回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)規(guī)范編制說明《回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)規(guī)范》編寫組2022年2月

回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)規(guī)范編制說明回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)規(guī)范編制說明一、任務(wù)來源根據(jù)湖北省市場(chǎng)監(jiān)督管理局2021年11月8日下達(dá)的《2021年省級(jí)計(jì)量技術(shù)規(guī)范制訂計(jì)劃的通知》，由武漢地震計(jì)量檢定與測(cè)量工程中心主持編制回聲測(cè)深儀儀省級(jí)校準(zhǔn)規(guī)范。二、編制說明1、制定規(guī)范的目的和意義回聲測(cè)深儀（以下簡(jiǎn)稱“測(cè)深儀”）是一種利用超聲波在水中的傳播特性和水底的反射特性來測(cè)量水深的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于江河、湖泊、水庫、海洋等水域的水深測(cè)量。湖北省位于長江中游，有“千湖之省”之稱，測(cè)深儀作為水下資源勘探、地形地貌測(cè)量的重要設(shè)備之一，通過水深測(cè)量方法獲取水體覆蓋下的水底地形圖，為航運(yùn)交通、港口碼頭建設(shè)、漁業(yè)捕撈、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水利設(shè)施建設(shè)、路橋建設(shè)、江底管道電纜鋪設(shè)、國防軍事等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和圖件。因此，其測(cè)深數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否對(duì)相關(guān)領(lǐng)域具有重大意義。目前，沒有回聲測(cè)深儀的國家和省內(nèi)檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，無法有效的對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行量值溯源，測(cè)量數(shù)據(jù)的量值準(zhǔn)確性難以得到保障。隨著使用單位對(duì)測(cè)深儀計(jì)量需求的不斷增加，急需針對(duì)目前廣泛使用的測(cè)深儀編制校準(zhǔn)規(guī)范，建立科學(xué)的測(cè)深儀計(jì)量校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)回聲測(cè)深儀的量值溯源。2、制定規(guī)范的過程說明經(jīng)前期探索研究，于2021年8月提交了規(guī)范編寫計(jì)劃任務(wù)書。隨后，編寫組進(jìn)行了規(guī)范編寫的準(zhǔn)備工作：2021年8月，調(diào)研多款回聲測(cè)深儀，收集了不同型號(hào)回聲測(cè)深儀（以下簡(jiǎn)稱“測(cè)深儀”）的技術(shù)參數(shù)及使用說明書，并查詢了大量文獻(xiàn)，對(duì)回聲測(cè)深儀的性能指標(biāo)以及其日常應(yīng)用中的使用方式有了較詳細(xì)的了解，初步確定了讀數(shù)儀校準(zhǔn)的主要項(xiàng)目及性能要求。2021年9月，基于前期建設(shè)完成的試驗(yàn)水槽，安裝測(cè)試水槽法校準(zhǔn)工作應(yīng)具備的相應(yīng)配套設(shè)備及夾具。2021年10月至2022年1月期間，采用水槽法與模擬法對(duì)不同型號(hào)測(cè)深儀進(jìn)行了校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行比較，確定了三個(gè)主要校準(zhǔn)項(xiàng)目，包括盲區(qū)、示值誤差、重復(fù)性，并在校準(zhǔn)規(guī)范中確定對(duì)示值誤差的校準(zhǔn)采用兩種方法：水槽法和模擬法，盲區(qū)與重復(fù)性的校準(zhǔn)采用水槽法。2022年2月至2022年5月期間，針對(duì)兩種校準(zhǔn)方法，對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行不確定度分析，同時(shí)進(jìn)行水槽法重復(fù)性實(shí)驗(yàn)分析，水槽法中傳播聲速對(duì)回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)的影響分析及回聲測(cè)深儀全項(xiàng)目校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。