[發明專利]虛擬儀器測量不確定度自動評定方法

無效

• 申請號: 200910087496.X
• 申請日: 2009-06-23
• 公開（公告）號: CN101581587A
• 公開（公告）日: 2009-11-18
• 發明（設計）人: 王中宇;葛樂矣
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01D18/00
• 分類號: G01D18/00;G06F17/18
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種虛擬儀器測量不確定度自動評定方法，其特征在于：

步驟一：使用集成傳感器模塊檢測被測量，在整形去噪后，轉換 成能被數據采集卡采集的信號；對某一被測量進行測量，在本步驟中 是用集成傳感器檢測這種被測量，得到連續的時域電信號，這種連續 電信號必須經過A/D轉換后才能進入虛擬儀器進行處理；

步驟二：集成傳感器檢測后所得的連續電信號進入數據采集卡 后實現A/D轉換，在虛擬儀器軟件平臺上，處理采集后的數字電信號， 得到測量結果；虛擬儀器軟件通常內置大量的數字信號處理模塊，這 些數字信號處理模塊直接處理經數據采集卡轉換后數字信號，并顯示 出最后結果；

步驟三：分析集成傳感器和數據采集卡的不確定度源；

由于在測量過程中，軟件一般不會產生不確定度影響，所以虛擬 儀器測量的不確定度來源于集成傳感器和數據采集卡；

集成傳感器的不確定度源歸納起來主要有：

線性度，表征集成傳感器輸入輸出特性的非線性，定義為集成傳 感器輸入輸出特性的校正曲線與其擬和直線之間的最大非線性誤差 與滿量程輸出的百分比；

遲滯，表征集成傳感器在正、反向行程中輸出的不一致性，定義 為正、反向行程中輸出的最大差值與滿量程輸出的百分比；

重復性誤差，表征集成傳感器在輸入按同一方向連續多次變動時 所得特性曲線的不一致性，定義為正、反向行程中最大重復性偏差與 滿量程輸出的百分比；

靈敏度誤差，表征集成傳感器在使用過程中的靈敏度飄移，定義 為靈敏度飄移與標稱靈敏度的百分比，

根據測量不確定度表達指南，這些不確定度源認為是服從均勻分 布的在規定區間的隨機變量；

數據采集卡實現將模擬的電量轉換成數字量，由于功能比較單一， 不確定度源將主要依賴于數據采集卡原理，歸納起來主要有：

前置增益失調及其溫度漂移、后置增益失調及其溫度漂移，這些 不確定度源認為是服從均勻分布的隨機變量；

程控放大增益失調及其溫度漂移、卡內標定參考的長時間穩定性 以及溫度漂移是相對誤差指標，這些不確定度源認為是服從均勻分布 的隨機變量與采樣值的乘積；

積分非線性、微分非線性以及量化誤差是以采樣分辨率為單位， 這些不確定度源認為是服從均勻分布的隨機變量與最小分辨電壓的 乘積；

噪聲認為是服從正態分布的隨機變量、在多通道測量時道間干擾 會對虛擬儀器測量不確定度產生影響；

這些不確定度源的具體數值依賴于數據采集卡的型號，從相關數 據采集卡手冊上獲得；

步驟四：利用測量隨機誤差仿真模塊，產生表征各不確定度源信 息的特定區間服從特定分布的隨機數來模擬數據采集卡引起的隨機 誤差和集成傳感器引起的隨機誤差，分別得到仿真數據采集卡引起的 隨機誤差Δx_Di，仿真集成傳感器引起的隨機誤差Δx_Ti，累加后仿真虛 擬儀器測量隨機誤差；

首先輸入虛擬儀器測量采樣通道數、測量輸入范圍、測量采樣序 列、測量采樣尺寸和測量溫度的具體數據；

再依據蒙特卡羅方法產生均勻分布的隨機數，在通過隨機性檢驗 后，根據步驟三中所有不確定度源的標定數據和設定的概率分布模型， 并按照基于蒙特卡羅方法的隨機變量抽樣原則，產生合適的的隨機數 序列，來表征符合虛擬儀器測量各不確定度源統計規律的測量隨機誤 差；

