（机械制造及其自动化专业论文）基于vi的仪器远程校准技术研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 为了保证量值的统一，必须对仪器实旋周期性校准。传统的仪器校准方式不 但耗时而且校准成本也比较高，同时己校准的仪器从校准实验室返回到校准客户 的传输过程中，仪器的状况是否和它在校准实验室时保持一样也难以保证。虽然 现在开展的现场校准可以缩短校准时间，但它对实施现场校准人员的专业技能要 求比较高，如果由专门校准人员进行现场校准，这样校准成本将会更高。这对那 些要求实时校准并且校准成本适中的客户来说不能满足他们的要求，因此研究新 的仪器校准技术具有重要的应用价值。 本论文研究了基于v i ( 虚拟仪器) 的仪器远程校准技术，利用此技术校准人 员能实时、异地、远程地控制某一仪器的校准全过程。本论文主要研究内容如下： 1 分析了基于p c 机的虚拟仪器系统测量不确定度的来源，探讨了采用基于数 值仿真的方法进行虚拟仪器不确定度计算。 2 研究了远程校准体系结构，提出c s 和b s 相结合的混合远程校准模式。利 用a s p + a d o 技术，对客户访问校准主页和校准数据库进行了设计；利用l a b s q l + a d o 技术，对校准实验室端的校准数据库管理进行了初步设计：对几种校准v i 远程控 制技术进行了比较分析，并利用v is e r v e r 和d a t a s o c k e t 相结合的技术对校准实验 室端实现对校准v i 远程控制和对远程测试数据实时共享进行了设计。 3 分析了远程校准过程中存在的风险，利用移动a g e n t 技术对待校准端的校准 v i 在校准过程中的安全性进行了设计。 4 对m o d h u s 式仪器的远程校准进行了初步实验设计，在l a b v i e w 中实现了基于 m o d b u s 通信协议通信过程中待校准准端串口初始化、c r c 一1 6 、和r l c 一8 校验以及 m o d b u s 信息读写功能模块。 本文所建立的基于v i 的仪器远程校准系统，与一般拥有数字接口的仪器互联 性较强，用户可接入性比较好，使仪器校准的实时性增强、溯源或传递的时问缩 短，校准的成本降低，采用移动a g 。n i 技术使铰准的安全性毋剑提高。阂此，县 有较高的工程应用价值。 关键词：远程校准，虚拟仪器，a s p + a d o ，v is e r v e r + d a t a s o c k e t ，移动a g e n t 西北工业大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt ok e e pm e a s u r e m e n tt r a c e a b i l i t y ，i n s t r u m e n tc a l i b r a t i o nm u s tb ee x e c u t e d p e r i o d i c a l l y t h et r a d i t i o n a lm e t l ) , o do fi n s t r u m e n tc a l i b r a t i o ni se x t e n s i v e l yt i m ea n d r e s o u r c ec o n s u m i n g a tt h es a m et i m ei ti sd u b i o u st om a i n t a i nt h es t a t eo ft h e i n s t r u m e n tt h a th a sb e e nc a l i b r a t e d 鹤t h ef o r m e rs t a t ea tt h ec a l i b r a t i o nl a b o r a t o r yw h e n i tr e t u r n st ot h ec a l i b r a t i o nc l i e n t s a l t h o u g ht h et e c h n o l o g yo fo n s i t ec a l i b r a t i o n a p p l i e da tp r e s e n tt i m ec a l lr e d u c ec a l i b r a t i o nt i m e ，i tn e e d sac a l i b r a t i o no p e r a t o r m a s t e r i n gs p e c i a l t yt e c h n o l o g y r e s o u r c ec o n s u m i n gw i l lh i g h e rw h e nap r o f e s s o rg o e s t ot h es i t ef o ro p e r a t i n gi n s t r u m e n tc a l i b r a t i o n t h e s ed o n tm e e tt h er e q u i r e m e n to f t h e s ec l i e n t sw h or e q u i r et h a ti n s t m m e n tc a l i b r a t