数字示波器技术能力比对中时基检定结果异常值分析

寇琼月，周睿，王鹏

(中国人民解放军92228部队，北京 100072)

0 引言

实验室间比对是按照预先规定的条件，由两个或多个实验室对相同或类似的测试样品进行检测的组织、实施和评价，从而确定实验室能力、识别实验室存在的问题与实验室间的差异，是判断和监控实验室能力的有效手段之一[1]。基于16个计量机构数字示波器计量技术能力比对工作的实际情况，针对数字示波器时基检定中，有两个实验室的比对数据与其它实验室存在较大偏差，也偏离了比对参考实验室提供的参考值的情况，介绍了比对数据分析处理方法，分析了异常值产生的原因，提出实际检定工作中出现类似问题时的处置方法。

1 比对数据处理方法及结果的表征

1.1 归一化偏差法

数字示波器技术能力比对主要过程是：主持实验室携带传递标准，按照拟定的顺序在各参比实验室间进行传递，各参比实验室在规定时间内完成检定及测量结果不确定度评定，主持实验室对各参比实验室提交的测量数据进行统计、分析处理，评价参比实验室的技术能力[2]。

用“归一化偏差法”[3]来评定各实验室的结果，根据比对结果数据，计算各实验室测量结果的归一化偏差En

(1)

式中：En为某实验室的测量结果的归一化偏差；Aj为第j个实验室的测量结果；Uj为第j个实验室测量结果的扩展测量不确定度(k=2)；As为传递标准的参考值；Us为传递标准参考值的扩展测量不确定度(k=2)。

当某实验室测量结果的归一化偏差的绝对值满足|En|≤1时，判该测量结果符合要求或判为测量结果一致，即受控；若|En|>1时，判该测量结果离群或测量结果不一致[4]。

1.2 归一化偏差中As和Us的确定

1.2.1参比实验室示波器校准仪时基技术能力分析

参比实验室的示波器校准仪时标信号技术能力相差甚大，根据示波器校准仪技术能力划分为三类，如表1所示。从表1延迟10 ms引入最大允许误差绝对值可知，示波器校准仪引入的不确定度相差两个数量级，若16个参比实验室均采用参考实验室(主标准器为9500B)提供的参考值进行数据处理，则参考值的扩展不确定度在归一化偏差计算中将被淹没。归一化处理主要由参比实验室不确定度量值决定，在测量值与参考值接近的情况下，归一化偏差|En|值均小于1，没有可比性，也说明不了问题。因此，时基比对数据处理中，持有5520A(SC300)示波器校准仪的参比实验室，不参加时基归一化数据处理。其它参比实验室按技术能力及参考值确定方法分两组进行数据处理，第一组，对于与参考实验室具有同等技术能力的参比实验室，归一化偏差中As和Us采用参考值法，对应于表1中第一类；第二组，对于其它技术能力相近的参比实验室归一化偏差中As和Us采用算术平均值法，对应于表1中第二类。

表1 参比实验室示波器校准仪时基技术能力比较

1.2.2参考值法

对应表1中第一类，归一化偏差数据处理中的As和Us采用参考值法来确定，由比对参考实验室为传递标准提供参考值(参考标准为FLUKE9500B示波器校准仪)，比对现场测试期间，两台传递标准器先后4次返回参考实验室获取参考值，主持实验室根据参考实验室提供的4次参考检定值，取平均值为传递标准的参考值As，并完成测量扩展不确定度Us的评定。

1.2.3算术平均值法

对应表1中第二类，归一化偏差数据处理中的As和Us采用算术平均值法来确定，具体方法如下：

设测试结果为Ai(i为参加实验室的编号，N个实验室参加，i=1,2,…,j,…,N),每个测量结果的扩展不确定度为Ui(Ui=kuci,k=2)，除去被评价的实验室的测量结果后，计算其余实验室测量结果的算术平均值，以此算术平均值作为被测量的约定真值As。

(3)

则

(3)

1.3 参比实验室时基比对数据统计

此次比对的两台传递标准均参加了比对现场测试，16个参比实验室提交的数据均有效。本文选择传递标准TDS3032C(编号：C013920)数字示波器检定数据进行归一化数据处理及比对结果分析，时基比对数据如表2所示，参比实验室名称以代码标称。

表2 参比实验室数字示波器时基比对数据

1.4 测量异常值判定方法

1.4.1异常值的剔除方法

在进行时基归一化偏差计算之前，先用统计方法剔除异常的测量结果，异常值的剔除方法采用格拉布斯准则[5]，即：

(4)

从N个测量结果中找出可疑值Ad(通常将测量结果从小到大排列后，以最小值或最大值为可疑值)，或Ad满足式(5)，则Ad为异常值，予以剔除。

(5)

