[发明专利]虚拟仪器测量不确定度自动评定方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种虚拟仪器测量不确定度自动评定方法，属于测试计量技术 领域。

(二)背景技术

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发明，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。

目前测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。

(三)发明内容

本发明是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，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，本发明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。

本发明一种实现虚拟仪器测量不确定度自动评定方法的全过程如下：

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。