王 亮 ，孫 穎

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015；2.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，沈陽 110042）

0 引言

在航空發(fā)動機(jī)研發(fā)過程中需要進(jìn)行大量的試驗，在試驗中獲得的測試數(shù)據(jù)用于評價發(fā)動機(jī)性能并監(jiān)測其安全。測試數(shù)據(jù)是發(fā)動機(jī)試驗活動的輸出，支撐設(shè)計驗證以及設(shè)計改進(jìn)。如果測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度、可靠性存在問題，輕則測量數(shù)據(jù)可用度降低，重則導(dǎo)致整個試驗無效、甚至無法保障發(fā)動機(jī)安全。因此，研究保證測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和可靠性的方法是航空發(fā)動機(jī)研發(fā)的重要基礎(chǔ)工作。

保證測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠需要綜合運(yùn)用多學(xué)科技術(shù)。與之相關(guān)的國外標(biāo)準(zhǔn)、報告、期刊、會議錄、專利等文獻(xiàn)眾多，形成了相對完善的體系。例如：ISO 10012[1]規(guī)定了測量過程和測量設(shè)備計量確認(rèn)的通用要求；NASA-RP-1342[2]全面描述了測量和校準(zhǔn)過程；

GUM（ISO / IEC GUIDE 98 - 3）[3]、NASA - HDBK -8739.19-3[4]系統(tǒng)描述了測量不確定度評定的方法；ASME PTC 19.1[5]、SAE AIR5925A[6]、AEDC-TR-73-5[7]描述了測試數(shù)據(jù)不確定度評定方法，且包括很多發(fā)動機(jī)試驗測試案例；AGARD-AR-245[8]、AGARD-AR-320[9]描述了發(fā)動機(jī)氣路參數(shù)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)測量技術(shù)，包括影響測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的因素以及穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)測試數(shù)據(jù)的不確定度評定方法。

中國一些相關(guān)通用標(biāo)準(zhǔn)一般源于國際標(biāo)準(zhǔn)，例如，GB/T 19022[10]等同采用ISO 10012[1]，GB/T 27418-2017[11]則基于GUM[3]修訂等。而且，中國自編的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少，國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)尚未得到充分的轉(zhuǎn)化和利用。另外，中國學(xué)者也開展了相關(guān)技術(shù)的探索和實踐。劉志友等[12]探討了改善高空臺試驗中發(fā)動機(jī)性能參數(shù)不確定度的方法；王振華等[13]在測試技術(shù)發(fā)展設(shè)想中提出提高測試結(jié)果準(zhǔn)確度的方向，同時梳理了部分國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)報告；馬宏偉等[14]研究了采用溫升法測量壓氣機(jī)等熵效率的不確定度；勞賢豪等[15]研究了發(fā)動機(jī)臺架試驗空氣流量測量不確定度。但上述研究基本上是從某個側(cè)面展開的，目前尚未開展系統(tǒng)性體現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)測試工作特點、全景展現(xiàn)測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度保證技術(shù)的相關(guān)研究。

本文希望通過系統(tǒng)的梳理和研究，對航空發(fā)動機(jī)測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和可靠性保證技術(shù)提供廣泛且深入的洞察，為發(fā)動機(jī)設(shè)計、試驗和測試等專業(yè)人員提供有益的參考。

1 測量過程設(shè)計的基本流程和通用準(zhǔn)則

測量是1 個過程。測量結(jié)果的質(zhì)量，即測量結(jié)果是否準(zhǔn)確可靠，與科學(xué)合理的測量過程設(shè)計以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y量過程控制直接相關(guān)。

1.1 測量過程設(shè)計的基本流程

測量過程設(shè)計的基本流程如圖1所示，具體為：

（1）開展測量活動前，明確測量要求；

（2）根據(jù)測量要求進(jìn)行測量過程設(shè)計；

（3）測量過程設(shè)計的輸出評審；

（4）如果滿足測量要求，則進(jìn)行測量系統(tǒng)的構(gòu)建、分析和驗證。如果測量過程設(shè)計或驗證不能滿足測量要求，則需要進(jìn)行測量過程改進(jìn)；

（5）已通過驗證的測量系統(tǒng)投入實際應(yīng)用時，在測量過程實現(xiàn)活動中需要進(jìn)行測量過程的控制，以持續(xù)保證測量結(jié)果滿足測量要求；

（6）獲得測量結(jié)果后需要對測量結(jié)果進(jìn)行分析并報告測量結(jié)果。

1.2 測量過程設(shè)計的通用準(zhǔn)則

測量過程設(shè)計應(yīng)該遵守的通用準(zhǔn)則包括：

（1）測量活動用于決策，如果測量數(shù)據(jù)不用于決策，那么該測量活動是不必要的；

（2）設(shè)計和控制測量過程的目的是管理基于測量結(jié)果的決策風(fēng)險；

（3）測量結(jié)果的質(zhì)量決定了基于測量結(jié)果的決策風(fēng)險高低，決策越關(guān)鍵，對測量結(jié)果的質(zhì)量要求越高；

（4）測量要求的提出應(yīng)在測量目的、當(dāng)前測量技術(shù)水平以及成本方面取得平衡；

（5）測量過程設(shè)計的目的是滿足測量要求，完成設(shè)計后應(yīng)進(jìn)行分析評估能否滿足這些要求；

（6）測量過程的設(shè)計應(yīng)考慮測量設(shè)備、測量方法、環(huán)境條件等所有可能影響測量數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素；

（7）所有測量結(jié)果都要能溯源至國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)；

（8）校準(zhǔn)過程可以認(rèn)為是一種特殊的測量過程，也應(yīng)作為測量過程的支持過程與測量過程設(shè)計統(tǒng)籌考慮；

（9）測量系統(tǒng)的特性會隨著時間的推移而劣化。應(yīng)周期性校準(zhǔn)測試設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備以使其測量不確定度的增長控制在1 個可接受的限制值之內(nèi)。校準(zhǔn)間隔是根據(jù)該限制值和預(yù)期的不確定度增長規(guī)律來確定的。

以上流程和準(zhǔn)則看似簡單，但卻是做好測量過程設(shè)計、保證測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠的重要基礎(chǔ)。

2 測量要求的確定及定義的測量過程

如果提出的測量要求不是科學(xué)合理的，那么后續(xù)為滿足該要求而做的努力可能毫無意義！測量要求提出過程的復(fù)雜程度容易被忽略，導(dǎo)致測量要求很多時候是不完整的。不合理的測量要求可能產(chǎn)生很多不利的結(jié)果，例如，測量要求過高，測量結(jié)果無法滿足要求或測量成本過高。測量要求不完整，不能全面反映預(yù)期用途的要求，導(dǎo)致測量過程設(shè)計輸入不完整，測量結(jié)果也就自然無法全面滿足預(yù)期用途要求。

