《傳感器與檢測技術（第3版）》課件 第11、12章 檢測技術基礎、虛擬儀器技術

第11章檢測技術基礎11.1測量技術111.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理11.3測量系統(tǒng)32測控中測與控概述在科學技術高度發(fā)達的現(xiàn)代社會中，人類已進入瞬息萬變的信息時代?！羧藗冊趶氖鹿I(yè)生產(chǎn)和科學實驗等活動中，主要依靠對信息資源的開發(fā)、獲取、傳輸和處理?！魝鞲衅魈幱谘芯繉ο笈c測控系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測信息的窗口，一切科學實驗和生產(chǎn)過程，特別是自動檢測和自動控制系統(tǒng)要獲取的信息，都要通過傳感器將其轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的電信號。概述◆在工程實踐和科學實驗中提出的檢測任務是正確及時地掌握各種信息，大多數(shù)情況下是要獲取被測對象信息的大小，即被測量的大小。◆這樣，信息采集的主要含義就是測量，取得測量數(shù)據(jù)。如果對控制參數(shù)不能有效準確的檢測，控制就成為無源之水，無本之木。測試手段就是儀器儀表。11.1測量技術11.1.1測量的定義◆測量是以確定量值為目的的一系列操作。所以測量也就是將被測量與同種性質(zhì)的標準量進行比較，確定被測量對標準量的倍數(shù)。它可由下式表示： （11-1）（11-2）11.1測量技術式中：x——被測量值；u——標準量，即測量單位；n——比值（純數(shù)），含有測量誤差?！粲蓽y量所獲得的被測的量值叫測量結果。◆測量結果可用一定的數(shù)值表示，也可以用一條曲線或某種圖形表示。但無論其表現(xiàn)形式如何，測量結果應包括兩部分：比值和測量單位。確切地講，測量結果還應包括誤差部分。11.1測量技術◆被測量值和比值等都是測量過程的信息，這些信息依托于物質(zhì)才能在空間和時間上進行傳遞。參數(shù)承載了信息而成為信號。◆選擇其中適當?shù)膮?shù)作為測量信號，例如熱電偶溫度傳感器的工作參數(shù)是熱電偶的電勢，差壓流量傳感器中的孔板工作參數(shù)是差壓ΔP?！魷y量過程就是傳感器從被測對象獲取被測量的信息，建立起測量信號，經(jīng)過變換、傳輸、處理，從而獲得被測量的量值。11.1測量技術◆在工程上，所要測量的參數(shù)大多數(shù)為非電量，這促使人們用電測的方法來研究非電量，即研究用電測的方法測量非電量的儀器儀表，研究如何能正確和快速地測得非電量的技術。11.1測量技術11.1.2測量方法◆實現(xiàn)被測量與標準量比較得出比值的方法，稱為測量方法。對于測量方法，從不同角度，有不同的分類方法。◆根據(jù)獲得測量值的方法可分為直接測量、間接測量和組合測量；◆根據(jù)測量的精度因素情況可分為等精度測量與非等精度測量；

11.1測量技術◆根據(jù)測量方式可分為偏差式測量、零位法測量與微差法測量；◆根據(jù)被測量變化快慢可分為靜態(tài)測量與動態(tài)測量；◆根據(jù)測量敏感元件是否與被測介質(zhì)接觸可分為接觸測量與非接觸測量；◆根據(jù)測量系統(tǒng)是否向被測對象施加能量可分為主動式測量與被動式測量等。1.直接測量、間接測量與組合測量◆在使用儀表或傳感器進行測量時，對儀表讀數(shù)不需要經(jīng)過任何運算就能直接表示測量所需要的結果的測量方法稱為直接測量?！衾?，用磁電式電流表測量電路的某一支路電流，用彈簧管壓力表測量壓力等，都屬于直接測量?！糁苯訙y量的優(yōu)點是測量過程簡單而又迅速，但是測量精度不夠高。

