1、虚拟仪器的基本概念

虚拟仪器是一种概念仪器,目前国际上还没有一个明确的标准和定义。虚拟仪器就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。普遍认为,所谓虚拟仪器就是采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器,对各种各样的数据进行计算机处理、显示和存储。虚拟仪器在基本原理上与传统仪器并无本质区别,但是在仪器原理的实现上,虚拟仪器与传统仪器却有以下所不同。

(1)传统仪器侧重于硬件技术,仪器功能的实现主要依赖硬件电路,功能的扩展和性能的提高体现的是新材料、新工艺、新原理结构的发展。整个仪器各部分耦合性强,关系密切,一般不能拆分。而虚拟仪器侧重是通用软、硬件平台,是数学模型、算法设计、软件手段与硬件技术的有机结合,最终实现仪器功能和性能。虚拟仪器较多地体现了数学理论、信息理论及信息技术的应用。

(2)传统仪器受硬件、体积重量限制,实现功能较单一,技术更新也较慢,而虚拟仪器在同一硬件基础上,可以实现多种功能,随着数学研究和算法设计的发展,虚拟仪器可以实现的功能增长速度很快,性能提高也很快。

2、虚拟仪器的计量检定

目前,国内还没有专门出台虚拟仪器的计量检定规程,现行虚拟仪器的计量检定还是根据与其测量功能相对应的传统仪器的计量检定规程进行计量,即每一种功能都以其最终表现形式进行量传溯源,整个仪器计量检定工作需要不同的计量标准仪器根据不同的测量功能提供不同的计量标准信号,即每一种功能按仪器整体进行计量检定。因为虚拟仪器每种功能都是建立在同一硬件基础上,按照传统仪器的计量检定方法,这会使计量检定工作陷入“疲于奔命”的尴尬境地,计量资源、技术支持、人员配置与培训等都难以满足性能仪器快速发展带来的计量需求。

虚拟仪器的通用硬件和算法软件属于两个不同的领域,可以拆分,因此,其仪器主要构成部分的可分离性为新型元器件虚拟仪器新的计量检定方法研究提供了可能。这里采用一种简单、便捷的仪器计量检定办法对虚拟仪器进行计量,这种计量检定方法侧重的是软件及数学模型作为仪器的一部分所体现出的性能的评价,以及它与硬件平台的性能最终合成虚拟仪器总体性能的溯源问题。它的核心思想是先利用计量标准仪器对虚拟仪器的硬件平台进行计量,即对硬件平台在进行数据采集过程中的误差进行分析和评定,得到硬件平台的技术指标,如采集速率、转换精度等;利用软件产生符合硬件平台技术指标的仿真采样信号,而后仪器软件平台采用各种不同的算法对仿真信号进行处理,得到信号各种特征的测量结果,对结果进行统计分析得到虚拟仪器的性能指标。不同的测量功能对于硬件平台的技术指标和所需标准信号的要求是不一样的,因此,其产生的仿真信号也是不同的。

2.1　静态测量特性评定

基于数据采集器的虚拟仪器的静态测试功能主要是直流电压、电流、电阻测量,电流、电阻数字化测量的核心技术与电压数字化测量相同,不同之处是将电流、电阻转换为电压,因此,其计量检定方法与测电压功能的计量检定方法相同。其静态测量特性评定分为两个部分:硬件平台技术指标计量和软件平台技术指标计量。

2.1.1　硬件平台技术指标计量

硬件平台技术指标中对虚拟仪器静态测试功能影响较大的是转换精度,其采集速率的误差影响可以忽略,因此只对其转换精度进行计量。硬件平台转换精度的计量可以利用Fluke 5520A标准校准源为其提供标准直流电压信号,让仪器对标准电压进行采样,对采样数据统计分析,可以得到硬件平台转换的系统误差u及标准不确定度σ,硬件平台转换过程中的测量误差ΔX服从N(u,σ2)的正态分布。

2.1.2　软件平台技术指标计量

虚拟仪器软件平台主要是各种算法模型,其误差主要是各种算法的误差,每种算法的误差模型是不变的,而需将硬件平台的测量数据作为输入,计量方法一般是算法推导、仿真,因此,对软件平台技术指标的计量实际上是虚拟仪器软硬件平台技术指标合成的过程。

在对软件平台技术指标的计量中,首先由软件产生符合硬件平台技术指标的仿真信号,即软件按照该硬件平台转换误差分布进行抽样,样本容量为n,根据公式:

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

式中:Xi为仿真采样数据;X为理想电压值;ΔXi为采样过程中的误差。利用虚拟仪器软件平台中静态测试功能算法,如平均求和法,递推求和法等,对仿真采样数据Xi进行处理,对处理结果进行统计分析,根据分析结果对虚拟仪器静态测试功能做出评价。

2.2　动态测量特性评定

基于数据采集器的虚拟仪器的动态测试功能主要是动态信号测量,如交流电压、电流测量,幅频特性,相位差测量等,其动态测量特性评定与静态测量特性指标的两个部分相同。

2.2.1　硬件平台技术指标计量

在动态测试中硬件平台主要对动态信号进行离散化和量化,其原理误差主要有两项:一项是离散化过程中用时间上离散的数据近似代替时间上连续的数据所产生误差,主要取决于硬件平台的通道采集速率;另一项是对离散后的电压信号的幅值进行量化而产生的误差,主要取决于硬件平台转换精度。因此,硬件平台的技术指标中对动态测试精度影响较大的除了上述的硬件平台的转换精度外,还包括数据采集器的通道采集速率。转换精度的计量按照上述的方法进行计量,通道采集速率是采集通道在单位时间内所采集的数据个数,是比较重要的动态特性指标,其计量多使用标准周期计数法进行,其基本思想是通过给数据采集系统的采集通道加载一个周期非常准确的标准信号,启动数据采集系统对该信号进行采集,找出采集数据个数中所包含的输入信号整周期的个数N,以及N个信号整周期中包含的采集数据个数n。若标准信号频率为f,周期为T,数据采集系统通道采集速率为v,则:

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

对输入的标准周期信号进行多次重复测量,得出N个信号整周期的采集数据个数ni(i=1,2,…,n),由式(2)得出数据采集通道采集速率vi(i=1,2…,n),对其求平均得到通道采集速率 v,利用贝塞尔公式得到其标准不确定度σv,因此,采集速率的误差Δv服从N(0,σ2v)的正态分布。

2.2.2　软件平台技术指标计量

在虚拟仪器动态测试中,当其输入信号为一随时间变化的变化量,设其输入信号为y=x(t),而其硬件平台的计量结果为测量误差ΔX服从N(u,σ2)的正态分布,其通道采集速率为 v,误差Δv服从N(0,σ2v)的正态分布。利用数值仿真方法对输入信号y=x(t)的采样数据进行仿真,其采样数据是一些离散化的值yi(i=1,2,…,n),其时间也是离散化的ti其中ti=i/v为第i个测量点的时刻,再利用软件平台的各种测试算法对仿真采样数据yi(i=1,2,…,n)进行处理,得到信号的各种参数,如有效值,失真度,幅频特性,相频特性等,对结果进行统计分析得到虚拟仪器动态测试功能的计量评价结果。

首先,由计算机软件产生服从误差分布密度函数的抽样随机数,其测量误差为ΔX～N(u,σ2)的正态分布,基于数据采集器的虚拟仪器计量技术研究通道采集速率的误差Δv～N(0,σ2v)的正态分布,由软件产生m组服从相应正态分布的随机数Δv_ji和ΔX_ji(j=1,2,…,m,i=1,2,…,n),得到m组仿真的采样速率v_ji′为:v_ji′= v+Δv_ji,则其采样时间点t_ji′=i/v_ji′,将采样时间点和测量误差的伪随机数带入输入信号的模型中得到m组输入信号y=x(t)的仿真采样数据,即:

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

式中:y_ji′表示第j(j=1,2,…,m)组仿真采样数据中第i(i=1,2,…,n)个采样点的值。用各种算法对输入信号的仿真采样数据进行处理。如对数据进行相关分析、数字滤波、微分、积分、求有效值、傅里叶变换和小波变换,得到信号的各方面信息。它有m组测量结果,进行统计分析,得到该虚拟仪器动态测试功能的计量评价结果。

由于虚拟仪器发展的历史比较短,其计量检定工作在国内甚至国际几乎还是空白,而虚拟仪器校准和校正检定工作又是不可缺的。基于数据采集器的虚拟仪器的计量评价是软件及数学模型作为仪器一部分所体现的性能的评价,以及它与硬件平台的性能最终合成虚拟仪器总体性能的溯源问题。它的误差主要来源还是硬件部分,因此其计量检定方案侧重对于硬件平台的计量校正。