i o ni sr e a lt i m ea n dm o d e r a t er e s o u r c e c o n s u m i n g t h u si t i sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c hn e wt e c h n o l o g ya b o u ti n s t r u m e n t c a l i b r a t i o n i nt h i st h e s i s ，ar e m o t ei n s t r u m e n tc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nv i ( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) i sp u tf o r w a r d c a l i b r a t i o no p e r a t o rc a nc o n t r o lac a l i b r a t i o np r o c e s sr e a l t i m ea n dr e m o t e l yb yu s i n gt h a tt e c h n o l o g y t h em a i nw o r k so ft h i st h e s i sa r ea s f o l l o w i n g ： 1 1 1 1 er e s o u r c eo f m e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t ya b o u tv i sb a s e do np ci sd i s c u s s e d a n di tp r o p o s e st oe v a l u a t et h em e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t yo f v i sb yu s i n gn u m e r i c a l m e t h o d s 2 n l ef r a m e w o r ko fr e m o t ee a l i b r a t i o ni sr e s e a r c h e da n dam o d eu s i n gc s c o m b i n e d 、i t l lb si sp u tf o r w a r d h o wt or e a l i z ec a l i b r a t i o nc l i e n ta c c e s st oc a l i b r a t i o n h o m e p a g ea n dc a l i b r a t i o nd a t a b a s ei sd e s i g n e db yu s i n ga s pc o m b i n e d 、i t l la d o h o w t or e a l i z e b a s i c a l l ym a n a g ec a l i b r a t i o n d a t a b a s ei sa l s od e s i g n e db yu s i n gl a b s q l c o m b i n e dw i t ha d oa tc a l i b r a t i o nl a b o r a t o r y a n ds o m em e t h o d sa b o u th o wt or e a l i z e r e m o t ec o n t r o lo fc a l i b r a t i o nv ia r ed i s c u s s e d 蚰dc o m p a r e d a n dh o wt or e a l i z et h a t t h ec a l i b r a t i o nl a b o r a t o r yc a nc o n t r o lt h ec a l i b r a t i o nv ir e m o t e l ya n dm e a s u r e m e n td a t a c a nb es h a r e dr e a lt i m eb yu s i n gv is e r v e rc o m b i n e dw i t l ld a t a s o c k e ti sd e s i g n e d 3 n l cr i s ki nr e m o t ec a l i b r a t i o ni sd i s c u s s e da n dt h es e c u r i t yo f c a l i b r a t i o nv i r u n m n gi nc a l i b r a t i o nc l i e n ts i t ei sd e s i g n e db yu s i n gm o b i l ea g e n t 4 ar e m o t ec a l i b r a t i o ne x p e r i m e n ta b o u ta ni n s t r u m e n tb a s e do nm o