其中，g值可在格拉布斯准则表中查得。

1.4.2延迟10 ms时基测量结果异常值判定

16个参比实验室提供16个时基测量值，因此，首先取N=16，查格拉布斯准则表得g(16，0.05)=2.44，取TDS3032C示波器时基误差测量值(见表2)Aj中最小值为第一个可疑值，经判定最小值A7=-41.0为异常值，予以剔除；再取N=15，查格拉布斯准则表得g(15，0.05)=2.41，取Aj中最大值为第二个可疑值，判定结果：最大值A4=-13为异常值，予以剔除；再取N=14，g(14，0.05)=2.37，取A13=-29.2为第三个可疑值，经判定为非异常值。即时基测量数据中编号为07，04实验室提供的数据含粗大误差，予以剔除。

1.5 比对结果表述

比对结果表述通常采用控制图法。那么，表3中的比对数据处理结果即可表示为图1，其中用菱形表示参比实验室的测量结果，菱形向上和向下延伸线段代表该实验室报告的测量结果扩展不确定度；基线为各实验室在测量点的参考值(即圆点标志)As的连线，菱形与基线的偏差为(Aj-As)。图2为参比实验室时基归一化偏差En值控制图，编号为02，16实验室因测量标准技术能力不满足被测件时基量传要求，不参与此项归一化处理；编号为04，07实验室时基测量结果经判定，作为异常值被剔除。

表3 时基测量第一组比对数据处理结果

图1 延迟10 ms时基测量第一组比对测量结果及不确定度图

图2 时基归一化偏差En值控制图

2 时基测量结果异常值分析

2.1 延迟10 ms时基测量结果异常值描述

14个参比实验室的时基测量值，经格拉布斯准则进行异常值判定，得出 04，07实验室提供的数据含粗大误差，予以剔除。以 07实验室为例分析异常值产生原因，07实验室时基比对测量数据如表4所示。

表4 参比实验室数字示波器时基比对数据

2.2 时基测量结果异常值分析

2.2.1时基测量结果异常值来源判定

1)判定量传关系的符合性

最大允许误差为±25 ns的源(示波器校准仪)检定最大允许误差为±200 ns的表(数字示波器)，测试不确定度比为8∶1，满足量传要求；测量标准溯源合格，且在有效期内。

2)判定比对被测件完好性及操作的正确性

由于两台被测示波器均较参考值偏离-20 ns，排除被测件出现异常。设备连接、阻抗匹配及操作，均无误。

3)判定测量标准输出信号的准确性

比对现场主持实验室采用频率计(型号：53132A)对示波器校准仪输出的10 ms时标信号进行了测试，测量值为9.9999783 ms，示波器校准仪10 ms时标信号输出较标称值偏小22 ns，其在该点最大允许误差为±25 ns，因而判定示波器校准仪10 ms时标信号符合技术要求。查测量标准溯源证书,证明该数据准确。

2.2.2时基测量结果异常值原因分析

基于示波器校准仪10 ms时标信号偏差分析，得知，07实验室时基测量结果-41 ns，由被测示波器时基偏差(-20 ns)和示波器校准仪10 ms时标信号偏差(-22 ns)两部分组成，这也是该实验室时基偏离过大的原因。而且测量结果偏小的量值(21 ns)与示波器校准仪10 ms偏差的量值(22 ns)相当，如图3(a)所示。

对于TDS3032B数字示波器，时基测量中体现的更为突出，07实验室判定时基超差，给出时基检定不合格结论。经参考实验室检定，TDS3032B示波器时基测量值为-185 ns(即参考值)，该测量点最大允许误差-200 ns，所以该示波器时基检定结论为合格。07实验室测得该示波器时基测量值为-204 ns，因超出最大允许误差范围，07实验室判定该示波器时基不合格。原因同样是时基测量结果-204 ns中包含了被测示波器时基偏差(-185 ns)和示波器校准仪10 ms时标信号偏差(-22 ns),如图3(b)所示。

图3 07参比实验室时基比对测量异常值分析图

若去除示波器校准仪-22 ns的影响，07实验室测得的时基绝对误差为-182 ns，与参考值基本一致，且在最大允许误差-200 ns以内，检定结论应为合格，与参考实验室给出的检定结论一致，如表5所示。

表5 07参比实验室时基比对测量异常值分析表

经以上分析可知异常值产生的原因是：主标准器示波器校准仪10 ms时标输出信号偏差(-22 ns)带入并 叠加在测量结果上，使得测量结果偏离增大；在被测件(TDS3032B示波器)时基测量值接近其允许误差极限(-200 ns)时，由于主标准器偏差的叠加，致使检定结果偏大，超出了最大允许误差极限，给出不合格结论，造成误判。因此，在实际检定工作中，若检定结果超差，且所用测量标准溯源结果接近最大允许误差极限，应分析测量标准偏差对测量结果的叠加影响，再进行合格判定。若单纯从检定结果判定检定项目合格与否，具有误判风险，应进行全面的分析、验证。

3 结论

本文介绍了数字示波器时基技术能力比对数据处理方法及结果表征，具体分析了时基测量结果比对异常值产生原因，指出实际检定工作中，当测量标准技术能力接近其最大允许误差，且检定结果超差时，应当进行综合分析，考虑测量标准偏差对测量结果的影响，避免因为检定值超差单方面给出误判。同时，文中梳理出的比对数据处理方案具有一定代表性，可供组织实验室间比对的主持实验室参考借鉴。