鄧雪峰張 雨

(中國(guó)人民解放軍92493 部隊(duì),葫蘆島 125001)

1 引言

武器裝備專用電氣參數(shù)檢測(cè)設(shè)備主要包括電氣參數(shù)綜合檢測(cè)儀、火工品測(cè)試儀、綜合檢查臺(tái)等,主要為武器裝備提供標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓、直流電流、直流電阻、交流電壓和交流電流信號(hào),以及對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。相關(guān)計(jì)量校準(zhǔn)工作主要依據(jù)《JJF 1587-2016 數(shù)字多用表校準(zhǔn)規(guī)范》和《JJF 1638-2017多功能標(biāo)準(zhǔn)源校準(zhǔn)規(guī)范》,校準(zhǔn)環(huán)境要求溫度為20 ℃±2 ℃,相對(duì)濕度小于75% RH。由于武器裝備多部署在高原、海島,環(huán)境條件相對(duì)嚴(yán)酷,不具備標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件,給專用電氣參數(shù)檢測(cè)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作帶來(lái)極大不便,甚至造成設(shè)備無(wú)法按期、按要求實(shí)施計(jì)量校準(zhǔn),嚴(yán)重影響武器裝備技術(shù)性能的保持。針對(duì)武器裝備現(xiàn)場(chǎng)保障實(shí)際需要,研制了一種通過(guò)構(gòu)設(shè)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)微環(huán)境的小型化、智能化計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,以及輔助圖像識(shí)別技術(shù)和程控開(kāi)關(guān)觸發(fā)裝置,實(shí)現(xiàn)了符合相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范要求的武器裝備專用電氣參數(shù)檢測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)能力,主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下:

（1）校準(zhǔn)微環(huán)境控制

有效工作面積:1 m3;

溫度控制范圍為18 ℃～22 ℃,最大允許誤差為±0.2 ℃,溫度均勻性不大于0.5 ℃;

濕度控制范圍為30% RH～75% RH,最大允許誤差為±2%RH,濕度均勻性不大于3% RH。

（2）計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)性能

直流電壓為±（0.1 V～100 V）,最大允許誤差為±0.05%;

直流電流為±（0.01 A～3 A）,最大允許誤差為±0.05%;

直流電阻為0 Ω～100 kΩ,最大允許誤差為±0.05%;

交流電壓為1 V～120 V、50 Hz～1 kHz,最大允許誤差為±0.1%;

交流電流為0.01 A～3 A、50 Hz～1 kHz,最大允許誤差為±0.1%。

（3）自動(dòng)計(jì)量軟件

具備液晶數(shù)字圖像信息自動(dòng)識(shí)別功能和自動(dòng)觸發(fā)功能。

2 裝備電氣參數(shù)便攜式智能校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)原理

裝備電氣參數(shù)便攜式智能校準(zhǔn)裝置主要包括校準(zhǔn)微環(huán)境控制艙、板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和自動(dòng)計(jì)量控制系統(tǒng)三部分,如圖1 所示。

圖1 裝備電氣參數(shù)便攜式智能校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural schematic of portable intelligent electrical parameters measurement and calibration device

2.1 校準(zhǔn)微環(huán)境控制艙結(jié)構(gòu)原理

控制艙提供1 m3校準(zhǔn)工作空間,并實(shí)現(xiàn)溫度為20 ℃±2 ℃和濕度為30% RH～75% RH 的校準(zhǔn)環(huán)境。主要由霧化加濕室、加熱室和空氣循環(huán)動(dòng)力室和冷凝除濕室四部分組成。設(shè)定好需要控制的溫濕度值后,由溫濕度傳感器1 和溫濕度傳感器3 采集箱體內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)并將結(jié)果傳遞給人機(jī)交互單元內(nèi)置的溫濕度控制系統(tǒng),自動(dòng)判斷需要吹沖空氣的溫濕度值,根據(jù)判定結(jié)果自動(dòng)選擇控制冷凝除濕室、加熱室和霧化加濕室的工作狀態(tài)[1],依靠溫濕度傳感器2 反復(fù)測(cè)量并控制以獲取需要的吹沖空氣,實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)溫濕度的自動(dòng)控制。

該部分技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)主要是艙內(nèi)溫濕度控制算法的確定,以及艙內(nèi)溫濕度場(chǎng)均勻性的保障。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)分析,決定采取如下解決措施。