GB/T 19022[10]指出：“應(yīng)根據(jù)顧客、組織和法律法規(guī)的要求確定計量要求。為了滿足這些規(guī)定要求而設(shè)計的測量過程應(yīng)形成文件，并確認(rèn)有效，必要時，征得顧客同意。”

Castrup 等[2]提出了確定測量要求的通用次序，即測量要求定義包括10 個階段：任務(wù)描述、系統(tǒng)性能描述、系統(tǒng)性能參數(shù)確定、部件性能參數(shù)確定、測量參數(shù)確定、測量要求確定、測量系統(tǒng)設(shè)計、校準(zhǔn)過程要求確定、校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計、溯源性要求確定。該報告采用系統(tǒng)工程的方法，以更為廣闊的視角對測量質(zhì)量控制、測量要求的提出、測量系統(tǒng)設(shè)計、測量溯源、校準(zhǔn)間隔控制等方面進(jìn)行了系統(tǒng)地梳理和研究。測量要求的確定如圖2 所示。每個測量要求都可以溯源至系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件或零件的屬性參數(shù)的要求，而這些零部件、子系統(tǒng)最終組成的系統(tǒng)是為了滿足任務(wù)的要求，因此所有的測量要求實際上是溯源到滿足任務(wù)要求的。同樣，校準(zhǔn)要求的提出、校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計以及溯源要求是為了滿足測量系統(tǒng)的要求。這種層級結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)定義測量要求提供支撐。

圖2 測量要求的確定

對于具體測量參數(shù)的測量要求必須明確：測量參數(shù)、測量范圍、不確定度要求（包括測量可靠性要求/置信水平）、要求適用的時間范圍、測量環(huán)境要求等。有了明確的測量要求，測量過程的設(shè)計人員才能合理確定測量設(shè)備的技術(shù)規(guī)范，成功設(shè)計出滿足要求的測量系統(tǒng)。完整的測量要求應(yīng)在回答以下問題后給出：

（1）測量什么參數(shù)，如何準(zhǔn)確定義？例如，ASME PTC 19.1[5]提出測量前必須明確是測量電偶熱節(jié)點的溫度、探針?biāo)幍奈恢玫臍饬骺倻剡€是測量截面質(zhì)量流量平均溫度？

（2）為什么要測量這個參數(shù)？是否必要？

（3）測量數(shù)據(jù)如何使用，將用于何種決策？

（4）測量要求的來源（任務(wù)、產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、歷史經(jīng)驗等）是什么？

（5）開展測量活動所處的環(huán)境（壓力、溫度、速度、濕度等）是否明確？

（6）測量技術(shù)要求（測量范圍、最大允許誤差/不確定度要求、是否有動態(tài)測量要求、可靠性、時間限要求等）是否明確？例如，SAE AIR5925A[6]提出類似“越準(zhǔn)越好”的要求是不可接受的。

（7）技術(shù)指標(biāo)的定義是否明確、無歧義?

（8）要求是針對測量設(shè)備還是最終獲得的測量數(shù)據(jù)的？

（9）要求是否合理？是否可實現(xiàn)？是否有相關(guān)測量設(shè)備可滿足要求？

測量過程設(shè)計的輸出是文件化的測量過程描述，GB/T 19022[10]提供了測量過程設(shè)計的通用準(zhǔn)則。ASME PTC 19.1[5]、SAE AIR5925A[6]、AGARD-AR-320[9]使用了“定義的測量過程”（Defined Measurement Process）的概念，事實上與文件化的測量過程基本相同。完整的測量過程定義應(yīng)包括足夠的信息，識別所有可能的影響因素并開展不確定度預(yù)算。測量過程的設(shè)計文件應(yīng)包括但不限于下列內(nèi)容：

（1）測量過程計量要求的來源；

（2）測量過程計量要求的特征參數(shù)（包括測量不確定度、穩(wěn)定性、最大允許誤差、重復(fù)性、復(fù)現(xiàn)性等）；

（3）測量系統(tǒng)的組成；

（4）測量環(huán)境條件；

（5）選用的測量方法；

（6）使用的測量軟件；

（7）選用的測量設(shè)備；

（8）測量設(shè)備的溯源情況；

（9）影響測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的影響量；

（10）影響量的測量或評估方法；

（11）測量操作者的技能水平要求；

（12）測量不確定度預(yù)算；

（13）測量過程需要控制的因素和注意事項。

3 影響因素分析及不確定度評定技術(shù)在發(fā)動機(jī)試驗測試中的應(yīng)用

在測量系統(tǒng)初步設(shè)計時，必須對系統(tǒng)中所有影響準(zhǔn)確度的因素進(jìn)行分析。這是保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)性工作，是做好測量系統(tǒng)分析和不確定度評定的關(guān)鍵。做好這項工作需要對測量系統(tǒng)有深入細(xì)致的了解，不僅要了解測量設(shè)備特性，還需要了解測量原理、被測對象的特性、環(huán)境條件、測量程序等。

3.1 測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度影響因素分析的分類方法

為了有效識別所有可能對測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響的因素，合理分類影響因素有助于全面、系統(tǒng)地開展影響因素分析。通過對現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)不同文獻(xiàn)對于影響因素（有的文獻(xiàn)稱為誤差源Error sources）的分類不盡相同。例如：ASME PTC 19.1[5]對不確定度的分類為校準(zhǔn)引入的不確定度、被試件和儀表安裝引入的不確定度（探針和試驗介質(zhì)之間的相互作用，探針干擾效應(yīng)、探針傳導(dǎo)/輻射/導(dǎo)熱特性等，試驗件和試驗設(shè)備之間的相互作用，試驗設(shè)備限制）、數(shù)據(jù)采集引入的不確定度、數(shù)據(jù)處理引入的不確定度、方法和其它效應(yīng)引入的不確定度；Down[16]提出的S.W.I.P.E.（標(biāo)準(zhǔn)、工件、儀器、人員和程序、環(huán)境）模型和P.I.S.M.O.E.A.（工件、儀器、標(biāo)準(zhǔn)、方法、操作人員、假設(shè)）模型；Castrup 等[4]認(rèn)為誤差分析時應(yīng)考慮參考量偏倚、重復(fù)性、分辨率、操作者偏倚、環(huán)境因素誤差、計算誤差等因素。各文獻(xiàn)對影響因素分類的不同之處，體現(xiàn)了不同行業(yè)的人觀察問題視角的不同。開展分析實踐時，可以針對具體測量活動的特點，綜合運(yùn)用這些分類方法，以實現(xiàn)因素不遺漏、不重復(fù)的目標(biāo)。

