（精密仪器及机械专业论文）基于蒙特卡罗方法的虚拟仪器测量不确定度评估(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

基于蒙特卡罗方法的虚拟仪器测量不确定度评估 摘要 论文依据虚拟仪器测量系统的组成及测量工作原理，对影响虚拟仪器测量 不确定度的集成传感器和数据采集模块的不确定度源进行了分析。在初步介绍 蒙特卡罗数字化仿真技术的基础上，提出一种基于蒙特卡罗方法的虚拟仪器测 量不确定度评估理论，其基本思路是利用概率事件仿真技术( 蒙特卡罗方法) 产生服从特定分布的随机数来模拟虚拟仪器测量链中的随机误差源，模拟的随 机误差与采样数据累加后一同进入虚拟仪器数据处理模块，获得一系列伪测量 结果，用伪测量结果的统计标准方差表征虚拟仪器测量不确定度。论文针对虚 拟仪器不同数据采集驱动方式，建立了p c i 6 0 2 4 数据采集卡上采样随机误差源 仿真模块，该模块丰富了虚拟仪器的不确定度评估功能，有效地解决了虚拟仪 器不确定度评估这一难题。论文还编写了基于蒙特卡罗方法虚拟仪器测量不确 定度的自动评估软件，它可以实现对一般意义的虚拟仪器测量不确定度的自动 评估。最后，以虚拟仪器测量信号的有效值为例，通过运用作者编写的p c i - 6 0 2 4 数据采集卡的随机采样误差仿真模块，实现了信号有效值测量不确定度的仿真 评定，并将该评定结果与g u m 方法评定结果相比较，从而论证了所提议方法 的有效性。 关键词：虚拟仪器测量不确定度蒙特卡罗方法数据采集传感器 u n c e r t a i n t ye v a l u a t i o nf o rv i r t u a li n s t r u m e n tm e a s u r e m e n t s b a s e do nm o n t ec a r l om e t h o d a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ec o m p o s i n ga n dt h ew o r kp r i n c i p l eo fav i r t u a li n s t r u m e n t m e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h eu n c e r t a i n t ys o u r c e so fac o m p o s i t i v e t r a n s d u c e ra n dag i v e nd a t aa c q u i s i t i o nb o a r d ，w h i c hc o n t r i b u t et ot h eu n c e r t a i n t yo f t h ef i n a lv i r t u a li n s t r u m e n tm e a s i r er e s u l t o nt h eb a s i so ft h ee l e m e n t a r y p r e s e n t a t i o no fm o n t ec a r l oc o m p u t i n gm e t h o d ，af i r e n e wu n c e r t a i n t ye v a l u a t i o n t h e o r yf o rv i r t u a li n s t r u m e n tm e a s u r e m e n t sw a sp r o p o s e d i t se s s e n t i a lp r i n c i p l e s w e r ed i s c u s s e da sf o l l o w s ：a c c o r d i n gt op r o b a b i l i t yi n c i d e n ts i m u l a t i o nt e c h n i q u e ( m o n t ec a r l om e t h o d ) ，l o t so f g i v e nd i s t r i b u t i o nr a n d o mv a r i a b l e sa r eg e n e r a t e ds o a st os i m u l a t er a n d o me r r o r so ft h ev i r t u a li n s t r u m e n tm e a s u r e m e n tc h a i n 。t h e n s i m u l a t i v er a n d o me r r o r sa n ds a m p l i n gd a t u ma r es y n c h r o n o u s l ya c c u m u l a t e di na v i r t u a li n s t r u m e n td a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，as e r i e so fp s e u d om e a s u r e m e n tr e s u l t s a r ea c q u i r e d ，m e a n w h i l e ，t h es t a t i s t i c a ls t a n d a r dd e v i a t i o