[发明专利]虚拟仪器测量不确定度自动评定方法

权利要求书

1.一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；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，这种连续 电信号必须经过A/D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，这 些数字信号处理模块直接处理经数据采集卡转换后数字信号，并显示 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；

集成传感器的不确定度源归纳起来主要有：

线性度，表征集成传感器输入输出特性的非线性，定义为集成传 感器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，表征集成传感器在正、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，

根据测量不确定度表达指南，这些不确定度源认为是服从均匀分 布的在规定区间的随机变量；

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；

这些不确定度源的具体数值依赖于数据采集卡的型号，从相关数 据采集卡手册上获得；

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Δx_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；

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、测量采样尺寸和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；

该虚拟仪器测量不确定度自动评定方法，采用随机变量替换抽样 原则，该抽样原则是基于蒙特卡罗方法的随机变量抽样原则的一种； 为了得到其它分布的随机数，必须在均匀分布随机数的基础上，再进 行适当的抽样；常用分布密度函数f(x)表示总体的己知分布，用ξ_f表 示由己知分布密度函数f(x)产生的简单子样ξ₁，…，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x₁，...，x_n的函数y＝g(x₁，...，x_n)，得到x₁，...，x_n的抽样后，即确定y的抽样； 随机变量替换抽样原则即为

Y_f＝g(X₁，...，X_n)

虚拟仪器的内置模块大部分是基于C语言编写而成，因此，该 虚拟仪器测量不确定度自动评定方法在C语言环境下，产生与全部 集成传感器和数据采集卡的不确定度源分布特性相同的随机数来模 拟集成传感器和数据采集卡引起的测量随机误差，然后把测量随机误 差累加以仿真虚拟仪器测量随机误差，程序参考虚拟仪器测量随机误 差模块Error_simulation.dll文件，即步骤三中建立的测量随机误差仿 真模块，对应的项目文件为Error_simulation.dsw；

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)；

虚拟仪器测量方式有单通道单点、单通道多点、多通道单点和 多通道多点四种，调用Error_simulation.dll文件模拟这四种采集 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生的虚拟仪器测量随机误 差，得到伪测量数据，再将累加后的伪测量数据输入到虚拟仪器软 件平台上测量主程序的数据处理部分，得到虚拟仪器测量结果，进 行循环并统计标准差从而得到虚拟仪器测量不确定度；

用户只须要一组被测量数据采集值，就得到用户需要的虚拟仪 器测量不确定度；

(1)单通道单点采集方式：

单通道单点采集方式采集的单个输入电压值进入虚拟仪器测量 随机误差仿真模块后，设置以下参数的值：温度、电压上限和电压下 限，最后得到的是表示随机误差的单个输出电压值和出错信息；此时 模块中CLFN节点调用的Function Name是Error_simulation.dsw文件 里的Simulate_Onepoint函数，其中，所述CLFN节点即是调用库函 数节点；

(2)单通道多点采集方式

单通道多点采集方式采集的一维电压值数组进入这个虚拟仪器 测量随机误差仿真模块后，设置以下参数的值：温度、电压上限和电 压下限，最后得到的是表示随机误差的电压数组和出错信息；此时 CLFN节点调用的Function Name是Error_simulation.dsw文件里的 Simulate_Onearray函数；

(3)多通道单点采集方式

多通道单点采集方式采集的一维电压值数组输入虚拟仪器测量 随机误差仿真模块后，设置以下参数的值：温度、电压上限和电压下 限，最后得到的是表示采样随机误差的电压数组和出错信息；此时 CLFN节点调用的Function Name是Error_simulation.dsw文件里的 Simulate_Multpoint函数；

(4)多通道多点采集方式

多通道多点采集方式采集的多维电压数组进入虚拟仪器测量随 机误差仿真模块，设置外界环境温度值、电压上限和电压下限，最后 得到的是表示PCI-6024E数据采集卡上采样随机误差的多维电压数 组和出错信息；此时CLFN节点调用的Function Name是 Error_simulation.dsw文件里的simulate_Maltarray函数；

步骤六：对这M个伪测量结果进行统计分析得到测量结果的合成 不确定度u_c(y)；依据单通道单点、单通道多点、多通道单点和多通道 多点四种虚拟仪器测量方式所得伪测量结果进行统计分析，实现虚拟 仪器测量不确定度的自动评定；即虚拟仪器测量标准不确定度的无偏 估计按贝塞尔公式計算：

uc(y)=1MΣi=1Myi2.]]>