3.2 發(fā)動機(jī)測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度影響因素分析的特點

航空發(fā)動機(jī)試驗測試有其自身的特點，可能影響測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的因素種類和數(shù)量眾多。測量系統(tǒng)與其所處的環(huán)境包括發(fā)動機(jī)以及試驗設(shè)備可能產(chǎn)生異常復(fù)雜的相互作用，這些相互作用可能包括氣動、傳熱、受力、振動、噪聲等影響因素。復(fù)雜的影響因素分析可能需要對包括流體參數(shù)、固體參數(shù)、無量綱數(shù)、物理常數(shù)等數(shù)十個參數(shù)的變化規(guī)律及其不確定度有深入的洞察。因此，在進(jìn)行影響因素分析時，如果不進(jìn)行深入細(xì)致的研究，一些重要的影響因素可能被忽略，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失準(zhǔn)或者無法準(zhǔn)確評價測量結(jié)果的不確定度。

航空發(fā)動機(jī)試驗測試參數(shù)種類繁多，針對特定參數(shù)測量活動的分析可能涉及該參數(shù)特有的影響因素，精通某一參數(shù)的影響因素分析并不能保證對其它參數(shù)同樣能做出正確的分析，這也是測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確保證工作的難點所在。本文無法覆蓋所有與發(fā)動機(jī)測試相關(guān)的參數(shù)，僅按穩(wěn)態(tài)參數(shù)、動態(tài)參數(shù)進(jìn)行簡單分類，分別枚舉易忽略和重要的影響因素，以期對分析工作帶來啟發(fā)和幫助。

3.2.1 穩(wěn)態(tài)參數(shù)測量的影響因素

在進(jìn)行發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)參數(shù)測量時，可能需要考慮的因素包括：

（1）靜壓測量孔質(zhì)量。靜壓測量孔應(yīng)與表面垂直，孔口保持銳邊，靜壓孔的加工質(zhì)量偏離設(shè)計狀態(tài)，靜壓測量將產(chǎn)生誤差，詳見ASME PTC 19.2[17]；

（2）堵塞效應(yīng)。任何插入氣流的探針都會在某種程度上對氣流產(chǎn)生干擾，對流道產(chǎn)生堵塞效應(yīng)，這會使壓力測量產(chǎn)生附加誤差，詳見ASME PTC 19.2[17]；

（3）氣流溫度測量探針的速度誤差、導(dǎo)熱誤差、輻射誤差的修正。氣流溫度是發(fā)動機(jī)的重要參數(shù)，與此相關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)量較多，例如，ASME PTC 19.3[18]、SAE AIR46[19]、SAE AIR65[20]、SAE AIR1900[21]是溫度測量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；AGARD-AR-245[8]對發(fā)動機(jī)氣路溫度測量進(jìn)行了詳細(xì)描述；Warren[22]描述了測量高溫氣流的電偶探針的設(shè)計；Stickney 等[23]的總溫傳感器設(shè)計報告詳細(xì)描述了影響總溫測量準(zhǔn)確度的因素；Englerth[24]、Glawe 等[25]通過試驗對總溫探針誤差進(jìn)行了研究；Jonathan[26]、Schneider[27]、Zeisberger[28]對總溫探針進(jìn)行了數(shù)值仿真研究；鄒正平等[29]、張?zhí)礻坏萚30]等對機(jī)載屏蔽式總溫探針進(jìn)行了數(shù)值仿真，研究了不同條件下屏蔽式總溫探針3 大誤差的變化規(guī)律，建立了高準(zhǔn)確度的1 維模型；Vincent[31]采用混合建模技術(shù)對總溫探針性能進(jìn)行了較為深入的研究。根據(jù)對相關(guān)文獻(xiàn)研究可知，由于這幾種誤差與探針的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其所處的環(huán)境相關(guān)，探針與被測量流體、探針與安裝座之間的復(fù)雜的氣動、換熱作用，使得量化這些誤差異常復(fù)雜，需要對30 多個參數(shù)的變化規(guī)律及其不確定度有深入的認(rèn)識。而且，由于校準(zhǔn)條件和使用條件很難做到一致，一般情況下，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)無法直接用于誤差修正?？尚械姆椒ㄊ墙⑻结樀姆抡婺Ｐ?，通過校準(zhǔn)實驗驗證仿真模型，再通過模型對各項誤差進(jìn)行修正和進(jìn)行測量結(jié)果的不確定度評定。

（4）周期性波動的壓力對穩(wěn)態(tài)測量的影響。根據(jù)AGARD-AR-245[8]，當(dāng)壓力以1 個較高頻率（超過了系統(tǒng)的響應(yīng)速度）波動且波動較大時，即使是在穩(wěn)態(tài)下，壓力傳感器讀出的平均壓力可能與探針頭部位置的平均壓力不同。

（5）瞬態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能的差異。由于發(fā)動機(jī)工作時內(nèi)部存在復(fù)雜的機(jī)械和熱平衡過程，應(yīng)該在進(jìn)入充分平衡狀態(tài)后采集穩(wěn)態(tài)性能數(shù)據(jù)，否則可能帶來附加不確定度，這在AGARD-AR-320[9]以及Covert[32]的文獻(xiàn)中均有描述。

（6）測點布局。由于發(fā)動機(jī)內(nèi)的流場可能不均勻，測點的布局應(yīng)能使測量結(jié)果復(fù)現(xiàn)流場的特征，如果測點數(shù)量不足或布局不合理，則可能對部件性能參數(shù)分析結(jié)果帶來附加誤差。例如，如果在上游支板或靜葉的尾跡中，需要考慮使用尾跡耙，必要時靠近壁面位置使用附面層探針[8]。 再如，根據(jù)SAE AIR1419C[33]，在進(jìn)行發(fā)動機(jī)進(jìn)氣畸變測量時，測量點的數(shù)量及布局應(yīng)能適應(yīng)可能出現(xiàn)的周向和徑向畸變特征。

（7）平均算法。在計算發(fā)動機(jī)部件性能時，需要將離散測量點的測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為截面的平均值，面積平均、質(zhì)量流量平均、Pianco、Dzung 等平均算法（詳見AGARD-AR-182[34]）對總壓、總溫、效率等參數(shù)的計算結(jié)果存在無法忽略的差異。例如，Covert[32]指出，對于發(fā)動機(jī)某一截面的平均總壓來說，不同的平均算法之間的差異可能超過3%，只有當(dāng)靜壓分布不能可靠估計和馬赫數(shù)較低時才可使用面積平均。

（8）流體參數(shù)計算方法。在計算間接測量參數(shù)、以及進(jìn)行各種誤差修正計算時會涉及到很多空氣、燃?xì)庖约安牧系奶匦詤?shù)，包括比熱、比熱比、壓縮系數(shù)、聲速、運(yùn)動粘度、動力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等，使用不同的計算模型或數(shù)據(jù)源所得到結(jié)果的不確定度可能不同。Kyprianidis 等[35]研究了不同熱流體模型對燃?xì)廨啓C(jī)性能計算的影響，指出在對于高溫燃?xì)馐褂煤喕Ｐ蜁盹@著的誤差。

