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)更加明顯,其所需硬件少、可擴(kuò)展性強(qiáng),一臺(tái)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(jì)量保障是保證儀器的測(cè)量精度的必要手段,但是,目前國內(nèi)還沒有針對(duì)這類虛擬儀器出臺(tái)的計(jì)量規(guī)程。

1、虛擬儀器的基本概念

虛擬儀器是一種概念儀器,目前國際上還沒有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)和定義。虛擬儀器就是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試儀器系統(tǒng)。普遍認(rèn)為,所謂虛擬儀器就是采用計(jì)算機(jī)開放體系結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的單機(jī)測(cè)量儀器,對(duì)各種各樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理、顯示和存儲(chǔ)。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(gè)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(tái),是數(shù)學(xué)模型、算法設(shè)計(jì)、軟件手段與硬件技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,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)更新也較慢,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(jì)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(jì)量

目前,國內(nèi)還沒有專門出臺(tái)虛擬儀器的計(jì)量規(guī)程,現(xiàn)行虛擬儀器的計(jì)量還是根據(jù)與其測(cè)量功能相對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)儀器的計(jì)量規(guī)程進(jìn)行計(jì)量,即每一種功能都以其終表現(xiàn)形式進(jìn)行量傳溯源,整個(gè)儀器計(jì)量工作需要不同的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)儀器根據(jù)不同的測(cè)量功能提供不同的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),即每一種功能按儀器整體進(jìn)行計(jì)量。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(jì)量方法,這會(huì)使計(jì)量工作陷入“疲于奔命”的尷尬境地,計(jì)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(jì)量需求。

虛擬儀器的通用硬件和算法軟件屬于兩個(gè)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元器件虛擬儀器新的計(jì)量方法研究提供了可能。這里采用一種簡單、便捷的儀器計(jì)量辦法對(duì)虛擬儀器進(jìn)行計(jì)量,這種計(jì)量方法側(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(píng)價(jià),以及它與硬件平臺(tái)的性能終合成虛擬儀器體性能的溯源問題。它的核心思想是先利用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)虛擬儀器的硬件平臺(tái)進(jìn)行計(jì)量,即對(duì)硬件平臺(tái)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過程中的誤差進(jìn)行分析和評(píng)定,得到硬件平臺(tái)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(tái)技術(shù)指標(biāo)的仿真采樣信號(hào),而后儀器軟件平臺(tái)采用各種不同的算法對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行處理,得到信號(hào)各種特征的測(cè)量結(jié)果,對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到虛擬儀器的性能指標(biāo)。不同的測(cè)量功能對(duì)于硬件平臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)和所需標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的要求是不一樣的,因此,其產(chǎn)生的仿真信號(hào)也是不同的。

2.1　靜態(tài)測(cè)量特性評(píng)定

基于數(shù)據(jù)采集器的虛擬儀器的靜態(tài)測(cè)試功能主要是直流電壓、電流、電阻測(cè)量,電流、電阻數(shù)字化測(cè)量的核心技術(shù)與電壓數(shù)字化測(cè)量相同,不同之處是將電流、電阻轉(zhuǎn)換為電壓,因此,其計(jì)量方法與測(cè)電壓功能的計(jì)量方法相同。其靜態(tài)測(cè)量特性評(píng)定分為兩個(gè)部分:硬件平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)計(jì)量和軟件平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)計(jì)量。

2.1.1　硬件平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)計(jì)量

硬件平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)中對(duì)虛擬儀器靜態(tài)測(cè)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(duì)其轉(zhuǎn)換精度進(jìn)行計(jì)量。硬件平臺(tái)轉(zhuǎn)換精度的計(jì)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(hào),讓儀器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行采樣,對(duì)采樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,可以得到硬件平臺(tái)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)誤差u及標(biāo)準(zhǔn)不確定度σ,硬件平臺(tái)轉(zhuǎn)換過程中的測(cè)量誤差ΔX服從N(u,σ2)的正態(tài)分布。

2.1.2　軟件平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)計(jì)量

虛擬儀器軟件平臺(tái)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(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)作為輸入,計(jì)量方法一般是算法推導(dǎo)、仿真,因此,對(duì)軟件平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)的計(jì)量實(shí)際上是虛擬儀器軟硬件平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)合成的過程。

