[發(fā)明專利]虛擬儀器測量不確定度自動評定方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910087496.X
• 申請日: 2009-06-23
• 公開（公告）號: CN101581587A
• 公開（公告）日: 2009-11-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王中宇;葛樂矣
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01D18/00
• 分類號: G01D18/00;G06F17/18
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 王順榮;唐愛華

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種虛擬儀器測量不確定度自動評定方法，屬于測試計量技術(shù) 領(lǐng)域。

(二)背景技術(shù)

70年代和80年代是現(xiàn)代不確定度理論形成與迅速發(fā)展的時期，經(jīng)過幾十 年的研究和發(fā)展，已形成較為完整的理論體系，它是集靜態(tài)測量不確定度與動 態(tài)測量不確定度、隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差、測量數(shù)據(jù)與測量方法、多種誤差分布 于一體的誤差分析與數(shù)據(jù)處理理論，實現(xiàn)了不確定度理論與計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的 結(jié)合。近年來新理論和新方法的不斷涌現(xiàn)，給虛擬儀器測量不確定度理論研究 注入了新的活力。

蒙特卡羅方法又稱隨機(jī)抽樣技巧或統(tǒng)計試驗方法。半個多世紀(jì)以來，由于 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電子計算機(jī)的發(fā)明，這種方法作為一種獨立的方法被提出 來，并首先在核武器的試驗與研制中得到了應(yīng)用。蒙特卡羅方法是一種計算方 法，但與一般數(shù)值計算方法有很大區(qū)別。它是以概率統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的一種方 法。由于蒙特卡羅方法能夠比較逼真地描述事物的特點及物理實驗過程，解決 一些數(shù)值方法難以解決的問題，因而該方法的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛。當(dāng)所求問題 的解是某個事件的概率，或者是某個隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望，或者是與概率、數(shù) 學(xué)期望有關(guān)的量時，通過某種試驗的方法，得出該事件發(fā)生的頻率，或者該隨 機(jī)變量若干個具體觀察值的算術(shù)平均值，通過它得到問題的解。這就是蒙特卡 羅方法的基本思想。這種方法的優(yōu)點在于：能夠比較逼真地描述具有隨機(jī)性質(zhì) 的事物的特點及物理實驗過程；受幾何條件限制小；收斂速度與問題的維數(shù)無 關(guān)；具有同時計算多個方案與多個未知量的能力；誤差容易確定；程序結(jié)構(gòu)簡 單，易于實現(xiàn)。

虛擬儀器的測量鏈由集成傳感器(內(nèi)置信號調(diào)理板)、數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī) 軟硬件所組成(見圖1)。傳感器模塊拾取被測信號，信號調(diào)理模塊實現(xiàn)測量信 號的放大、濾波與整形；數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換以及時鐘信號 發(fā)生。而對測量數(shù)據(jù)的處理分析和顯示等功能則由計算機(jī)軟件完成，軟件通常 包括數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序、數(shù)字信號處理程序和用戶接口程序等。從理論上講， 該測量鏈中的各個模塊的每一個不確定度源均會對虛擬儀器測量結(jié)果的不確定 度產(chǎn)生影響；從不確定度傳遞的角度看，由集成傳感器和數(shù)據(jù)采集卡所產(chǎn)生的 不確定度源必須經(jīng)過由計算機(jī)軟件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)對虛擬儀器測量結(jié) 果不確定度的貢獻(xiàn)。

目前測量結(jié)果不確定度評定多采用Guide?to?the?Expression?of?Uncertainty?in Measurement(GUM，測量不確定度表達(dá)指南)所推薦的離線數(shù)理統(tǒng)計方法，但由 于虛擬儀器支持多通道信號輸入和多通道輸出、對數(shù)字信號的處理機(jī)理常常不 滿足GUM所設(shè)定的顯式解析、可導(dǎo)、近線性的適用條件，以及所采用的數(shù)據(jù) 采集卡和不同集成傳感器的不確定度源具有多樣性和復(fù)雜性特點，因此對于虛 擬儀器測量不確定度評定而言，采用基于GUM的評定方法常常是個工程難題。

(三)發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是一種虛擬儀器測量不確定度自動評定方法，其目的是通過回避傳 統(tǒng)的測量不確定度評定方法中對測量機(jī)理的顯式、解析、線性的限制，在虛擬 儀器測量過程中引入測量不確定度自動評定模塊，能夠在得到測量結(jié)果的同時 得到相應(yīng)測量不確定度指標(biāo)，這將對虛擬儀器的設(shè)計和使用產(chǎn)生積極的影響。 因此，本發(fā)明是一種評定虛擬儀器測量不確定度方法。

虛擬儀器有別于傳統(tǒng)儀器的關(guān)鍵在于是以軟件的形式實現(xiàn)測量信號的分析 和處理，應(yīng)用蒙特卡羅方法評定虛擬儀器測量不確定度，其核心應(yīng)該是將按隨 機(jī)變量抽樣原則產(chǎn)生的測量誤差仿真數(shù)據(jù)融入測量程序中，獲得多個偽測量結(jié) 果，通過對偽測量結(jié)果的統(tǒng)計，估計虛擬儀器的測量不確定度，原理見圖2。

本發(fā)明一種實現(xiàn)虛擬儀器測量不確定度自動評定方法的全過程如下：

步驟一：使用集成傳感器模塊檢測被測量，在整形去噪后，轉(zhuǎn)換成能被數(shù) 據(jù)采集卡采集的信號。對某一被測量進(jìn)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(xù)的時域電信號，通常這種連續(xù)電信號必須經(jīng)過A/D(模 /數(shù))轉(zhuǎn)換后才能進(jìn)入虛擬儀器進(jìn)行處理。

步驟二：集成傳感器檢測后所得的連續(xù)電信號進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡后實現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換，在虛擬儀器軟件平臺上，處理采集后的數(shù)字電信號，得到測量結(jié)果。虛擬 儀器軟件通常內(nèi)置大量的數(shù)字信號處理模塊，如傅里葉變換、小波變換、相關(guān) 系數(shù)計算、頻譜分析、波形調(diào)理和信號濾波等，這些數(shù)字信號處理模塊可以直 接處理經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號，并可顯示出最后結(jié)果。