d b u sp r o t o c o l i sg i v e n m o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sr e a l i z e dt h r o u g hl a b v w t h er e m o t ei n s t r u m e n tc a l i b r a t i o ns y s t e mb a s e do nv is e tu pi nt h i st h e s i sc a n i i 西北工业大学硕士学位论文a b s t r a c t c o m m u n i c a t ew i t hi n s t r u m e n t se m b e d d e dw i t hc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec o n v e n i e n t l y a n db ea c c e s s e de a s y , e n h a n c et h eq u a l i t yo fr e a l t i m ec a l i b r a t i o n ，s h o r tt h et i m eu s e d t oi n s t r u m e n tt r a c e a b i l i t yo rt r a n s f e r ，r e d u c et h ec o n s u m i n go fc a l i b r a t i o na n di m p r o v e t h es e c u r i t yb yu s i n gm o b i l ea g e n t k e y ：r e m o t ec a l i b r a t i o n ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，a s p + a d o ，v is e r v e r + d a t a s o c k e t ， m o b i l ea g n e t i i 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 1 1 1 虚拟仪器技术简介 第一章绪论 虚拟仪器是借助于通用的模拟量和数字量输入输出平台，通过算机软件按已 知的数字模型和时序实现的，具有信号测量、控制、变换、分析、显示、输出等 全部或部分功能的智能化输入输出系统。典型的虚拟仪器模式可以理解为，除信 号的输入和输出端子外，仪器的其他部分的操作、测量、控制、变换、分析、显 示等功能均有软件来实现的一种计算机管理的数字化仪器【lj 。 从基本原理上看，虚拟仪器与非虚拟仪器并无本质不同，但是在仪器原理的 实现上，虚拟仪器与非虚拟仪器却有所不同。非虚拟仪侧重的是使用材料技术、 工艺技术、以及元器件技术等硬件制造技术来实现仪器功能和性能。因而其技术 进步体现的是新材料、新工艺、新技术和新硬件结构原理等的进步，多数涉及制 造技术、电子技术、材料技术等基础工业体系。虚拟仪器侧重的是使用通用的软 件平台，以软件手段、按固定的数学模型与硬件技术组合起来，最终实现仪器功 能和性能，较多体现的是数学理论、信息理论及信息技术的应用。因而其技术进 步除了上述基本硬件平台的工艺技术进步外，计算机技术和软件技术的进步，数 学研究方法的进步，数学过程及原理的改变，均能导致虚拟仪器性能指标的极大 提高。因而虚拟仪器也是更接近于网络化、信息化社会的产物，更适应信息社会 这种智能化、信息化、网络化的需求。 从工作方式上看，传统台式仪器，基本上多数是对信号的某个单一参数或单 一物理特征的测量与复现，如同平面照 对立体景物的存储与复现一样，忽略了 绝大多数不感兴趣的特征。如频率计用于测量周期信号的频率，电压表用于测量 信号的幅度，失真度测量仪用于测量正弦波信号的失真度，频谱分析仪用于分析 信号的频谱序列，而直流信号源提供标准直流信号，正弦交流信号源提供标准正 弦波信号，调频信号源提供标准调频信号等。对于虚拟仪器来说，其基本测量平 台侧重对输入信号全部信息、所有物理特征的序列测量和存储，如同全息照片一 样，尽可能地保存了信号的全部特征。因此，同一台虚拟仪器可以对其测量序列 运用不同的模型化数学过程和手段进行处理，得到信号不同的物理特征及参量， 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 如幅度、频率、相位、失真度、频率谱等等。由于一个软件平台可以分时执行多 个数学处理过程，所以一台虚拟仪器可以实现多台非虚拟仪器才能实现和具有的 全部功能和性能，如电压表、频率计、频谱分析仪、功率计、相位计等。 由于强大的功能和卓越的技术性能，虚拟仪器( v 1 ) 被越来越广泛地应用于生 产制造、研究开发及服务系统，尤其是在航空、航天、电子通信、交通运输、军 事等部门的应用更为普遍，在武器装备研制生产中得到日益广泛地应用，并发挥 着越来越重要的作用。虚拟仪器( 包括对测量结果) 的计量校准，由于虚拟仪器 的特殊性、软件功能的多样性，如果依然遵循非虚拟仪器计量评价的方法和手段， 每一功能和性能均直接以最终表现形式来进行量值溯源，将导致计量评价工作量 的极大增加。