水下實(shí)驗(yàn)有線測量技術(shù)綜述

葛 萍,孫 興

（91550部隊(duì),116021）

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水下實(shí)驗(yàn)有線測量技術(shù)綜述

葛 萍,孫 興

（91550部隊(duì),116021）

摘要：水下實(shí)驗(yàn)是海洋工程、船舶工程、海洋資源開發(fā)、水下兵器研制等諸多領(lǐng)域的必要手段，有線測量是水下實(shí)驗(yàn)和水下測量的重要手段，它為水下實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支撐和評判依據(jù)，是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的工作。本文針對水下實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了有線測量水下實(shí)驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)和著重點(diǎn)，綜合介紹了水下實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)。

關(guān)鍵詞：水下實(shí)驗(yàn);有線測量;水下測量

1　概述

有線測量是水下實(shí)驗(yàn)的重要組成部分之一，為水下實(shí)驗(yàn)提供各種環(huán)境參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、水下實(shí)況、水聲以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量，為實(shí)驗(yàn)過程記錄、特征參數(shù)錄取、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果評定提供基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)支撐。與陸上實(shí)驗(yàn)相比，水下實(shí)驗(yàn)更加復(fù)雜，組織實(shí)施難度更大，環(huán)境條件苛刻，大都不可重復(fù)，這就要求測量系統(tǒng)和測量方案具備更高的可靠性、可行性和更強(qiáng)的適應(yīng)性，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性和有效性。本文針對水下實(shí)驗(yàn)這一專門領(lǐng)域的特殊性，從有線測量的概念、使命、范圍、標(biāo)準(zhǔn)以及測量結(jié)果分析等方面闡明水下實(shí)驗(yàn)有線測量技術(shù)。

1.1有線測量定義

國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB3585-99對“有線測量”的定義是：物理信號經(jīng)過傳感器變?yōu)殡娦盘栍蓽y試電纜傳輸至記錄分析設(shè)備進(jìn)行處理得到測量結(jié)果的過程。這一定義突出了有線測量工作的原理?！坝芯€測量”的詞典定義是：為獲取被試產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)過程中的物理特性參數(shù)，通過導(dǎo)線傳輸直接進(jìn)行的測量活動(dòng)。這一定義側(cè)重于有線測量工作的過程。

1.2有線測量使命任務(wù)

有線測量的任務(wù)是明確實(shí)驗(yàn)測量的各種需求，研究制定有線測量技術(shù)途徑，擬定實(shí)驗(yàn)工程實(shí)施方案，確定實(shí)驗(yàn)流程、數(shù)據(jù)處理方法及結(jié)果評定標(biāo)準(zhǔn)，組織實(shí)施實(shí)驗(yàn)測量、數(shù)據(jù)錄取和結(jié)果分析工作，根據(jù)既定標(biāo)準(zhǔn)對測量結(jié)果進(jìn)行評定，并給出確定的結(jié)論。

水下實(shí)驗(yàn)大部分屬于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，需要得到的是定性結(jié)論，標(biāo)準(zhǔn)的不確定性給測量技術(shù)的選取增加了難度。有線測量是一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科，對于每次測量活動(dòng)必須按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織實(shí)施，依據(jù)實(shí)驗(yàn)前確定的方案進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并最終給出定量的明確的結(jié)論。

1.3有線測量范圍

從廣義上講，所有一切非電量實(shí)驗(yàn)測量均屬于有線測量范疇，相對于電量測量和在線測量。從狹義上來說，有線測量特指指系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中通過測試電纜傳輸方式測量非電量物理信號的數(shù)據(jù)采集和處理過程。

