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频谱分析仪测量结果的不确定度评定

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频谱分析仪测量结果的不确定度评定

摘要：按照JJF1396-2013《频谱分析仪校准规范》的内容，频谱仪处于正常的工作状态，采用标准信号源通过低通滤波器接收到频谱仪的输入端。信号源的输入信号频率为f0，被测频谱仪测量的频率分别为f0、2f0的信号源输出电平为L1和L2，被测频谱仪的二次谐波失真计算为SHD=L2-L1。在具体测量的时候，将L1设置为参考电平则读取数据X，X=L2-L1。本文针对频谱仪测量电平时候的不确定度分析方法进行分析，考虑到各种标准不确定度的分量，给出相应的计算公式和计算方法、完整评估过程、不确定度的相关数据等。

关键词：频谱分析仪；测量结果；不确定度；评估方法

频谱分析仪作为分析信号领域特点的仪器，可以将频域输入信号的频谱特点，通过各个频域对信号失真、调制度、频谱纯度以及频率稳定性等参数进行测量，频谱分析仪的校准参数有很多，归纳起来的基本量为：频率和幅度；本报告选择绝对幅度以及频率技术等。计量标准见表1。采用直接测量法，将频谱分析仪MS2668C作为对象，由于测量环境符合校准规范要求，由环境条件引入的不确定度分量可以忽略，不确定度的各分量相互没有关系，合成不确定度采用方和根方法来进行合成处理。

表1 计量标准表[1]

名称 型号 测量不确定度或标准等级

功率计 N1911A 准确度为±0.8%

功率敏感器 N1921A 不确定度为2～3% 计数器 53181A 时基老化率为5×10-10

信号发生器 SMR40 时基老化率为1×10-7

一、不确定度模型和误差来源的分析

（一）校准系统分析

构成频谱分析仪校准装置的标准以及配套设施包括：AgilentE8267D矢量信号源、AgilentE4438C矢量信号源、Agilent33250任意波产生器、AgilentN9912A功率计、AgilentE9304A功率探头；AgilentN5242A矢量网格分析仪以及两个开关和调整组合可以完成频率范围在10～26.5GHz频谱分析仪的监测。监测数据包括校准信号电平、扫频宽度、分辨力带宽、频率数据。

（二）校准方法

连接信号源、被测频率分析仪以及可变衰减器。信号源频率设置为300MHz，输出功率为13dBm。频谱分析仪中心频率设置为300MHz、垂直显示刻度为10dB/p，span为10kHz，分辨贷款为100Hz[2]。

信号源发射信号，调整信号的输出功率让频谱仪能够读取信号峰功率为0dBm并且记录，按照被测频谱分析仪的垂直显示刻度单位的数据，增加标准步进衰减器衰减量，读取被测频率分析仪信号并且记录。将被测频率分析仪的幅度数据减去标准步进衰减器衰减量获得被测频谱仪的垂直刻度的误差。

（三）不确定度测量模型

被测频谱分析仪的指示值为Mx，标准步进衰减器的衰减量为Ms，被测频谱仪的垂直刻度显示误差的计算公式为：△M=Mx-Ms。

（四）误差来源的分析 在校准项目中，对测量结果的不确定度做出贡献的误差来源于以下几点：第一，测量重复性引入误差；第二，标准步进衰减器引入误差；第三，信号源与标准步进衰减器、标准步进衰减器与被测频谱分析仪不匹配引入的误差；第四，开关组合稳定性造成的误差；被测频谱分析仪的Marker幅度不准引入形成的误差[3]。

二、不确定度评定方法

（一）A类标准不确定度的评定

例如通过测量重复性引入的A类不确定度为uA，根据信号源以及频谱仪设置的参数，测量结果见表2。

表2 A类标准不确定度评定

离参考电平格数 测量次数

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

1 -10.00 -10.00 -10.00 -10.00 -10.00 -10.00 -10.00 -10.00 -10.00 -10.00

2 -20.00 -20.00 -20.00 -20.00 -20.00 -20.00 -20.00 -20.00 -20.00 -20.00

3 -30.00 -30.00 -30.00 -30.00 -30.00 -30.00 -30.00 -30.00 -30.00 -30.00 4 -40.00 -40.00 -40.00 -40.00 -40.00 -40.00 -40.00 -40.00 -40.00 -40.00