不仅仅如此，某些功能因其数学模型的复杂性，根本难以实现简单 溯源，因此虚拟仪器的校准侧重的软件及数学模型作为仪器一部分所体现的性能 的评价，以及它与硬件平台的性能最终合成虚拟仪器总体性能的溯源问题。 1 1 2 仪器校准的一般方式 为了保证量值的统一，必须对仪器实施周期性校准。传统的仪器校准方式是 将待校准仪器送往更高一级的国家计量校准单位，上一级计量单位在实验室环境 下对其进行检定和校准，随后附上检定和校准证书再将其送还至校准客户。这种 校准方式通常会带来如下几个问题：1 ) 往返传递过程中耽误的时间较多2 ) 由于 待测仪器离开工作现场，使得由其参与其中的工作不能再正常进行3 ) 经过校准 的仪器在返回的路途中质量保障也是个潜在的问题。这对那些要求实时测量的客 户来说是满足不了他们的需要的，特别是由于测量误差而导致的生产受阻或加工 过程停滞，将会造成巨大的经济损失。 现在开展的现场校准技术可以解决上述过程中的一些问题，但是现场校准要 求校准人员有较熟练的操作技能，对校准系统比较熟悉，这对于一般的客户来说 是有一定困难的，如果让上级校准人员到工作现场实施校准，随之给客户带来的 经济消费【扭是比较大的。现在由1 ：大部分数字式仪器和虚拟仪器部提供通讯接口， 同时网络技术快速发展，这使得基丁实际硬件和具有网络互连能力的计算机单元 所构成的远程校准系统成为可能。远程校准是指除了可由位于计量标准和被校仪 器所在现场的人员进行就地操作外，还可借助计算机网络传输技术由位于其它地 方的有关人员进行实时、异地、远程操作。远程校准在扩展上级实验室的量程、 减小下级实验室的测量不确定度、缩短溯源和传递的时间、降低校准成本、实现 不同实验室之间实时透明的 e 对、甚至是国际比对，以及上级实验室对下级实验 室的认可等方面均有实际的意义。 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 远程校准技术国内外研究现状 在远程校准方面，目前国际上已有若干个校准实验室和一些研究人员正在开 展与远程校准有关的研究，英国国家物理实验室( n p l ) 在自动化网络分析仪网络 校准方面d j ，并且可通过他们专业网站w w w i n t e m e t c a l i b r a t i o n c o r n 获得远程在线校 准：德国联邦物理技术研究院( p t b ) 的偏振中子衍射计( p o l d i ) 的远程校准f 4 】；意 大利a c a r u l i o 等人关于数据采集卡的远程校准以及远程校准中的安全问题的研 究口6 l ：m i h a e l am a l b u 等在利用移动、多a g e n t 技术进行远程校准方面的研究【7 】 和其主要的计量机构i e n 在电量计量网络校准方面所的研究j ：美国国家标准和技 术研究院( n i s t ) 所做的研究。其中以美国n i s t 所做的研究较为深入也较具代表性， 目前开展的有关项目有三个，它们是：化学和工艺实验室( c s t l ) 的大流量气体流量 计的校准1 9 】、电学实验室( e e e l ) 的多功能校准仪的校准【1 0 1 ，以及物理实验室( p l ) 的大尺寸离子辐射源的校准【l “。 它们的共同点就是为了保证测量结果的量值溯源，上级实验室通过向下级实 验室传递高等级的移动标准( 高等级校准设备) ，这样移动标准与被校仪器同处 一地，上级实验室通过网络可对待校准仪器进行校准。校准前，客户方一般都要 求下载和安装相应的应用软件，由于此过程不是由上级实验室员工完成的，它是 由待校端人员实现的，这样也会存在安全性的问题，如待校方在安装过程中对应 用软件的恶意修改。文献 5 中由于移动标准系统中包含一笔记本电脑，并在笔记 本上安装了校准过程中所需要的软件，这样待校准端可直接将待校准仪器与移动 标准系统相连进行校准，避免了安装相应的应用软件，但此方案对p c d a q 式虚拟 仪器的校准有一定的局限性。为了使远程校准的整个过程完全在校准实验室端的 控制之下，这就要求待校准端从服务端下载的所有程序不能做任何改变，通过移 动、多a g e n t 技术，可以解决这一问题p l 。 目前国内展开网络校准研究有同济大学殳伟群教授，他们在远程校准的概念， 以及利用n i 的c o m p o n e n t ：w or k s 、d a i ：a s o c k e t 技术，并通过对基于t t e r n e t 的远程 相关测速装置的实际编程，对远程校准的可行性耳i i 叫络接八技术实现方法等方面 都进行了探讨 2 , 1 2 , 1 3 j 。上海交通犬学开展的基于l n t e r n e 的数字示波器 e c a l b r a t i o n 技术研究，该系统中数字示波器d s o 直接与i n t e r n e t 相连，移动标 准f l u k e 9 5 0 0 示波器通过g p i b p c i 接口卡和p c 机相连，然后接入i n t e r n e t ，这样 就可以方便地实现网络的数据传输，以及与远程监控端的通讯，实现了一个简单 的远程校准系统【l4 j ；中国工程物理研究院计量测试中心潘光斌在网络化校准测试 系统及其软件设计方面所作的研究【l ”。与国外在远程校准方面作的研究相比，我 国的远程校准技术在实际应用方面还是有所欠缺的。