2022年5月至6月期間，規(guī)范編制小組針對(duì)使用的校準(zhǔn)方案，起草征求意見稿，并向相關(guān)的計(jì)量機(jī)構(gòu)和單位征求意見。3、制定規(guī)范的主要參考資料JJF1001-2011通用計(jì)量術(shù)語及定義JJF1059.1-2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示JJF1071-2010國家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范編寫規(guī)則GB/T27992.3-2016水深測(cè)量儀器第3部分：超聲波測(cè)深儀JT/T571-2015水運(yùn)工程回聲測(cè)深儀4、制定規(guī)范的原則和依據(jù)由于是制定校準(zhǔn)規(guī)范，需要對(duì)校準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的儀器性能等進(jìn)行全面的確認(rèn)，針對(duì)制定規(guī)范的具體要求，規(guī)范起草小組對(duì)測(cè)深儀的性能、特性等技術(shù)指標(biāo)做了充分考慮和查找。通過查找，未發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的國際建議、國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，制定規(guī)范的技術(shù)依據(jù)主要是GB/T27992.3-2016《水深測(cè)量儀器第3部分：超聲波測(cè)深儀》、JT/T571-2015《水運(yùn)工程回聲測(cè)深儀》以及回聲測(cè)深儀廠商的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品使用說明。5、回聲測(cè)深儀的基本原理和校準(zhǔn)方案5.1回聲測(cè)深儀的基本原理測(cè)深儀主要由超聲波探頭（以下簡(jiǎn)稱“探頭”）和主機(jī)兩部分組成。探頭用于超聲波的發(fā)射和接收；主機(jī)控制探頭信號(hào)的發(fā)射、接收，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行分析處理。測(cè)深時(shí)，主機(jī)向探頭發(fā)射特定頻率的脈沖電信號(hào)，經(jīng)探頭轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，聲波信號(hào)被水底反射至探頭，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后進(jìn)入主機(jī)。測(cè)深儀探頭到水底的深度根據(jù)水中聲速和超聲波信號(hào)發(fā)射至接收的時(shí)間間隔計(jì)算。測(cè)深儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。1-測(cè)深儀主機(jī)；2-超聲波探頭；3-多芯電纜；4-電纜插頭。圖1測(cè)深儀結(jié)構(gòu)示意圖5.2回聲測(cè)深儀的校準(zhǔn)方案回聲測(cè)深儀示值誤差的校準(zhǔn)方案采用了兩種方法：水槽法和模擬法；盲區(qū)與重復(fù)性采用水槽法進(jìn)行校準(zhǔn)。5.2.1示值誤差5.2.1.1水槽法水槽法校準(zhǔn)原理：將測(cè)深儀縱向測(cè)深轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向測(cè)長模擬測(cè)量方法，使水下?lián)Q能其發(fā)射面與激光測(cè)距儀處于同一平面，測(cè)深儀發(fā)射板與激光發(fā)射靶處于同一平面，保證兩儀器水下與水上等距，進(jìn)行直接對(duì)比。水槽法校準(zhǔn)裝置主要由試驗(yàn)水槽、運(yùn)行導(dǎo)軌、軌道小車、激光測(cè)距儀、激光反射板、換能器定位桿、測(cè)深儀換能器反射板構(gòu)成，其校準(zhǔn)方案示意圖如圖2所示。1-激光測(cè)距儀；2-激光發(fā)射板,；3-探頭定位桿；4-軌道小車；5-運(yùn)行導(dǎo)軌；6-測(cè)深儀探頭反射板；7-測(cè)深儀探頭；8-測(cè)深儀主機(jī)圖2水槽法校準(zhǔn)裝置示意圖5.2.1.2模擬法模擬法工作原理：通過接收換能器，將測(cè)深儀發(fā)出的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；通過數(shù)字示波器的觸發(fā)輸出啟動(dòng)函數(shù)發(fā)生器，以函數(shù)發(fā)生器設(shè)置的延時(shí)來模擬聲波在水中的往返傳播時(shí)間，將函數(shù)發(fā)生器發(fā)出的電信號(hào)傳輸至發(fā)射換能器，并轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)，傳輸給測(cè)深儀探頭，以模擬水底反射的聲波。