文 海 翟巧麗 秦項乾

(中國華陰兵器試驗中心計量測試站，華陰 714200)

1 引 言

專用測試裝備是為完成某一特定測試任務而組合起來的成套裝備(設備)，是靶場發(fā)揮測試能力的基礎載體。長期以來，由于專用測試裝備[1]的組成復雜、同型數(shù)量較少，又被稱為非標測試裝備，沒有相應的計量檢測規(guī)程，也沒有可供參考的分析指南，其計量特性[2,3]不能得到科學、規(guī)范的參數(shù)描述，部分指標要求過高，有的直接將裝備的設計參數(shù)指標或功能指標當成計量特性，導致其量值難以有效溯源，從而影響了專用測試裝備測試結果的可信性。因此，為專用測試裝備建立一套計量特性分析方法，便于專用測試裝備向國家計量基準進行量值溯源，從而在裝備的測試結果與國家計量基準之間建立起計量溯源鏈[4]。

2 系統(tǒng)分析法

通用測試設備，尤其是計量設備的計量特性，一般是依據(jù)國家或行業(yè)發(fā)布的計量規(guī)程或型式評定要求進行確定。而專用測試裝備的計量特性大多是在研制或制造過程中，根據(jù)裝備的設計需求或功能確定。采用的方法是從制造者視角出發(fā)，要求全方位覆蓋，對使用者來說，既沒有技術積累，也無法將計量保障聚焦到裝備本身的測試功能上，造成經(jīng)濟和時間的浪費。

專用測試裝備是基于靶場測試任務而建立的一類測試裝備，其結果呈現(xiàn)主要是測試能力。為此，以測試能力為基點，應用系統(tǒng)分析法，將專用測試裝備視為一個系統(tǒng)，從組成原理上將專用測試裝備抽象為主機(終端)、信息獲取、驅(qū)動執(zhí)行和支持保障等四個設備(或分系統(tǒng))組成，如圖1。

圖1 專用測試裝備的原理框圖

在圖1中，除支持保障設備(或分系統(tǒng))外，其他設備(或分系統(tǒng))均直接參與專用測試裝備實現(xiàn)其測試能力的過程。

2.1 分析思路

分析專用測試裝備計量特性，主要有三項任務：一是根據(jù)測試能力與性能參數(shù)之間的關聯(lián)關系，識別并確定計量特性；二是參照通用計量專業(yè)，對計量特性進行規(guī)范的參數(shù)描述；三是根據(jù)裝備實際，對計量特性的技術指標進行合理確定。為此，分析確定專用測試裝備計量特性的思路主要是：立足于裝備的測試任務，綜合考慮裝備的組成原理及實際參試測試環(huán)節(jié)，以裝備現(xiàn)有性能參數(shù)為參考，以“可計量”為原則，兼顧裝備的使用環(huán)境、時間效應、安全風險及經(jīng)濟成本等因素，通過建立專用測試裝備的測試能力與計量特性之間的關聯(lián)模型，如圖2所示，最終確定其計量特性。

圖2 關聯(lián)模型圖

2.2 識別范圍

2.2.1 凡是影響專用測試裝備準確測試的性能參數(shù)，均應納入計量特性的識別范圍：

(1)對裝備系統(tǒng)運行有直接影響的系統(tǒng)級性能參數(shù)；

(2)當分系統(tǒng)對接或集成到裝備系統(tǒng)當中時，對裝備運行有影響的分系統(tǒng)性能參數(shù)；

(3)當設備作為系統(tǒng)或分系統(tǒng)中的一部分使用時，對裝備運行有影響的設備性能參數(shù)；

(4)若裝備實際使用環(huán)境既有標準實驗室環(huán)境，又有野外環(huán)境，尤其是高原、濕熱、低溫等環(huán)境，應將該裝備對使用環(huán)境敏感的性能參數(shù)納入識別；