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 在虚拟仪器校准方面，目前国际上尚无统一的标准，基本上是生产厂商自己 按一定的指标进行校准。美军标m i l2 s t d 2 4 5 6 6 2 a 中描述了建立、维护一套v x i 仪 器校准系统的要求，目的是通过校准系统控制计量与测试设备( m & t e ，m e a s u r i n g a n dt e s te q u i p m e n t ) 和计量标准装置的精度，提供设计v x i 仪器校准系统的参照 依据；文献 5 ，6 主要研究了p c d a q 式虚拟仪器校准的有关问题。国内开展了虚拟 仪器计量检定工作的单位主要有航天2 0 3 所、海航计量站，航空3 0 4 所等在进行这 方面的研究。其中2 0 3 所实现了v x i 仪器基本校准系统，此系统主要是对v x l 模块性 能进行测试【l6 】；3 0 4 所在虚拟仪器校准特殊性方面进行了阐述，并且对虚拟仪器自 动校准系统的实现提出一种可供操作的解决方案【l ，l ”。在虚拟仪器测量不确定度方 面， s a l v a t o r en u e c i 0 ，d a l a r n p a s i 等人关于虚拟仪器不确定度的估计 1 8 ”】 和e m i l i 0g h i a n i 等关于虚拟仪器不确定度的自动估计1 2 0 j ；我国p e n gy u 等人使用 粒子群优化算法【2 ”，利用软件实现了的虚拟仪器参数的校准；詹惠琴使用基于 m o n t ec a r l o 原理，采用数值仿真的方法计算虚拟仪器的不确定度 2 2 】，相比之下是 我国在这方面研究与国外还有所差距。 1 3 论文研究内容 第一章，由于传统的仪器校准方式和现在开展的现场校准技术不能满足一些 校准用户的要求，引出进行远程校准技术研究的必要性和紧迫性。 第二章，对测量误差和测量不确定度进行了介绍，重点分析了基于p c 机的虚 拟仪器的测量不确定度来源，并提出了采用基于蒙特卡罗统计原理的数值仿真法 来计算虚拟仪器测量不确定。 第三章，研究了远程校准体系结构，提出c s 和b s 相结合的混合远程校准 模式。利用a s p + a d o 技术，对客户访问校准主页和校准数据库进行了设计：利用 l a b s q l + a d o 技术，对校准实验室端的校准数据库管理进行了初步设计；对几种校 准v i 远程控制技术进行了比较分析，并利用v is e r v e r 和d a t a s o c k e t 相结合的 技术在校准实验室端实现对校准v i 的远程控制和远程测试数据的实时共享进行了 设计。 第四章，结合远程校准的需要，利用移动a g e n t 技术，对如何将监控待校准 端敏感事件的小程序迁移到待校准端p c 机i ：进行监控进行了研究和设计并给出 了实现思路和编程实例。 第五章，介绍了基于m o d b u s 式仪器远程校准系统的设计，并在l a b v i e w 中的 具体实现基于m o d b u s 通信协议通信过程中待校准准端串口初始化、c r c 一1 6 、和 r l c 一8 校验以及m o d b u s 信息读写功能模块。 4 硅北工业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器的测量误差和不确定度分析 第二章虚拟仪器的测量误差和不确定分析 2 1 测量误差 2 1 1 误差的基本概念 在几何量、机械量及其它物理量的一切静态测量与动态测量中不可避免地会 产生测量误差。测量误差的存在使我们不能直接得到被测量的真实值，有时甚至 严重偏离和歪曲测量结果，从而掩盖了被观测事物的客观性。测量误差6 是指被 测量的量值x 与其真值x 。之差，即： 6 = x k( 2 - 1 ) 由于被测量真值未知，使得测量误差的量化遇到困难。为此将测量误差按性质 分为随机误差、系统误差和粗大误差。 2 1 2 测量误差分类及其处理 ( 1 ) 随机误差及其处理 随机误差是指在一定测量条件下，当连续测量同一被测量值时，误差的大小 和符号以不可预知方式变化的测量误差。就某一次具体测量而言，随机误差的大 小和符号无法预见，但是连续多次测量，随机误差总体存在统计规律，常见的是 正态分布，其次如等概率分布、三角形分布、偏心分布等。因此可用概率论和数 理统计的方法估算出随机误差的分布范围，如置信概率为9 9 7 3 时服从f 态分布 胤律的随机误差极限值6 。为： j - = + 3 0 - l ! 一2 ) 上式中：o 为正态分布图曲线的标准偏差，可由贝塞尔公式、佩特尔斯公式等 方法估算。以该极限值代替连续多次测量每一次测量的随机误差，就可实现随机 误差的量化评定。 ( 2 ) 系统误差及其处理 系统误差是指在一定条件下，对同一被测量值进行连续多次测量时误差的大 小和符号均不变，或按一定规律变化的测量误差。前者称定值系统误差，后者称 西北工业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器的测量误差和不确定度分析 变值系统误差。从理论上讲，根据系统误差的性质和变化规律，系统误差可用计 算法和实验对比法确定，用修正值从测量结果中予以消除。但由于种种因素的影 响，实际上系统误差不能完全消除，只能减小到一定程度。一般来讲，只要能减 小到使其影响相当于随机误差的程度，则无需单独处理，只作随机误差看待。 ( 3 ) 粗大误差及其处理 粗大误差是指超出在规定条件下预计的测量误差，它对测量结果产生明显的 歪曲。在处理测量数据时，可根据拉依达准则等粗大误差判断法将其剔除。 2 2 测量不确定度 测量不确定度【2 3 i 是测量结果所含有的一个参数，用于表征合理地赋予被测量 之值的分散性。通俗地说，测量不确定度就是指测量结果中用于说明测得值所处 范围的一个参数，其大小只与测量条件有关。由于它是一个表示范围的参数，所 以是绝对值，并有三种定量表达形式：标准偏差、标准偏差倍数以及置信概率下的 置信区间的半宽。由于，现实生活中在计算测量误差时所使用的被测量的“真值” 并不存在，它只存在于理论概念和理想状态，所谓“真值”只是相对的、理论的。 所以“测量结果与真值之差”的“测量误差”也就难以确定。过去认为的“测量 误差”等于某值的表示法是不科学的、不严格的、不确切的，而“测量不确定度” 则是表达了测量结果的分散程度，故认为比较客观、真实、科学、合理。 测量不确定度按其数值评定方法不同，分为a 类( u 。) 和b 类( u e ) 。a 类是用统 计方法评定的不确定度分量，以标准偏差表征：b 类是用不同于a 类的其它方法评 定的不确定度分量，以根据经验或资料及假设的概率分布估计的标准偏差表征。 二者按方和根综合为合成不确定度( u c ) 。为了满足某些领域的特别需要，可将合成 不确定度u c 乘以复合因子( k 或k p ) ，以给测得值一个较高置信概率的置信区间或 置信范围，从而形成扩展不确定度( u 或u p ) ，一般k ：2 3 。u p 为具有置信概率p 的置信区间半宽。k p ：t p ( v e ”) ，按p 与v e f f 的大小查表可得，见 j j g l 0 2 7 7 1 测量误差及数据处理技术规范。 评定与表示测量不确定度的步骤可归纳为： ( 1 ) 分析测量不确定度的来源，列出对测量结果影响显著的不确定度分量； ( 2 ) 评定标准不确定度分量，并给出其数值u 。和自由度v 。； ( 3 ) 分析所有不确定度分量的相关性，确定各相关系数pi i ； ( 4 ) 求测量结果的合成v 标准不确定度u 。及自由度v ： ( 5 ) 若需要给出展伸不确定度，则将合成标准不确定度u 。乘以包含因子k ， 得到展伸不确定度：u ：k u 。； 6 西北工业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器的测量误差和不确定度分析 ( 6 ) 给出不确定度的最后报告，以规定的方式报告被测量的估计值y 及合成 标准不确定度u 。或扩展不确定度u ，并说明计算细节。 2 3 测量不确定度与误差之间的比较 测量不确定度与测量误差主要不同剧“1 ： ( 1 ) 测量不确定度按评定方法分类避免了测量误差按性质分类所引起的混乱和 不统一。由于系统误差和随机误差一方面在某些情况下特别是条件较为复杂时难 以区分，另一方面，两类误差在一定条件下亦会相互转化，同时受测量人员主观 判断的影响，很难一致，在很多时候不能全面掌握系统误差的信息。 ( 2 ) 由于测量不确定度只与测量条件有关，在相同条件下对同一被测量进行连 续多次测量所得一系列测得值可能不同，但都有相同的不确定度。而测量误差只 与测量结果有关，测量当中每个测得值都有各自的测量误差，假设不存在系统误 差和粗大误差，只考虑随机误差，由于每个测得值所含随机误差无法确定，故只 能以统一的极限值6l 。代之。可见从逻辑上讲，测量不确定度的概念较为合理、 简略，易于接受。 ( 3 ) 由午测量不确定度避免了作为理想概念而不可知的真值，且只与测量条件 有关，故它可通过对影响测量的诸多因素的分析得出，较之测量误差更便于量化 评定。 ( 4 ) 由于测量不确定度是绝对值，避免了测量误差中随机误差的表述与误差定 义不相符的矛盾。 ( 5 ) 合成不确定度的定义避免了测量误差合成存在的问题。目前按误差性质划 分的误差合成方法是： 1 ) 定值系统误差按线性相加法合成。 2 ) 随机误差按方和根法合成。 3 ) 对于变值系统误差，一般按随机误差合成方法与随机误差一起处理。事实上， 按定义，测量误差只与被测量的量值及其真值向关，尤沦测量误差求源丁计量瑟 具、测量环境还足测量人员，最终反映在测得值中，因此不存在i 司类误差的合成一 如果谈“合成”，则仅限于随机误差与经消除、修正后仍剩余的其影响不小于随 机误差的变值系统误差的合成，而对浚部分“剩余变值系统误差”的处理尚未解 决，也就无法谈及合成了。 西北工业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器的测量误差和不确定度分析 2 4 虚拟仪器测量误差和测量不确定度 2 4 1 基于p c 机的虚拟仪器系统构成及测量不确定来源 由于p c 机拥有强大的硬件基础，广泛的软件支持，一大批熟练的用户以及低 廉的价格，因此p c 总线的虚拟仪器已经成为计算机式测量仪器的一个重要分支。 基于p c 机的虚拟仪器的基本构成如图2 1 所示，主要由传感器十信号调节、 数据采集卡、虚拟仪器的软件、计算机及附件四部分构成。 图2 一l 基于p c 机的虚拟仪器的基本构成 ( 1 ) 传感器+ 信号调节 传感器用以拾取被测对象的测试信号，抗混叠滤波和前置放大器用以调理测 试信号。