軍用設(shè)備地線傳導(dǎo)敏感度的測(cè)量不確定度評(píng)定研究

曹晟，葛欣宏

（1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

2013年，我軍發(fā)布了新版電磁兼容軍用標(biāo)準(zhǔn)《GJB 151B-2013軍用設(shè)備和分系統(tǒng) 電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》，用以代替GJB151A/152A-97的舊版標(biāo)準(zhǔn)。25Hz～50kHz地線傳導(dǎo)敏感度（CS102）是GJB151B-2013標(biāo)準(zhǔn)中新增的一項(xiàng)，CS102的測(cè)試對(duì)象為水面艦船、潛艇上帶有地線的設(shè)備及分系統(tǒng)，當(dāng)訂購(gòu)方有規(guī)定時(shí)，也適用于工作在其他平臺(tái)上且?guī)У鼐€的設(shè)備和分系統(tǒng)，測(cè)試目的是驗(yàn)證EUT（被測(cè)設(shè)備）的地線上注入GJB151B-2013中CS102項(xiàng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電平時(shí)，EUT是否工作正常。開(kāi)展CS102的測(cè)量不確定度評(píng)定研究工作，可以有效的衡量25Hz～50kHz地線傳導(dǎo)敏感度的測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量［1-6］。在CNAS實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可工作中，在兩個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間的能力比對(duì)是認(rèn)可工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過(guò)能力比對(duì)，能夠判別不同實(shí)驗(yàn)室CS102測(cè)量結(jié)果的合理性，提高測(cè)量結(jié)果的一致性。本文依據(jù)GJB151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng) 電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》、及CS102的儀器配置，參考GB/T 6113.402-2006，對(duì)25Hz～50kHz地線傳導(dǎo)敏感度的測(cè)量不確定度評(píng)定方法進(jìn)行了研究［7］。

1 測(cè)量原理

圖1為CS102項(xiàng)的測(cè)量原理圖。測(cè)量配置中，LISN（人工電源網(wǎng)絡(luò)）是為EUT（被測(cè)設(shè)備）供電的必要設(shè)備，一方面可以為不同的EUT提供統(tǒng)一的電源阻抗，另一方面用于抑制EUT本身的電磁干擾返回至電源及耦合電路，以提供干凈的電源品質(zhì)。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)要求的干擾注入電平，依據(jù)不同EUT地線的注入難易程度可以選擇是否采用功率放大器，耦合變壓器是干擾注入的執(zhí)行設(shè)備，承擔(dān)將干擾電平注入地線的任務(wù)。示波器用于監(jiān)視干擾電平是否符合GJB151B-2013要求的注入電平要求。測(cè)量配置中，輔助設(shè)備用于監(jiān)視EUT的工作性能，觀察EUT是否工作正常。

圖1 CS102測(cè)量配置圖

測(cè)量過(guò)程為：依據(jù)圖1連接測(cè)量系統(tǒng)，受試設(shè)備加電并預(yù)熱，使其工作狀態(tài)處于穩(wěn)定。初始將信號(hào)發(fā)生器的輸出調(diào)節(jié)到最低測(cè)試頻率，然后慢慢增加信號(hào)電平，直到示波器的讀數(shù)值為1V，保持要求的信號(hào)電平，依據(jù)GJB151B-2013通用要求在測(cè)試頻率范圍內(nèi)進(jìn)行頻率步進(jìn)式注入，同時(shí)觀察EUT是否敏感。