（9）流體的無量綱數(shù)。雷諾數(shù)、馬赫數(shù)、普朗特數(shù)、努塞爾數(shù)等都是有不確定度的。而且，涉及復(fù)雜流動換熱的參數(shù)不確定度較大，例如：?engel 等[36]指出大多數(shù)情況下，努塞爾數(shù)不確定度在15%左右是“常態(tài)”；Lestina 等[37]在對熱交換器的研究中也得到了類似的結(jié)論；ASME PTC 12.5[38]指出總體換熱系數(shù)的預(yù)期不確定度為3%～10%，也從換熱系數(shù)的角度提供了努塞爾數(shù)不確定度的信息。

（10）物理常數(shù)。大部分的物理常數(shù)，例如通用氣體常數(shù)、普朗克常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)都是存在不確定度的，一般來講這些常數(shù)的不確定度比較小，但對于準(zhǔn)確度要求較高的情況，則可能需要開展計算分析，以評估其影響。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）[39]給出了各種物理常數(shù)及其不確定度的列表。

3.2.2 動態(tài)參數(shù)測量的影響因素

在進(jìn)行發(fā)動機(jī)動態(tài)參數(shù)測量時，除了考慮穩(wěn)態(tài)參數(shù)測量相關(guān)的影響因素之外，還需要考慮的附加影響因素包括：

（1）測量系統(tǒng)的動態(tài)特性。測量系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)決定了動態(tài)測量系統(tǒng)如何響應(yīng)各種隨時間變化的輸入信號，而輸出與輸入的不同直接導(dǎo)致測量誤差。NASA-HDBK-8739.19-2[40]等給出了常用動態(tài)性能特性參數(shù)及其定義。根據(jù)Doebelin[41]的專著，測量系統(tǒng)可分為0 階、1 階和2 階系統(tǒng)，0 階系統(tǒng)具有理想的動態(tài)特性，而1階系統(tǒng)的時間常數(shù)，2階系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比等特征參數(shù)決定了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。應(yīng)根據(jù)被測量的動態(tài)特性和測量目的來確定動態(tài)測量要求，然后根據(jù)動態(tài)測量要求開展測量系統(tǒng)設(shè)計，匹配適合的特性參數(shù)，以實現(xiàn)相關(guān)動態(tài)測量要求。被測量的動態(tài)特性與測量系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)如果不匹配，將對測量準(zhǔn)確度帶來巨大負(fù)面影響。而完成構(gòu)建的動態(tài)測量系統(tǒng)的實際特性一般與設(shè)計特性存在一定的偏差，當(dāng)該偏差無法接受時，需要開展動態(tài)校準(zhǔn)以準(zhǔn)確獲取實際動態(tài)特性。

（2）管腔效應(yīng)。在進(jìn)行失速、喘振和振蕩燃燒監(jiān)測等動態(tài)壓力測量時，除了動態(tài)壓力傳感器和信號處理系統(tǒng)之外，傳感器的安裝方式對系統(tǒng)動態(tài)特性有著不可忽視的影響。齊平安裝方式動態(tài)響應(yīng)最好，如果無法齊平安裝，測點與敏感元件之間的管腔將顯著影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，在管腔諧振頻率附近產(chǎn)生較大的幅值誤差和相位誤差，管腔效應(yīng)與測壓管路內(nèi)徑、腔室容積、溫度等因素直接相關(guān)。Bergh 等[42]對管腔效應(yīng)開展了深入的理論分析；AGARD-AR-320[9]以及Lepicovsky 等[43]對管腔效應(yīng)的影響有較為詳細(xì)地描述；Johansen 等[44]研究了管腔效應(yīng)對動態(tài)多孔探針性能的影響以及由于制造公差等因素導(dǎo)致其動態(tài)特性的變化；AGARD-AR-320[9]還對使用非諧振系統(tǒng)（半無限長管系統(tǒng)）抑制管腔效應(yīng)的影響進(jìn)行了描述。

（3）探針與氣流相互作用。Sieverding 等[45]指出，在使用探針進(jìn)行動態(tài)測試時，探針頭部和支桿與氣流的相互作用，可能改變被測流體的局部流場。例如，因支桿產(chǎn)生的激波對探針頭部附近流場的影響，楔形探針頭部附近產(chǎn)生的漩渦導(dǎo)致的低壓區(qū)對測量結(jié)果的影響，級間測量時直徑過大的探針對上游流場的干擾等。

（4）傳感器位移。在進(jìn)行對位移、振動等敏感的動態(tài)參數(shù)測量時，傳感器與被測對象之間的相對位置由于熱膨脹，離心力/氣動力導(dǎo)致的平移、彎扭形變等原因發(fā)生變化時，可能會產(chǎn)生附加測量誤差。例如，進(jìn)行葉尖間隙測量時，機(jī)匣的熱變形和機(jī)匣振動以及被測葉片位移和形變會對間隙測量結(jié)果產(chǎn)生影響。張龍等[46]等對電容法葉尖間隙測量準(zhǔn)確度的主要影響因素開展了研究和分析。

（5）熱瞬態(tài)效應(yīng)。當(dāng)傳感器在溫度瞬態(tài)變化的環(huán)境下工作時，由于瞬態(tài)的換熱過程可能導(dǎo)致較大的動態(tài)誤差。例如，Gossweiler 等[47]等描述了熱瞬態(tài)效應(yīng)對快速響應(yīng)壓力探針測量準(zhǔn)確度的影響。

（6）時間常數(shù)。發(fā)動機(jī)在利用測溫結(jié)果進(jìn)行反饋控制以及開展溫度畸變測試等活動時，對溫度測量系統(tǒng)的響應(yīng)速度提出了要求。溫度測量系統(tǒng)是典型的1 階系統(tǒng)，時間常數(shù)是表征其動態(tài)響應(yīng)速度的重要參數(shù)。以電偶為例，時間常數(shù)與感溫元件表面積、體積、密度、比熱和換熱系數(shù)相關(guān)，而換熱系數(shù)又與敏感元件幾何形狀、雷諾數(shù)、普朗特數(shù)等參數(shù)相關(guān)?？梢姡瑫r間常數(shù)是隨著工作狀態(tài)的變化而變化的，并非常量，如果校準(zhǔn)狀態(tài)和使用狀態(tài)相差較大，可能帶來顯著的偏差。而在評價溫度的滯后量和動態(tài)誤差時需要充分考慮時間常數(shù)變化的影響。