11.1測量技術◆在使用儀表或傳感器進行測量時，首先對與測量有確定函數(shù)關系的幾個量進行測量，將被測量代入函數(shù)關系式，經(jīng)過計算得到所需要的結果，這種測量稱為間接測量?！糸g接測量測量手續(xù)較多，花費時間較長，一般用在直接測量不方便或者缺乏直接測量手段的場合。11.1測量技術◆若被測量必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程組，才能得到最后結果，則稱這樣的測量為組合測量?！艚M合測量是一種特殊的精密測量方法，操作手續(xù)復雜，花費時間長，多用于科學實驗或特殊場合。11.1測量技術2.等精度測量與不等精度測量◆用相同儀表與測量方法對同一被測量進行多次重復測量，稱為等精度測量?！粲貌煌鹊膬x表或不同的測量方法，或在環(huán)境條件相差很大時對同一被測量進行多次重復測量稱為非等精度測量。11.1測量技術3.偏差式測量、零位式測量與微差式測量◆用儀表指針的位移（即偏差）決定被測量的量值，這種測量方法稱為偏差式測量。◆應用這種方法測量時，儀表刻度事先用標準器具標定。在測量時，輸入被測量，按照儀表指針在標尺上的示值，決定被測量的數(shù)值?！暨@種方法測量過程比較簡單、迅速，但測量結果精度較低。11.1測量技術◆用指零儀表的零位指示檢測測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，在測量系統(tǒng)平衡時，用已知的標準量決定被測量的量值，這種測量方法稱為零位式測量。◆在測量時，已知標準量直接與被測量相比較，已知量應連續(xù)可調(diào)，指零儀表指零時，被測量與已知標準量相等。例如天平、電位差計等?！袅阄皇綔y量的優(yōu)點是可以獲得比較高的測量精度，但測量過程比較復雜，費時較長，不適用于測量迅速變化的信號。11.1測量技術◆微差式測量是綜合了偏差式測量與零位式測量的優(yōu)點而提出的一種測量方法。它將被測量與已知的標準量相比較，取得差值后，再用偏差法測得此差值?！魬眠@種方法測量時，不需要調(diào)整標準量，而只需測量兩者的差值。微差式測量的優(yōu)點是反應快，而且測量精度高，特別適用于在線控制參數(shù)的測量。11.1測量技術補充：精度 反映測量結果與真值接近程度的量

(1)準確度

(2)精密度

(3)精確度

對于具體的測量，精密度高的而準確度不一定高，準確度高的精密度不一定高，但精確度高，則精密度和準確度都高。上一頁下一頁返回11.1.3測量誤差◆測量的目的是希望通過測量獲取被測量的真實值。但由于種種與檢測系統(tǒng)的組成和各組成環(huán)節(jié)相關原因，例如，傳感器本身性能不十分優(yōu)良，測量方法不十分完善，外界干擾的影響等，都會造成被測參數(shù)的測量值與真實值不一致，兩者不一致程度用測量誤差表示。◆測量誤差就是測量值與真實值之間的差值，它反映了測量質(zhì)量的好壞。11.1測量技術◆測量的可靠性至關重要，不同場合對測量結果可靠性的要求也不同。例如，在量值傳遞、經(jīng)濟核算、產(chǎn)品檢驗等場合應保證測量結果有足夠的準確度。當測量值用作控制信號時，則要注意測量的穩(wěn)定性和可靠性?！魷y量結果的準確程度應與測量的目的與要求相聯(lián)系、相適應，那種不惜工本、不顧場合，一味追求越準越好的作法是不可取的，要有技術與經(jīng)濟兼顧的意識。11.1測量技術1.測量誤差的表示方法◆測量誤差的表示方法有多種，含義各異。下面介紹幾種常用的方法。①絕對誤差◆絕對誤差可用下式定義：

式中：Δ——絕對誤差；X——測量值；L——真實值。11.1測量技術◆對測量值進行修正時，要用到絕對誤差。修正值是與絕對誤差大小相等、符號相反的值，實際值等于測量值加上修正值。

◆采用絕對誤差表示測量誤差，不能很好說明測量質(zhì)量的好壞。◆例如，在溫度測量時，絕對誤差Δ=1℃，對體溫測量來說是不允許的，而對測量鋼水溫度來說卻是一個極好的測量結果。11.1測量技術②相對誤差相對誤差的定義由下式給出：

式中：δ——相對誤差，一般用百分數(shù)給出；

Δ——絕對誤差；L——真實值?！粲捎诒粶y量的真實值L無法知道，實際測量時用測量值x代替真實值L進行計算，這個相對誤差稱為標稱相對誤差，即:

11.1測量技術③引用誤差引用誤差是儀表中通用的一種誤差表示方法。它是相對儀表滿量程的一種誤差，一般也用百分數(shù)表示，即:

式中：γ——引用誤差；Δ——絕對誤差?！魞x表精度等級是根據(jù)引用誤差來確定的。例如，0.5級表的引用誤差的最大值不超過±0.5%，1.0級表的引用誤差的最大值不超過±1%。11.1測量技術GB776-76規(guī)定，7級準確度，0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5。④基本誤差基本誤差是指儀表在規(guī)定的標準條件下所具有的誤差。例如，儀表是在電源電壓（220±5）V、電網(wǎng)頻率（50±2）Hz、環(huán)境溫度（20±5）℃、濕度65%±5%的條件下標定的。如果這臺儀表在這個條件下工作，則儀表所具有的誤差為基本誤差。測量儀表的精度等級就是由基本誤差決定的。⑤附加誤差附加誤差是指當儀表的使用條件偏離額定條件下出現(xiàn)的誤差。11.1測量技術2.誤差的分類◆根據(jù)測量數(shù)據(jù)中的誤差所呈現(xiàn)的規(guī)律，將誤差分為三種，即系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。這種分類方法便于測量數(shù)據(jù)的處理。①系統(tǒng)誤差對同一被測量進行多次重復測量時，如果誤差按照一定的規(guī)律出現(xiàn)，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。例如，標準量值的不準確及儀表刻度的不準確而引起的誤差。

對于系統(tǒng)誤差應通過理論分析和實驗驗證找到誤差產(chǎn)生的原因和規(guī)律以減少和消除誤差。11.1測量技術減小的辦法②隨機誤差◆對同一被測量進行多次重復測量時，絕對值和符號不可預知地隨機變化，但就誤差的總體而言，具有一定的統(tǒng)計規(guī)律性的誤差稱為隨機誤差?！粢痣S機誤差的原因是很多難以掌握或暫時未能掌握的微小因素，一般無法控制。◆對于隨機誤差不能用簡單的修正值來修正，只能用概率和數(shù)理統(tǒng)計的方法去計算它出現(xiàn)的可能性的大小。11.1測量技術③粗大誤差◆明顯偏離測量結果的誤差稱為粗大誤差，又稱疏忽誤差。◆這類誤差是由于測量者疏忽大意或環(huán)境條件的突然變化而引起的?！魧τ诖执笳`差，首先應設法判斷是否存在，然后將其剔除。11.1測量技術3.確定測量誤差的方法①逐項分析法：◆對測量中可能產(chǎn)生的誤差進行分析、逐項計算出其值，并對其中主要項目按照誤差性質(zhì)的不同，用不同的方法綜合成總的測量誤差極限?！暨@種方法反映出了各種誤差成分在總誤差中所占的比重，我們可以得知產(chǎn)生誤差的主要原因，從而分析減小誤差應主要采取的措施。◆逐項分析法適用于擬定測量方案；研究新的測量方法、設計新的測量裝置和系統(tǒng)。11.1測量技術②實驗統(tǒng)計法◆應用數(shù)理統(tǒng)計的方法對在實際條件下所獲得的測量數(shù)據(jù)進行分析處理，確定其最可靠的測量結果和估算其測量誤差的極限?！舯痉椒ɡ脤嶋H測量數(shù)據(jù)對測量誤差進行估計，反映出各種因素的實際綜合作用?！魧嶒灲y(tǒng)計法適用于一般測量和對測量方法和測量儀器的實際精度進行估算和校驗?！艟C合使用以上兩種方法，可以互相補充、相互驗證。11.1測量技術測量數(shù)據(jù)中含有系統(tǒng)誤差和隨機誤差，有時還會含有粗大誤差。它們的性質(zhì)不同，對測量結果的影響及處理方法也不同?！粼跍y量中，對測量數(shù)據(jù)進行處理時，首先判斷測量數(shù)據(jù)中是否含有粗大誤差，如有則必須加以剔除?！粼倏磾?shù)據(jù)中是否存在系統(tǒng)誤差，對系統(tǒng)誤差可設法消除或加以修正?！魧ε懦讼到y(tǒng)誤差和粗大誤差的測量數(shù)據(jù)，則利用隨機誤差性質(zhì)進行處理。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理11.2.1隨機誤差的統(tǒng)計處理◆在測量中，當系統(tǒng)誤差已設法消除或減小到可以忽略的程度時，如果測量數(shù)據(jù)仍有不穩(wěn)定的現(xiàn)象，說明存在隨機誤差?！粼诘染葴y量情況下，得n個測量值x1，x2，…，xn，設只含有隨機誤差δ1，δ2，…，δn。這組測量值或隨機誤差都是隨機事件，可以用概率數(shù)理統(tǒng)計的方法來研究?！綦S機誤差的處理任務是從隨機數(shù)據(jù)中求出最接近真值的值（或稱真值的最佳估計值），對數(shù)據(jù)精密度的高低（或稱可信賴的程度）進行評定并給出測量結果。