2 測(cè)量不確定度的來(lái)源分析及測(cè)量模型的建立

電磁兼容測(cè)量過(guò)程中，形成測(cè)量不確定度的來(lái)源眾多，測(cè)量?jī)x器、實(shí)驗(yàn)人員的熟練度、測(cè)量方法的局限性及被測(cè)對(duì)象描述的不充分均會(huì)引入測(cè)量結(jié)果的不確定度。具體包括測(cè)量過(guò)程中不同實(shí)驗(yàn)人員的熟練度引入的測(cè)量過(guò)程偏差、測(cè)量?jī)x器的計(jì)量性能的受限及在相同條件下測(cè)量結(jié)果在多次觀測(cè)中的變化等［8-11］。據(jù)此分析，在CS102測(cè)量環(huán)節(jié)中，信號(hào)發(fā)生器的漂移、阻抗失配、測(cè)量的重復(fù)性等因素均引入了測(cè)量不確定度分量。

據(jù)此，建立式（1）所示的CS102干擾注入電平的測(cè)量模型：

式中，CVL：傳導(dǎo)干擾注入電平，dBV；VLAW：電壓的窗口接受度，dB，在可接受窗口內(nèi)，允許軟件接受的在校準(zhǔn)電平下的感應(yīng)電壓值。PD：信號(hào)發(fā)生器漂移，dB，與信號(hào)發(fā)生器的輸出電平及長(zhǎng)期重復(fù)性有關(guān)。PAH：功率放大器諧波，dB，功率計(jì)的讀數(shù)中由放大器失真引入的不確定度分量。MVC：示波器-耦合變壓器間的阻抗失配，dB。Ur：示波器自身引入的不確定度修正因子，dB。REUT：EUT的重復(fù)性，dB，只有當(dāng)測(cè)量結(jié)果接近允許極限時(shí)才需要考慮，因?yàn)榇藭r(shí)EUT的變化可能影響到合格判定。

3 測(cè)量結(jié)果的測(cè)量不確定度評(píng)定

測(cè)量不確定度評(píng)定包括A類評(píng)定和B類評(píng)定共兩個(gè)部分。

A類評(píng)定為在規(guī)定測(cè)量條件下，能夠用統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)被測(cè)量進(jìn)行評(píng)定的測(cè)量不確定度分量；

B類評(píng)定用非統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)測(cè)量不確定分量進(jìn)行評(píng)定。

3.1 A類測(cè)量不確定分量評(píng)定

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6113.402-2006，示波器電壓讀數(shù)Vr需要采用A類測(cè)量不確定分量評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定，不確定的來(lái)源包括測(cè)量系統(tǒng)不穩(wěn)定、人員操作的重復(fù)性等因素，由于CS102的測(cè)試系統(tǒng)為閉環(huán)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，不同EUT均要求保持注入干擾電平為1V，故A類測(cè)量不確定的來(lái)源也包括了EUT的不確定性。

選擇某艦載設(shè)備作為受試設(shè)備，設(shè)備為220V單相交流供電。依據(jù)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量配置進(jìn)行10次測(cè)量，在50Hz頻點(diǎn)處取10次測(cè)量結(jié)果用于評(píng)定，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，由于示波器的測(cè)量結(jié)果單位為V，為便于計(jì)算合成不確定度，將V轉(zhuǎn)換為dBμV。

其次，計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差s（Vk），有：

表1 測(cè)量接收機(jī)讀數(shù)的A類評(píng)定計(jì)算

3.2 B類測(cè)量不確定分量評(píng)定

3.2.1 電壓電平可接受窗口VLAW，dB

依據(jù)CNAS-GL07，示波器電壓可接受窗口的半寬度值a=0.50dB，該值均勻分布，則電壓電平可接收窗口的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為u（VLAW）=0.50/1.732=0.289dB。

3.2.2 信號(hào)發(fā)生器漂移PD，dB

在儀器的校準(zhǔn)證書(shū)中，信號(hào)發(fā)生器漂移PD的輸出幅度相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.5%（k=2），由于校準(zhǔn)證書(shū)采用了相對(duì)不確定度的形式表示，需要換算成dB形式。

設(shè)信號(hào)發(fā)生器輸出幅度為Ur（V），則擴(kuò)展不確定度的報(bào)告形式為：m=Ur（1±0.5%），將該式兩邊同時(shí)取以10為底的對(duì)數(shù)，并乘以20，有：

