军用设备地线传导敏感度的测量不确定度评定研究

曹晟，葛欣宏

（1.北京工业大学，北京 100124；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

2013年，我军发布了新版电磁兼容军用标准《GJB 151B-2013军用设备和分系统 电磁发射和敏感度要求与测量》，用以代替GJB151A/152A-97的旧版标准。25Hz～50kHz地线传导敏感度（CS102）是GJB151B-2013标准中新增的一项，CS102的测试对象为水面舰船、潜艇上带有地线的设备及分系统，当订购方有规定时，也适用于工作在其他平台上且带地线的设备和分系统，测试目的是验证EUT（被测设备）的地线上注入GJB151B-2013中CS102项规定的标准电平时，EUT是否工作正常。开展CS102的测量不确定度评定研究工作，可以有效的衡量25Hz～50kHz地线传导敏感度的测量结果的质量［1-6］。在CNAS实验室认可工作中，在两个或多个实验室之间的能力比对是认可工作的一个重要环节，通过能力比对，能够判别不同实验室CS102测量结果的合理性，提高测量结果的一致性。本文依据GJB151B-2013《军用设备和分系统 电磁发射和敏感度要求与测量》、及CS102的仪器配置，参考GB/T 6113.402-2006，对25Hz～50kHz地线传导敏感度的测量不确定度评定方法进行了研究［7］。

1 测量原理

图1为CS102项的测量原理图。测量配置中，LISN（人工电源网络）是为EUT（被测设备）供电的必要设备，一方面可以为不同的EUT提供统一的电源阻抗，另一方面用于抑制EUT本身的电磁干扰返回至电源及耦合电路，以提供干净的电源品质。信号发生器产生符合标准要求的干扰注入电平，依据不同EUT地线的注入难易程度可以选择是否采用功率放大器，耦合变压器是干扰注入的执行设备，承担将干扰电平注入地线的任务。示波器用于监视干扰电平是否符合GJB151B-2013要求的注入电平要求。测量配置中，辅助设备用于监视EUT的工作性能，观察EUT是否工作正常。

图1 CS102测量配置图

测量过程为：依据图1连接测量系统，受试设备加电并预热，使其工作状态处于稳定。初始将信号发生器的输出调节到最低测试频率，然后慢慢增加信号电平，直到示波器的读数值为1V，保持要求的信号电平，依据GJB151B-2013通用要求在测试频率范围内进行频率步进式注入，同时观察EUT是否敏感。

2 测量不确定度的来源分析及测量模型的建立

电磁兼容测量过程中，形成测量不确定度的来源众多，测量仪器、实验人员的熟练度、测量方法的局限性及被测对象描述的不充分均会引入测量结果的不确定度。具体包括测量过程中不同实验人员的熟练度引入的测量过程偏差、测量仪器的计量性能的受限及在相同条件下测量结果在多次观测中的变化等［8-11］。据此分析，在CS102测量环节中，信号发生器的漂移、阻抗失配、测量的重复性等因素均引入了测量不确定度分量。

据此，建立式（1）所示的CS102干扰注入电平的测量模型：

式中，CVL：传导干扰注入电平，dBV；VLAW：电压的窗口接受度，dB，在可接受窗口内，允许软件接受的在校准电平下的感应电压值。PD：信号发生器漂移，dB，与信号发生器的输出电平及长期重复性有关。PAH：功率放大器谐波，dB，功率计的读数中由放大器失真引入的不确定度分量。MVC：示波器-耦合变压器间的阻抗失配，dB。Ur：示波器自身引入的不确定度修正因子，dB。REUT：EUT的重复性，dB，只有当测量结果接近允许极限时才需要考虑，因为此时EUT的变化可能影响到合格判定。

3 测量结果的测量不确定度评定

测量不确定度评定包括A类评定和B类评定共两个部分。

A类评定为在规定测量条件下，能够用统计分析的方法对被测量进行评定的测量不确定度分量；

B类评定用非统计学方法对测量不确定分量进行评定。

3.1 A类测量不确定分量评定

依据国家标准GB/T 6113.402-2006，示波器电压读数Vr需要采用A类测量不确定分量评定方法进行评定，不确定的来源包括测量系统不稳定、人员操作的重复性等因素，由于CS102的测试系统为闭环自动测试系统，不同EUT均要求保持注入干扰电平为1V，故A类测量不确定的来源也包括了EUT的不确定性。