（7）傳遞特性。在進(jìn)行動態(tài)力和振動等參數(shù)測量時，從源頭至傳感器的整個測量鏈上的各種構(gòu)件均對信號的傳遞產(chǎn)生影響。例如，激振源位于發(fā)動機(jī)的某個軸承處，振動傳感器通過安裝座固定在機(jī)匣上，則激振源和傳感器之間所有構(gòu)件的整體特性會影響振動測量系統(tǒng)的輸出，包括安裝座的剛度特性、傳感器的安裝空間姿態(tài)和固定方式等。對于發(fā)動機(jī)的動態(tài)推力測量，則需要考慮試車臺架的剛度和阻尼特性等因素的影響。

（8）環(huán)境干擾。在動態(tài)測試過程中，環(huán)境影響更為復(fù)雜。例如，發(fā)動機(jī)在露天臺開展噪聲測試時，需要考慮周邊環(huán)境的背景噪聲、周邊物體對噪聲的反射、地面效應(yīng)、氣候條件等因素。喬渭陽[48]對航空發(fā)動機(jī)噪聲試驗的環(huán)境條件要求和測試方法等有比較全面的描述。在通過紅外輻射方法測量渦輪葉片表面溫度時，需要考慮附近葉片等零件的輻射、燃?xì)鈱t外光的吸收、燃?xì)庵泄腆w顆粒的干擾等影響，Kerr等[49]對相關(guān)因素的影響進(jìn)行了分析。

（9）安裝工藝。部分測量系統(tǒng)，除了設(shè)計特性和制造質(zhì)量之外，安裝工藝也會影響測量結(jié)果。例如，對于高溫動態(tài)應(yīng)變測試，應(yīng)變計與基底之間的過渡層、絕緣層、測量元件層、保護(hù)層之間的粘接可靠程度、變形協(xié)調(diào)程度、安裝工藝的穩(wěn)定性等都對測量結(jié)果有重要影響。劉豪[50]對影響薄膜應(yīng)計測量誤差的因素及其機(jī)理進(jìn)行了描述。

（10）時間同步。發(fā)動機(jī)試驗過程中可能需要根據(jù)測試結(jié)果判斷各種事件的先后次序，以開展規(guī)律研究和排故分析工作。這需要保證時間測量準(zhǔn)確度以及不同參數(shù)測量系統(tǒng)的時間同步準(zhǔn)確度，并統(tǒng)籌考慮測量系統(tǒng)的相位響應(yīng)特性對事件時序判斷的影響。

（11）混疊效應(yīng)。在進(jìn)行動態(tài)測試時，如果測試系統(tǒng)的濾波器類型及其參數(shù)、采樣率等設(shè)計不合理，可能導(dǎo)致不期望的高頻信號混疊至低頻段，而混疊一旦發(fā)生，是無法通過后續(xù)數(shù)據(jù)分析來識別和處理的，將對測量結(jié)果的準(zhǔn)確度產(chǎn)生較大影響。NASA-RP-1342[2]中描述了混疊產(chǎn)生的機(jī)理和如何避免混疊的方法。

（12）動態(tài)數(shù)據(jù)分析算法。動態(tài)數(shù)據(jù)分析過程采用的數(shù)字濾波器、FFT 變換、小波分析等分析算法可能對數(shù)據(jù)的幅值和相位等特性產(chǎn)生影響，在算法選擇和相關(guān)參數(shù)設(shè)定時需要充分考慮。

3.3 發(fā)動機(jī)測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度影響因素分析實例

復(fù)雜測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度影響因素分析需要從測量系統(tǒng)的工作原理出發(fā)，綜合運(yùn)用第3.1 節(jié)的分類方法及相關(guān)專業(yè)知識，梳理出所有可能的影響因素。下面通過發(fā)動機(jī)空氣流量和推力測量結(jié)果的簡要分析實例展現(xiàn)影響因素分析的深度和復(fù)雜度。

發(fā)動機(jī)試驗一般使用流量管測量發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量。流量測量結(jié)果的影響因素包括溫度、壓力、面積、流出系數(shù)、流場均勻度、濕度、流量管加工質(zhì)量等因素，進(jìn)氣流量測量準(zhǔn)確度影響因素如圖3所示。

圖3 進(jìn)氣流量測量準(zhǔn)確度影響因素

將影響因素進(jìn)一步分解，可以看出流量管的流出系數(shù)受雷諾數(shù)、馬赫數(shù)、測量截面位置變化的影響，詳見Beale等[51]關(guān)于流量測量的文章。

濕度對空氣流量測量的影響容易被忽略。Grabe 等[52]給出了濕度對發(fā)動機(jī)參數(shù)影響的估算值。發(fā)動機(jī)參數(shù)濕度影響修正見表1，表中列出了其中的2 種大氣狀態(tài)的數(shù)據(jù)，可見其對空氣流量的影響是不能忽略的。

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)濕度影響修正 %

濕度對空氣的摩爾質(zhì)量產(chǎn)生影響，濕度和溫度對空氣的比熱比產(chǎn)生影響，未進(jìn)行濕度和比熱比修正的空氣質(zhì)量流量誤差如圖4所示。

圖4 未進(jìn)行濕度和比熱比修正的空氣質(zhì)量流量誤差

推力是重要的發(fā)動機(jī)性能參數(shù)。航空發(fā)動機(jī)試車臺推力測量的影響因素多，關(guān)系錯綜復(fù)雜。與推力測量相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量較多，例如，F(xiàn)AA AC43 -207[53]、SAE ARP741B[54]、AGARD-AR-248[55]、Parfitt 等[56-58]描述了試車臺氣動修正方法；AGARD-AG-307[59]、Roberts 等[60]、Jun 等[61]描述了試車臺推力不確定度評定方法。根據(jù)對這些文獻(xiàn)的研究，室內(nèi)試車臺推力測量結(jié)果準(zhǔn)確度影響因素如圖5所示。

圖5 室內(nèi)試車臺推力測量結(jié)果準(zhǔn)確度影響因素

圖5 中基本涵蓋了可能影響最終換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下的總推力準(zhǔn)確度的因素，雖然因素眾多，但從圖中可見，基本上是以推力換算、推力測量、推力修正3 方面為主?？紤]到空氣流量還可以按照圖3 分解，最終的影響因素會更多。因此，圖中最右側(cè)的項目還可能分解為更細(xì)的分支。最終，每個因素都會影響到最終推力結(jié)果的準(zhǔn)確度，只是影響的程度不同。這些因素在開展試車臺設(shè)計、發(fā)動機(jī)試車、推力修正等相關(guān)活動時均需予以考慮，并進(jìn)行深入細(xì)致的分析，才能保證所獲得的推力數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

3.4 不確定度評定的重要參考文獻(xiàn)