即m（dBV）=Ur（dBV）+［-0.0435dB，0.0043dB］

［-0.0435dB，0.0043dB］區(qū)間的半寬為0.0239dB，服從正態(tài)分布，則PD的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為u（PD）=0.0239dB/2=0.012dB。

3.2.3 功率放大器諧波PAH，dB

在儀器的校準(zhǔn)證書(shū)中，功率放大器增益的擴(kuò)展不確定度：0.6dB（k=2），則u（PAH）=0.6/2=0.3dB。

3.2.4 示波器-耦合變壓器間的阻抗失配MVC，dB

由于示波器-耦合變壓器測(cè)量路徑存在阻抗不完全匹配，需要對(duì)結(jié)果修正，其修正的最佳值為0dB。

電纜、耦合變壓器及電纜三者的串聯(lián)構(gòu)成了一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，示波器連接到二端口網(wǎng)絡(luò)的一端上，二端口網(wǎng)絡(luò)的另一端連接到受試設(shè)備，則阻抗失配修正因子為式（2）：

其中，Γe為EUT的反射系數(shù)，Γr為示波器的反射系數(shù)，考慮最壞情況假設(shè)接到示波器上的是一根良好匹配的電纜（S11＜＜1，S22＜＜1），其衰減可忽略（S21≈1），且示波器射頻衰減為10dB或更大，這時(shí)電壓駐波比為VSWR≤1.2：1，相當(dāng)于Γr≤0.09。

據(jù)此，可以計(jì)算δM的極限值，如式（3）：

式中，δM的半寬度值為0.785dB，服從U型分布，包含因子為則阻抗失配修正因子δM的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為u(δM)=0.555dB。

3.2.5 示波器自身引入的不確定度修正因子Ur，dB

示波器自身引入的不確定度主要為電壓測(cè)量引入的擴(kuò)展測(cè)量不確定度［12～15］，示波器的校準(zhǔn)證書(shū)中，電壓測(cè)量的相對(duì)擴(kuò)展測(cè)量不確定度為0.5%（k=2），由于校準(zhǔn)證書(shū)采用了相對(duì)不確定度的形式表示，需要換算成dB形式。

設(shè)示波器的測(cè)量值為Ur（V），則擴(kuò)展不確定度的報(bào)告形式為：

m=Ur（1±0.5%），將該式兩邊同時(shí)取以10為底的對(duì)數(shù)，并乘以20，有：

20lgm=20lgUr+20lg（1±0.5%）

即m（dBV）=Ur（dBV）+［-0.0435dB，0.0043dB］

［-0.0435dB，0.0043dB］區(qū)間的半寬為0.0239dB，服從正態(tài)分布，則Ur的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度為u(Ur)=0.0239dB/2=0.012dB。

3.2.6 EUT的重復(fù)性REUT，dB

由于CS102項(xiàng)測(cè)試的被測(cè)件基本不存在重復(fù)性，故該項(xiàng)不予考慮。

表2 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評(píng)定結(jié)果表

3.3 測(cè)量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

干擾注入電平的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.4 測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度

取k=2（對(duì)應(yīng)95%的置信水平），擴(kuò)展不確定度為：

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)的研究了軍用設(shè)備地線傳導(dǎo)敏感度的測(cè)量不確定度評(píng)定方法，以某艦載設(shè)備為測(cè)量對(duì)象，開(kāi)展了測(cè)量不確定度評(píng)定工作，評(píng)定結(jié)果顯示，影響CS102測(cè)量不確定度的主要分量是阻抗失配帶來(lái)的不確定度、電壓電平可接受窗口及功率放大器諧波帶來(lái)的不確定度分量等。研究結(jié)果對(duì)符合GJB151B新標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容測(cè)量能力的建設(shè)以及測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的保障具有積極的作用。

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