2.1.1 采用模糊PID 控制算法實(shí)現(xiàn)溫濕度艙的快速精準(zhǔn)控制

溫濕度設(shè)定值與實(shí)際值存在較大偏差時(shí),采用模糊控制算法;在兩個(gè)值接近時(shí),采用PID 控制算法,該算法可以大大提高溫濕度穩(wěn)定時(shí)間。

首先,模糊控制模型如圖2 所示,經(jīng)過(guò)多次手動(dòng)試驗(yàn)控制和采信成熟的控制數(shù)據(jù),確定模糊控制規(guī)則數(shù)據(jù),寫(xiě)入溫濕度控制系統(tǒng)存儲(chǔ)器。

圖2 模糊控制模型Fig.2 Fuzzy control model

其次,實(shí)際控制中,根據(jù)測(cè)得的艙內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù),讀取模糊控制規(guī)則數(shù)據(jù)按公式（1）～公式（3）計(jì)算。

式中:KP——比例調(diào)節(jié)系數(shù);TP——比例控制時(shí)間;TeP——輸入偏差比例控制時(shí)間;Ki——積分調(diào)節(jié)系數(shù);Ti——積分時(shí)間;Tei——輸入偏差積分時(shí)間;KD——微分調(diào)節(jié)系數(shù);TD——微分時(shí)間;TeD——輸入偏差微分時(shí)間。

計(jì)算獲得模糊PID 控制量u,按公式（4）計(jì)算,實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)溫濕度的自動(dòng)快速精準(zhǔn)控制[2]。

式中:u（k）——模糊PID 控制量;ΔT（k）——采樣時(shí)間;ΔT（i）——積分時(shí)間;ΔT（k-1）——下一采樣時(shí)間。

2.1.2 采用多次試驗(yàn)獲取最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決均勻性控制問(wèn)題

溫濕度場(chǎng)的均勻性與艙體氣密性效果、檢測(cè)溫濕度傳感器布設(shè)位置、進(jìn)氣和排氣管路位置及結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。通過(guò)多組實(shí)際布設(shè)和控制試驗(yàn),獲取最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù),同時(shí)在艙體材料內(nèi)壁敷設(shè)鈦合金材料,外膽采用A3 鋼板噴塑,解決了溫濕場(chǎng)均勻性控制的問(wèn)題。

2.2 板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)原理

板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)主要由表貼式微處理器、表貼標(biāo)準(zhǔn)電阻陣列、7 V 電流電壓基準(zhǔn)、PWM 可調(diào)分壓器、5 V 正弦波發(fā)生器、A／D 轉(zhuǎn)換器、功能切換開(kāi)關(guān)、調(diào)理電路、輸出控制與測(cè)量采樣反饋單元構(gòu)成,如圖3 所示。

圖3 板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Design block diagram of board-level metrology standard

其中,7 V 直流電壓基準(zhǔn)經(jīng)PWM 可調(diào)分壓器輸出0.1 V～7 V 的標(biāo)準(zhǔn)直流電壓,經(jīng)增益可調(diào)直流電壓放大器輸出0.1 V～100 V 直流電壓,經(jīng)直流V／I變換電流發(fā)生器后輸出±0.01 A～3 A 直流電流;交流電壓與交流電流由5 V 正弦波發(fā)生器、增益可調(diào)交流電壓放大器和交流V／I 變換電流發(fā)生器產(chǎn)生;直流電阻采用1 Ω、10 Ω、100 Ω、1 kΩ、10 kΩ、100 kΩ 共6 只表貼金塑鉑電阻陣列構(gòu)成,由程控開(kāi)關(guān)切換輸出。輸出控制與測(cè)量采樣反饋單元兼顧標(biāo)準(zhǔn)源輸出采樣反饋和數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量采樣兩項(xiàng)功能,測(cè)量時(shí),采樣獲取的信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理成線性直流和交流電壓信號(hào),經(jīng)A／D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息,由微處理器處理后,顯示測(cè)量結(jié)果。

此部分電路設(shè)計(jì)主要難點(diǎn)在于直流電壓基準(zhǔn)的穩(wěn)定性,以及電壓、電流輸出控制的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。其中,7 V 直流電壓基準(zhǔn)采用了LTZ 1000 高穩(wěn)定齊納基準(zhǔn),溫度系數(shù)為0.05 ppm／℃。為了增加計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)輸出控制的穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)中采用了模擬加數(shù)字雙閉環(huán)反饋控制[3],控制精度得到較大提高。