完成影響因素分析后，需要對這些因素進(jìn)行量化，也就是對各影響量進(jìn)行分量不確定度評定，之后再進(jìn)行測量結(jié)果的不確定度評定。眾多文獻(xiàn)對不確定度評定的具體方法進(jìn)行了描述，具體評價方法不再贅述。

3.4.1 不確定度評定的通用方法文獻(xiàn)

（1）GB/T 27418測量不確定度評定和表示[11]；

（2）GB/T 27419-2018 測量不確定度評定和表示補(bǔ)充文件1：基于蒙特卡洛方法的分布傳播[62]；

（3）GB/T 27411檢測實驗室中常用不確定度評定方法與表示[63]；

（4）JJF 1059.1測量不確定度評定與表示[64]；

（5）JJF 1059.2 用蒙特卡洛法評定測量不確定度[65]；

（6）ISO Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement[3]；

（7）ASME PTC 19.1 Measurement Uncertainty[5]；

（8）NIST TN 1297 Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results[66]；

（9）NASA-HDBK-8739.19-3 Measurement Uncertainty Analysis Principles and Methods[4]。

3.4.2 與發(fā)動機(jī)相關(guān)不確定度評定文獻(xiàn)

下列文獻(xiàn)給出了與發(fā)動機(jī)試驗測試相關(guān)的不確定度分析實例，具有較高的實用價值：

（1）AEDC-TR-73-5 Handbook：Uncertainty in Gas Turbine Measurements[7]；

（2）SAE AIR 4979 Estimation of Measurement Uncertainty in Engine Tests Based on NATO AGARD Uniform Engine Test Program[67]；

（3）SAE AIR 1678A Uncertainty of In-Flight Thrust Determination[68]；

（4）AGARD-AG-307 Measurement Uncertainty Within the Uniform Engine Test Program[59]；

（5）AGARD-AR-245 Recommended Practices for Measurement of Gas Path Pressures and Temperatures for Performance Assessment of Aircraft Turbine Engines and Components[8]；

（6）AGARD-AR-320 Guide to the Measurement of the Transient Performance of Aircraft Turbine Engines and Components[9]。

3.5 各影響因素貢獻(xiàn)度分析

影響因素經(jīng)過識別、量化后，應(yīng)關(guān)注各影響因素對最終測量結(jié)果準(zhǔn)確度的貢獻(xiàn)度大小，各影響因素在最終測量結(jié)果的貢獻(xiàn)度與該分量與靈敏系數(shù)乘積的平方成正比。Jun等[61]、 Blevins 等[69]采用不確定度貢 獻(xiàn) 百 分 比（Uncertainty Percentage Contribution，UPC）概念；SAE AIR5925A[6]、Castrup 等[4]稱之為帕累托分析（Pareto Analysis）。實際上二者計算貢獻(xiàn)度的方法是一致的，區(qū)別是帕累托分析進(jìn)一步將貢獻(xiàn)度按大小排列，結(jié)果更為直觀。

例如：Jun 等[61]對影響總推力因素在不同換算轉(zhuǎn)速下的UPC 分析如圖6所示。從圖中可見，試車間靜壓Ps，90 的不確定度占比最大；Blevins 等[69]對影響總推力因素在不同馬赫數(shù)下的UPC 分析如圖7所示，從圖中可見，將不同參數(shù)在不同馬赫數(shù)下UPC的變化值繪成曲線圖，清楚地說明了各因素的貢獻(xiàn)隨馬赫數(shù)的變化；SAE AIR5925A[6]對飛行推力起飛狀態(tài)影響因素帕累托分析如圖8所示，從圖中可見，使用不同的顏色表示隨機(jī)影響和系統(tǒng)影響的大小。

圖6 影響總推力因素在不同換算轉(zhuǎn)速下的UPC分析

圖7 影響總推力因素在不同馬赫數(shù)下的UPC分析

圖8 飛行推力起飛狀態(tài)影響因素帕累托分析

這些分析方法不僅可用于在試驗后進(jìn)行試驗結(jié)果的不確定度評定，還可用于測試系統(tǒng)方案設(shè)計時找到影響最終不確定度的關(guān)鍵因素，并在優(yōu)化方案中考慮降低那些占比較大的不確定度分量。

4 風(fēng)險分析、可靠性技術(shù)在符合性測試中的應(yīng)用

完成測量不確定度評定后，報告測量結(jié)果的不確定度時，規(guī)范的表示除了給出擴(kuò)展不確定度外，還應(yīng)給出對應(yīng)的包含因子或者給出包含概率和有效自由度。這種表述的含義是被測量以包含概率落在由擴(kuò)展不確定度確定的包含區(qū)間內(nèi)。測量結(jié)果落在包含區(qū)間內(nèi)的概率稱為測量可靠性，而超出該區(qū)間的概率稱為測量風(fēng)險[2]。擴(kuò)展不確定度和對應(yīng)的包含概率共同用于評價測量結(jié)果質(zhì)量，同樣的包含區(qū)間，如果包含概率不同，其測量可靠性是不同的。在提出測量要求時應(yīng)給出測量可靠性要求，在表示測量結(jié)果時應(yīng)給出測量可靠性，這是在實際工作中容易忽視的一點。

值得指出的是，不確定度本身是估計值，也具有不確定度，自由度是衡量不確定度評定結(jié)果的不確定度的參數(shù)。在包含區(qū)間相同的情況下，如果自由度越大，則包含概率（可靠性）越高；在包含概率相同的情況下，如果自由度越大，則包含區(qū)間變小。根據(jù)GUM[3]，對于A 類不確定度評定，測量次數(shù)為n，自由度為n-1，假設(shè)測量9次，則該A 類不確定度評定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度約為25%，可見增加重復(fù)測量次數(shù)除了使平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差降低以外，自由度的增加也降低了不確定度評定結(jié)果的不確定度；對于B類不確定度評定，GUM[3]也提供了根據(jù)B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度來估算其自由度的方法。