(5)雖然與裝備的功能用途沒有直接關系，但對預防裝備損壞(故障)、人身危害等安全風險有利的性能參數(shù)。

2.2.2 符合下列情形的，可以從計量特性識別范圍內(nèi)剔除：

(1)當性能參數(shù)的量值幾乎不受時間長短的影響時，比如：外觀尺寸、顯示分辨力等幾乎不受時間的影響；

(2)若對該性能參數(shù)直接溯源的經(jīng)濟成本(或時間成本)無法接受時。

2.3 “可計量”原則

2.3.1 可定量

其指標要求可以定量化描述，不是功能性描述。

2.3.2可測量

其結果只能通過測量活動才能得到，不是通過設計、上級規(guī)定、標準規(guī)范、經(jīng)驗總結或統(tǒng)計等方式得到。

2.3.3能溯源

其測量結果可以通過檢定、校準、比對測試等專業(yè)計量活動直接或間接向國家計量基準進行量值溯源。

3 方法確定

3.1 主要步驟

分析專用測試裝備計量特性，主要按描述試驗測試能力、系統(tǒng)性能分析、組成原理分析、確定計量特性等4個步驟進行，其分析流程如圖3所示。

圖3 分析流程圖

3.1.1描述試驗測試能力

根據(jù)專用測試裝備承擔的測試任務，逐項描述其試驗測試能力，明確該試驗能力的內(nèi)涵與外延，以便從中找出與專用測試裝備性能參數(shù)相關的線索。

3.1.2系統(tǒng)性能分析

以裝備的測試能力為觀察視角，從專用測試裝備的性能參數(shù)當中，梳理并列出對該測試能力有關聯(lián)影響的系統(tǒng)級性能參數(shù)，并按“可計量”原則逐個判定，直至分析完全部有關聯(lián)影響的系統(tǒng)級性能參數(shù)，若系統(tǒng)級性能參數(shù)的計量成本無法接受時可進行結構組成原理分析。

3.1.3結構組成原理分析

以選定的系統(tǒng)級性能參數(shù)為觀察視角，對裝備進行結構組成原理分析，梳理并列出對該系統(tǒng)級性能參數(shù)有關聯(lián)影響的組成設備(或分系統(tǒng))，并按“可計量”原則逐個設備進行判定，直至分析完全部有關聯(lián)影響的設備。

3.1.4確定計量特性

針對上述分析列出的計量特性，結合使用環(huán)境、時間效應、安全風險及經(jīng)濟成本等因素進行權衡，以最終確定出專用測試裝備的計量特性。

3.2 結果表達

專用測試裝備計量特性的結果表達主要包括參數(shù)描述和指標要求兩部分。其中：參數(shù)描述是計量特性具有計量專業(yè)屬性的名稱；指標要求反映了該計量特性的測量能力，包括使用范圍和允許誤差等兩個內(nèi)容。表1給出了部分計量特性的表達示例。

表1 計量特性表達示例Tab.1 Examplesofexpressionofmetrologicalcharacteristics序號參數(shù)描述指標要求使用范圍允許誤差1溫度波動性18℃^20℃≤0.5℃(每小時變化)2直流電壓1mV^1000V±1%3信號功率-10dB^20dB(50MHz^26.5GHz)0.12dB^0.18dB4脈沖電壓1mV^200V±0.05%5上升時間>5ps1ps

3.2.1參數(shù)描述

為準確描述計量特性的參數(shù)，可以參照通用計量專業(yè)的參數(shù)描述，對計量特性進行規(guī)范化命名，確保參數(shù)描述的意義明確、無歧義，并指出所屬計量專業(yè)，為該裝備后期的計量溯源提供指引。

3.2.2指標要求

鑒于專用測試裝備的計量特性近似反映裝備的測試能力，其指標要求越高，對應的測量能力就越高，對計量保障的要求也就越高；指標要求越低，對應的測量能力就越低，對計量保障的要求就越低。所以，指標要求高低與計量保障的難度、經(jīng)濟成本、時間成本之間成正相關。

