一種電子秒表計(jì)時(shí)誤差的靶場校準(zhǔn)方法

常 偉,文海,吳應(yīng)發(fā)

(63875部隊(duì),華陰 714200)

0 引言

電子秒表是一種具有啟動(dòng)、停止、復(fù)零、數(shù)碼顯示功能的手動(dòng)計(jì)時(shí)器[1,2],因其小巧方便、計(jì)時(shí)準(zhǔn)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(yàn)科目的測量計(jì)時(shí)[3],進(jìn)而評(píng)價(jià)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(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的方式進(jìn)行計(jì)量檢定[4,5]。只要電子秒表的測量間隔(也稱計(jì)時(shí)長度)在10 s、10 min、1 h、1 d 時(shí)的測量誤差(也稱計(jì)時(shí)誤差)均低于計(jì)量檢定規(guī)程JJG 237—2010《秒表計(jì)量檢定規(guī)程》規(guī)定的最大允許誤差[6],計(jì)量技術(shù)機(jī)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(shí)的測量誤差”)為選檢項(xiàng)目,當(dāng)送檢時(shí)未向計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)聲明時(shí),該“日差”項(xiàng)目一般不檢。因此,大多數(shù)計(jì)量檢定證書僅為電子秒表給出計(jì)時(shí)長度在10 s、10 min、1 h時(shí)的測量誤差及測量不確定度。然而,近年來,靶場已有多項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)需要電子秒表進(jìn)行數(shù)小時(shí)、甚至一天以上的計(jì)時(shí)測量保障。現(xiàn)行計(jì)量保障方法難以滿足要求。而將電子秒表臨時(shí)外送計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu),對(duì)其計(jì)時(shí)誤差進(jìn)行校準(zhǔn),不僅要提前做好溝通,而且還要等待校準(zhǔn)結(jié)果,前后需要多個(gè)工作日,很容易影響靶場試驗(yàn)任務(wù)進(jìn)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(jì)時(shí)誤差的校準(zhǔn)能力。

1 靶場校準(zhǔn)方法

1.1 概述

當(dāng)前,高密度試驗(yàn)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(shí)間短,很難及時(shí)外送計(jì)量校準(zhǔn)。因此,不少單位提出建立一種科學(xué)可行、經(jīng)濟(jì)快捷的計(jì)量保障方法。

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

1.2 方法原理

經(jīng)過多年發(fā)展,靶場已建成一套運(yùn)行有效的試驗(yàn)測試系統(tǒng)。其中,時(shí)間發(fā)控終端是一種基于北斗衛(wèi)星授時(shí)的時(shí)間統(tǒng)一設(shè)備,可以為靶場測控系統(tǒng)提供具有精確時(shí)刻的零時(shí)信號(hào);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(jìn)行高速連續(xù)錄像,形成數(shù)字圖像。

擬采用一臺(tái)時(shí)間發(fā)控終端和一臺(tái)高速錄像設(shè)備組成計(jì)量校準(zhǔn)裝置,基于比較測量法對(duì)電子秒表計(jì)時(shí)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。即:時(shí)間發(fā)控終端提供開始計(jì)時(shí)和結(jié)束計(jì)時(shí)的零時(shí)信號(hào);高速錄像設(shè)備收到時(shí)間發(fā)控終端發(fā)出信號(hào)的同時(shí),高速拍攝電子秒表的計(jì)時(shí)情況;校準(zhǔn)裝置給出的計(jì)時(shí)長度為標(biāo)稱值,電子秒表給出的計(jì)時(shí)長度為測量值,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)誤差的校準(zhǔn),其校準(zhǔn)示意圖如圖1 所示。

圖1 計(jì)時(shí)誤差靶場校準(zhǔn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of timing errors range calibration

具體校準(zhǔn)過程,通常分為五步:

1)信號(hào)線連接時(shí)間發(fā)控終端的零時(shí)信號(hào)輸出端口、高速攝像設(shè)備的外觸發(fā)端口,同時(shí)信號(hào)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(shí)電子秒表計(jì)時(shí)的開始或結(jié)束時(shí)刻;

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

3)電子秒表啟動(dòng)計(jì)時(shí),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(shí)間發(fā)控終端通過其輸出端口發(fā)出零時(shí)信號(hào),去觸發(fā)高速攝像設(shè)備和發(fā)光二極管同時(shí)動(dòng)作,即發(fā)光二極管被點(diǎn)亮的同時(shí),高速攝像設(shè)備啟動(dòng),并拍攝電子秒表的計(jì)時(shí)結(jié)果,自動(dòng)形成給定時(shí)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(jì)時(shí)開始和結(jié)束時(shí)采集所形成的兩組數(shù)字圖像文件,導(dǎo)入計(jì)算機(jī),每組數(shù)字圖像按時(shí)間序列(注:每組第一張圖像的序列編號(hào)為1)進(jìn)行人工識(shí)別:當(dāng)能清晰分辨出電子秒表顯示的計(jì)時(shí)結(jié)果、且能看清發(fā)光二極管被點(diǎn)亮,記錄該數(shù)字圖像的序列編號(hào)和電子秒表的計(jì)時(shí)結(jié)果。其中,第一組數(shù)字圖像中電子秒表顯示的計(jì)時(shí)結(jié)果為T1、圖像序列編號(hào)為n1;第二組數(shù)字圖像中電子秒表顯示的計(jì)時(shí)結(jié)果為T2、圖像序列編號(hào)為n2;

