专用测试装备计量特性的分析方法

文 海 翟巧丽 秦项乾

(中国华阴兵器试验中心计量测试站，华阴 714200)

1 引 言

专用测试装备是为完成某一特定测试任务而组合起来的成套装备(设备)，是靶场发挥测试能力的基础载体。长期以来，由于专用测试装备[1]的组成复杂、同型数量较少，又被称为非标测试装备，没有相应的计量检测规程，也没有可供参考的分析指南，其计量特性[2,3]不能得到科学、规范的参数描述，部分指标要求过高，有的直接将装备的设计参数指标或功能指标当成计量特性，导致其量值难以有效溯源，从而影响了专用测试装备测试结果的可信性。因此，为专用测试装备建立一套计量特性分析方法，便于专用测试装备向国家计量基准进行量值溯源，从而在装备的测试结果与国家计量基准之间建立起计量溯源链[4]。

2 系统分析法

通用测试设备，尤其是计量设备的计量特性，一般是依据国家或行业发布的计量规程或型式评定要求进行确定。而专用测试装备的计量特性大多是在研制或制造过程中，根据装备的设计需求或功能确定。采用的方法是从制造者视角出发，要求全方位覆盖，对使用者来说，既没有技术积累，也无法将计量保障聚焦到装备本身的测试功能上，造成经济和时间的浪费。

专用测试装备是基于靶场测试任务而建立的一类测试装备，其结果呈现主要是测试能力。为此，以测试能力为基点，应用系统分析法，将专用测试装备视为一个系统，从组成原理上将专用测试装备抽象为主机(终端)、信息获取、驱动执行和支持保障等四个设备(或分系统)组成，如图1。

图1 专用测试装备的原理框图

在图1中，除支持保障设备(或分系统)外，其他设备(或分系统)均直接参与专用测试装备实现其测试能力的过程。

2.1 分析思路

分析专用测试装备计量特性，主要有三项任务：一是根据测试能力与性能参数之间的关联关系，识别并确定计量特性；二是参照通用计量专业，对计量特性进行规范的参数描述；三是根据装备实际，对计量特性的技术指标进行合理确定。为此，分析确定专用测试装备计量特性的思路主要是：立足于装备的测试任务，综合考虑装备的组成原理及实际参试测试环节，以装备现有性能参数为参考，以“可计量”为原则，兼顾装备的使用环境、时间效应、安全风险及经济成本等因素，通过建立专用测试装备的测试能力与计量特性之间的关联模型，如图2所示，最终确定其计量特性。

图2 关联模型图

2.2 识别范围

2.2.1 凡是影响专用测试装备准确测试的性能参数，均应纳入计量特性的识别范围：

(1)对装备系统运行有直接影响的系统级性能参数；

(2)当分系统对接或集成到装备系统当中时，对装备运行有影响的分系统性能参数；

(3)当设备作为系统或分系统中的一部分使用时，对装备运行有影响的设备性能参数；

(4)若装备实际使用环境既有标准实验室环境，又有野外环境，尤其是高原、湿热、低温等环境，应将该装备对使用环境敏感的性能参数纳入识别；

(5)虽然与装备的功能用途没有直接关系，但对预防装备损坏(故障)、人身危害等安全风险有利的性能参数。

2.2.2 符合下列情形的，可以从计量特性识别范围内剔除：

(1)当性能参数的量值几乎不受时间长短的影响时，比如：外观尺寸、显示分辨力等几乎不受时间的影响；

(2)若对该性能参数直接溯源的经济成本(或时间成本)无法接受时。

2.3 “可计量”原则

2.3.1 可定量

其指标要求可以定量化描述，不是功能性描述。

2.3.2可测量

其结果只能通过测量活动才能得到，不是通过设计、上级规定、标准规范、经验总结或统计等方式得到。

2.3.3能溯源

其测量结果可以通过检定、校准、比对测试等专业计量活动直接或间接向国家计量基准进行量值溯源。

3 方法确定

3.1 主要步骤

分析专用测试装备计量特性，主要按描述试验测试能力、系统性能分析、组成原理分析、确定计量特性等4个步骤进行，其分析流程如图3所示。

图3 分析流程图

3.1.1描述试验测试能力

根据专用测试装备承担的测试任务，逐项描述其试验测试能力，明确该试验能力的内涵与外延，以便从中找出与专用测试装备性能参数相关的线索。

3.1.2系统性能分析

以装备的测试能力为观察视角，从专用测试装备的性能参数当中，梳理并列出对该测试能力有关联影响的系统级性能参数，并按“可计量”原则逐个判定，直至分析完全部有关联影响的系统级性能参数，若系统级性能参数的计量成本无法接受时可进行结构组成原理分析。