基于測量結(jié)果做出正確決策的概率稱為測量決策可靠性，做出錯誤決策的概率稱為測量決策風(fēng)險[2]。如果測量結(jié)果用于符合性測試，即測量結(jié)果需要用于判斷是否符合某個允差/公差要求，那么這種合格判定的可靠性與允差/公差大小和測量結(jié)果的不確定度直接相關(guān)?？刂圃什钆c不確定度的比值是管控測量決策風(fēng)險的基本手段。Mimbs[70]指出歷史上使用較多的是準(zhǔn)則是使用10：1 測試準(zhǔn)確度比（Test Accuracy Ratio，TAR）準(zhǔn)則以及4：1 測試不確定度比（Test Uncertainty Ratio，TUR）準(zhǔn)則。TAR 并未考慮測量設(shè)備以外的影響因素導(dǎo)致的不確定度，有時，這些不確定度可能比測量設(shè)備本身引入的不確定度還大，因此在使用TAR 時必須謹(jǐn)慎，例如，使用1 只熱電偶探針測量實驗室校準(zhǔn)爐溫度，其測量不確定度很小，此時，可以認(rèn)為測量設(shè)備很準(zhǔn)確，但如果使用它在高溫氣流中測量氣流總溫，那么由于速度、輻射、導(dǎo)熱等誤差導(dǎo)致的不確定度可能要大很多。因此，TAR規(guī)則僅可用于關(guān)鍵度較低的應(yīng)用。相比來說，使用TUR更為可靠，TUR 優(yōu)于4：1 可以滿足大部分的應(yīng)用對測量質(zhì)量的要求。MIL-HDBK-1839A[71]、MIL-STD-1839D[72]等很多文獻(xiàn)對TUR 的要求為4：1，并且在滿足要求時，符合性判斷一般不考慮不確定度的影響。

然而，即使使用TUR 4：1準(zhǔn)則在某些情況下也是不夠的。事實上，符合性判斷的可靠性除了與TUR有關(guān)外，還與測量結(jié)果在公差帶中的位置有關(guān)。根據(jù)JCGM 106[73]，合格概率可以根據(jù)測量能力指數(shù)（與TUR 相等）及測量結(jié)果在公差帶中的相對位置來計算，相關(guān)計算公式為

式中：Cm為測量能力指數(shù)；TU為公差上限；TL為公差下限；T為公差；um為測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)不確定度；U為測量結(jié)果擴(kuò)展不確定度；y?為測量結(jié)果公差帶中的相對位置；ηm為測量結(jié)果；pc為合格概率；Φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

JCGM 106[73]給出的合格概率與測量能力指數(shù)及測量結(jié)果在公差帶中的位置的關(guān)系如圖9所示，藍(lán)色的曲線為pc=95%，陰影部分為pc<95%，白色部分為pc>95%。從圖中可見，為了達(dá)到合格概率指標(biāo)，可以通過提高測量能力指數(shù)或收縮驗收區(qū)間來實現(xiàn)。

圖9 合格概率與測量能力指數(shù)及測量結(jié)果在公差帶中的位置的關(guān)系

更進(jìn)一步，Castrup[2]將風(fēng)險分析和可靠性理論融入整個測量系統(tǒng)設(shè)計過程，圖2 中自上而下從任務(wù)、系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件、零件等直至溯源到最高標(biāo)準(zhǔn)的要求分解過程同樣伴隨著可靠性指標(biāo)的分解，而逆向的自下而上則是實現(xiàn)可靠性支撐保證的過程。該報告中提出根據(jù)測量應(yīng)用關(guān)鍵度和困難度確定置信水平，提出與可靠性理論中的平均無故障時間（Mean Time between Failures，MTBF）類似的測量系統(tǒng)平均超差時間（Mean Time Between Out Of Tolerance ，MTBOOT），以及期末合格概率（End Of Period（EOP）in-tolerance probability）等可靠性指標(biāo)，提出測量系統(tǒng)不確定度增長的可靠性模型，將嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目煽啃越７治黾夹g(shù)應(yīng)用于各個層級的分析，將測量和校準(zhǔn)結(jié)果可靠性與產(chǎn)品的可靠性建立聯(lián)系，分析結(jié)果可以用于優(yōu)化測量和校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化校準(zhǔn)間隔、甚至優(yōu)化總體運(yùn)行成本，體現(xiàn)了風(fēng)險分析、可靠性工程與測量系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的高度融合。更為詳細(xì)的測量風(fēng)險分析可參考Castrup的報告[2,74]。

5 測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度及可靠性提升方法

5.1 細(xì)化檢查標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格執(zhí)行作業(yè)程序

對于任何工作，最基本的要求是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鞒绦?、?xì)化的檢查標(biāo)準(zhǔn)以及對標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序的嚴(yán)格執(zhí)行。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鞒绦蚴情_展測量過程控制的基礎(chǔ)。細(xì)化的檢查標(biāo)準(zhǔn)需要基于具體測量系統(tǒng)的工作原理制定，并結(jié)合發(fā)動機(jī)試驗測試的工作經(jīng)驗積累不斷豐富、完善。除了針對正常工作狀態(tài)，很多時候還需要考慮測量系統(tǒng)異常情況，這些由于人為操作、環(huán)境條件等因素導(dǎo)致的異常可能包括：通道編號錯誤；測壓管路泄漏、積水、結(jié)冰；靜壓孔口有灰塵；電偶或補(bǔ)償導(dǎo)線類型錯誤；校準(zhǔn)系數(shù)、曲線，修正系數(shù)失配或未更新；安裝方向、位置錯誤或失準(zhǔn)等。嚴(yán)格執(zhí)行作業(yè)程序則是保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠和工作效率的前提，執(zhí)行不嚴(yán)格，出現(xiàn)疏漏和錯誤則成為必然。一個小的錯誤就可能導(dǎo)致花費(fèi)大量的時間進(jìn)行排查、診斷和改正，嚴(yán)重降低工作效率。如果問題未能及時發(fā)現(xiàn)，則無效的測量數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致無效試驗，進(jìn)而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失和進(jìn)度拖期，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠更無從談起。

5.2 運(yùn)用數(shù)據(jù)有效性分析技術(shù)

由于航空發(fā)動機(jī)試驗測試系統(tǒng)在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、高振動、高噪聲等嚴(yán)酷條件下工作，試驗產(chǎn)生的大量測量數(shù)據(jù)中難免由于測量系統(tǒng)性能劣化、失效、電磁干擾等各種原因產(chǎn)生無效數(shù)據(jù)，如何識別這些無效數(shù)據(jù)并剔除，是保證最終測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的重要技術(shù)之一。

有效的測量數(shù)據(jù)有其內(nèi)在規(guī)律，可以根據(jù)這些準(zhǔn)則對數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行分析。Patterson[75]和Malloy[76]提出的主要分析方向包括數(shù)據(jù)一致性檢查、異常事件偵測、不同數(shù)據(jù)源比對、與預(yù)期值比對、與歷史數(shù)據(jù)比對、運(yùn)用與其它量的相關(guān)性、運(yùn)用物理規(guī)律等，或者是這些方法的綜合運(yùn)用。其實粗大誤差剔除使用的3σ準(zhǔn)則、格拉布斯（Grubbs）準(zhǔn)則、狄克遜（Dixon）準(zhǔn)則也屬于根據(jù)測量數(shù)據(jù)的某種規(guī)律來判斷測量數(shù)據(jù)是否有效，因此也屬于數(shù)據(jù)有效性分析方法。數(shù)據(jù)有效性分析的主要方法及可應(yīng)用的規(guī)則見表2。

