基于蒙特卡羅方法的虛擬儀器測(cè)量不確定度評(píng)估

羅 豐，張志凱

（浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，310018）

基于蒙特卡羅方法的虛擬儀器測(cè)量不確定度評(píng)估

羅 豐，張志凱

（浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，310018）

對(duì)于虛擬儀器測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估的基本思路就是運(yùn)用概率事件中的仿真技術(shù)。這一技術(shù)能夠產(chǎn)生出服從某一特定概率分布的隨機(jī)數(shù)值，對(duì)虛擬儀器測(cè)量鏈里的隨機(jī)誤差源作出合理的模仿，將模擬隨機(jī)誤差和采樣數(shù)據(jù)，一起輸入到虛擬儀器信號(hào)中的處理模塊內(nèi)，取得一系列的偽測(cè)量結(jié)果。接下來(lái)，就是利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中標(biāo)準(zhǔn)方差對(duì)偽測(cè)量結(jié)果加以表示，所表示出來(lái)的則是虛擬儀器測(cè)量結(jié)果的不確定度。同時(shí)，利用虛擬儀器的設(shè)計(jì)平臺(tái)所提供的擴(kuò)展機(jī)制，對(duì)數(shù)據(jù)采集卡中隨機(jī)采樣的誤差仿真模塊進(jìn)行構(gòu)建。運(yùn)用誤差仿真模塊來(lái)對(duì)信號(hào)的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)估，把評(píng)估的結(jié)果和理論值進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比，取得了比較好的一致性。

蒙特卡羅方法；虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集；測(cè)量不確定度

0 引言

目前，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，人們希望有更多擁有競(jìng)爭(zhēng)力的一系列測(cè)試產(chǎn)品能夠以最快的速度投入到市場(chǎng)。和傳統(tǒng)的儀器測(cè)量比較來(lái)看，虛擬儀器對(duì)于被測(cè)量數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算更加復(fù)雜并且速度也更快，當(dāng)然對(duì)測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方面，也是更為多樣化的，虛擬測(cè)量可以方便存儲(chǔ)、交換一些測(cè)試的數(shù)據(jù)，其價(jià)格雖然比較低廉但是技術(shù)更新非常快。從理論的角度來(lái)講，在虛擬儀器測(cè)量的每個(gè)模塊中，每個(gè)誤差源都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度造成一些影響。而從誤差的傳遞角度來(lái)講，通過(guò)集成傳感器與數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生出來(lái)的誤差源，一定要利用計(jì)算機(jī)軟件的數(shù)據(jù)處理模塊，對(duì)虛擬儀器測(cè)量結(jié)果不確定度做出貢獻(xiàn)。正是因?yàn)樘摂M儀器的測(cè)量功能以及面板控件都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了軟件化，所有的使用者均能夠利用修改虛擬儀器的軟件改變其功能，甚至可以對(duì)其規(guī)模加以改變其。

1 虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)的概述

伴隨著運(yùn)用的計(jì)算機(jī)技術(shù)與總線方式的不同，虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展也是有所不同的，大致分成五種形式:

(1)PCI總線-插卡式:插卡型的虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)借助插到計(jì)算機(jī)里的數(shù)據(jù)采集卡和專用的軟件結(jié)合在一起，共同構(gòu)成了虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)。可是PC的機(jī)箱與總線都存在限制因素，

比如電源的功率不夠充足，機(jī)箱里面的部分有很大噪聲，插槽數(shù)量太少，插槽的尺寸有些小，機(jī)箱里面無(wú)法屏蔽等等，所以其價(jià)格較貴。

上圖為 PCI總線-插卡式虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)組成

(2)并行口式:在最新研發(fā)出的一系列裝置中，可以將測(cè)試裝置連接到計(jì)算機(jī)并行口，把測(cè)試儀器的硬件集成到一個(gè)采集盒里。將測(cè)試儀器軟件裝到計(jì)算機(jī)上，往往能夠完成各種各樣的測(cè)量?jī)x器的測(cè)試功能，同時(shí)還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄和數(shù)據(jù)采集。因?yàn)樗膬r(jià)格比較低，用途十分廣泛，對(duì)于研發(fā)部門以及教學(xué)實(shí)驗(yàn)室里是特別適用的。