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理1.隨機誤差的正態(tài)分布曲線測量實踐表明，多數(shù)測量的隨機誤差具有以下特征：①絕對值小的隨機誤差出現(xiàn)的概率大于絕對值大的。②隨機誤差的絕對值不會超出一定界限。③測量次數(shù)n很大時，絕對值相等，符號相反的隨機誤差出現(xiàn)的概率相等?！粲商卣鳍鄄浑y推出，當n→∞時，隨機誤差代數(shù)和趨近于零?！綦S機誤差的上述三個特征，說明其分布實際上是單一峰值的和有界限的，且當測量次數(shù)無窮增加時，這類誤差還具有對稱性（即抵償性）。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆在大多數(shù)情況下，當測量次數(shù)足夠多時，測量過程中產(chǎn)生的誤差服從正態(tài)分布規(guī)律。分布密度函數(shù)為:

◆由隨機誤差定義δ=x-L得：

式中：y-概率密度；x-測量值（隨機變量）；

σ-均方根偏差（標準誤差）；L-真值（隨機變量x的數(shù)學期望）；

δ-隨機誤差（隨機變量），δ=x-L。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆正態(tài)分布方程式的關系曲線為一條鐘形的曲線（如圖11-1所示），說明隨機變量在x=L或δ=0處的附近區(qū)域內(nèi)具有最大概率。圖11-1正態(tài)分布方程式的關系曲線11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理

2.正態(tài)分布隨機誤差的數(shù)字特征①算術平均值◆在實際測量時，真值L不可能得到。但如果隨機誤差服從正態(tài)分布，則算術平均值處隨機誤差的概率密度最大。對被測量進行等精度的n次測量，得n個測量值x1，x2，…，xn，它們的算術平均值為◆算術平均值是諸測量值中最可信賴的，它可以作為等精度多次測量的結果。

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理②均方根偏差◆上述的算術平均值是反映隨機誤差的分布中心，而均方根偏差則反映隨機誤差的分布范圍，它又稱為標準偏差或標準差。均方根偏差愈大，測量數(shù)據(jù)的分散范圍也愈大，所以均方根偏差σ可以描述測量數(shù)據(jù)和測量結果的精度?！艟礁瞀铱捎上率角笕。菏街校?第i次測量值。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理圖11-2為不同σ下正態(tài)分布曲線。由圖可見：σ愈小，分布曲線愈陡峭，說明隨機變量的分散性小，測量精度高；反之，σ愈大，分布曲線愈平坦，隨機變量的分散性也大，則精度也低。圖11–2不同σ下正態(tài)分布曲線11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理均方根偏差◆在實際測量時，由于真值L是無法確切知道的，用測量值的算術平均值可代替它，各測量值與算術平均值之差值稱為殘余誤差，即◆用殘余誤差計算的均方根偏差稱為均方根偏差的估計值σs，即:

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆通常在有限次測量時，算術平均值不可能等于被測量的真值L，它也是隨機變動的?！粼O對被測量進行m組的“多次測量”，各組所得的算術平均值，，…，，圍繞真值L有一定的分散性，也是隨機變量。算術平均值的精度可由算術平均值的均方根偏差來評定。它與的關系如下：11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆由上式可見，在測量條件一定的情況下，算術平均值的均方根偏差隨著測量次數(shù)ｎ的增加而減小，算術平均值愈接近期望值。◆但僅靠增大ｎ值是不夠的，實際上測量次數(shù)越多，越難保證測量條件的穩(wěn)定，所以在一般精密測量中，重復性條件下測量的次數(shù)ｎ大多少于10，此時要提高測量精度，需采用其它措施（如提高儀器精度、改進測量方法等）。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理3.正態(tài)分布隨機誤差的概率計算◆因隨機變量符合正態(tài)分布，它出現(xiàn)的概率就是正態(tài)分布曲線下所包圍的面積。因為全部隨機變量出現(xiàn)的總的概率是１，所以曲線所包圍的面積應等于１，即：