5 -50.00 -50.00 -49.83 -50.00 -50.00 -49.83 -50.00 -49.83 -50.00 -50.00

6 -60.17 -59.83 -59.83 -60.00 -60.00 -60.00 -59.83 -60.00 -59.83 -60.00

7 -70.00 -69.83 -70.17 -70.00 -70.33 -70.17 -69.83 -70.17 -69.83 -70.17

8 -80.5 -80.25 -80.0 -80.33 -80.15 -80.3 -80.3 -80.17 -80.2 -80.5

9 -90.45 -90.5 -90.25 -90.4 -90.0 -90.4 -90.5 -90.0 -90.2 -90.6

将单次的测量值作为评估结果，用实验标准误差s（x）分析A类标准不确定度，根据贝塞尔公式计算离参考电平不同规格的标准偏差[4]。测量重复性引入的A类标准不确定度见表3。

表3 重复性引入标准的不确定度

离参考电平格数 A类标准不确定度

0 uA=s（x）=0

1 uA=s（x）=0 2 uA=s（x）=0

3 uA=s（x）=0

4 uA=s（x）=0

5 uA=s（x）=0.082dB=1.89%

6 uA=s（x）=0.115dB=2.65%

7 uA=s（x）=0.178dB=4.11%

8 uA=s（x）=0.186dB=4.28%

9 uA=s（x）=0.198dB=4.56%

（一）B类标准不确定度分析

将Agilent848904K和Agilent84906K标准步进衰减器衰减量值不可引入的标准不确定度uB1和uB2，按照说明书的不确定度见表4。标准引入误差的计算公式为：△=±8.68[丨S11丨·丨Γg丨+丨S22丨·丨Γ1丨+（1+丨S21丨·丨S12丨·丨Γ8丨·丨Γ1丨）][5]。信号源输出端连接6dB固定衰减器，信号等效输出的反射系数计算公式为：ΓGe=S22+。通过标准引入误差的计算公式，将ΓGe代替为Γg，S11、S22、S12和S21分别是

Agilent848904K/Agilent8490K的S参数，失配误差为0.13dB。

表4 Agilent848904K/Agilent84906K标准不确定度

衰减量 标准不确定度 0 0.06dB=1.32%

10 0.08dB=0.81%

20 0.08dB=0.81%

30 0.09dB=2.01%

40 0.16dB=3.63%

50 0.18dB=4.12%

60 0.18dB=4.12%

70 0.26dB=6.04%

80 0.25dB=5.74%

90 0.33dB=7.60%

三、小结

针对频谱分析仪的垂直限制刻度的校验结果不确定度进行分析，频谱分析仪的参考电平、输入衰减器与垂直显示刻度的校准方法类似，因此可用于频谱仪测量结果不确定度的分析。本文针对频谱分析仪测量结果的不确定度进行分析，有效提高计量人员技术水平，满足客户的客观需求。

参考文献： [1]陈永红,张鹏,德吉.频谱分析仪校准结果的不确定度评定[J].中国计量,2022(01):89-90.

[2]田郁郁,姚尧,程鹏,王志鹏.基于二氧化硫标准物质的烟气分析仪误差测量结果的不确定度评定[J].当代化工研究,2018(08):128-129.

[3]李凡,庄涛,徐宏光.频谱分析仪测量电平的不确定度分析与评定[J].品牌与标准化,2016(03):67-68.

[4]任冬梅,李青玫.频谱分析仪测量结果的不确定度评定[J].甘肃科技,2015,31(16):74-75.

[5]宋同根,马晖,赵洋,罗强.频谱分析仪自动校准系统测量值的不确定度评定[J].计量与测试技术,2014,41(11):65-67.

