計時開始、計時結束時的讀數以及圖像序列編號,按式(1)計算計時誤差。日差的校準結果如表1 所示。

表1 日差校準的結果統計Tab.1 Results statistics for daily difference calibration

2.3 校準結果的測量不確定度評定

整個校準過程都在恒溫實驗室內進行,所用設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,環境條件符合JJG 237—2010 規定的要求。因此,參考已有的電子秒表日差指標測量不確定度評定情況[15],結合校準電子秒表計時誤差的實際情況,給校準結果帶來的測量不確定度來源主要有[16]:發光二極管的響應時間、電子秒表顯示刷新頻率、高速攝像設備拍攝頻率誤差、數字圖像人工識別差錯、時間發控終端觸發時間誤差(發出零時信號的響應時間)、時間發控終端時間間隔測量誤差等,采取B 類方法評定校準結果的測量不確定度[17]。

1)發光二極管響應時間引入的標準不確定度分量uB1。查看相關技術資料,發光二極管的響應時間不大于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)高速攝像設備拍攝頻率誤差引入的標準不確定度分量uB3。經該查看計量報告,高速攝像設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)數字圖像人工識別差錯引入的標準不確定度分量uB4。人工識別最多出現一幀數字圖像的識別差錯,鑒于高速攝像設備設置的拍攝頻率f0為1 000 Hz,按均勻分布估計,可得uB4≈0.577×10-3s;

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

6)時間發控終端時間間隔測量誤差引入的標準不確定度分量uB6。經查看計量報告,時間發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:相對于其他標準不確定度分量,uB1和uB6忽略不計。上述標準不確定度分量獨立且互不相關,按式(2)計算合成標準不確定度uc≈5.856 ×10-3s≈0.006 s。

當包含因子k取2 時,則擴展不確定度U=k×uc=0.012 s。

3 校準結果的驗證分析

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

表2 日差指標外送校準結果統計Tab.2 Statistics of calibration results of day difference

鑒于本次外送校準,計量技術機構所用計量標準為日差測量儀,與本方法所建計量校準裝置的技術指標基本相當。

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

表3 日差校準結果的驗證結果統計Tab.3 Validation statistics for the daily difference calibration results

式中:Y1——本方法給出的校準結果;Y2——計量技術機構給出的校準結果;U1——本方法給出的測量不確定度;U2——計量技術機構給出的測量不確定度。

從表3 可看出:依據本方法所給的校準結果,與計量技術機構給出的校準結果基本相近,說明使用本方法校準電子秒表是科學可行,所給的校準結果科學可信。

4 結束語

基于現有測試測量設備提出了一種校準電子秒表計時誤差的新方法。該方法采用時間發控終端和高速錄像設備等靶場現有測量設備組成校準裝置,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,并與上級計量機構的校準結果進行對比驗證,結果表明本方法方便快捷、簡單易行,給出的校準結果科學可信。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,這種采取現有設備資源來解決應急校準問題的思路和做法是可行的,值得推廣應用。