表一 有線測量信號分類

1.4有線測量執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

有線測量的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)包括國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及國家軍用標(biāo)準(zhǔn)等幾種。以國軍標(biāo)為例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)直接引用的測量標(biāo)準(zhǔn)有130余個(gè)，間接引用或參照的標(biāo)準(zhǔn)1000余個(gè)，基本涵蓋了各種實(shí)驗(yàn)測量。因此，從執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)方面來講，有線測量是一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科。常見的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有：GJB 3585-99有線測量及數(shù)據(jù)處理、GJB 3756-99測量不確定度的表示及評定、GJB 3236-98振動(dòng)與沖擊傳感器的校準(zhǔn)和測試方法、GJB_Z 126-99振動(dòng)、沖擊環(huán)境測量數(shù)據(jù)歸納方法等等。

2　水下實(shí)驗(yàn)有線測量技術(shù)途徑

受環(huán)境條件限制，水下實(shí)驗(yàn)對測量方案、實(shí)施過程、參試人員、測量設(shè)備、測量精度等所有環(huán)節(jié)均有特殊的要求。為此，針對水下實(shí)驗(yàn)必須遵循一定的技術(shù)途徑，逐步實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測量目標(biāo)。

2.1測量方案制定

在制定水下實(shí)驗(yàn)測量方案時(shí)，首先要確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康兀治鲞_(dá)到或證實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)所需的測量內(nèi)容，明確測量內(nèi)容和被測量；其次，明確實(shí)驗(yàn)要求的測量精度、實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件、載荷與空間限制條件、安裝要素，對實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行現(xiàn)場勘查；然后根據(jù)已明確的實(shí)驗(yàn)條件，擬定實(shí)驗(yàn)測量方案和工程實(shí)施方案；根據(jù)精度指標(biāo)要求和測量方案制定系統(tǒng)標(biāo)校方案和數(shù)據(jù)處理方案；組織相關(guān)方面進(jìn)行方案評審，選定測量結(jié)果評定依據(jù)和準(zhǔn)則；最后完成編寫操作規(guī)程和應(yīng)急預(yù)案。

2.2一般要求

操作規(guī)程內(nèi)容包含測量內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、人員分工，規(guī)定每一步操作步驟，說明操作的時(shí)序、部位、動(dòng)作和現(xiàn)象。按照質(zhì)量管理要求對所執(zhí)行的操作進(jìn)行狀態(tài)記錄和檢查確認(rèn)，對實(shí)驗(yàn)過程控制進(jìn)行記錄。

測量使用的傳感器、測量設(shè)備和儀器儀表應(yīng)確保計(jì)量檢定合格，并在有效期內(nèi)。實(shí)驗(yàn)使用的傳感器和測量設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性滿足實(shí)驗(yàn)要求規(guī)定。

測量方案的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)冗余，應(yīng)設(shè)置備份測點(diǎn)，測量通道應(yīng)留有備份。此外，測量電纜應(yīng)留有備份。

根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于分析頻率的2.5倍，被測信號的最大值應(yīng)在測量系統(tǒng)量程的80%左右，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采取統(tǒng)一的零時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3水下測量準(zhǔn)備流程

根據(jù)測量內(nèi)容準(zhǔn)備適當(dāng)量程和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的傳感器，實(shí)驗(yàn)用測試電纜應(yīng)使用屏蔽電纜，一般長度小于300米，屏蔽接地電阻不大于5兆歐姆，芯線與屏蔽線之間絕緣電阻不小于500兆歐。

有線測量測試之前應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，計(jì)算測量系統(tǒng)的精度，保證最大誤差不應(yīng)大于測試要求的規(guī)定。準(zhǔn)備標(biāo)定裝置，確認(rèn)其精度滿足標(biāo)校要求且處于準(zhǔn)用期內(nèi)；按照與實(shí)驗(yàn)測量時(shí)完全一致的狀態(tài)聯(lián)接測量系統(tǒng)；在實(shí)驗(yàn)測量環(huán)境條件下進(jìn)行標(biāo)定（溫度、濕度和電磁環(huán)境參數(shù)等）；使用標(biāo)準(zhǔn)裝置在傳感器上施加標(biāo)準(zhǔn)信號；標(biāo)定按照從小到大和從大到小正反兩種行程；標(biāo)定重復(fù)次數(shù)不得少于3次；標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器的精度一般高于測量精度要求一個(gè)數(shù)量級（如表1）；