no ft h er e s u l t si sr e g a r d e d a sat o k e no f t h ev i r t u a li n s t r u m e n tm e a s u r e m e n tu l t i m ar e s u l tu n c e r t a i n t y i na l l u s i o n t od i f f e r e n td a t aa c q u i s i t i o nd r i v i n gm o d e so fav i r t u a li n s t r u m e n tm e a s u r e m e n t s y s t e m ，t h ea u t h o rc o m p i l e dar a n d o ms a m p l i n ge r r o r ss i m u l a t i o nm o d u l eo ft h e p c i _ “0 2 4d a t a a c q u i s i t i o nb o a r d t h em o d u l ee n r i c hu n c e r t a i n t ye v a l u a t i o n f u n c t i o no ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t ，i tc a nr e s o l v et h eu n c e r t a i n t ye v a l u a t i o np r o b l e m o fav i r t u a li n s t r u m e n te f f e c t i v e l y t h e nt h ea u t h o rc o m p i l e dav i r t u a li n s t r u m e n t m e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t yr o b o t i c i z e de v a l u a t i o ns o f t w a r ew h i c hb a s e do nm o n t e c a r l om e t h o d ，i tc a ni m p l e m e n tr o b o t i c i z e de v a l u a t i o no fm e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t y i nag e n e r a lv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m i nt h ee x p e d m e n to fav i r t u a li n s t r u m e n t s i g n a l e f f e c t i v ev a l u em e a s u r e ，t h ea u t h o ra d o p t e dt h er a n d o ms a m p l i n ge r r o r s s i m u l a t i o nm o d u l eo ft h ep c i _ 6 0 2 4d a t aa c q u i s i t i o nb o a r dp r o p o s e d t oi m p l e m e n t s i m u l a t i o ne v a l u a t i o no ft h es i g n a le f f e c t i v ev a l u em e a s u r e t h eu n c e r t a i n t y e v a l u a t i o nr e s u l t sb a s e do nm o n t ec a r l oc o m p u t i n gm e t h o dw e r ec o i n c i d e n tw i t ht h e o n e so ft h eg u mt h e o r e t i cm e t h o d ，i td e m o n s t r a t e dt h ev a l i d i t yo ft h eu n c e r t a i n t y e v a l u a t i o nt h e o r yb a s e do nm o n t ec a r l om e t h o di nv i r t u a l i n s t r u m e n tm e a s u r e m e n t s k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；m e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t y ；m o n t ec a r l om e t h o d ； d a t aa c q u i s i t i o n ；t r a n s d u c e r 插图清单 图2 - 1p c i 总线插卡型虚拟仪器测量系统组成6 图2 - 2 传感器构成原理6 图2 3 基于l a b v l e w 的数据采集模块8 图3 - 1a d 5 9 0 k 和a d 5 2 2 b 组成的测量电路11 