一种电子秒表计时误差的靶场校准方法

常 伟,文海,吴应发

(63875部队,华阴 714200)

0 引言

电子秒表是一种具有启动、停止、复零、数码显示功能的手动计时器[1,2],因其小巧方便、计时准确、成本低廉,靶场常用于“装备展开与撤收、维修性、可靠性”等试验科目的测量计时[3],进而评价被试品的战技性能指标。目前,靶场电子秒表是采取外送计量技术机构的方式进行计量检定[4,5]。只要电子秒表的测量间隔(也称计时长度)在10 s、10 min、1 h、1 d 时的测量误差(也称计时误差)均低于计量检定规程JJG 237—2010《秒表计量检定规程》规定的最大允许误差[6],计量技术机构就给出检定合格的结论,否则为检定不合格。由于JJG 237—2010规定“日差”(即“测量间隔为1 d 时的测量误差”)为选检项目,当送检时未向计量技术机构声明时,该“日差”项目一般不检。因此,大多数计量检定证书仅为电子秒表给出计时长度在10 s、10 min、1 h时的测量误差及测量不确定度。然而,近年来,靶场已有多项试验任务需要电子秒表进行数小时、甚至一天以上的计时测量保障。现行计量保障方法难以满足要求。而将电子秒表临时外送计量技术机构,对其计时误差进行校准,不仅要提前做好沟通,而且还要等待校准结果,前后需要多个工作日,很容易影响靶场试验任务进度。因此,迫切需要靶场利用内部测量设备资源形成电子秒表计时误差的校准能力。

1 靶场校准方法

1.1 概述

当前,高密度试验任务,靶场测量设备仪器经常处于环境恶劣、使用频繁的状态[7,8],其性能指标很容易劣化;加之空闲时间短,很难及时外送计量校准。因此,不少单位提出建立一种科学可行、经济快捷的计量保障方法。

该方法的核心思想是:使用在计量有效期内的单位自有测量设备仪器搭建校准装置,校准装置与被校对象之间的测试不确定度比不低于4 ∶1[9-11],其校准结果的可信度能够通过不确定度验证等计量技术手段证实[12-14]。

1.2 方法原理

经过多年发展,靶场已建成一套运行有效的试验测试系统。其中,时间发控终端是一种基于北斗卫星授时的时间统一设备,可以为靶场测控系统提供具有精确时刻的零时信号;高速录像设备是靶场常用的数字图像采集设备,能够以不低于1 000 Hz的拍摄频率进行高速连续录像,形成数字图像。

拟采用一台时间发控终端和一台高速录像设备组成计量校准装置,基于比较测量法对电子秒表计时误差进行校准。即:时间发控终端提供开始计时和结束计时的零时信号;高速录像设备收到时间发控终端发出信号的同时,高速拍摄电子秒表的计时情况;校准装置给出的计时长度为标称值,电子秒表给出的计时长度为测量值,进而实现计时误差的校准,其校准示意图如图1 所示。

图1 计时误差靶场校准示意图Fig.1 Schematic diagram of timing errors range calibration

具体校准过程,通常分为五步:

1)信号线连接时间发控终端的零时信号输出端口、高速摄像设备的外触发端口,同时信号线并联到发光二极管上。其中,发光二极管用于标识电子秒表计时的开始或结束时刻;

2)时间发控终端设置好测量时间间隔T,高速摄像设备设置好拍摄频率f0和启动后自动生成数字图像文件的时间长度;

3)电子秒表启动计时,并将发光二极管与电子秒表正面置于高速摄像设备的视场中,时间发控终端通过其输出端口发出零时信号,去触发高速摄像设备和发光二极管同时动作,即发光二极管被点亮的同时,高速摄像设备启动,并拍摄电子秒表的计时结果,自动形成给定时间长度的数字图像文件;

4)从高速摄像设备中提取出计时开始和结束时采集所形成的两组数字图像文件,导入计算机,每组数字图像按时间序列(注:每组第一张图像的序列编号为1)进行人工识别:当能清晰分辨出电子秒表显示的计时结果、且能看清发光二极管被点亮,记录该数字图像的序列编号和电子秒表的计时结果。其中,第一组数字图像中电子秒表显示的计时结果为T1、图像序列编号为n1;第二组数字图像中电子秒表显示的计时结果为T2、图像序列编号为n2;

5)按式(1)计算电子秒表计时误差(Δt):

式中:Δt——电子秒表计时误差;T——测量时间间隔;n1——计时开始时高速摄像设备生成数字图像的序列编号;n2——计时结束时高速摄像设备生成数字图像的序列编号;f0——高速摄像设备拍摄频率;T1——计时开始时的电子秒表读数;T2——计时结束时的电子秒表读数。