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計(jì)算零漂a和標(biāo)定系數(shù)b（靈敏度）；

根據(jù)測量得到的電量值X，計(jì)算出物理量值Y：Y=a+bX

系統(tǒng)誤差計(jì)算（如表2）

用下面公式計(jì)算出隨機(jī)誤差：

式中：S——測量系統(tǒng)的隨機(jī)誤差；m——標(biāo)定點(diǎn)數(shù)；

SIj——誤差計(jì)算表中正行程平均誤差；

SDj——誤差計(jì)算表中反行程平均誤差；

如果計(jì)算出的誤差大于測試要求的規(guī)定，則應(yīng)分析原因，調(diào)整測量系統(tǒng)，如更換高精度的儀器或傳感器、設(shè)置更合適的量程范圍等，調(diào)整后重新進(jìn)行標(biāo)校。

2.4水下測量工程實(shí)施流程

根據(jù)預(yù)先制定的實(shí)施方案布設(shè)傳感器以及測試電纜，確保測量系統(tǒng)不受周圍環(huán)境干擾，也干擾周圍測量系統(tǒng)。

測試系統(tǒng)按照實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案布設(shè)到位后，在實(shí)驗(yàn)實(shí)施前，應(yīng)與全系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，確保測量數(shù)據(jù)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)確，為事后數(shù)據(jù)比對做好準(zhǔn)備工作。實(shí)驗(yàn)測量過程應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程以及應(yīng)急預(yù)案執(zhí)行。在水下實(shí)驗(yàn)測量實(shí)施過程中，應(yīng)按照質(zhì)量管理的要求對實(shí)驗(yàn)過程和關(guān)鍵步驟進(jìn)行檢查確認(rèn)和記錄，確保實(shí)驗(yàn)狀態(tài)可追溯。

2.5數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理應(yīng)先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)先處理，將個(gè)別偏離前后5點(diǎn)平均值較遠(yuǎn)，其偏離程度超過10點(diǎn)均方差2倍的測點(diǎn)剔除，并采用10點(diǎn)均值替代。

采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)修勻技術(shù)，消除外界干擾，使修勻后的數(shù)據(jù)落在一條光滑的曲線上。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)修勻技術(shù)可采用三點(diǎn)法或五點(diǎn)法。

三點(diǎn)平滑法：

五點(diǎn)平滑法：

3　小結(jié)

水下實(shí)驗(yàn)有線測量技術(shù)是水下實(shí)驗(yàn)過程的基礎(chǔ)性工作，它為水下工程奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和評判依據(jù)，是水下工程的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)技術(shù)。有線測量在水下實(shí)驗(yàn)中開展過程是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，為了能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)，除依據(jù)一些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程進(jìn)行外，更重要的是需要解決工程中的實(shí)際問題。作為測量工作者需要不斷從實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)方法，始終跟蹤科技最新動(dòng)態(tài)，加強(qiáng)同行間交流合作，推動(dòng)水下實(shí)驗(yàn)有線測量技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

GJB 3585-99有線測量及數(shù)據(jù)處理 中國人民解放軍總裝備部1999.3

表2　

Summary of underwater experimental cable measurement technology

Ge Ping,Sun Xing
(91550 troops,116021)

Abstract：Water experiment is marine engineering, marine engineering, marine resources development, underwater weapon development in many fields, such as the necessary means and wired measurement is water water experiments and measurements of an important means,it is underwater experiments provide data support and the basis of assessment is a basic work. In this paper,according to the characteristics of underwater experimental area, this paper describes the characteristics of underwater experimental technology and the key points.

Keywords：underwater experiment;cable measurement;underwater measurement