图3 2 数据采集系统组成框图1 3 图3 3a d 7 5 0 1 引脚图1 3 图3 - 4 采样保持电路原理一1 4 图3 5 积分型a 仍转换器15 图3 - 6 逐次逼近d 转换原理1 6 图3 7a d 转换过程的理想量化误差1 7 图3 - 8a d 转换器的积分非线性误差1 8 图3 - 9p c i 6 0 2 4 e 卡工作原理2 0 图3 1 0p c i 6 0 2 4 e 卡的产品标定手册( 模拟输入) 2 1 图4 1己知误差传递系数时评估流程图3 0 图4 2 未知误差传递系数时评估流程图3 3 图5 1 基于蒙特卡罗方法评估虚拟仪器测量不确定度原理框图3 6 图5 2 数据采集卡上采样随机误差仿真3 9 图5 3 单通道单点采集方式时的应用4 0 图5 5 单通道多点采集方式时的应用_ 4 1 图5 6 多通道单点采集方式时的应用4 2 图5 7 多通道多点采集方式时的应用4 2 图5 8 均匀分布随机数产生模块程序框图4 3 图5 9 正态分布随机数产生模块程序框图4 3 图5 1 0 评估软件前面板4 5 图5 1 1 评估软件的实验演示流程4 7 图5 1 2 评估主程序和各子程序之间的调用关系图4 8 图6 1s p l 6 4 1 b 型信号发生器5 0 图6 2p c i 一6 0 2 4 e 数据采集卡5 0 图6 3 两种方法评估虚拟仪器有效值测量不确定度程序5 1 图6 - 4 信号单通道多点采集并且输出到文本文件5 1 图6 5 例子v 1 程序框图5 2 图6 - 6 c b 6 8 l p 的引脚图( i 0 c o n n e c t o r p i n a s s i g n m e n t f o r t h e6 0 2 4 e ) 5 3 图6 7 温度为2 2 。c ，电压范围为l 一3 ，十3 v ，采样点不同时两种方法比较5 4 图6 - 8 温度为2 2 。c ，电压范围为 - 3 ，+ 3 v ，模拟次数不同时两种方法比较一5 4 表格清单 表3 。1a d 7 5 0 1 真值表1 4 表3 2p c i 6 0 2 4 e 卡不确定度源2 l 表4 1 测得直径和高度数据表2 8 表5 1 抽样次数与统计参数3 7 表5 2p c i 6 0 2 4 e 卡各不确定度分量的误差分布特性3 8 表6 1 实验中g u m 、实验和蒙特卡罗方法三种方法评估的不确定度比较5 5 独创性声明 本人声明所鼍交的学传论文是本人在导师指导h 进行的研究f 作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注利致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰弓 过的研究成果，也不包含为获得 盒墅1 ：些厶：羔 或其他教育机构的学何或证”而使 h j 过的材料。与我一同 二作的同志对本研究所做的任何贡献均己任论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒坦：l 些厶堂育关保留、使刚学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅利借阅。本人授权盒 g b 些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据厍进行检索，可以采州影e | _ j 、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权二 学位论文作者签名 签字日_ j ：年月日 j 何论文作者毕业后去向 l 作单忙： 通计l 地h ： 导师签名 签字口j | j 】 电话 帅组m 致谢 在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了 我的导师刘文文老师的悉心指导。无论从课程学习、论文选题，还是到收集资 料、论文成稿，都倾注了刘文文老师的心血，由衷感谢刘文文老师在学业指导 及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操，老师 广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使 我终身受益，并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢仪器科学与光电工程学院的全体老师，他们的教诲为本文 的研究提供了理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会，在我课程学习和 论文撰写期间，给予我的大力支持。 感谢所有的同学给予的帮助。 作者：葛乐矣 2 0 0 6 年4 月1 8 日 第一章绪论 1 1 论文研究背景和意义 仪器技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术的最重要的组成部分， 它们被称为是2 1 世纪科学技术中的三大核心技术。2 0 世纪8 0 年代首先在美国 兴起的虚拟仪器是仪器技术领域中的最前端的技术，蕴含着巨大潜力，正成为 发达国家研究开发的热点技术之一。 测量结果不确定度的给出，一直是测量行业的一个基本问题i 引。随着虚拟 仪器测量技术的成熟，传统的仪器正在向计算机化的方向发展。以软件技术代 替硬件技术和非虚拟仪器虚拟化逐渐成为测量领域的热点。