為此，參照GJB 5109[5]，結合靶場的應用實際，專用測試裝備指標要求的確定原則如下：

(1)使用范圍和允許誤差不得高于該計量特性對應性能參數(shù)的名義指標；

(2)當計量保障的難度、經(jīng)濟成本、時間成本難以接受時，使用范圍和允許誤差可以適當?shù)陀谠撚嬃刻匦詫阅軈?shù)的名義指標；

(3)系統(tǒng)級計量特性的使用范圍不得小于與之有關的其他計量特性使用范圍，其允許誤差不得低于與之有關的其他計量特性允許誤差的3倍；

(4)當計量特性來源于輸入激勵源的性能參數(shù)時，其使用范圍和允許誤差可以等同與之有關的系統(tǒng)級計量特性。

4 實例分析

下面以炮口沖擊波測試系統(tǒng)為例進行分析，對其中的指標暫不作具體分析和描述。

在靶場，炮口沖擊波測試系統(tǒng)的使命任務是測試炮口沖擊波[6]，其工作原理是基于壓電效應(或壓阻效應)，由壓電式(或壓阻式)壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號適調(diào)放大，輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，得到“沖擊波超壓—時間”曲線、超壓峰值、持續(xù)時間等測量結果，見圖4。

圖4 炮口沖擊波測試系統(tǒng)的原理示意圖

炮口沖擊波測試系統(tǒng)的測試能力主要有沖擊波壓力和持續(xù)時間等兩項。沖擊波壓力是在頻率響應范圍內(nèi)的壓力測量，與該專用測試裝備系統(tǒng)級性能參數(shù)相關；沖擊波持續(xù)時間直接與主機(終端)——多通道數(shù)據(jù)采集器的性能參數(shù)相關。若沖擊波壓力作為計量特性，由于計量保障難度較大，計量成本高、時間長，因此，需從其結構組成原理上分析確定其他計量特性。而炮口沖擊波測試系統(tǒng)是由壓力傳感器、適調(diào)放大器、多通道數(shù)據(jù)采集器等通用測試設備組成，依據(jù)JJG 860-2015[7]、JJG 624-2005[8]、JJF 1506-2015[9]和JJF 1048-1995[10]等計量技術規(guī)范，分析確定計量特性，見表2。

表2 炮口沖擊波測試系統(tǒng)的計量特性名稱Tab.2 Nameofmeasurementcharacteristicsofblast-wavetestsystemformuzzle結構原理組成原理名稱實際名稱對應的計量特性相關的測試能力主機(終端)信息獲取設備多通道數(shù)據(jù)采集器壓力傳感器適調(diào)放大器最高循環(huán)采集速率線性度誤差限時間漂移通道間串擾輸入電阻輸入通頻帶動態(tài)有效位數(shù)共模抑制比串模抑制特性溫度漂移特性絕緣電阻基本誤差限重復性遲滯線性零點漂移周期穩(wěn)定性幅值靈敏度上升時間振鈴頻率過沖量建立時間線性頻率響應級線性頻率計權高、低通濾波器特性總失真沖擊波持續(xù)時間沖擊波壓力

5 結束語

從使用者視角，以測試能力為基點，建立了專用的測試裝備計量特性分析方法，具有簡單易行的特點，為評定靶場在役裝備計量特性提供支持，使其計量特性的參數(shù)描述更規(guī)范，既有利于理解，又有利于計量溯源，從而提高計量保障的針對性；定義的指標要求更合理，可以降低經(jīng)濟成本和時間成本，提高計量保障的有效性。本文所述的方法為新建(或在研)裝備論證計量特性參數(shù)、指標及檢測設備(儀器、儀表)配置提供參考，避免出現(xiàn)計量保障困難的先天缺陷。