(3)GPIB總線式:GPIB技術(shù)的出現(xiàn)讓電子測(cè)量從單獨(dú)的手工操作發(fā)展成為規(guī)模非常大的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，GPIB測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與命令是很簡(jiǎn)單的。

(4)VXI總線式:VXI總線為高速計(jì)算機(jī)總線在VI領(lǐng)域中的擴(kuò)展，其擁有穩(wěn)定的電源以及非常強(qiáng)大的冷卻能力，它嚴(yán)格的RFI／EMI屏蔽也是強(qiáng)而有力的。因?yàn)閄I總線方式虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如:標(biāo)準(zhǔn)開放與結(jié)構(gòu)緊湊以及數(shù)據(jù)收放能力非常強(qiáng)；定時(shí)與同步精確的模塊可以反復(fù)使用；許多儀器的廠家可以支持這種虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)，正由于擁有這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因此其得到了極其廣泛的應(yīng)用。

(5)PXI總線式:PXI總線式是在PCI總線的內(nèi)核技術(shù)上，PXI總線式是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上，加入多板同步觸發(fā)總線的高新技術(shù)，方便了利用相鄰的模塊進(jìn)行高速通訊。與其他虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)相比，有極高的擴(kuò)展性，這種系統(tǒng)有8個(gè)擴(kuò)展槽，但是臺(tái)式的PCI系統(tǒng)最多只有4個(gè)擴(kuò)展槽，通過(guò)運(yùn)用PCI—PCI橋接器，可以使擴(kuò)展槽得數(shù)量達(dá)到到200余個(gè)，把臺(tái)式PC比較高的性能與PCI總線進(jìn)入儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合到一起，未來(lái)會(huì)形成虛擬的儀器平刨。

2 虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量不確定度分析

在實(shí)際中運(yùn)用虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，因?yàn)樵O(shè)備不夠精確，方法尚未完善，程序還不規(guī)范，甚至還存在一些環(huán)境因素的影響，都有可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果多多少少會(huì)偏離測(cè)量的真值，存在測(cè)量誤差是無(wú)法避免的。從理論角度來(lái)講，在虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)里，由于各個(gè)組成模塊都會(huì)有不確定度源，因此都有可能對(duì)虛擬儀器測(cè)量結(jié)果的不確定度造成影響。從不確定度傳遞的方面來(lái)看，不確定度源是集成傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊產(chǎn)生的，就一定要通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理工作，將數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)模擬量到成數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，功能有些單一，不確定度源最主要的是依靠數(shù)據(jù)采集卡。

上圖為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖

2.1 方法一:依照廠家提供的標(biāo)定手冊(cè)進(jìn)行分析

依照廠家提供的標(biāo)定手冊(cè)對(duì)集成傳感器不確定度來(lái)源進(jìn)行分析，大致可以歸納為線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度誤差這四點(diǎn)。

2.2 方法二:依照精確度較高的測(cè)量?jī)x器標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行分析

依照精確度較高的測(cè)量?jī)x器標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行分析，能夠利用精確度較高的集成溫度傳感器，在相對(duì)比較理想的測(cè)試環(huán)境下，標(biāo)定方法一里的集成傳感器，以此來(lái)得到其合成不確定度的信息。總言而之，對(duì)于集成傳感器的不確定度分析，是專研基于蒙特卡羅方法的虛擬儀器測(cè)量不確定度評(píng)估這項(xiàng)工作中一個(gè)較為重要的組成部分，這會(huì)決定整個(gè)虛擬儀器測(cè)量不確定度評(píng)估是否會(huì)成功。