在對(duì)軟件平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)的計(jì)量中,首先由軟件產(chǎn)生符合硬件平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)的仿真信號(hào),即軟件按照該硬件平臺(tái)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(tái)中靜態(tài)測(cè)試功能算法,如平均求和法,遞推求和法等,對(duì)仿真采樣數(shù)據(jù)Xi進(jìn)行處理,對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)分析結(jié)果對(duì)虛擬儀器靜態(tài)測(cè)試功能做出評(píng)價(jià)。

2.2　動(dòng)態(tài)測(cè)量特性評(píng)定

基于數(shù)據(jù)采集器的虛擬儀器的動(dòng)態(tài)測(cè)試功能主要是動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量,如交流電壓、電流測(cè)量,幅頻特性,相位差測(cè)量等,其動(dòng)態(tài)測(cè)量特性評(píng)定與靜態(tài)測(cè)量特性指標(biāo)的兩個(gè)部分相同。

2.2.1　硬件平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)計(jì)量

在動(dòng)態(tài)測(cè)試中硬件平臺(tái)主要對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)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(shí)間上離散的數(shù)據(jù)近似代替時(shí)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(tái)的通道采集速率;另一項(xiàng)是對(duì)離散后的電壓信號(hào)的幅值進(jìn)行量化而產(chǎn)生的誤差,主要取決于硬件平臺(tái)轉(zhuǎn)換精度。因此,硬件平臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)中對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試精度影響較大的除了上述的硬件平臺(tái)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(jì)量按照上述的方法進(jìn)行計(jì)量,通道采集速率是采集通道在單位時(shí)間內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),是比較重要的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo),其計(jì)量多使用標(biāo)準(zhǔn)周期計(jì)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(gè)周期非常準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集,找出采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)中所包含的輸入信號(hào)整周期的個(gè)數(shù)N,以及N個(gè)信號(hào)整周期中包含的采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)n。若標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(duì)輸入的標(biāo)準(zhǔn)周期信號(hào)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量,得出N個(gè)信號(hào)整周期的采集數(shù)據(jù)個(gè)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(duì)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(tái)技術(shù)指標(biāo)計(jì)量

在虛擬儀器動(dòng)態(tài)測(cè)試中,當(dāng)其輸入信號(hào)為一隨時(shí)間變化的變化量,設(shè)其輸入信號(hào)為y=x(t),而其硬件平臺(tái)的計(jì)量結(jié)果為測(cè)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(duì)輸入信號(hào)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(shí)間也是離散化的ti其中ti=i/v為第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)刻,再利用軟件平臺(tái)的各種測(cè)試算法對(duì)仿真采樣數(shù)據(jù)yi(i=1,2,…,n)進(jìn)行處理,得到信號(hào)的各種參數(shù),如有效值,失真度,幅頻特性,相頻特性等,對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到虛擬儀器動(dòng)態(tài)測(cè)試功能的計(jì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。

首先,由計(jì)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(cè)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(jì)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(shí)間點(diǎn)t_ji′=i/v_ji′,將采樣時(shí)間點(diǎn)和測(cè)量誤差的偽隨機(jī)數(shù)帶入輸入信號(hào)的模型中得到m組輸入信號(hào)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′表示第j(j=1,2,…,m)組仿真采樣數(shù)據(jù)中第i(i=1,2,…,n)個(gè)采樣點(diǎn)的值。用各種算法對(duì)輸入信號(hào)的仿真采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如對(duì)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(hào)的各方面信息。它有m組測(cè)量結(jié)果,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到該虛擬儀器動(dòng)態(tài)測(cè)試功能的計(jì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。

由于虛擬儀器發(fā)展的歷史比較短,其計(jì)量工作在國內(nèi)甚至國際幾乎還是空白,而虛擬儀器校準(zhǔn)和校正工作又是不可缺的。基于數(shù)據(jù)采集器的虛擬儀器的計(jì)量評(píng)價(jià)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(píng)價(jià),以及它與硬件平臺(tái)的性能終合成虛擬儀器體性能的溯源問題。它的誤差主要來源還是硬件部分,因此其計(jì)量方案?jìng)?cè)重對(duì)于硬件平臺(tái)的計(jì)量校正。