表2 數(shù)據(jù)有效性分析的主要方法及可應(yīng)用的規(guī)則

5.3 優(yōu)化測量和校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計

可以采取多種方法優(yōu)化測量系統(tǒng)以提升其準(zhǔn)確度和可靠性。包括：

（1）選用準(zhǔn)確度更高的敏感元件。例如Bonham等[77]和Arrington 等[78]提出，為提升總溫測量的準(zhǔn)確度，使用鉑電阻替代熱電偶的優(yōu)化方案；

（2）采用冗余設(shè)計以提高測量系統(tǒng)的可靠性并及時發(fā)現(xiàn)故障，排除無效數(shù)據(jù)。例如，在流量測量中采用串聯(lián)設(shè)計，通過比對2 個流量計測量結(jié)果的差值，可以快速發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行檢查；

（3）設(shè)計恒溫系統(tǒng)，控制測量系統(tǒng)的環(huán)境溫度。例如，根據(jù)Runyan 等[79]的描述，在發(fā)動機(jī)試車臺使用的測力傳感器和傳力結(jié)構(gòu)配有水冷絕熱裝置，以保證其準(zhǔn)確度；

（4）采用補(bǔ)償設(shè)計消除溫度影響。例如，室內(nèi)試車臺推力測量系統(tǒng)設(shè)計時，采用成對的負(fù)荷傳感器和預(yù)加載技術(shù)，以減小溫度對推力測量的影響；

（5）優(yōu)化校準(zhǔn)方案。校準(zhǔn)的目的是確定初始系統(tǒng)偏差并進(jìn)行修正以及監(jiān)控測量不確定度的增長?？梢酝ㄟ^在測量系統(tǒng)中集成校準(zhǔn)設(shè)備；必要時開展現(xiàn)場系統(tǒng)校準(zhǔn)；增加校準(zhǔn)頻次；試驗前后分別校準(zhǔn)；對每個探針進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)等方式優(yōu)化校準(zhǔn)支持。例如：在設(shè)計試車臺的推力測量系統(tǒng)時同時設(shè)計推力校準(zhǔn)系統(tǒng)，以方便隨時進(jìn)行校準(zhǔn)；在試車臺設(shè)計時，考慮預(yù)留中心加載裝置，以方便開展中心加載和臺架加載的比對試驗，減小系統(tǒng)誤差；根據(jù)Arrington 等[78]的描述，為了使總溫測量測量不確定度從原來的1.1 ℃降至0.1 ℃，其中一項措施就是對23 支探針分別進(jìn)行校準(zhǔn)，精確獲得每支探針的總溫恢復(fù)特性。

（6）利用相關(guān)性設(shè)計比對測量系統(tǒng)。例如，Va?zquez等[80]提出，為評價低壓渦輪設(shè)計改進(jìn)的效果，在設(shè)計改進(jìn)前后使用同一套測量系統(tǒng)進(jìn)行比對測量，通過系統(tǒng)影響量之間的相關(guān)性極大降低了系統(tǒng)影響量的影響，實現(xiàn)了效率差（效率相對設(shè)計改進(jìn)前的變化量）不確定度0.25%的目標(biāo)。

（7）在數(shù)據(jù)處理時可以采取各種算法消除和減小各種誤差影響。例如，采用數(shù)據(jù)平均、濾波算法降低噪聲等隨機(jī)影響量的影響；通過合理的數(shù)據(jù)曲線擬合技術(shù)，以減小算法誤差等。

事實上，前述影響因素分析時，通過帕累托分析找到的主要因素都可以成為測量系統(tǒng)優(yōu)化的方向，主要是通過設(shè)計優(yōu)化抑制主要影響量，降低其影響，以達(dá)到提高測量系統(tǒng)準(zhǔn)確度的目的。

5.4 運(yùn)用測量過程控制和健康管理技術(shù)

既然測量活動可以看作1 個過程，那么就可以運(yùn)用質(zhì)量管理、統(tǒng)計和過程控制、健康管理技術(shù)等進(jìn)一步提高測量系統(tǒng)的可靠性，保證測量結(jié)果準(zhǔn)確，包括：

（1）在正式試驗前開展試運(yùn)行，根據(jù)測試系統(tǒng)的表現(xiàn)及時發(fā)現(xiàn)存在的異常。

（2）在測量設(shè)備校準(zhǔn)周期之間，使用適當(dāng)?shù)暮瞬闃?biāo)準(zhǔn)對測量設(shè)備進(jìn)行期間核查可以有效地降低測量設(shè)備失準(zhǔn)的風(fēng)險。

（3）試驗前記錄測量系統(tǒng)的特征參數(shù)以用于故障識別和定位。例如，使用熱電偶測量溫度時，在使用前測量并記錄每個電偶的初始電阻值，如果使用中出現(xiàn)異常，可以通過再次測量其電阻值并與初始值比較以進(jìn)行故障診斷。

（4）通過對測量系統(tǒng)的特性指標(biāo)多個周期的跟蹤記錄，分析測量設(shè)備的性能漂移趨勢，優(yōu)化校準(zhǔn)間隔，建立可靠且高費(fèi)效比的校準(zhǔn)支持方案。

（5）將前述的數(shù)據(jù)有效性分析技術(shù)集成在測量軟件中，實時發(fā)現(xiàn)測量系統(tǒng)的異常。例如，Hildebrandt等[81]提出了監(jiān)測進(jìn)氣流量管靜壓測量特征的方法，通過周向測點之間的分散度及其隨時間變化的特征，及時發(fā)現(xiàn)是否存在異常測點并及時處理，提升了測量系統(tǒng)的整體可靠性。

6 總結(jié)

保證航空發(fā)動機(jī)測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和可靠性是一項非常重要的基礎(chǔ)工作，但決不是一項簡單的工作，考慮其廣度和深度，可以說這是一項涉及多個專業(yè)的復(fù)雜系統(tǒng)工程。既要掌握適用于所有測量活動的共性技術(shù)，也要洞察具體測量活動的特點和機(jī)理，開展深入的專項技術(shù)研究。保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，需要從產(chǎn)品甚至任務(wù)要求開始導(dǎo)出完整的、科學(xué)合理的測量要求。通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y量系統(tǒng)設(shè)計、明確定義的測量過程，深入了解測量原理和被測對象的特征，開展細(xì)致的測量影響因素分析和不確定度預(yù)算，必要時將風(fēng)險分析和可靠性技術(shù)應(yīng)用于測量系統(tǒng)設(shè)計，綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)有效性分析技術(shù)、過程控制技術(shù)、健康管理技術(shù)等優(yōu)化測量和校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿炞C保證測量結(jié)果滿足測量要求，并最終滿足產(chǎn)品的要求。