依據這些不確定度源對采樣點上測量不確定度的影響關系，將這 些隨機數序列合成，建立起虛擬儀器測量隨機誤差仿真模塊；

該虛擬儀器測量不確定度自動評定方法，采用隨機變量替換抽樣 原則，該抽樣原則是基于蒙特卡羅方法的隨機變量抽樣原則的一種； 為了得到其它分布的隨機數，必須在均勻分布隨機數的基礎上，再進 行適當的抽樣；常用分布密度函數f(x)表示總體的己知分布，用ξ_f表 示由己知分布密度函數f(x)產生的簡單子樣ξ₁，…，ξ_n的個體；為了實 現某個復雜的隨機變量y的抽樣，將其表示成若干個簡單的隨機變 量x₁，...，x_n的函數y＝g(x₁，...，x_n)，得到x₁，...，x_n的抽樣后，即確定y的抽樣； 隨機變量替換抽樣原則即為

Y_f＝g(X₁，...，X_n)

虛擬儀器的內置模塊大部分是基于C語言編寫而成，因此，該 虛擬儀器測量不確定度自動評定方法在C語言環境下，產生與全部 集成傳感器和數據采集卡的不確定度源分布特性相同的隨機數來模 擬集成傳感器和數據采集卡引起的測量隨機誤差，然后把測量隨機誤 差累加以仿真虛擬儀器測量隨機誤差，程序參考虛擬儀器測量隨機誤 差模塊Error_simulation.dll文件，即步驟三中建立的測量隨機誤差仿 真模塊，對應的項目文件為Error_simulation.dsw；

步驟五：將測量隨機誤差仿真模塊得到的虛擬儀器測量隨機誤差 仿真值累加到數據采集后所得數字信號x_i上，經過數字信號處理模塊 處理后，得到大量的偽測量結果y_j(j＝1，…，M)；

虛擬儀器測量方式有單通道單點、單通道多點、多通道單點和 多通道多點四種，調用Error_simulation.dll文件模擬這四種采集 方式下虛擬儀器測量隨機誤差；

測量隨機誤差仿真模塊用法是：按照介紹的蒙特卡羅評定原理， 用戶在編譯好測量程序后，在采集所得的被測量數據上，根據數據 采集方式，累加測量隨機誤差仿真模塊產生的虛擬儀器測量隨機誤 差，得到偽測量數據，再將累加后的偽測量數據輸入到虛擬儀器軟 件平臺上測量主程序的數據處理部分，得到虛擬儀器測量結果，進 行循環并統計標準差從而得到虛擬儀器測量不確定度；

用戶只須要一組被測量數據采集值，就得到用戶需要的虛擬儀 器測量不確定度；

(1)單通道單點采集方式：

單通道單點采集方式采集的單個輸入電壓值進入虛擬儀器測量 隨機誤差仿真模塊后，設置以下參數的值：溫度、電壓上限和電壓下 限，最后得到的是表示隨機誤差的單個輸出電壓值和出錯信息；此時 模塊中CLFN節點調用的Function?Name是Error_simulation.dsw文件 里的Simulate_Onepoint函數，其中，所述CLFN節點即是調用庫函 數節點；

(2)單通道多點采集方式

單通道多點采集方式采集的一維電壓值數組進入這個虛擬儀器 測量隨機誤差仿真模塊后，設置以下參數的值：溫度、電壓上限和電 壓下限，最后得到的是表示隨機誤差的電壓數組和出錯信息；此時 CLFN節點調用的Function?Name是Error_simulation.dsw文件里的 Simulate_Onearray函數；

(3)多通道單點采集方式

多通道單點采集方式采集的一維電壓值數組輸入虛擬儀器測量 隨機誤差仿真模塊后，設置以下參數的值：溫度、電壓上限和電壓下 限，最后得到的是表示采樣隨機誤差的電壓數組和出錯信息；此時 CLFN節點調用的Function?Name是Error_simulation.dsw文件里的 Simulate_Multpoint函數；

(4)多通道多點采集方式

多通道多點采集方式采集的多維電壓數組進入虛擬儀器測量隨 機誤差仿真模塊，設置外界環境溫度值、電壓上限和電壓下限，最后 得到的是表示PCI-6024E數據采集卡上采樣隨機誤差的多維電壓數 組和出錯信息；此時CLFN節點調用的Function?Name是 Error_simulation.dsw文件里的simulate_Maltarray函數；

步驟六：對這M個偽測量結果進行統計分析得到測量結果的合成 不確定度u_c(y)；依據單通道單點、單通道多點、多通道單點和多通道 多點四種虛擬儀器測量方式所得偽測量結果進行統計分析，實現虛擬 儀器測量不確定度的自動評定；即虛擬儀器測量標準不確定度的無偏 估計按貝塞爾公式計算：

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