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频谱分析仪测量不确定度评估资料

频谱分析仪测量不确定度评估资料

五十九、频谱分析仪不确定度评估

1仪器设备说明

名称 使用规格

信号发生器 范 围：-120dBm〜15dBm

范 围:5kHz 〜3000MHz

测量接收机 范 围：-127dBm 〜30dBm

范围：150kHz 〜2.05GHz

被测对象：频谱分析仪，频率：（0.1〜1300）MHz，电平：（+10〜-127） dBm

2中心频率测量不确定度评定

2.2.1校准方法

将待校频谱分析仪与高频信号发生器对接，由高频信号发生器输出信号输入到待校频 谱分析仪进行测量，在待校频谱分析仪上读得相应的示值•

4.2.2校准系统示意图

2.2.3数学模型

设待校频谱分析仪中心频率示值为 丫，信号发生器输出信号频率为 X ,则两者比较得偏 移量D,待校频谱分析仪中心频率示值误差可表示为：

D =Y -X

2.2.4不确定度来源分析及不确定度评定

在实验室环境下，丫不确定度主要来源于待校频谱分析仪频率的示值测量重复性，分 辨力；X不确定度主要来源于高稳频率标准的日频率稳定度、 信号发生器的调节细度

引入的不确定度等.

2.2.4.1由待校件的重复性给出的标准不确定度分量 u（Y1） [A类不确定度]

将被校频谱分析仪扫频宽度置100kHz，信号发生器输出频率为1000MHz的正弦 波信号给待校频谱分析仪，并读取其示值，进行10次等精度测量，所得资料如下表 所示.

999.989 999.989 999.988 999.989 999.990 999.989 999.888 999.987 999.988 999.987

由计算公式：u(Y|) u x ”

10 _ 2 x x

i 1 ，计算各测量值的重复性引入的标准不 9

确定度如下表所示:

评定点(MHz) 标准不确定度(MHz)

1000 0.0010

2.242由待校件的分辨力给出的标准不确定度分量

u(Y2)[B类不确定度]

待校件测量1000MHz频率时的分辨力为0.001MHz，其区间半宽度值为：

频谱分析仪检定的测量不确定度分析

频谱分析仪检定的测量不确定度分析

第３３卷第６期　中国测试技术　２００７年１　１月　ＣＨＩＮＡ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏｌ＿３３　Ｎｏ．６　ＮＯＶ．２０ｏ７　

频谱分析仪检定的测量不确定度分析　

张海林　

（北京航天飞行控制中心，北京１０００９４）　

摘要：在频谱分析仪检定过程中，对其测量结果进行不确定度分析是其中必不可少的一项工作。由于频谱分析仪　检定项目多，考虑到频谱分析仪主要表征的是频率参量和幅度参量，所以选取频率读数测量和输入衰减器测量进行　测量不确定度评定。并以检定ＨＰ８５６３Ｅ频谱分析仪为例，分析了影响其测量不确定度的几个因素，同时针对具体的　数据进行了详细的分析，能够对从事频谱分析仪检定工作的计量人员提供帮助。　关键词：频谱分析仪；检定；不确定度；频率读数；输入衰减器　中圈分类号：ＴＭ９３５．２１．ＴＭ９３０．１１５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２－－４９８４（２００７）０６—００８３—０３　

Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｚｅｒ　

ＺＨＡＮＧ　Ｈａｉ—ｉｉｎ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｃｅｎｔｒｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００９４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｈ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｊｏｂ　ｔｏ　ａｓｓｅｓｓ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ　ｄｕｒｉｎｇ　Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｚｅｒ．　Ａｓ　ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｍａｎｙ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｉｔｅｍｓ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ａｓｓｅｓｓｅｄ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅａｄｏｕｔ　ａｎｄ　ｉｎｐｕｔ　ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｚｅｒ．Ｔｏ　ｔａｋｅ　ｔｈｅ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＨＰ　８５６３Ｅ　ａｓ　ａｌｌ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｓｏｍｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｈａｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．ｈ　Ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｈｅｌｐ　ｆｏｒ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｚｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｐｅｃ￣ｍ　ａｎａｌｙｚｅｒ；Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；Ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ；Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅａｄｏｕｔ；Ｉｎｐｕｔ　ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　

烟气分析仪示值误差测量结果不确定度评定

烟气分析仪示值误差测量结果不确定度评定

工程管理与技术

现代商贸工业２０１８

年第３２

期２０２ 烟气分析仪示值误差测量结果不确定度评定

韦小华

(柳州市计量技术测试研究所,广西柳州５４５０００)

摘　

要:以CNAS－CL０１:２０１８«检测和校准实验室能力认可准则»要求为根据,同时以JJF１０５９．１－２０１２«测

量不确定度评定与表示»为依据,参照JJG９６８－２００２«烟气分析仪检定规程»的规定,分析了各个影响测量不确定

度的因素,同时对烟气分析仪测量四种标准气体示值误差结果的不确定度进行评定.