2 校准过程及结果

2.1 校准前准备

前以电子秒表日差指标校准为例进行阐述分析。同时校准8 块电子秒表的日差指标。所有电子秒表的表面均无碰伤、电池电量充足,计时功能正常,屏幕显示正确。8 块电子秒表均在高速摄像设备的视场内,高速摄像设备拍摄频率f0设置为1 000 Hz、启动后自动记录的时间长度为10 s,时间发控终端的测量时间间隔T设置为24 h。时间发控终端发出零时信号后,高速摄像设备采集到的数字图像如图2 所示。图2 中,从上至下、从左至右排列的电子秒表编号依次为1、2、3、4、5、6、7、8。

图2 设备采集的数字图Fig.2 Digital images acquired by the device

2.2 校准过程

通过人工识别高速录像设备生成的数字图像文件,得到8 块电子秒表在计时开始、计时结束时的读数以及图像序列编号,按式(1)计算计时误差。日差的校准结果如表1 所示。

表1 日差校准的结果统计Tab.1 Results statistics for daily difference calibration

2.3 校准结果的测量不确定度评定

整个校准过程都在恒温实验室内进行,所用设备采取精密不间断电源供电,周围无影响计量校准工作的电磁干扰和机械振动,环境条件符合JJG 237—2010 规定的要求。因此,参考已有的电子秒表日差指标测量不确定度评定情况[15],结合校准电子秒表计时误差的实际情况,给校准结果带来的测量不确定度来源主要有[16]:发光二极管的响应时间、电子秒表显示刷新频率、高速摄像设备拍摄频率误差、数字图像人工识别差错、时间发控终端触发时间误差(发出零时信号的响应时间)、时间发控终端时间间隔测量误差等,采取B 类方法评定校准结果的测量不确定度[17]。

1)发光二极管响应时间引入的标准不确定度分量uB1。查看相关技术资料,发光二极管的响应时间不大于1 ×10-7s,按均匀分布估计,可得uB1≈0.577 ×10-7s;

2)电子秒表显示刷新频率引入的标准不确定度分量uB2。查看说明书,电子秒表显示刷新频率为100 Hz,按均匀分布估计,可得uB2≈0.577×10-2s;

3)高速摄像设备拍摄频率误差引入的标准不确定度分量uB3。经该查看计量报告,高速摄像设备拍摄频率误差不大于1 ×10-3Hz,按均匀分布估计,可得uB3≈0.577 ×10-3s;

4)数字图像人工识别差错引入的标准不确定度分量uB4。人工识别最多出现一帧数字图像的识别差错,鉴于高速摄像设备设置的拍摄频率f0为1 000 Hz,按均匀分布估计,可得uB4≈0.577×10-3s;

5)时间发控终端触发时间误差引入的标准不确定度分量uB5。经查看计量报告,时间发控终端发出零时信号的响应时间不大于1 ms,按均匀分布估计,可得uB5≈0.577 ×10-3s;

6)时间发控终端时间间隔测量误差引入的标准不确定度分量uB6。经查看计量报告,时间发控终端时间间隔测量误差不大于500 ns,按均匀分布估计,可得uB6≈2.887 ×10-7s。

从上述分析可看出:相对于其他标准不确定度分量,uB1和uB6忽略不计。上述标准不确定度分量独立且互不相关,按式(2)计算合成标准不确定度uc≈5.856 ×10-3s≈0.006 s。

当包含因子k取2 时,则扩展不确定度U=k×uc=0.012 s。

3 校准结果的验证分析

为验证本方法校准结果的可信度,将上述8 块电子秒表外送计量技术机构,要求计量技术机构给出日差指标的校准结果及测量不确定度。外送校准结果统计如表2 所示。

表2 日差指标外送校准结果统计Tab.2 Statistics of calibration results of day difference

鉴于本次外送校准,计量技术机构所用计量标准为日差测量仪,与本方法所建计量校准装置的技术指标基本相当。

为此,采用GJB 2749A—2009《军事计量测量标准建立和保持通用要求》所述的“两台比较法”对给出的校准结果进行验证[18],验证公式如式(3),验证结果如表3 所示。

表3 日差校准结果的验证结果统计Tab.3 Validation statistics for the daily difference calibration results

式中:Y1——本方法给出的校准结果;Y2——计量技术机构给出的校准结果;U1——本方法给出的测量不确定度;U2——计量技术机构给出的测量不确定度。

从表3 可看出:依据本方法所给的校准结果,与计量技术机构给出的校准结果基本相近,说明使用本方法校准电子秒表是科学可行,所给的校准结果科学可信。

4 结束语

基于现有测试测量设备提出了一种校准电子秒表计时误差的新方法。该方法采用时间发控终端和高速录像设备等靶场现有测量设备组成校准装置,不仅可以同时校准多块电子秒表的计时误差,还能快速校准电子秒表任意计时长度的测量误差。通过评定测量不确定度,并与上级计量机构的校准结果进行对比验证,结果表明本方法方便快捷、简单易行,给出的校准结果科学可信。虽然在校准过程中没有考虑被检秒表的按压启动、停止等操作带来的误差,但对于日差校准来说,可以忽略这些因素影响。同时,对于时效性要求较高的单位来说,这种采取现有设备资源来解决应急校准问题的思路和做法是可行的,值得推广应用。