与传统仪器不同， 这种新菇的虚拟仪器测量技术主要基于数据采集、模数转换、数字信号处理、 软件和个人计算机，是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术 领域密集渗透的过程中与测试技术、仪器技术密切结合共同孕育出的新成果。 虚拟仪器在测量任务需要改变时具有更大的灵活性，因此虚拟仪器测量技术得 到广泛的推广，全世界大约有2 5 0 0 0 家公司( 大部分是测量公司) 使用n i 公司 的虚拟仪器技术，因而虚拟仪器的测量不确定度评估在实际应用中有着广泛的 需求空间【”。 目前，对测量结果不确定度评估多依据国际标准化组织提出的测量不确 定度表示指南( g u m ) ，其所提出的测量不确定度合成方法使用常常要求测量 函数是显式、解析的，并且没有凸出的非线性，同时，没有有效可行的方法估 计各输入量不确定度源的相关性，这给虚拟仪器测量不确定度的合成带来了不 便p j ；依赖统计分析的通常采用的解析方法虽然能够利用数理统计原理正确表 达测量不确定度，在形式上正确，但是当测量运算法则很复杂或者必须同时考 虑影响结果不确定度的多种不同原因时，这种解析方法应用起来就很困难，因 此在虚拟仪器测量不确定度评估中不具推广性 4 1 ；然而由于蒙特卡罗方法可以 用一个简单的概率统计模型通过一次实验来解决这些问题，可以避免常用评估 方法的局限 5 1 。近些年来在虚拟仪器测量不确定度评估中，蒙特卡罗方法受到 越来越多的关注，通过与实验评估、理论计算相比较，可以体现出它的正确性 和有效性。 1 2 测量不确定度评估方法和虚拟仪器测量不确定度评估方法发展 根据( g u m ) ，测量不确定度分量的评估按评估方法划分为a 类、b 类评估 6 1 。其中一些分量由一系列观测数据的统计分析来估计，称为a 类评估；b 类评 估是基于经验、对计量设备的了解、制造厂的说明书、检定证书、手册中的参 考数据等相关信息进行的评估。所有的不确定度分量均用标准差表示，它们或 是由随机误差引起，或是由系统误差引起，但都对测量结果不确定度产生相应 的影响。 7 0 年代和8 0 年代是现代不确定度理论形成与迅速发展的时期，经过几十年 的研究和发展，已形成较为完整的理论体系，它是集静态测量不确定度与动态 测量不确定度、随机误差与系统误差、测量数据与测量方法、多种误差分布于 一体的误差分析与数据处理理论，实现了不确定度理论与计算机应用技术的结 合。近年来新理论和新方法的不断涌现，给虚拟仪器测量不确定度理论研究注 入了新的活力。 蒙特卡罗方法作为一种仿真工具，就是把所分析的问题转化为概率问题， 用随机方法加以解决，广泛应用于求解各种确定性的问题、随机性的问题以及 科学研究中的理论问题里。这种具有独特风格的数值计算方法的应用在各种领 域逐渐引起关注，例如：蒙特卡罗方法是求解辐射输运问题和粒子能量沉积的 一种相当成熟有效的方法，在肿瘤放射物理学尤其是远距离放射治疗中的应用 已越来越广泛；另外蒙特卡罗方法还被广泛应用于求解科学工程技术和经济金 融等方面的问题等。目前，在不确定度评估领域的应用也逐渐引起关注，例如 刘书焕教授等在s a n d i i 解谱的不确定度分析中应用蒙特卡罗方法去处理谱的 不确定度1 7 。 从现状上看，虚拟仪器测量不确定度研究在国内也处于起始阶段，所以研 究如何在虚拟仪器测量系统应用蒙特卡罗方法去评估测量不确定度就是本课题 的目的所在。在国外的测量不确定度理论研究领域，许多学者尝试探讨g u m 方法以外的方法。现在，许多学者正在探讨如何实现蒙特卡罗方法的应用、虚 拟仪器测量系统的开发和推广、测量不确定度评估方法论三者的结合。例如匈 牙利学者n l o c c i ，c m u s c a s ，l p e r e t t o 通过研究一个基于数字信号处理的仪器来 测量现代电力系统运行的各种物理量，探讨了g u m 的方法应用到测量不确定 度评估里的局限性1 8 】。意大利的学者s c a l d a r a 、s n u c c i o 和c s p a t a r o 实现了一 个基于数字化模拟和商业软件包来执行的蒙特卡罗评估方法，它能允许虚拟仪 器来执行一个对于偏差和测量结果不确定度影响的自动估计，通过一些g u m 方法计算、计算机模拟和实验性测试相比较，证实所提议的基于蒙特卡罗方法 评估虚拟仪器测量不确定度技术1 9 。但是这些商业软件包的技术核心是保密的， 软件价格也是昂贵的。因此在这篇论文里，根据不同的数据采集板设计这个商 业软件包成为了重点研究内容。 1 3 本文主要研究内容 本课题研究过程中，作者所做的主要工作为以下几个方面： ( 1 ) 分析虚拟仪器测量系统的工作原理，探究影响虚拟仪器测量结果的不确 定度源。这一项工作是论文研究工作的基础，关系到虚拟仪器测量系统测量结 果不确定度评估的正确性。由于传感器的多样性，不确定度源很难加以统一的 归纳，所以在此，作者重点论述数据采集卡的原理和它的各种误差源。 ( 2 ) 研究应用蒙特卡罗方法评估虚拟仪器测量不确定度原理。蒙特卡落方法 是一种概率事件仿真技术，其核心是以变量的伪随机抽样获得服从特定概率分 布的随机数，并以此模拟测量过程中的各种随机误差。据此，论文提出将伪随 机抽样产生的仿真随机误差数据融入虚拟仪器测量系统的数据处理模块，获得 多个伪测量结果，通过对伪测量结果的方差统计，估计虚拟仪器的合成测量不 确定度。 ( 3 ) 针对n i 公司p c i 。