虚拟仪器测量不确定度自动评定方法技术

一种虚拟仪器测量不确定度自动评定方法，其目的是通过回避传统的测量不确定度评定方法中对测量机理的显式、解析、线性的限制，以软件的形式实现测量信号的分析和处理，应用蒙特卡罗方法评定虚拟仪器测量不确定度，其核心应该是将按随机变量抽样原则产生的测量误差仿真数据融入测量程序中，获得多个伪测量结果，通过对伪测量结果的统计，估计虚拟仪器的测量不确定度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于测试计量
(二)
技术介绍
70年代和80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。蒙特卡罗方法又称随机抽样技巧或统计试验方法。半个多世纪以来，由于 科学技术的发展和电子计算机的专利技术，这种方法作为一种独立的方法被提出 来，并首先在核武器的试验与研制中得到了应用。蒙特卡罗方法是一种计算方 法，但与一般数值计算方法有很大区别。它是以概率统计理论为基础的一种方 法。由于蒙特卡罗方法能够比较逼真地描述事物的特点及物理实验过程，解决 一些数值方法难以解决的问题，因而该方法的应用领域日趋广泛。当所求问题 的解是某个事件的概率，或者是某个随机变量的数学期望，或者是与概率、数 学期望有关的量时，通过某种试验的方法，得出该事件发生的频率，或者该随 机变量若干个具体观察值的算术平均值，通过它得到问题的解。这就是蒙特卡 罗方法的基本思想。这种方法的优点在于能够比较逼真地描述具有随机性质 的事物的特点及物理实验过程；受几何条件限制小；收敛速度与问题的维数无 关；具有同时计算多个方案与多个未知量的能力；误差容易确定；程序结构简 单，易于实现。虚拟仪器的测量链由集成传感器(内置信号调理板)、数据采集卡、计算机 软硬件所组成(见图1)。传感器模块拾取被测信号，信号调理模块实现测量信号的放大、滤波与整形；数据采集卡实现模拟量向数字量的转换以及时钟信号 发生。而对测量数据的处理分析和显示等功能则由计算机软件完成，软件通常 包括数据采集卡驱动程序、数字信号处理程序和用户接口程序等。从理论上讲， 该测量链中的各个模块的每一个不确定度源均会对虚拟仪器测量结果的不确定 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卡所产生的 不确定度源必须经过由计算机软件实现的数据处理模块实现对虚拟仪器测量结 果不确定度的贡献。目前领l量结果不确定度评定多采用Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement(GUM，测量不确定度表达指南)所推荐的离线数理统计方法，但由 于虚拟仪器支持多通道信号输入和多通道输出、对数字信号的处理机理常常不 满足GUM所设定的显式解析、可导、近线性的适用条件，以及所采用的数据 采集卡和不同集成传感器的不确定度源具有多样性和复杂性特点，因此对于虚 拟仪器测量不确定度评定而言，采用基于GUM的评定方法常常是个工程难题。
技术实现思路
本专利技术是一种，其目的是通过回避传 统的测量不确定度评定方法中对测量机理的显式、解析、线性的限制，在虚拟 仪器测量过程中引入测量不确定度自动评定模块，能够在得到测量结果的同时 得到相应测量不确定度指标，这将对虚拟仪器的设计和使用产生积极的影响。 因此，本专利技术是一种评定虚拟仪器测量不确定度方法。虚拟仪器有别于传统仪器的关键在于是以软件的形式实现测量信号的分析 和处理，应用蒙特卡罗方法评定虚拟仪器测量不确定度，其核心应该是将按随 机变量抽样原则产生的测量误差仿真数据融入测量程序中，获得多个伪测量结 果，通过对伪测量结果的统计，估计虚拟仪器的测量不确定度，原理见图2。本专利技术一种实现的全过程如下步骤一使用集成传感器模块检测被测量，在整形去噪后，转换成能被数 据采集卡采集的信号。对某一被测量进行测量，在本步骤中是用集成传感器检 测这种被测量，得到连续的时域电信号，通常这种连续电信号必须经过A/D(模 /数)转换后才能进入虚拟仪器进行处理。步骤二集成传感器检测后所得的连续电信号进入数据采集卡后实现A/D 转换，在虚拟仪器软件平台上，处理采集后的数字电信号，得到测量结果。虚拟 仪器软件通常内置大量的数字信号处理模块，如傅里叶变换、小波变换、相关 系数计算、频谱分析、波形调理和信号滤波等，这些数字信号处理模块可以直 接处理经数据采集卡转换后数字信号，并可显示出最后结果。步骤三分析集成传感器和数据采集卡的不确定度源。由于在测量过程中，软件一般不会产生不确定度影响，所以虚拟仪器测量 的不确定度来源于集成传感器和数据采集卡，这些不确定度源可依据厂商提供 的技术手册或说明书得到对应的标定数据。