3 蒙特卡羅方法在測(cè)量不確定度評(píng)估上的應(yīng)用

測(cè)量不確定度是對(duì)測(cè)量后取得的結(jié)果存在無(wú)法肯定的程度，其那個(gè)反映出對(duì)被測(cè)的真值存在認(rèn)識(shí)全面的問(wèn)題，在進(jìn)行檢驗(yàn)以及測(cè)量設(shè)備使用的時(shí)候，必須確保測(cè)量不確定度是已知的，并且和要求的測(cè)量能力達(dá)到一致。蒙特卡羅方法能夠很好的解決在虛擬儀器測(cè)量中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。當(dāng)已知誤差傳遞系數(shù)的時(shí)候，對(duì)一個(gè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行評(píng)估，其不確定度的分量誤差傳遞系數(shù)，往往能夠利用求導(dǎo)的數(shù)學(xué)方法求得。利用蒙特卡羅方法對(duì)虛擬儀器測(cè)量不確定度的評(píng)估過(guò)程當(dāng)中，按照基于蒙特卡羅方法評(píng)估虛擬儀器測(cè)量不確定度原理，簡(jiǎn)單的介紹一下隨機(jī)誤差模塊是的使用法，首先用戶要編譯好儀器測(cè)量的程序；然后在對(duì)被測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，依照數(shù)據(jù)采集的方式，累計(jì)仿真模塊所產(chǎn)生的隨機(jī)誤差并將誤差相加，從而得到了偽測(cè)量數(shù)據(jù)；接下來(lái)，把累計(jì)相加后所得到的偽測(cè)量數(shù)據(jù)，輸入到虛擬儀器軟件平臺(tái)里，對(duì)主程序的數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行測(cè)量，獲得虛擬儀器得測(cè)量結(jié)果，最后將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行循環(huán)并且統(tǒng)計(jì)出來(lái)數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差，從而獲得虛擬儀器測(cè)量不確定度。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，蒙特卡羅評(píng)估方法虛擬儀器測(cè)量不確定度有一個(gè)最大的特點(diǎn)，就是僅僅利用一組測(cè)量就能夠得到測(cè)量的評(píng)估結(jié)果，而且運(yùn)用蒙特卡羅評(píng)估方法，不用探究那些不確定度分量是如何由誤差傳遞系數(shù)對(duì)虛擬儀器測(cè)量結(jié)果造成的影響，就完全能夠直接利用仿真的方法實(shí)現(xiàn)測(cè)量評(píng)估。利用蒙特卡羅評(píng)估方法，有效的避免了在測(cè)量不確定度評(píng)估方法中，對(duì)于測(cè)量方程的解析以及線性的限制。現(xiàn)階段，對(duì)于虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果不確定度的研究，成為儀器精度領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象，把蒙特卡羅方法引進(jìn)到測(cè)量不確定度的研究領(lǐng)域中，可能會(huì)是未來(lái)深入研究的一個(gè)極其重要的發(fā)展方向。

[1] 詹匯琴;習(xí)友寶;古天祥基于數(shù)字仿真法的虛擬儀器不確定度評(píng)估研究[D],儀器儀表學(xué)報(bào) 2011(10)

[2] Salvatore Nuccio;Ciro Spataro Approaches to Evaluate the Virtual Instrumentation Measurememt Uncertainties[D] 2012(06)

[3] 唐笑慧、富立、范耀祖，基于蒙特卡洛方法的慣性元件誤差模型分析[A]，全國(guó)自動(dòng)化新技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C]，2012年

[4] 李鑫、楊鎖昌、鄭思龍、劉春桐、何禎鑫、趙曉楓、趙兵、袁成營(yíng)，基于虛擬儀器的電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]，經(jīng)緯儀的調(diào)平對(duì)心誤差補(bǔ)償研究[J]，大連理工大學(xué)，2012年

Uncertainty evaluation for virtual instrument measurement based on Monte Carlo method

Luo Feng，Zhang Zhikai
(Zhejiang Province Institute of Metrology，310018)

For virtual instrument to evaluate the uncertainty of measurement,the basic idea is to use simulation technology to evaluate the probability of events in.This technique is able to generate random values of a particular probability distribution,make a reasonable imitation of random error source of virtual instrument measurement chain,will simulate the random error and sampling data,together with the input to the virtual instrument signal processing module in the pseudo measurement results,obtained a series of.Next,is to use the standard variance in statistics of pseudo measurement results to show,the show is the uncertainty of the measurement result of virtual instrument.At the same time,extension mechanism design platform based on virtual instrument provided by the error of the simulation module,randomly sampled data acquisition card for construction.Using the error simulation module to signal measurement uncertainty evaluation,the evaluation result and theoretical value for detailed comparison, achieved good correspondence.

Monte Carlo method;virtual instrument;data acquisition;measurement uncertainty