6 0 2 4 e 数据采集卡的数据采集原理和数据采集卡的标定 手册，根据数据采集驱动方式的不同开发了基于蒙特卡罗方法的数据采集卡的 随机误差仿真模块。该模块为一独立模块，虚拟仪器用户将该模块引入虚拟仪 器的设计面版，可以获得由数据采集卡上各误差源所引起的每个采样点的误差， 最终获得虚拟仪器测量结果的不确定度的估计值。该模块丰富了虚拟仪器的测 量不确定度评估功能，有较好的应用价值。 ( 4 ) 编写了基于蒙特卡罗方法虚拟仪器测量不确定度的自动评估软件，它可以 实现对一般意义的虚拟仪器测量不确定度的自动评估。 ( 5 ) 以虚拟仪器测量信号的有效值为例，通过运用作者编写的p c i 6 0 2 4 数据 采集卡的随机采样误差仿真模块，实现了信号有效值测量不确定度的仿真评估， 并将该评估结果与g u m 方法评估结果相比较，从而论证了所提议方法的有效 性。 论文第二章，作者对虚拟仪器测量系统的整体组成和工作原理进行了研究， 并且对整个测量链的各部分的构成、功能进行了详细地分析。论文第三章，根 据传感器知识、厂家提供的产品说明书里数据和数据处理与误差分析的相关理 论知识来对一个虚拟仪器测量系统进行不确定度源分析。论文第四章，着重讨 论了蒙特卡罗方法的步骤、特点和算法组成、应用这种数学方法的一些关键问 题：随机数的产生方法、随机性检验的具体操作，然后在这一章最后部分重点 讨论了此蒙特卡罗方法在测量不确定度评估领域中的应用。论文第五章，首先 简要介绍常用的估计虚拟仪器测量不确定度的三种方法，分析它们的局限性， 然后具体阐述了蒙特卡罗方法评估虚拟仪器测量不确定度评估的原理，最后编 写了基于蒙特卡罗方法的评估虚拟仪器测量不确定度的自动评估软件。论文第 六章，作者通过具体实验论证蒙特卡罗评估方法和并校验相关模块，本文提议 的评估方法与其他几种常用方法在评估结果上达到了很好的一致。 第二章虚拟仪器测量系统 现在，随着创新的步伐越来越快，用户希望更多具有竞争力的测试新产品 能更快投入市场。1 9 8 6 年美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公司正式发布的 l a b v i e w l 0 到2 0 0 6 年最新推出的l a b v i e w 8 0 ，它的技术快速进步，很好的 满足了当今测试需求。与传统仪器测量相比，虚拟仪器对被测量的处理和计算 可以更复杂、速度更快、测试结果的表达方式更加丰富多样、能更方便地存储 和交换测试数据、价格低并且技术更新更快。虚拟仪器使仪器生产厂家定义仪 器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能的方式，适应性好。由于虚拟仪 器的测试功能和面板控件都实现了软件化，任何使用者都可通过修改虚拟仪器 的软件来改变它的功能和规模，这充分体现了美国n i 公司提出的n 软件就是仪 器”的设计思想t l l 。 2 1 虚拟仪器测量系统概述 虚拟仪器测量系统的发展随着采用的计算机技术和总线方式的不同而不 同，可分为五种类型： 第一类：p c i 总线一插卡型虚拟仪器测量系统，这种 借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如l a b v i e w 相结合( 注：美国 n i 公司的l a b v i e w 是图形化编程工具，它可以通过各种控件自已组建各种仪 器。l a b v i e w c v i 为基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编 程语言v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，l a b v i e w s c v i ) 构成测试系统，它充分利用计 算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受p c ( 个人计算机) 机箱和总线限 制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺 寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点，价格比较昂贵。第二类：并行口式虚拟仪器 测量系统，最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器 硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测 试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波 形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据 采集器。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室 应用。第三类：g p i b 总线方式的虚拟仪器测量系统，g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台手工操作 向大规模自动测试系统发展，典型的g p i b 系统由一台p c 机、一块g p i b 接 口卡和若干台仪器通过g p i b 电缆连接而成。g p i b 测量系统的结构和命令简 单。