通過設(shè)定的延遲時(shí)間與測(cè)深儀設(shè)置的聲速，計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)距離，并與測(cè)深儀示值相比較，得到該測(cè)深儀的示值誤差。模擬法校準(zhǔn)裝置主要由函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字示波器、換能器構(gòu)成，其校準(zhǔn)方法如圖3所示。測(cè)深儀探頭測(cè)深儀探頭接收換能器發(fā)射換能器數(shù)字示波器函數(shù)發(fā)生器測(cè)深儀耦合安裝爾ranz設(shè)定延遲時(shí)長圖3模擬法校準(zhǔn)示意圖當(dāng)被校距離大于水槽測(cè)量范圍時(shí)，采用模擬法進(jìn)行校準(zhǔn)。由于模擬法是對(duì)測(cè)深儀時(shí)間間隔測(cè)量的準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證，并不是真實(shí)測(cè)量，函數(shù)發(fā)生器模擬的回波信號(hào)是理想的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，沒有考慮到測(cè)深儀實(shí)際測(cè)量中水下環(huán)境等各種因素的影響，校準(zhǔn)結(jié)果可能與實(shí)際測(cè)量結(jié)果有一定區(qū)別，但是，對(duì)于大量程的測(cè)深儀，若采用水槽法進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)需要提供長達(dá)數(shù)百米乃至數(shù)千米的實(shí)驗(yàn)水槽，而該建設(shè)成本極其高昂，建成維護(hù)是非常困難的。因此，在被測(cè)距離較大無法通過水槽法進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，采用模擬法校準(zhǔn)。5.2.2盲區(qū)盲區(qū)的校準(zhǔn)采用水槽法進(jìn)行。通過對(duì)模擬校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行自發(fā)——自收實(shí)驗(yàn)，在數(shù)字示波器上測(cè)得系統(tǒng)內(nèi)部延時(shí)約為5×10-6s；為了測(cè)深信號(hào)的穩(wěn)定觸發(fā)，信號(hào)觸發(fā)閾值設(shè)置會(huì)較高，由此會(huì)引入觸發(fā)延時(shí)，數(shù)字示波器測(cè)得信號(hào)觸發(fā)延時(shí)約為（由于示值誤差不超過±1%d，則對(duì)應(yīng)的距離示值為：0.014而一般測(cè)深儀的盲區(qū)不大于1.0m，因此模擬法不適用于盲區(qū)的校準(zhǔn)。5.2.2重復(fù)性采用水槽法示值誤差的測(cè)量值，利用貝塞爾公式計(jì)算每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的重復(fù)性。我們采用水槽法校準(zhǔn)裝置，對(duì)重復(fù)性的三種測(cè)量方式及結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比：1、軌道小車固定于不同校準(zhǔn)位置處，分別測(cè)量各位置處的重復(fù)性；2、選取某一校準(zhǔn)位置，軌道小車多次往返到該位置的重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，（1）采用水槽法對(duì)各回聲測(cè)深儀軌道小車固定于不同校準(zhǔn)位置處進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，所測(cè)儀器各校準(zhǔn)位置處的重復(fù)性大都均在13mm以下，且各校準(zhǔn)位置之間的重復(fù)性互差大都均在8mm以下。（2）選取校準(zhǔn)位置為20m處，分別采用軌道小車固定于某一位置與往返到該位置這2種方法進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果互差在0~5.48mm之間，總體差異均不大。故認(rèn)為2種方法測(cè)量重復(fù)性均可，綜合考慮到校準(zhǔn)工作的可靠性與經(jīng)濟(jì)性，則選取軌道小車固定于某一校準(zhǔn)位置處進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，可與示值誤差同時(shí)測(cè)量。