选择某舰载设备作为受试设备，设备为220V单相交流供电。依据试验的标准测量配置进行10次测量，在50Hz频点处取10次测量结果用于评定，具体数据见表1，由于示波器的测量结果单位为V，为便于计算合成不确定度，将V转换为dBμV。

其次，计算实验标准偏差s（Vk），有：

表1 测量接收机读数的A类评定计算

3.2 B类测量不确定分量评定

3.2.1 电压电平可接受窗口VLAW，dB

依据CNAS-GL07，示波器电压可接受窗口的半宽度值a=0.50dB，该值均匀分布，则电压电平可接收窗口的标准测量不确定度为u（VLAW）=0.50/1.732=0.289dB。

3.2.2 信号发生器漂移PD，dB

在仪器的校准证书中，信号发生器漂移PD的输出幅度相对扩展不确定度为0.5%（k=2），由于校准证书采用了相对不确定度的形式表示，需要换算成dB形式。

设信号发生器输出幅度为Ur（V），则扩展不确定度的报告形式为：m=Ur（1±0.5%），将该式两边同时取以10为底的对数，并乘以20，有：

即m（dBV）=Ur（dBV）+［-0.0435dB，0.0043dB］

［-0.0435dB，0.0043dB］区间的半宽为0.0239dB，服从正态分布，则PD的标准测量不确定度为u（PD）=0.0239dB/2=0.012dB。

3.2.3 功率放大器谐波PAH，dB

在仪器的校准证书中，功率放大器增益的扩展不确定度：0.6dB（k=2），则u（PAH）=0.6/2=0.3dB。

3.2.4 示波器-耦合变压器间的阻抗失配MVC，dB

由于示波器-耦合变压器测量路径存在阻抗不完全匹配，需要对结果修正，其修正的最佳值为0dB。

电缆、耦合变压器及电缆三者的串联构成了一个二端口网络，示波器连接到二端口网络的一端上，二端口网络的另一端连接到受试设备，则阻抗失配修正因子为式（2）：

其中，Γe为EUT的反射系数，Γr为示波器的反射系数，考虑最坏情况假设接到示波器上的是一根良好匹配的电缆（S11＜＜1，S22＜＜1），其衰减可忽略（S21≈1），且示波器射频衰减为10dB或更大，这时电压驻波比为VSWR≤1.2：1，相当于Γr≤0.09。

据此，可以计算δM的极限值，如式（3）：

式中，δM的半宽度值为0.785dB，服从U型分布，包含因子为则阻抗失配修正因子δM的标准测量不确定度为u(δM)=0.555dB。

3.2.5 示波器自身引入的不确定度修正因子Ur，dB

示波器自身引入的不确定度主要为电压测量引入的扩展测量不确定度［12～15］，示波器的校准证书中，电压测量的相对扩展测量不确定度为0.5%（k=2），由于校准证书采用了相对不确定度的形式表示，需要换算成dB形式。

设示波器的测量值为Ur（V），则扩展不确定度的报告形式为：

m=Ur（1±0.5%），将该式两边同时取以10为底的对数，并乘以20，有：

20lgm=20lgUr+20lg（1±0.5%）

即m（dBV）=Ur（dBV）+［-0.0435dB，0.0043dB］

［-0.0435dB，0.0043dB］区间的半宽为0.0239dB，服从正态分布，则Ur的标准测量不确定度为u(Ur)=0.0239dB/2=0.012dB。

3.2.6 EUT的重复性REUT，dB

由于CS102项测试的被测件基本不存在重复性，故该项不予考虑。

表2 B类标准不确定度分量评定结果表

3.3 测量结果的合成标准不确定度

干扰注入电平的合成标准不确定度为：

3.4 测量结果的扩展不确定度

取k=2（对应95%的置信水平），扩展不确定度为：

4 结论

本文系统的研究了军用设备地线传导敏感度的测量不确定度评定方法，以某舰载设备为测量对象，开展了测量不确定度评定工作，评定结果显示，影响CS102测量不确定度的主要分量是阻抗失配带来的不确定度、电压电平可接受窗口及功率放大器谐波带来的不确定度分量等。研究结果对符合GJB151B新标准电磁兼容测量能力的建设以及测量结果质量的保障具有积极的作用。

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