它们是测试仪器系统的基础，没有高质量的传感器和调理电路，测试仪 器系统便失去了基础。 ( 2 ) 数据采集卡 在虚拟仪器中，i 0 设备集成在数据采集卡上，直接插到p c 机总线上。数 据采集卡进行数据采集，并且及时地把数据存放到r a m 中，微处理器就可以立即 访问这些数据。数据采集卡技术极大地推动了虚拟仪器的发展，因为它把微处理 器和总线技术的进步直接演变为i o 设备的改进和系统能力的提高。 ( 虚拟仪器的软件 虚拟仪器的软件包括测试分析仪器的功能软件、采集卡的驱动软件、软面板 和控件软件、信号显示软件等。这一部分是虚拟仪器的核心，是虚拟仪器最主要 的特色。 ( 4 ) 计算机及附件 在使用虚拟仪器的p c 机中，微处理器和总线是最重要的因素。其中微处理器 的发展是最迅速的，它使虚拟仪器的测试能力得以极大的提高。总线技术的发展 也为提高虚拟仪器的处理能力提供了必要的支持。在虚拟仪器系统中，计算机技 西北工业大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器的测量误差和不确定度分析 术是虚拟仪器的支撑。 测量链中的每个部分都可能产生不确定度，并且顺序传递，影响最后测量结 果的不确定度。本文仅研究由于a d 转换和处理算法的不确定度，这样考虑是因 为传感器和信号调理器件的种类特别多，在对它们进行不确定度分析时，必须结 合特定的应用场合，并且传感器和信号调理部分产生的误差已有公认的模型；同 时假定其他部分工作正常。 2 4 2a d 转换的不确定度分析 在a d 转换过程中产生的误差，对测量结果有较大影响饽】。误差来源有：偏移 量、增益、量化、噪声、非线性、时间抖动等，如图2 2 所示。这些不确定度分 量的确定，可用a 类方法来评定，但测试较复杂。例如可采用拍频测试、柱状图 分析、正弦波曲线拟合、离散付氏变换、时频分析、小波分析等。 _ _ 一坠二一 a 。转换 、7 r t 一 一；一卜 温度漂移 时间设置 图2 - 2a d 转换过程中不确定来源 此外，还可以根据制造厂家提供的产品技术手册，应用b 类评定方法来评定不 确定度。通常，可从手册中直接或经过简单换算得到以上误差源( 除时间抖动外) 的误差区l 司，区间的半宽为n 。荇己知误差值靠近均值的概率比较人，可认x 月硅 从j 卜惫分弁 ，取置信概率9 9 7 时，u = r j 朋；相对折中的做法是，沮为服从三角形 分布，u = a i ；若误差在区间内基本上等概率分布，则认为服从均匀分布，u = n 以；当概率分布完全未知时，一般也假定为均匀分布。如量化误差引入的不确 定度分量虬，手册中量化误差表示为士0 5 l s b ，假定a d 转换器的位数为n ；满 量程电压为，则误差区间为萼，则： 9 西北工业大学硕士学位论文第二苹虚拟仪器的测量误差和不确定度分析 “，2 赤 他。3 ) 由时间抖动产生的不确定度为： 删一b 彘一j 。， 式中，为采样比率，毛为时间抖动孔径的均方根值，t 。为满量程电压a 当 输入低频信号或缓慢变化信号时，此项分量可忽略小计。 把以上得到的不确定度分量用方和根的方法进行合成，得到表征a d 转换的不 确定度“。，即 甜耐。 ( 2 5 ) 假定a d 转换器的有效位数b 表示a d 转换器综合考虑了各种因素的影响后， 实际的展终分辨率则，甜甜还可以表示为： “耐= 歹1 西圪烀 浯e ， 综合( 2 一i ) 式和( 2 4 ) 式得： b ： 一l 0 9 2 1 鱼 ( 2 7 ) “。 式中：n 为标称分辨率，虬为量化误差引起的不确定度。若只有量化误差，则 a d d 转换器有时给出信噪比s n r ，s n r 与满量程时的有效位数b 的关系是 b = f s n r 一1 7 6 ) 6 , 0 2 。 2 4 2 软件处理算法的不确定度 软件处理算法的不确定度按处理软件的有限字长来计算，不确定度计算公式分 定点数和浮点数，分别为： “m d2 ( 2 8 ) 一 2 一 甜 一。瑚 辱 西北工业大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器的测量误差和不确定度分析 = o 1 8 x 2 。2 靠( 2 9 ) “向= p o 1 8 x 2 七( 2 - i 0 ) ( 2 - 8 ) 式用于定点数运算，皿为定点数的字长，( 2 9 ) 式用于浮点数乘法， 以为浮点数尾数的位数，( 2 1 0 ) 式用于浮点数加法，p 是由计算中修约规则对应 的概率分布确定的系数。 2 4 4 虚拟仪器的合成不确定度 通常在数字信号处理算法中，测量结果是多次采样值的函数， y = ，h ，x 2 ，h ) ，则： 致( y ) = 蓦 考 。“2 ( 一) + 2 善砉，雾r ( t ，_ ) “c ，“c _ ， c z - ， 可采用理论解析法来计算合成不确定度，即根据函数表达式求出偏导数，代 入不确定度分量及它们的相关系数，根据( 2 11 ) 式原则上可求出测量结果的合 成不确定度。但是，由于在虚拟仪器中经常采用复杂的数字信号处理算法，如数 字滤波、f f t 算法等，理论解析法有时是很困难的。 也可使用实际校准测试法，来评定虚拟仪器的不确定度。但是需要有符合要 求的基准信号源、基准测试仪器、测试环境，一般测试过程较长，有时条件还难 以具备。 