6、制定規(guī)范的主要內(nèi)容6.1按照《JJF1071—2000國家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范編寫規(guī)則》的要求制定回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)規(guī)范。在內(nèi)容與格式上保持一致，校準(zhǔn)規(guī)范的具體內(nèi)容有范圍、引用文件、概述、計(jì)量特性、校準(zhǔn)條件、校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)結(jié)果的表達(dá)、復(fù)校時(shí)間間隔。6.2根據(jù)確定的回聲測(cè)深儀盲區(qū)、示值誤差、重復(fù)性的計(jì)量特性要求，進(jìn)行校準(zhǔn)方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。6.3根據(jù)回聲測(cè)深儀的應(yīng)用需求，規(guī)范編制小組確定了回聲測(cè)深儀盲區(qū)、示值誤差、重復(fù)性3項(xiàng)計(jì)量特性要求，具體要求如下：6.3.1盲區(qū)盲區(qū)不大于1.0m。注：該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，考慮絕大部分回聲測(cè)深儀說明書中標(biāo)注的盲區(qū)一般不大于1.0m。6.3.2示值誤差示值誤差不超過±1%D（D為實(shí)測(cè)水深，小于5m按5m計(jì)）。注：該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，與JT/T571-2015《水運(yùn)工程回聲測(cè)深儀》中的相應(yīng)要求相同。6.3.3重復(fù)性重復(fù)性不超過0.3%D（D為實(shí)測(cè)水深，小于5m按5m計(jì)）。注：該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，參考了JT/T571-2015《水運(yùn)工程回聲測(cè)深儀》中的相應(yīng)要求，同時(shí)經(jīng)過大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，絕大部分回聲測(cè)深儀的重復(fù)性均在上述水平之內(nèi)。由于校準(zhǔn)工作只給出測(cè)量結(jié)果，不判斷合格與否，上述計(jì)量特性僅供參考。6.4回聲測(cè)深儀的校準(zhǔn)工作，推薦使用如下校準(zhǔn)裝置：6.4.1水槽法校準(zhǔn)裝置標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)量特性：試驗(yàn)水槽：長度≥40m；注：該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，考慮到湖北省大部分湖泊、航道、碼頭水域深度一般不超過35m。大長度水槽的建設(shè)成本極高。對(duì)于大量程的測(cè)深儀，若采用水槽法進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)需要提供長達(dá)數(shù)百米乃至數(shù)千米的實(shí)驗(yàn)水槽，而這是非常困難的。激光測(cè)距儀：2級(jí)；測(cè)量范圍不小于水槽長度。溫度計(jì)：MPE：±0.2℃；測(cè)量范圍：（0~40）℃注：根據(jù)三分之一原則，標(biāo)準(zhǔn)裝置的最大允許誤差應(yīng)小于被校設(shè)備最大允許誤差的1/3；根據(jù)線性度實(shí)驗(yàn)，該等級(jí)數(shù)字多用表電阻比測(cè)量不確定度滿足要求。6.4.2模擬法校準(zhǔn)裝置標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)量特性：函數(shù)發(fā)生器：信號(hào)頻率不確定度Urel=1.2×10-7數(shù)字示波器：上升（下降）時(shí)間＜1μs；頻率范圍不小于300kHz。注：根據(jù)三分之一原則，標(biāo)準(zhǔn)裝置的最大允許誤差應(yīng)小于被校設(shè)備最大允許誤差的1/3，同時(shí)滿足設(shè)備頻率測(cè)量范圍。7、回聲測(cè)深儀校準(zhǔn)的建標(biāo)情況說明水槽法需要具備的主要標(biāo)準(zhǔn)器：試驗(yàn)水槽、2級(jí)激光測(cè)距儀、溫度計(jì)。模擬法需要具備的主要標(biāo)準(zhǔn)器：函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字示波器。8、建標(biāo)投資金額情況說明測(cè)深范圍