关键词:烟气分析仪;示值误差;不确定度;评定

中图分类号:TB

文献标识码:A doi:

１０．１９３１１/

j．cnki．１６７２Ｇ３１９８．２０１８．３２．１０２

１　

概述

测量依据:JJG９６８－２００２«烟气分析仪».

环境条件:实验室温度１５℃~３５℃;相对湿度不超

过８５％RH.

测量仪器:testo３５０

型烟气分析仪.

测量标准:见表１.

表１　

测量标准

标准气体名称标准值(μmol/

mol)不确定度

氮中二氧化硫标准气体

(

SO

２－N

２)１０５

２４２

４０３U

rel＝２％,

k＝

２

氮中一氧化氮标准气体

(

NO－N

２)７５

３０２

５２１U

rel＝２％,

k＝２

氮中一氧化碳标准气体

(

CO－N

２)２３７

５６９

７９０U

rel＝１％,

k＝２

氮中氧气标准气体

(

O

２－N

２)５．０３

１０．２

２０．３U

rel＝１％,

k＝２

测量方法:首先对烟气分析仪进行零点校准,随后

分别、重复通入满量程为２０％、

５０％、

８０

的气体标准物

质各３

次,烟气分析仪示值误差为算术平均值与标准

气体浓度值的差值及标准气体浓度值的比值.

２　

数学模型

Δ

α＝c－c

s

c

s×１００％

式中:Δ

α代表的是示值误差;c

代表的是３

次示

值算术平均值;c

s代表的是标准气体浓度值.灵敏系

数:

c

１＝∂Δ

α

∂c＝１,

c

２＝∂Δ

α

∂c

s＝－１

方差:

uc

２(

Δ

α)

＝[

c

１u(c)]

２＋[

c

２u(

c

s)]

２＝u２(c)

＋u２(

c

s)

３　

标准不确定度来源

烟气分析仪标准不确定度的来源成分主要包含两

烟气分析仪示值误差测量结果不确定度评定 2

烟气分析仪示值误差测量结果不确定度评定 2

烟气分析仪示值误差测量结果不确定度评定

以CNAS-CL01：2018《检测和校准实验室能力认可准则》要求为根据，同时以JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》为依据，参照JJG968-2002《烟气分析仪检定规程》的规定，分析了各个影响测量不确定度的因素，同时对烟气分析仪测量四种标准气体示值误差结果的不确定度进行评定。

标签：烟气分析仪；示值误差；不确定度；评定

1 概述

测量依据：JJG968-2002《烟气分析仪》。

环境条件：实验室温度15℃～35℃；相对湿度不超过85%RH。

测量仪器： testo 350型烟气分析仪。

测量标准：见表1。

测量方法：首先对烟气分析仪进行零点校准，随后分别、重复通入满量程为20%、50%、80的气体标准物质各3次，烟气分析仪示值误差为算术平均值与标准气体浓度值的差值及标准气体浓度值的比值。

2 数学模型

3 标准不确定度来源

烟气分析仪标准不确定度的来源成分主要包含两种，分别为能影响测量结果平均值的标准气体标称值标准不确定度分量u（cs）和标准不确定度u（c）。其中，u（c）包含读数分辨力的量化误差与仪器测量重复性的标准偏差。

3.1 能影响测量结果平均值的气体标称值标准不确定度分量u（c）

3.1.1 仪器测量重复性引入的标准不确定度分量u（c）（A类评定）

具体校准实践中，测量结果由于环境温度与大气压力的变化、气体标准物质流量变化、仪器供电电源不稳定性等因素的影响，具有不确定性。通过了解JJG968-2002《烟气分析仪》得知，针对一定摩尔分数中的氮中SO2、NO、CO和氧气标准气体在重复性条件下分别测量6次，得到测量列（氮中二氧化硫标准气体）：401，396，398，392，396，393（μmol/mol）；得到测量列（氮中一氧化氮标准气体）：518，513，518，511，515，504（μmol/mol）；得到测量列（氮中一氧化碳标准气体）：788，794，782，783，784，776（μmol/mol）；得到测量列（氮中氧气标准气体）：20.2，19.7，19.8，19.7，19.8，20.1（%）。经随即测量