所以本文采用的是基于蒙卡罗统计原理的数值仿真法 1 9 ，2 2 ，方法是：由 软件产生满足不确定度要求和一定概率分布的随机数，作为误差叠加在仿真的输 入信号上，再对其量化得到仿真的输入数掘，采用正常测试所用的算法和程序， 对这些数据进行运算，得到一个含有误差的仿真测量结果，重复进行m 次( 如m = 1 0 0 ， m 2 1 0 0 1 ) 次) ，得到r f l 个子1 i 相同的仿其洲最结果，再按照a 类不确定度评估疗法， 评t 占出结粜的合成不确定度。 ( 1 ) 下面以d p t 算法为例，介绍数值仿真法的基本实现过程： 设输入仿真标准信号v ( t ) = v 。f ( 1 ) ，其周期为t 。为求相对不确定度不失一 般性，以下假定a d 转换的满量程电压。= = l v ，a d 转换器的标称位数为n ， 有效位数为b ，每次采样值的不确定度为“耐。 1 ) 对v ( ，) 采样，采样时间间隔为t 朋，则理论采样值v f = 厂( 二) ，其中i = l ， 西北工业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器的测量误差和不确定度分析 2 ，n ，将 d i 的输入数据代入与虚拟仪器正常工作相同的公式计算和进行相同的 数据处理，得到结果的理论值。 2 ) a d 转换引入的随机误差a v ，a v 的概率分布假设为均匀分布，均值为零， 误差区间范围为3 “= 嘉，则a d 转换值： 州) = h ，( 争+ v ) _ 1 2 ) 式中： j 表示对其中内容取整数。 3 ) 用软件提供的随机数函数，产生符合( 2 - 4 ) 式中要求的，代入( 2 一1 4 ) 式中， 计算得到a d 采样序列x f f ) ，i = 1 ，2 ，n ，将x ( i ) 作为输入数据代入与虚拟 仪器正常工作相同的公式计算和进行相同的数据处理，得到y 4 ) 重复步骤3m 次，得到z 。列，其中，= 1 ，2 ，m 。 5 ) 用a 类法评定y 的合成标准不确定度u ，即 几去弘卟 相对合成不确定度u = 了u r 。 这里，假定v 的概率分布为均匀分布。实际上也可为其它分布，算法步骤都 相同，只是使用其它随机数来产生仿真的输入差。 ( 2 ) 仿真 使用m a t l a b 。软件，对仿真的周期信号_ y “) = s i n o t + o 2 s i n 2 0 t 采样并且a d 量化。先固定n = 8 ，b = 6 4 ，采样点数n = 1 6 ，利用f f t 0 函数计算结果，每个n 值重复做1 0 0 0 次，用a 类不确定法计算相对合成不确定度。 2 5 本章小结 末毒首先对测景误等和j 测量不确定度的一般性概念进行了介绍，并对它们在 。其际应用中的实施效果进行了比较，接着着重分析了基于p c 机的虚拟仪器测量不 确度来源，详细地分析了利用数字仿真的方法进行虚拟仪器测量不确定计算的全 过程。 西：i t z 业大学硕士学位论文第三章远程校准过程中校准实验室端的设计 第三章远程校准过程中校准实验室端的设计 3 1 远程校准体系结构 远程校准通常是指校准人员借助于网络通信技术，能实时、异地、远程地控 制某一仪器的校准过程。它和常规的仪器校准没有本质的区别，只是在具体校准 实现方法上所有不同，仍是以获取被校传感器或被校测试仪器的计量特性为目的 而进行的一组操作。这一过程仍然离不开传统校准的高等级计量标准、被校仪器、 校准规程和校准规范、数据采集与数据处理、不确定度分析等几个要素。 通常，在采用c s 体系结构中，客户端和服务器端都能够处理任务，从而可 以减轻服务器端的压力。但在c s 系统中，如果部分模块中有一部分改变，就会 关联到其它模块的变动，使系统升级成本比较高；而且c s 结构是建立在中间件 产品基础之上的，要求应用开发者自己去处理事务管理、消息队列、数据的复制 和同步、通信安全等系统级的问题。这使得应用程序的维护、移植和互操作变得 复杂。而b s 与c s 处理模式相比，贝大大简化了客户端，只要客户端机器能上 网就可以。但对于b s 而言，客户端只能完成浏览、查询、数据输入等简单功能， 绝大部分工作由服务器承担。因此，开发、维护等几乎所有的工作也都集中在服 务器端。 考虑到b s 结构中待校准端可以方便地访问校准实验室主页和校准数据库， 和c s 结构中待校准端和校准实验室端都能进行应用程序开发，这样可以充分利 用两端硬件环境的优势，将任务合理分派至待校准端和校准实验室端，降低了系 统通信丌销。因此，本文采用b s 和c s 相结合的混合模式，基本体系结构如图 ：卜1 。 图巾，当待校准用，、访问校准主页或在授权范尉内查询校准数据库中f f i - 启、时， 采用b s 的模式。这样可以保证只要用户能接入英特网，就可方便访闽远程校准 主页并进行相关的信息查询。当待校准端用户进入校准主页后，进行用户注册， 并通过提交表格的形式向服务器端提交用户基本信息和待校准仪器必要的参数信 息，随即这些信息将存入服务器端校准数据库中的相对应的表中。随后可以浏览 自己已有的仪器校准记录、在授权范围内的对校准原始数据查看和下载相关仪器 校准v i 等，b s 模式远程校准主页登陆界面如图3 2 。 西北工业大学硕士学位论文 第三章远程校准过程中校准实验室端的设计 徽蝴榭蛀磊磊室端 待校准端访问校准主员和技准实验室端 雠数罴固，一、 0燃：i 口j 一 校准实验室端应用 嵌