2.3 自動(dòng)計(jì)量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

自動(dòng)計(jì)量控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)專用電氣參數(shù)檢測(cè)設(shè)備的自動(dòng)化校準(zhǔn),包括設(shè)備顯示數(shù)字信息的自動(dòng)識(shí)別,以及設(shè)備功能與量程開(kāi)關(guān)的自動(dòng)切換。

2.3.1 圖像識(shí)別

圖像識(shí)別的難點(diǎn)在于圖像準(zhǔn)確定位截取、圖像邊緣化處理以及圖像字符區(qū)域的分割和識(shí)別。在校準(zhǔn)艙內(nèi)設(shè)置二維攝像頭滑道,放置被校準(zhǔn)設(shè)備時(shí),進(jìn)行手動(dòng)對(duì)焦定位,保證圖像截取的準(zhǔn)確性。同時(shí),采用像素統(tǒng)計(jì)算法,識(shí)別和截除顯示字符圖形邊緣,獲取字符顯示區(qū)域圖像,再經(jīng)過(guò)垂直投影算法分割字符,如圖4 所示,并對(duì)照字符識(shí)別庫(kù)識(shí)別確認(rèn)字符信息[4,5]。

圖4 字符分割示意圖Fig.4 Character segmentation diagram

2.3.2 切換開(kāi)關(guān)精準(zhǔn)定位

采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)旋鈕開(kāi)關(guān),通過(guò)監(jiān)測(cè)步進(jìn)電機(jī)工作電流狀態(tài),結(jié)合視頻圖像匹配結(jié)果,使數(shù)字萬(wàn)用表開(kāi)關(guān)旋鈕精準(zhǔn)地旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能位置。校準(zhǔn)裝置工作平臺(tái)為矩形二維坐標(biāo)平面,如圖5 所示,其三個(gè)角的位置A、B、C 上有定位色塊,用于定位被測(cè)設(shè)備在矩形中的坐標(biāo),開(kāi)關(guān)切換模塊D 由固定架支撐,通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)可在x、y、z三個(gè)軸向上任意運(yùn)動(dòng),并通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制可圍繞z軸旋轉(zhuǎn),攝像頭F 固定在支架上讀取被測(cè)設(shè)備E 的位置信息,并進(jìn)行數(shù)值的圖像采集。

圖5 校準(zhǔn)裝置平臺(tái)示意圖Fig.5 Diagram of the calibration device platform

開(kāi)關(guān)切換模塊由步進(jìn)電機(jī)提供轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力。當(dāng)D的撥爪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電機(jī)工作電流持續(xù)增大;當(dāng)電流突然由最大值降低為0 時(shí),即檢測(cè)出該萬(wàn)用表開(kāi)關(guān)旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)到了一個(gè)新檔位。當(dāng)開(kāi)關(guān)旋鈕的中心位置與撥爪支撐桿中心不對(duì)中時(shí),步進(jìn)電機(jī)可通過(guò)串聯(lián)撓性聯(lián)軸器繼續(xù)提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。撥爪支持桿通過(guò)彈簧與另一支持桿串聯(lián),并設(shè)置一個(gè)限位開(kāi)關(guān),撥爪下降的過(guò)程中壓縮彈簧并觸碰限位開(kāi)關(guān)使其停止下降,因此,被檢設(shè)備的高度將不會(huì)受到限制。由于被檢設(shè)備開(kāi)關(guān)旋鈕的顏色一致,圖像處理起來(lái)非常困難,因此,需在旋鈕的兩側(cè)粘貼不同顏色的貼紙,用以區(qū)分開(kāi)關(guān)旋鈕的指向,并通過(guò)兩個(gè)貼紙的相對(duì)位置確定開(kāi)關(guān)旋鈕的中心位置,提供開(kāi)關(guān)切換模塊在x、y軸上的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。

3 測(cè)量不確定度評(píng)定

以直流電壓10 V 點(diǎn)為例進(jìn)行測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定。

3.1 評(píng)定依據(jù)

根據(jù)《JJF1059.1-2012 測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》以及《JJF1587-2016 數(shù)字多用表校準(zhǔn)規(guī)范》進(jìn)行不確定度評(píng)定。