集成传感器的不确定度源归纳起来主要有线性度，表征集成传感器模块输入输出特性的非线性，定义为集成传感器 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；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；重复性误差，表征集成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；灵敏度误差，表征集成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，根据GUM这些不确定度源可以认为是服从均匀分布的在规定区间的随机有些集成传感器的技术手册并没有提供详细的不确定度源标定数据，仅仅给出了静态误差，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。此时应统计在不同离散采样点时的全部输出数据的标准差，进而根据GUM(测量不确定度表达指南),得到集成传感器引起的测量标准不确 定度。数据采集卡实现将模拟的电量转换成数字量，由于功能比较单一，不确定 度源将主要依赖于数据采集卡原理，归纳起来主要有前置增益失调及其温度漂移、后置增益失调及其温度漂移，这些不确定度 源可以认为是服从均匀分布的随机变量；程控放大增益失调及其温度漂移、卡内标定参考的长时间稳定性以及温度 漂移是相对误差指标，这些不确定度源可以认为是服从均匀分布的随机变量与采样值的乘积；积分非线性、微分非线性以及量化误差是以采样分辨率为单位，这些不确 定度源可以认为是服从均匀分布的随机变量与最小分辨电压的乘积；噪声可以认为是服从正态分布的随机变量、在多通道测量时道间干扰会对 虚拟仪器测量不确定度产生影响；调节时间误差表征将一个信号放大到一定值并稳定在一定精度范围所需要 的最短时间，数据采集模块的最大采样率就是依据于该值，定义为在满刻度条 件下，实际信号到大放大器之后的一段时间后，信号稳定在一定范围之内，可 以认为是服从正态分布的随机变量与采样信号变化率的乘积。这些不确定度源的具体数值依赖于数据采集卡的型号，可从相关数据采集卡手册上可以获得。如表1所示。表l数据采集卡各不确定度分量的不确定度分布特性序号不确定度源分布类型1前增益偏置均匀2后增益偏置均匀3前增益偏置温度系数均匀4后增益偏置温度系数均匀5程控增益偏差均匀6程控增益温度系数均匀7卡上基准温度系数均匀8卡上基准稳定性均匀8<table>table see original document page 9</column></row><table>步骤四利用测量随机误差仿真模块，产生表征各不确定度源本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种虚拟仪器测量不确定度自动评定方法，其特征在于：　步骤一：使用集成传感器模块检测被测量，在整形去噪后，转换成能被数据采集卡采集的信号；　步骤二：集成传感器检测后所得的连续电信号进入数据采集卡后实现Ａ／Ｄ转换，在虚拟仪器软件平台 上，处理采集后的数字电信号，得到测量结果；　步骤三：分析集成传感器和数据采集卡的不确定度源；　步骤四：利用测量随机误差仿真模块，产生表征各不确定度源信息的特定区间服从特定分布的随机数来模拟数据采集卡引起的随机误差和集成传感器引起 的随机误差，分别得到仿真数据采集卡引起的随机误差Ａｘ↓［Ｄｉ］，仿真集成传感器引起的随机误差Δｘ↓［Ｔｉ］，累加后仿真虚拟仪器测量随机误差；　该测量随机误差仿真模块建立过程是：首先输入虚拟仪器测量采样通道数、测量输入范围、测量采样序列 、测量采样尺寸、测量温度的具体数据；再依据蒙特卡罗方法产生均匀分布的随机数，在通过随机性检验后，根据步骤三中所有不确定度源的标定数据和设定的概率分布模型，并按照基于蒙特卡罗方法的随机变量抽样原则，产生合适的随机数序列，来表征符合虚拟仪器测量各不确定度源统计规律的测量随机误差；依据这些不确定度源对采样点上测量总不确定度的影响关系，将这些随机数序列合成，建立起虚拟仪器测量随机误差仿真模块；　所述基于蒙特卡罗方法的随机变量抽样原则采用随机变量替换抽样原则；在均匀分布随机数的基 础上，再进行适当的抽样；采用分布密度函数ｆ（ｘ）表示总体的已知分布，用ξ↓［ｆ］表示由已知分布密度函数ｆ（ｘ）产生的简单子样ξ↓［１］，…，ξ↓［ｎ］的个体；为了实现某个复杂的随机变量ｙ的抽样，将其表示成若干个简单的随机变量ｘ↓［１］，…，ｘ↓［ｎ］的函数ｙ＝ｇ（ｘ↓［１］，…，ｘ↓［ｎ］），得到ｘ↓［１］，……，ｘｎ的抽样后，即可确定ｙ的抽样；随机变量替换抽样原则即为　Ｙ↓［ｆ］＝ｇ（Ｘ↓［１］，…，Ｘ↓［ｎ］）　步骤五：将测量随机误差仿真模块得到的虚拟仪器测量 随机误差仿真值累加到数据采集后所得数字信号ｘ↓［ｉ］上，经过数字信号处理模块处理后，得到大量的伪测量结果ｙ↓［ｊ］（ｊ＝１，…，Ｍ）；　调用测量随机误差仿真模块模拟这四种采集方式下虚拟仪器测量随机误差；　测量随机误差仿真模块用法 是：按照介绍的蒙特卡罗评定原理，用户在编译好测量程序后，在采集所得的被测量数据上，根据数据采集方式，累加测量随机误差仿真模块产...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王中宇，葛乐矣，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]