标准功率座的计量确认方法

王林林 于 麒 韩晓明 宋万博 杨 洋

（61236部队，北京 100094）

1 引 言

随着信号频率的提升，信号在电路中传输的模型随之改变，低频普遍适用的用电流、电压作为表征信号特性的参数不再适用于微波领域，因为微波信号在传输路线上的电流、电压参数随位置的改变而改变。功率是高频和微波领域的基本参数之一，它表征了高频和微波信源的传输特性［1］。微波功率的单位常用线性单位mW和对数单位dBm。

2 标准功率座的校准方法

功率计的种类很多。按照用途分类可以分为小功率计、中功率计、大功率计和脉冲功率计；根据接口形式可以分为同轴功率计和波导功率计；根据测量原理可以分为热敏电阻功率计、热电偶功率计、半导体薄膜热电偶式和晶体二极管式功率计［2］。

为保证各种功率计的量值准确一致，需要建立功率标准将功率标准量值准确地传递到各级校准实验室的标准功率计上［3］。由于理论研究较为成熟，各国标准实验室采用量热计法和微量热计法建立微波功率标准。各级标准功率传递实验室大多采用交替比较法、传递标准法和六端口法等［4］。

计量确认是为保证测量设备处于能满足预期要求的状态所需的一组操作［5］。标准功率座经上级计量技术机构校准完成回到实验室后，实验室职能负责人应对标准功率座及其证书进行计量确认，确保满足本级计量机构量值传递要求［6］。

3 标准功率座的证书信息

标准功率座向上级溯源时，上级计量机构一般出具校准证书。包括：外观检查、校准因子和驻波比。

频率为被测标准功率座的测试频率点；校准值为上级计量机构传递的校准因子；U为k=2的测量结果的扩展不确定度。

在标准功率座的使用过程中，需要将校准因子值录入对应的频点上，进而才能让功率计在测量过程中调取对应的最新的校准因子，标准功率座量值传递分散性取决于U，属于按“等”使用的仪器。

每年溯源给定校准因子值，可以修正传感器漂移带来的误差，同时给标准功率座的计量确认带来一定的困难。

例如：在f频点，出厂时校准因子为Kc0，当测量功率为P的被测信号时，功率传感器检出功率Pbc0，功率计显示功率读数Pbs0：

由于使用期间发生某一事件，使其校准因子发生较大改变，由Kc0改变为Kct，并且保持稳定：同样在f频点，再次溯源时校准因子为Kct，当它同样测量P功率信号时，功率传感器检出功率Pbct，功率计显示功率读数Pbst：

可见，只要溯源时得到的校准因子准确，即使它发生了较大的变化，仍然能测得准确的功率值。为了进一步研究标准功率座的计量确认方法，我们引入测量兼容性的概念。

4 测量结果的计量兼容性

计量兼容性（metrological compatibility）：给定被测量的一组测量结果的特性，该特性为任何一对两个不同的测量结果的测量值之差的绝对值小于该差值的标准测量不确定度的某个选定倍数［7］。

对于“两个不同的测量结果”，我们选取最近两次溯源时上级计量机构给定的校准因子校准值；对于“该差值的标准测量不确定度”，我们采用上级计量机构测量标准功率座时相应的测量不确定度；下面介绍如何确定“某个选定倍数”。

期间重复性测试可以得到测量结果的分散性参数，用实验标准差表征［8］，在实际工作中用标准不确定度u替代，通常测量结果的置信概率p取0．95，置信因子k=2，测量结果的扩展不确定度U=ku=2u，即：u=0．5U；同理，利用测量兼容性描述不同时段进行测量的结果一致程度，用实验的测量平均值来表征。

在标准功率座的证书信息中提到测量结果由校准值和测量不确定度组成，实际标准功率座的量值传递工作中，测量结果在分布区间的中心出现的概率最大，落在分布区间边缘的概率比较小，测量结果近似服从正态分布，其概率分布如图1所示。

图1 测量结果的概率分布Fig.1 Probability distribution of measurement results

对于同一参数进行测试，测量结果的概率分布相同。“两个不同的测量结果”的分布应该是分布区间宽度相同，分布区间中心发生平移，如图2所示。

对两次测量进行概率的叠加，得出两次测量结果均包含在两次分布曲线之下的概率分布，如图3所示。

图2 两次测量结果的概率分布Fig.2 Probability distribution of two measurements

图3 两次测量结果的概率分布Fig.3 Probability distribution of two measurements

通过计算，得出两次测量相差n个u（“某个选定倍数”）时的测量一致性，分布数据见表1，分布柱状图如图4所示。

表1 正态分布下测量兼容性概率分布Tab.1 Measuring the probability distribution of compatibility under normal distribution

图4 正态分布下测量兼容性概率分布Fig.4 Measuring the probability distribution of compatibility under normal distribution

5 计量确认方法

利用两次校准结果的差值与测量结果的标准不确定度计算测量结果的计量兼容性，进而完成测量结果的计量确认工作。

当两次测量结果计量兼容性大于2倍的u时，两次结果的概率分布函数在P=95%的概率下时，小概率的“裙边”并不产生交集，两次测量之间就会有测量值落在图中灰色地带。既不在上一次的测量结果之内，又不在本次测量区间的覆盖范围之内，造成了测量结果的失控，属于不合格范围，如图5所示。

图5 计量兼容性大于2uFig.5 Measurement compatibility greater than 2u

当两次测量结果的计量兼容性大于1倍的u，小于2倍的u时，两次结果的概率分布函数在P=95%的概率下时，小概率的“裙边”有一部分相叠交，按照本文的定义，两次测量最高只有约30%的概率同时包含在两次测量的范围内。属于危险范围，如图6所示。

图6 计量兼容性大于u小于2uFig.6 Measurementcompatibilitygreaterthanuless than2u

当两次测量结果计量兼容性小于1倍的u时，两次结果的概率分布函数在P=95%的概率下时，概率分布的“裙边”有一部分相叠交，按照本文的定义，两次测量最高有80%的概率同时包含在两次测量的范围内，属于良好范围，如图7所示。

图7 计量兼容性小于uFig.7 Measurement compatibility is less than u

6 结束语

微波功率量值传递对我们日常工作十分重要。每年向上溯源得到的校准因子更是我们功率量值准确统一的保证，在正确用好校准因子的同时，我们希望对它进行更深入的研究，利用“横向”“纵向”的大量数据，挖掘深埋在数据表面之下——仪器的状态特征，为我们更好使用、维护小功率标准提供一种新的方法。因此，微波功率传感器的确认方法可以参照本方法进行。

［1］王志田．无线电电子学计量上册［M］．北京：原子能出版社，2002：3．

［2］王志田．无线电电子学计量上册［M］．北京：原子能出版社，2002：8．

［3］贺同云．微波小功率检定装置的设计及其不确定度分析［J］．国外电子测量技术，2007，26（9）：31-33．

［4］刘颖,龚晓峰．一种微波功率计自动校准系统设计与实现［J］．现代电子技术，2012，35（11）：161-163．

［5］严宏剑．计量确认中有关计量验证的探讨［J］．中国新技术新产品，2012（13）：3．

［6］GJB 2172—2009，装备质量保障中测量设备和测量过程的质量控制，中国人民解放军总装备部，2010：4．

［7］GJB 2715—2009，军事计量通用术语，中国人民解放军总装备部，2009：18．

［8］郑党儿．JJF1033—2008《计量标准考核规范》辅导讲座第五讲新规范各条款的要点解释之四［J］．工业计量，2011，21（3）：57-58．