3.2 測(cè)量方法

采用標(biāo)準(zhǔn)源法,用板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某電氣參數(shù)綜合檢測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn),板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定值為標(biāo)準(zhǔn)值,某電氣參數(shù)綜合檢測(cè)儀的測(cè)量值為示值,計(jì)算其示值誤差。

3.3 測(cè)量模型

式中:ΔU——被校某電氣參數(shù)綜合檢測(cè)儀的示值誤差;UX——被校某電氣參數(shù)綜合檢測(cè)儀的示值;UN——板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定值。

3.4 不確定度來(lái)源

在標(biāo)準(zhǔn)條件下,溫度、濕度、輸入零電流、輸入阻抗等帶來(lái)的影響可忽略,測(cè)量結(jié)果不確定度來(lái)源主要包括:

（1）板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)引入的不確定度分量u1

（2）被校某電氣參數(shù)綜合檢測(cè)儀分辨力引入的不確定度分量u2

（3）被校某電氣參數(shù)綜合檢測(cè)儀測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u3

3.5 測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

（1）板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在10 V 點(diǎn)引入的不確定度分量u1

根據(jù)板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)允許誤差指標(biāo),其直流電壓10 V 點(diǎn)最大允許誤差為

其半寬度為5×10-3V,在區(qū)間內(nèi)認(rèn)為服從均勻分布,包含因子,則板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在10 V點(diǎn)引入的不確定度分量為

（2）被校某電氣參數(shù)綜合檢測(cè)儀分辨力引入的不確定度分量u2

某電氣參數(shù)綜合檢測(cè)儀10 V 測(cè)量點(diǎn)的分辨力為0.001 V,半寬度為0.000 5 V,服從均勻分布,包含因子,則被校某電氣參數(shù)綜合檢測(cè)儀分辨力引入的不確定度分量為

（3）被校某電氣參數(shù)綜合檢測(cè)儀測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u3

用板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某電氣參數(shù)綜合檢測(cè)儀直流電壓10 V 點(diǎn)獨(dú)立測(cè)量6 次,測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 直流電壓測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 DC voltage measurement data

計(jì)算得到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為

以單次測(cè)量結(jié)果為測(cè)量值,則測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量為

（4）計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

考慮到被校某電氣參數(shù)綜合檢測(cè)儀讀數(shù)的重復(fù)性和分辨力存在重復(fù),在合成時(shí)將二者中較小的值舍去,即u2和u3取大者,則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

（5）確定擴(kuò)展不確定度為[6,7]

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

研制的驗(yàn)證樣機(jī),如圖6 所示,對(duì)校準(zhǔn)微環(huán)境控制艙恒溫恒濕效果和板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 驗(yàn)證樣機(jī)外觀圖Fig.6 Appearance of the verification prototype

4.1 校準(zhǔn)微環(huán)境控制艙恒溫恒濕效果驗(yàn)證

在外部環(huán)境-15 ℃和45 ℃兩個(gè)條件下,設(shè)定現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置微環(huán)溫度為20 ℃,相對(duì)濕度為60% RH,校準(zhǔn)艙工作平臺(tái)中心位置標(biāo)準(zhǔn)溫濕度傳感器實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 溫濕度驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab.2 Temperature and humidity verification data

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,驗(yàn)證樣機(jī)在溫度控制20 ℃時(shí)滿足最大允許誤差±0.2 ℃的要求,相對(duì)濕度控制60% RH 時(shí)滿足最大允許誤差±2% RH 的要求。

4.2 板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)性能驗(yàn)證

用FLUKE8508A 數(shù)字多用表和FLUKE5730A校準(zhǔn)源采用標(biāo)準(zhǔn)源法對(duì)板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)性能進(jìn)行測(cè)試,數(shù)據(jù)如表3 和表4 所示,板卡級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表3 輸出功能驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab.3 Output functional verification data

表4 測(cè)試功能驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab.4 Test functional verification data

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,該裝備電氣參數(shù)便攜式智能校準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求,可以解決高山、海島等復(fù)雜環(huán)境下武器裝備配套檢測(cè)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)難題,對(duì)提高武器裝備計(jì)量保障工作質(zhì)效具有較好的促進(jìn)作用,推廣應(yīng)用前景廣闊。