3.1.3结构组成原理分析

以选定的系统级性能参数为观察视角，对装备进行结构组成原理分析，梳理并列出对该系统级性能参数有关联影响的组成设备(或分系统)，并按“可计量”原则逐个设备进行判定，直至分析完全部有关联影响的设备。

3.1.4确定计量特性

针对上述分析列出的计量特性，结合使用环境、时间效应、安全风险及经济成本等因素进行权衡，以最终确定出专用测试装备的计量特性。

3.2 结果表达

专用测试装备计量特性的结果表达主要包括参数描述和指标要求两部分。其中：参数描述是计量特性具有计量专业属性的名称；指标要求反映了该计量特性的测量能力，包括使用范围和允许误差等两个内容。表1给出了部分计量特性的表达示例。

表1 计量特性表达示例Tab.1 Examplesofexpressionofmetrologicalcharacteristics序号参数描述指标要求使用范围允许误差1温度波动性18℃^20℃≤0.5℃(每小时变化)2直流电压1mV^1000V±1%3信号功率-10dB^20dB(50MHz^26.5GHz)0.12dB^0.18dB4脉冲电压1mV^200V±0.05%5上升时间>5ps1ps

3.2.1参数描述

为准确描述计量特性的参数，可以参照通用计量专业的参数描述，对计量特性进行规范化命名，确保参数描述的意义明确、无歧义，并指出所属计量专业，为该装备后期的计量溯源提供指引。

3.2.2指标要求

鉴于专用测试装备的计量特性近似反映装备的测试能力，其指标要求越高，对应的测量能力就越高，对计量保障的要求也就越高；指标要求越低，对应的测量能力就越低，对计量保障的要求就越低。所以，指标要求高低与计量保障的难度、经济成本、时间成本之间成正相关。

为此，参照GJB 5109[5]，结合靶场的应用实际，专用测试装备指标要求的确定原则如下：

(1)使用范围和允许误差不得高于该计量特性对应性能参数的名义指标；

(2)当计量保障的难度、经济成本、时间成本难以接受时，使用范围和允许误差可以适当低于该计量特性对应性能参数的名义指标；

(3)系统级计量特性的使用范围不得小于与之有关的其他计量特性使用范围，其允许误差不得低于与之有关的其他计量特性允许误差的3倍；

(4)当计量特性来源于输入激励源的性能参数时，其使用范围和允许误差可以等同与之有关的系统级计量特性。

4 实例分析

下面以炮口冲击波测试系统为例进行分析，对其中的指标暂不作具体分析和描述。

在靶场，炮口冲击波测试系统的使命任务是测试炮口冲击波[6]，其工作原理是基于压电效应(或压阻效应)，由压电式(或压阻式)压力传感器将压力信号转换为电信号，经过信号适调放大，输入数据采集系统，得到“冲击波超压—时间”曲线、超压峰值、持续时间等测量结果，见图4。

图4 炮口冲击波测试系统的原理示意图

炮口冲击波测试系统的测试能力主要有冲击波压力和持续时间等两项。冲击波压力是在频率响应范围内的压力测量，与该专用测试装备系统级性能参数相关；冲击波持续时间直接与主机(终端)——多通道数据采集器的性能参数相关。若冲击波压力作为计量特性，由于计量保障难度较大，计量成本高、时间长，因此，需从其结构组成原理上分析确定其他计量特性。而炮口冲击波测试系统是由压力传感器、适调放大器、多通道数据采集器等通用测试设备组成，依据JJG 860-2015[7]、JJG 624-2005[8]、JJF 1506-2015[9]和JJF 1048-1995[10]等计量技术规范，分析确定计量特性，见表2。

表2 炮口冲击波测试系统的计量特性名称Tab.2 Nameofmeasurementcharacteristicsofblast-wavetestsystemformuzzle结构原理组成原理名称实际名称对应的计量特性相关的测试能力主机(终端)信息获取设备多通道数据采集器压力传感器适调放大器最高循环采集速率线性度误差限时间漂移通道间串扰输入电阻输入通频带动态有效位数共模抑制比串模抑制特性温度漂移特性绝缘电阻基本误差限重复性迟滞线性零点漂移周期稳定性幅值灵敏度上升时间振铃频率过冲量建立时间线性频率响应级线性频率计权高、低通滤波器特性总失真冲击波持续时间冲击波压力

5 结束语

从使用者视角，以测试能力为基点，建立了专用的测试装备计量特性分析方法，具有简单易行的特点，为评定靶场在役装备计量特性提供支持，使其计量特性的参数描述更规范，既有利于理解，又有利于计量溯源，从而提高计量保障的针对性；定义的指标要求更合理，可以降低经济成本和时间成本，提高计量保障的有效性。本文所述的方法为新建(或在研)装备论证计量特性参数、指标及检测设备(仪器、仪表)配置提供参考，避免出现计量保障困难的先天缺陷。