第四类：v x i 总线方式虚拟仪器测量系统，v x i 总线是一种高速计算机 总线( v m e ) 总线在v i 领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力 和严格的r f i e m i 屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定 时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的 应用。第五类：p x i 总线方式虚拟仪器测量系统，p x i 总线方式是p c i 总 线内核技术增加了多板同步触发总线的技术规范和多板触发总线，以便用于相 邻模块的高速通讯，具有高度可扩展性，具有8 个扩展槽，而台式p c i 系统 只有3 - 4 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展槽， 将台式p c 较高的性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势相结合，将 形成未来的虚拟仪器平刨1 0 】。 虚拟仪器测量技术的特点可以归纳为四个方面： ( 1 ) 性能高，虚拟仪器测量技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以 完全“继承”了以现成p c 技术为主导的最新商业测量技术的优点，包括功能超卓 的处理器和文件i o ，使数据导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。随着 数据传输到硬驱功能的不断加强，以及与p c 总线的结合，高速数据记录已经较 少依赖大容量的本地内存。以一台6 0 g 的示波器为例，在采用虚拟仪器测量技 术的情况下，构建这样一台示波器是相当简单的，只要将一台基于p c 的数字转 换器放置在p c 机中，就能以高达每秒1 0 0 m b 的速度将测得的数据导入磁盘。 虚拟仪器测量技术的另一突出优势就是不断提高的网络带宽。因特网和越来越 快的计算机网络时代的数据分享进入了一个全新的阶段，将因特网和n i 的软硬 件产品相结合，用户就能够轻松地与地球另一端的同事共享测量结果，分享“天 涯若比邻”的便捷。 ( 2 ) 扩展性强，n i 的软硬件工具使得工程师们不再圈囿于当前的技术中。 得益于n i 软件的灵活性，只需更新所使用的计算机或测量硬件，就能以最少的 硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个测量系统。在利用最 新科技的时候，用户可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加 速产品上市的时间。 ( 3 ) 开发时间少，在驱动和应用两个层面上，n i 高效的软件构架能与计 算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。n i 设计这一软件构架的初 衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松 地配置、创建、部署、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 ( 4 ) 完美的集成，虚拟仪器测量技术从本质上说是一个集成的软硬件概 念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，通常需要集成多个测量设备来满足完 整的测试需求。但是这些不同设备间的连接和集成总是耗费大量时间，不是轻 易可以完成的。n i 的虚拟仪器测量软件平台为所有的i o 设备提供了标准的接 口，例如数据采集、视觉、运动和分布式i o 等等，帮助用户轻松地将多个测 量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。获得最高的性能、简单的开发 过程和系统层面上的协调，这些不同的设备必须保持其独立性，还要紧密地集 成在一起。n i 的结构可以使开发者们快速创建测试系统，并随着要求的改变轻 松地完成对系统的修改，得益于这一集成式的构架带来的好处，系统可以更具 竞争性。 2 2p c i 总线一插卡型虚拟仪器测量系统工作原理 概括的说，p c i 总线一插卡型虚拟仪器测量系统的测量链由集成传感器、 数据采集卡、计算机硬件和软件所组成，如图2 - 1 所示。 图2 - 1p c i 总线插卡型虚拟仪器测量系统组成 传感器就是能感知外界信息并能按照一定规律将这些信息转换成可用信号 的装置：而信号调理作用是把来自传感器的模拟信号经过放大、滤波等，转化 为可用于数据采集的信号，并且为传感器提供必要大小的激励电压。数据采集 卡插在机箱内，对来自信号调理器的信号进行模数转换、采样保持、多路复用 和放大。a d 转换后得到的数字信号进入测量系统的l a b v i e w 测量程序中，进 行处理、运算，最后得到需要的测量结果。 2 2 1 集成传感器 集成传感器通常指传感器和信号调理扳的集合。传感器是虚拟仪器测量系 统的首要环节，其面对的“对象”可以是自然界的各种物理量，而且它们可以是 静态的，也可以是动态( 即过程) 的。对象的特性可以是物理性质的，如电、磁、 声、热、力、位移、速度、振动流量、温度等，也可以是化学性质的，如浓度、 成分等，对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。