基于數(shù)據(jù)采集器的虛擬儀器計量技術(shù)研究

時間：2018-11-13作者：廣東省世通儀器檢測服務(wù)有限公司瀏覽：52

近幾年來,虛擬儀器技術(shù)發(fā)展迅猛,其體現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)越來越明顯,而基于數(shù)據(jù)采集器的虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)較加明顯,其所需硬件少、可擴(kuò)展性強(qiáng),一臺虛擬儀器可以完成示波器、頻譜分析儀、數(shù)字多用表等功能。虛擬儀器的計量**是保證儀器的測量精度的必要手段,但是,目前國內(nèi)還沒有針對這類虛擬儀器出臺的計量檢定規(guī)程。

1、虛擬儀器的基本概念

虛擬儀器是一種概念儀器,目前**上還沒有一個明確的標(biāo)準(zhǔn)和定義。虛擬儀器就是一種基于計算機(jī)的自動化測試儀器系統(tǒng)。普遍認(rèn)為,所謂虛擬儀器就是采用計算機(jī)開放體系結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的單機(jī)測量儀器,對各種各樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)處理、顯示和存儲。虛擬儀器在基本原理上與傳統(tǒng)儀器并無本質(zhì)區(qū)別,但是在儀器原理的實(shí)現(xiàn)上,虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器卻有以下所不同。

(1)傳統(tǒng)儀器側(cè)重于硬件技術(shù),儀器功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴硬件電路,功能的擴(kuò)展和性能的提高體現(xiàn)的是新材料、新工藝、新原理結(jié)構(gòu)的發(fā)展。整個儀器各部分耦合性強(qiáng),關(guān)系密切,一般不能拆分。而虛擬儀器側(cè)重是通用軟、硬件平臺,是數(shù)學(xué)模型、算法設(shè)計、軟件手段與硬件技術(shù)的**結(jié)合,較終實(shí)現(xiàn)儀器功能和性能。虛擬儀器較多地體現(xiàn)了數(shù)學(xué)理論、信息理論及信息技術(shù)的應(yīng)用。

(2)傳統(tǒng)儀器受硬件、體積重量限制,實(shí)現(xiàn)功能較單一,技術(shù)較新也較慢,而虛擬儀器在同一硬件基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)多種功能,隨著數(shù)學(xué)研究和算法設(shè)計的發(fā)展,虛擬儀器可以實(shí)現(xiàn)的功能增長速度很快,性能提高也很快。

2、虛擬儀器的計量檢定

目前,國內(nèi)還沒有專門出臺虛擬儀器的計量檢定規(guī)程,現(xiàn)行虛擬儀器的計量檢定還是根據(jù)與其測量功能相對應(yīng)的傳統(tǒng)儀器的計量檢定規(guī)程進(jìn)行計量,即每一種功能都以其較終表現(xiàn)形式進(jìn)行量傳溯源,整個儀器計量檢定工作需要不同的計量標(biāo)準(zhǔn)儀器根據(jù)不同的測量功能提供不同的計量標(biāo)準(zhǔn)信號,即每一種功能按儀器整體進(jìn)行計量檢定。因?yàn)樘摂M儀器每種功能都是建立在同一硬件基礎(chǔ)上,按照傳統(tǒng)儀器的計量檢定方法,這會使計量檢定工作陷入“疲于奔命”的尷尬境地,計量資源、技術(shù)支持、人員配置與培訓(xùn)等都難以滿足性能儀器快速發(fā)展帶來的計量需求。

虛擬儀器的通用硬件和算法軟件屬于兩個不同的領(lǐng)域,可以拆分,因此,其儀器主要構(gòu)成部分的可分離性為新型元器件虛擬儀器新的計量檢定方法研究提供了可能。這里采用一種簡單、便捷的儀器計量檢定辦法對虛擬儀器進(jìn)行計量,這種計量檢定方法側(cè)重的是軟件及數(shù)學(xué)模型作為儀器的一部分所體現(xiàn)出的性能的評價,以及它與硬件平臺的性能較終合成虛擬儀器總體性能的溯源問題。它的**思想是先利用計量標(biāo)準(zhǔn)儀器對虛擬儀器的硬件平臺進(jìn)行計量,即對硬件平臺在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過程中的誤差進(jìn)行分析和評定,得到硬件平臺的技術(shù)指標(biāo),如采集速率、轉(zhuǎn)換精度等;利用軟件產(chǎn)生符合硬件平臺技術(shù)指標(biāo)的仿真采樣信號,而后儀器軟件平臺采用各種不同的算法對仿真信號進(jìn)行處理,得到信號各種特征的測量結(jié)果,對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析得到虛擬儀器的性能指標(biāo)。不同的測量功能對于硬件平臺的技術(shù)指標(biāo)和所需標(biāo)準(zhǔn)信號的要求是不一樣的,因此,其產(chǎn)生的仿真信號也是不同的。