5)按式(1)計(jì)算電子秒表計(jì)時(shí)誤差(Δt):

式中:Δt——電子秒表計(jì)時(shí)誤差;T——測量時(shí)間間隔;n1——計(jì)時(shí)開始時(shí)高速攝像設(shè)備生成數(shù)字圖像的序列編號(hào);n2——計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)高速攝像設(shè)備生成數(shù)字圖像的序列編號(hào);f0——高速攝像設(shè)備拍攝頻率;T1——計(jì)時(shí)開始時(shí)的電子秒表讀數(shù);T2——計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)的電子秒表讀數(shù)。

2 校準(zhǔn)過程及結(jié)果

2.1 校準(zhǔn)前準(zhǔn)備

前以電子秒表日差指標(biāo)校準(zhǔn)為例進(jìn)行闡述分析。同時(shí)校準(zhǔn)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(jì)時(shí)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(dòng)后自動(dòng)記錄的時(shí)間長度為10 s,時(shí)間發(fā)控終端的測量時(shí)間間隔T設(shè)置為24 h。時(shí)間發(fā)控終端發(fā)出零時(shí)信號(hào)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(hào)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(zhǔn)過程

通過人工識(shí)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(jì)時(shí)開始、計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)的讀數(shù)以及圖像序列編號(hào),按式(1)計(jì)算計(jì)時(shí)誤差。日差的校準(zhǔn)結(jié)果如表1 所示。

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

2.3 校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度評(píng)定

整個(gè)校準(zhǔn)過程都在恒溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,所用設(shè)備采取精密不間斷電源供電,周圍無影響計(jì)量校準(zhǔn)工作的電磁干擾和機(jī)械振動(dòng),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(píng)定情況[15],結(jié)合校準(zhǔn)電子秒表計(jì)時(shí)誤差的實(shí)際情況,給校準(zhǔn)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(shí)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(shí)別差錯(cuò)、時(shí)間發(fā)控終端觸發(fā)時(shí)間誤差(發(fā)出零時(shí)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間)、時(shí)間發(fā)控終端時(shí)間間隔測量誤差等,采取B 類方法評(píng)定校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度[17]。

1)發(fā)光二極管響應(yīng)時(shí)間引入的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間不大于1 ×10-7s,按均勻分布估計(jì),可得uB1≈0.577 ×10-7s;

2)電子秒表顯示刷新頻率引入的標(biāo)準(zhǔn)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(jì),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(zhǔn)不確定度分量uB3。經(jīng)該查看計(jì)量報(bào)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(jì),可得uB3≈0.577 ×10-3s;

4)數(shù)字圖像人工識(shí)別差錯(cuò)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uB4。人工識(shí)別最多出現(xiàn)一幀數(shù)字圖像的識(shí)別差錯(cuò),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(jì),可得uB4≈0.577×10-3s;

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

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

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

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

3 校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證本方法校準(zhǔn)結(jié)果的可信度,將上述8 塊電子秒表外送計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu),要求計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)給出日差指標(biāo)的校準(zhǔn)結(jié)果及測量不確定度。外送校準(zhǔn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

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

鑒于本次外送校準(zhǔn),計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)所用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)為日差測量儀,與本方法所建計(jì)量校準(zhǔn)裝置的技術(shù)指標(biāo)基本相當(dāng)。

為此,采用GJB 2749A—2009《軍事計(jì)量測量標(biāo)準(zhǔn)建立和保持通用要求》所述的“兩臺(tái)比較法”對(duì)給出的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[18],驗(yàn)證公式如式(3),驗(yàn)證結(jié)果如表3 所示。

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

式中:Y1——本方法給出的校準(zhǔn)結(jié)果;Y2——計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)給出的校準(zhǔn)結(jié)果;U1——本方法給出的測量不確定度;U2——計(jì)量技術(shù)機(jī)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(zhǔn)結(jié)果,與計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)給出的校準(zhǔn)結(jié)果基本相近,說明使用本方法校準(zhǔn)電子秒表是科學(xué)可行,所給的校準(zhǔn)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(zhǔn)電子秒表計(jì)時(shí)誤差的新方法。該方法采用時(shí)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(zhǔn)裝置,不僅可以同時(shí)校準(zhǔn)多塊電子秒表的計(jì)時(shí)誤差,還能快速校準(zhǔn)電子秒表任意計(jì)時(shí)長度的測量誤差。通過評(píng)定測量不確定度,并與上級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果表明本方法方便快捷、簡單易行,給出的校準(zhǔn)結(jié)果科學(xué)可信。雖然在校準(zhǔn)過程中沒有考慮被檢秒表的按壓啟動(dòng)、停止等操作帶來的誤差,但對(duì)于日差校準(zhǔn)來說,可以忽略這些因素影響。同時(shí),對(duì)于時(shí)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(zhǔn)問題的思路和做法是可行的,值得推廣應(yīng)用。