按照其工作原理，传 感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来， 然后加以评测或标示【l “。 型墅匀丽丽冲叫丽面叫幽。 图2 - 2 传感器构成原理 见图2 - 2 ，敏感元件把待测的非电量转换成易于转换为电量的另一种非电 量，如应变片将化学量转换成光学量；转换元件是将感受到的非电量直接转换 成电量的器件，厂商利用各种物理和化学的效应可以制造不同的转换元件。一 些传感器不包括敏感元件，即不需要进行预转换，如热敏电阻、光电器件等， 另有一些传感器，其敏感元件和转换元件合并为一个器件。 因为来自传感器的电信号一般还不能用数据采集设备来采集，主要问题是 6 它们大多数输出比较小，而且极易受噪声影响，有些信号又有可能存在很高的 尖峰值，因此必须进行信号调理。它的一般作用包括放大、滤波和隔离，以及 给传感器换能器提供激励、桥路平衡和线性化等，它可以明显提高测试系统的 质量并改进其性能。信号调理电路在虚拟仪器测量系统中的一般作用是： ( 1 ) 信号放大，由于许多传感器的输出在u v 量极，很微弱而不能够在数据 采集模板中直接使用，因此进行模数转换前必须要对传感器输出信号进行适当 的放大来提高测量精度和系统分辨率，而这件工作由信号调理模块实现。由于 信号调理在放大模拟小信号的同时，必然使来自现场总线的噪声也一起放大， 这样有用信号可能被噪声淹没，使测量数据失去意义。故放大环节应该尽量靠 近传感器，可以提高系统的信噪比。 ( 2 ) 信号滤波与平滑，滤波是消除噪声的一种有效方法，平滑本质上是一 种滤波技术。对稳态信号可以采用动态平滑技术，以便在消除噪声的前提下得 到相对平稳的读数；对动态信号采用滤波器，既滤除噪声，又可实现自适应抗 混叠滤波。例如n i 公司的a t - a 2 1 5 0 等高精度动态信号采集板就有一个模拟滤 波器和一个实时数字滤波器，模拟滤波器的截止频率设计在数据采集板最高采 样率的“v 处，而数字滤波器的截止频率自动调整在用户通过软件设定的采样 率的l 2 处，从而实现抗混叠滤波。 ( 3 ) 隔离，测量电路连接过程中，如果接地不当，会引起损坏数据采集板 等一系列严重后果。当传感器的地接到测量系统时，两个地之间就会出现所谓 的共模电压，1 2 v 以内的共模电压可以通过差分输入方法消除，对于更大的共 模电压，要采用隔离方法来破坏地线环流，信号调理电路通过隔离的功能消除 共模电压，从而实现对昂贵数据采集板的保护。 ( 4 ) 传感器激励，许多传感器如应变片、热电阻等都需要外部电压或者电 流的激励来进行对被测量的测量。s c x i 1 1 2 1 、s c x l 一1 1 2 2 等一些信号调理板都 可以对传感器提供必要的激励。 ( 5 ) 线性化，热电偶等传感器对被测量的物理现象的响应是非线性的，通 过信号调理对传感器的电压信号进行线性化补偿，从而使得电压信号能正确标 定被测量的变化。 2 2 2 数据采集模块 数据采集模块以微型计算机为平台，将计算机硬件( 某些总线、特定功能 的数据采集卡) 和计算机软件( l a b v i e w 应用软件) 结合起来，实现特定的仪 器测量和分析。一个典型的数据采集模块组成如图2 - 3 所示。 图2 - 3 基于l a b v i e w 的数据采集模块 一般而言，数据采集模块功能体现为四个方面：模拟量，数字量转换，把外 部模拟电压信号转成计算机能够识别的数字信号；数字量，模拟量转换，将计算 机内部数字量信号转成外部模拟电压信号；数字量输入输出和定时器计数器。 这些功能分别由相应的电路实现。数据采集模块输入的信号类型可以归纳为模 拟输入( 如电压、电流、热电偶、r t d 、l v d t 、压力、应变、扩音器等等输入 信号) 、数字t o ( 如静态数字输入、静态数字输出、高速数字输入、高速数字 输出等) 、计数定时器( 如频率、瞬时、事件计数、脉冲序列发生等) 。 这里仅对于通常的模拟信号的数据采集进行分析。模拟信号采集过程就是 将模拟信号经过脉冲序列采样后，成为时间离散信号，再量化以后得到离散化 的数字信号。 模拟信号可以分为三类，采样频率根据模拟信号类型的不同而发生改变： ( 1 ) 对于随时间变化缓慢的信号，采样过程只需要比较小的采样频率。 ( 2 ) 对于随时间变化快的信号，如果要分析它的波形，就应该把它当成时 域信号来处理，这时需要比较高的采样频率。 ( 3 ) 对于随时问变化快的信号，如果要分析它的频率成分，应该把它当成 一个频域信号来处理，采样频率应该满足采样定理，大于这个频域信号最大频 率分量的两倍。 对于大多数模拟信号输入设备，有三种信号连接方式：差分输入、参考单 端输入、非参考单端输入。差分输入，信号的正负极分别接入两个通道，所有 输入信号各自有自己的参考点，这种测试适合于环境噪声比较大、低电平模拟 信号和任何一个输入信号要求单独的参考点的情况；参考单端输入适用于测试 浮动信号，它把信号参考点与仪器模拟输入地连接起来；非参考单端输入则适 用于测试接地信号【l ”。 模拟输入有三种形式：单通道单点模拟输入，多通道单点模拟输入，波形 采集。须要得到一个通道采集一个数据的时候应该使用单通道单点模拟输入， 例如周期性的监控一个容器的液位时，将被测液位值经传感器、信号调理模块 后得到的电压信号连接到数据采集卡的一个通道，要知道液位时就进行一次单 通道、单点的数据采集。多通道、单点模拟输入，即一次由多个通道采集多组 数据，将这些通道采集的数据点组成为一维数组，数组中每个成员来自一个通 道。