2.1　靜態(tài)測量特性評定

基于數(shù)據(jù)采集器的虛擬儀器的靜態(tài)測試功能主要是直流電壓、電流、電阻測量,電流、電阻數(shù)字化測量的**技術(shù)與電壓數(shù)字化測量相同,不同之處是將電流、電阻轉(zhuǎn)換為電壓,因此,其計量檢定方法與測電壓功能的計量檢定方法相同。其靜態(tài)測量特性評定分為兩個部分:硬件平臺技術(shù)指標(biāo)計量和軟件平臺技術(shù)指標(biāo)計量。

2.1.1　硬件平臺技術(shù)指標(biāo)計量

硬件平臺技術(shù)指標(biāo)中對虛擬儀器靜態(tài)測試功能影響較大的是轉(zhuǎn)換精度,其采集速率的誤差影響可以忽略,因此只對其轉(zhuǎn)換精度進(jìn)行計量。硬件平臺轉(zhuǎn)換精度的計量可以利用Fluke 5520A標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)源為其提供標(biāo)準(zhǔn)直流電壓信號,讓儀器對標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行采樣,對采樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,可以得到硬件平臺轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)誤差u及標(biāo)準(zhǔn)不確定度σ,硬件平臺轉(zhuǎn)換過程中的測量誤差ΔX服從N(u,σ2)的正態(tài)分布。

2.1.2　軟件平臺技術(shù)指標(biāo)計量

虛擬儀器軟件平臺主要是各種算法模型,其誤差主要是各種算法的誤差,每種算法的誤差模型是不變的,而需將硬件平臺的測量數(shù)據(jù)作為輸入,計量方法一般是算法推導(dǎo)、仿真,因此,對軟件平臺技術(shù)指標(biāo)的計量實(shí)際上是虛擬儀器軟硬件平臺技術(shù)指標(biāo)合成的過程。

在對軟件平臺技術(shù)指標(biāo)的計量中,首先由軟件產(chǎn)生符合硬件平臺技術(shù)指標(biāo)的仿真信號,即軟件按照該硬件平臺轉(zhuǎn)換誤差分布進(jìn)行抽樣,樣本容量為n,根據(jù)公式:

               Xi=X+ΔXi,i=1,2,…,n            (1)

式中:Xi為仿真采樣數(shù)據(jù);X為理想電壓值;ΔXi為采樣過程中的誤差。利用虛擬儀器軟件平臺中靜態(tài)測試功能算法,如平均求和法,遞推求和法等,對仿真采樣數(shù)據(jù)Xi進(jìn)行處理,對處理結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析,根據(jù)分析結(jié)果對虛擬儀器靜態(tài)測試功能做出評價。

2.2　動態(tài)測量特性評定

基于數(shù)據(jù)采集器的虛擬儀器的動態(tài)測試功能主要是動態(tài)信號測量,如交流電壓、電流測量,幅頻特性,相位差測量等,其動態(tài)測量特性評定與靜態(tài)測量特性指標(biāo)的兩個部分相同。

2.2.1　硬件平臺技術(shù)指標(biāo)計量

在動態(tài)測試中硬件平臺主要對動態(tài)信號進(jìn)行離散化和量化,其原理誤差主要有兩項(xiàng):一項(xiàng)是離散化過程中用時間上離散的數(shù)據(jù)近似代替時間上連續(xù)的數(shù)據(jù)所產(chǎn)生誤差,主要取決于硬件平臺的通道采集速率;另一項(xiàng)是對離散后的電壓信號的幅值進(jìn)行量化而產(chǎn)生的誤差,主要取決于硬件平臺轉(zhuǎn)換精度。因此,硬件平臺的技術(shù)指標(biāo)中對動態(tài)測試精度影響較大的除了上述的硬件平臺的轉(zhuǎn)換精度外,還包括數(shù)據(jù)采集器的通道采集速率。轉(zhuǎn)換精度的計量按照上述的方法進(jìn)行計量,通道采集速率是采集通道在單位時間內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)個數(shù),是比較重要的動態(tài)特性指標(biāo),其計量多使用標(biāo)準(zhǔn)周期計數(shù)法進(jìn)行,其基本思想是通過給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集通道加載一個周期非常準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)信號,啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對該信號進(jìn)行采集,找出采集數(shù)據(jù)個數(shù)中所包含的輸入信號整周期的個數(shù)N,以及N個信號整周期中包含的采集數(shù)據(jù)個數(shù)n。若標(biāo)準(zhǔn)信號頻率為f,周期為T,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道采集速率為v,則:

               v=n/(NT)=nf/N                   (2)

對輸入的標(biāo)準(zhǔn)周期信號進(jìn)行多次重復(fù)測量,得出N個信號整周期的采集數(shù)據(jù)個數(shù)ni(i=1,2,…,n),由式(2)得出數(shù)據(jù)采集通道采集速率vi(i=1,2…,n),對其求平均得到通道采集速率 v,利用貝塞爾公式得到其標(biāo)準(zhǔn)不確定度σv,因此,采集速率的誤差Δv服從N(0,σ2v)的正態(tài)分布。

2.2.2　軟件平臺技術(shù)指標(biāo)計量

在虛擬儀器動態(tài)測試中,當(dāng)其輸入信號為一隨時間變化的變化量,設(shè)其輸入信號為y=x(t),而其硬件平臺的計量結(jié)果為測量誤差ΔX服從N(u,σ2)的正態(tài)分布,其通道采集速率為 v,誤差Δv服從N(0,σ2v)的正態(tài)分布。利用數(shù)值仿真方法對輸入信號y=x(t)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真,其采樣數(shù)據(jù)是一些離散化的值yi(i=1,2,…,n),其時間也是離散化的ti其中ti=i/v為*i個測量點(diǎn)的時刻,再利用軟件平臺的各種測試算法對仿真采樣數(shù)據(jù)yi(i=1,2,…,n)進(jìn)行處理,得到信號的各種參數(shù),如有效值,失真度,幅頻特性,相頻特性等,對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析得到虛擬儀器動態(tài)測試功能的計量評價結(jié)果。

首先,由計算機(jī)軟件產(chǎn)生服從誤差分布密度函數(shù)的抽樣隨機(jī)數(shù),其測量誤差為ΔX～N(u,σ2)的正態(tài)分布,基于數(shù)據(jù)采集器的虛擬儀器計量技術(shù)研究通道采集速率的誤差Δv～N(0,σ2v)的正態(tài)分布,由軟件產(chǎn)生m組服從相應(yīng)正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)Δv_ji和ΔX_ji(j=1,2,…,m,i=1,2,…,n),得到m組仿真的采樣速率v_ji′為:v_ji′= v+Δv_ji,則其采樣時間點(diǎn)t_ji′=i/v_ji′,將采樣時間點(diǎn)和測量誤差的偽隨機(jī)數(shù)帶入輸入信號的模型中得到m組輸入信號y=x(t)的仿真采樣數(shù)據(jù),即:

     y_ji′=x(t_ji′)+ΔX_ji               (3)

式中:y_ji′表示*j(j=1,2,…,m)組仿真采樣數(shù)據(jù)中*i(i=1,2,…,n)個采樣點(diǎn)的值。用各種算法對輸入信號的仿真采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析、數(shù)字濾波、微分、積分、求有效值、傅里葉變換和小波變換,得到信號的各方面信息。它有m組測量結(jié)果,進(jìn)行統(tǒng)計分析,得到該虛擬儀器動態(tài)測試功能的計量評價結(jié)果。

 

由于虛擬儀器發(fā)展的歷史比較短,其計量檢定工作在國內(nèi)甚至**幾乎還是空白,而虛擬儀器校準(zhǔn)和校正檢定工作又是不可缺的?；跀?shù)據(jù)采集器的虛擬儀器的計量評價是軟件及數(shù)學(xué)模型作為儀器一部分所體現(xiàn)的性能的評價,以及它與硬件平臺的性能較終合成虛擬儀器總體性能的溯源問題。它的誤差主要來源還是硬件部分,因此其計量檢定方案側(cè)重對于硬件平臺的計量校正。


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