波形采集，从一个或者多个通道采集一个或者多个波形。 2 2 3 虚拟仪器测量系统的软件平台( l a b v i e w ) 软件是虚拟仪器测量技术中最重要的部份。所谓软件就是以计算机作为仪 器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件 管理等智能化功能，同时把传统数据采集仪器的专业化功能和面板控件软件化， 使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统数据采集硬件仪器相 同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新数据采集仪器系统。使用正确的 软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，可以高效地创建自己需要的应用 以及友好的人机交互界面。n i 公司提供的行业标准图形化编程软件 l a b v i e w ，不仅能轻松方便地完成各种软硬件的连接，更能提供强大的后 续数据处理能力，提供设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用 户。此外，n i 公司还提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工 具，例如连接设计与测试的交互式软件s i g n a l e x p r e s s 、用于传统c 语言的 l a b q n d o w s c v i 、针对微软v i s u a ls t u d i o 的m e a s u r e m e n ts t u d i o 等等，均可满 足客户对高性能应用的需求。有了功能强大的软件，就可以在仪器中实现智能 性，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。 l a b v i e w 是一种用图标代码来代替编程语言创建应用程序的开发工具，它 使用数据流编程方法来描述测量程序的执行，用图标和连线代替文本的形式编 写程序，它也是一种带有扩展库函数的通用程序开发系统，其库函数包括数据 采集、通用接口总线、串口仪器控制、数据显示、分析与存储等，它不但能完 成一般的数学运算、逻辑运算和输入输出功能，它还带有专门的用于数据采集 和仪器控制的库函数和开发工具，尤其还带有专业的数学分析程序包，可以满 足绝大多数复杂的工程计算和分析要求。l a b v i e w 所提供众多的开发工具使得 复杂的测量变的简单易行。 第三章虚拟仪器测量系统测量不确定度分析 在实际虚拟仪器测量系统的测量、测试中，由于设备不准确，方法不完善， 程序不规范以及环境因素的影响，都会导致测量结果或多或少的偏离测量的真 值，测量误差的存在是不可避免的。 从理论上讲，虚拟仪器测量系统中的各组成模块的所有不确定度源均会对 虚拟仪器测量结果不确定度产生影响，从不确定度传递的角度看，由集成传感 器和数据采集模块所产生的不确定度源，必须经过由计算机软件实现的数据采 集和处理，来实现对虚拟仪器测量结果不确定度产生贡献。数据采集模块实现 模拟量转换成数字量，功能比较单一，不确定度源主要依赖于数据采集卡。集 成传感器和数据采集模块的不确定度源可依据特定的标定手册所提供的数据或 者用户自行标定的不确定度数据。 这些不确定度源的描述可以按照基于传统的差频测试、柱壮图分析正弦波 曲线拟合、傅立叶变换或者小波分析、共同时间频率分析的统计方法1 5 】( 根据 g u m 的a 类评估) ，它的详细信息求助于制造商说明书( 根据g u m 的b 类评 估) 。为了得到虚拟仪器测量系统的总体测量不确定度，也为了后面的基于蒙特 卡罗方法的仿真评估，必须对整个虚拟仪器测量系统的各个不确定度源进行分 析。 3 1 集成传感器的不确定度分析 集成传感器指传感器和信号调理板的综合，其不确定度源信息可以依据厂 家提供的标定手册，也可以依赖子更高精度测量设备和测量基准对其进行的标 定。 3 1 1 分析方法一：依据厂家提供的标定手册 集成传感器不确定度来源如果依据特定传感器技术手册所提供的数据，归 纳起来主要有： ( 1 ) 线性度，表征传感器模块输入输出特性的非线性，定义为传感器模块 输入输出特性的校正曲线与其拟和直线之间的最大非线性误差与满量程输出的 百分比； ( 2 ) 迟滞，表征感器模块在正、反向行程中输出的不一致性，定义为正、 反向行程中输出的最大差值与满量程输出的百分比： ( 3 ) 重复性表征传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线的 不一致性，定义为正、反向行程中最大重复性偏差与满量程输出的百分比； ( 4 ) 灵敏度误差表征传感器在使用过程中的灵敏度飘移，定义为灵敏度飘 移与标称灵敏度的百分比。 1 0 根据i s og u mi z l 】这些误差源可以认为是服从均匀分布的在规定区间的随 机变量。有些传感器技术手册并没有提供详细的确定度来源数据，仅仅给出了 传感器静态误差，它是一项综合性精度指标，基本上囊括了非线性、迟滞、重 复性和灵敏度误差，通过标定，利用所获得的全部测量状态下的输入输出数据 与拟和直线上对应的残差，统计其标准差，6 倍的标准差即是传感器的静态误差。 根据i s og u m 2 1 1 j 传感器误差可以认为是服从均值为“零”、标准差为1 6 的静 态误差正态分布的随机变量。 虚拟仪器面向的是