◆隨機變量在任意誤差區(qū)間[a，b）出現(xiàn)的概率為

式中，Pa為置信概率。

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆σ是正態(tài)分布的特征參數(shù)，誤差區(qū)間通常表示成σ的倍數(shù)，如tσ。由于隨機誤差分布對稱性的特點，常取對稱的區(qū)間，即:式中：t——置信系數(shù)；±tσ——置信區(qū)間（誤差限）。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理均方根偏差◆表11-1給出幾個典型的t值及其相應的概率表11–1t值及其相應的概率11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆隨機變量在±tσ范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率為Pa，則超出的概率稱為置信度（也稱顯著性水平），用α表示：

Pa與α關系見圖11-3。圖11–3Pa與α關系11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆從表11-1可知，當t=1時，Pa=0.6827，即測量結果中隨機誤差出現(xiàn)在-σ～+σ范圍內(nèi)的概率為68.27%，而|v|>σ的概率為31.73%。出現(xiàn)在-3σ～+3σ范圍內(nèi)的概率是99.73%，因此可以認為絕對值大于3σ的誤差是不可能出現(xiàn)的，通常把這個誤差稱為極限誤差δlim。按照上面分析，測量結果可表示為：

或：

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理均方根偏差◆例11–1：有一組測量值為237.4、237.2、237.9、237.1、238.1、237.5、237.4、237.6、237.6、237.4，求測量結果?！窠猓簩y量值列于下表：序號測量值xi殘余誤差vi1237.4-0.120.0142237.2-0.320.103237.90.380.144237.1-0.420.185237.10.580.346237.5-0.020.007237.4-0.120.0148237.60.080.00649237.60.080.006410237.4-0.120.014測量結果為：

x=237.52±0.09（Pa=0.6827）或：x=237.52±3×0.09=237.52±0.27（Pa=0.9973）11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理均方根偏差4）不等精度測量的權與誤差◆前面講述的內(nèi)容是等精度測量的問題，即多次重復測量得到的各測量值具有相同的精度，這些測量值可用同一個均方根偏差σ值來表征，或者說具有相同的可信度。◆嚴格地來說，絕對的等精度測量是很難保證的，但是對于條件差別不大的測量，一般都當作等精度測量對待。某些條件的變化，如測量時溫度的波動等，只作為誤差來考慮。因此，在一般測量實踐中，基本上都屬等精度測量。

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆但在科學實驗或高精度測量中，為了提高測量的可靠性和精度，往往在不同的測量條件下，用不同的測量儀表，不同的測量方法，不同的測量次數(shù)以及不同的測量者進行測量與對比，則認為它們是不等精度的測量?！魧τ诓坏染鹊臏y量，測量數(shù)據(jù)的處理不能套用前面等精度測量數(shù)據(jù)處理的計算公式，需要推導出新的計算公式?！粝旅嫦纫胍恍┗靖拍?。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理①“權”的概念◆在不等精度測量時，對同一被測量進行m組獨立的無系統(tǒng)誤差及粗大誤差的測量，得到m組測量列（進行多次測量的一組數(shù)據(jù)稱為一測量列）的測量結果及其誤差，由于各組測量條件不同，這些測量界結果不能同等看待。精度高的測量列具有較高的可靠性，將這種可靠性的大小稱為“權”。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆“權”可理解為各組測量結果相對的可信賴程度。測量次數(shù)多，測量方法完善，測量儀表精度高，測量的環(huán)境條件好，測量人員的水平高，則測量結果可靠，其權也大。權是相比較而存在的。權用符號p表示，它有兩種計算方法：①用各組測量列的測量次數(shù)n的比值表示：②用各組測量列的誤差平方的倒數(shù)的比值表示

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理②加權算術平均值◆在不等精度測量時，測量結果的最佳估計值用加權算術平均值表示。加權算術平均值不同于一般的算術平均值，應考慮各組測量列的權的情況。若對同一被測量進行m組不等精度測量，得到m個測量列的算術平均值，，…，，相應各組的權分別為p1，p2，…，pm，則加權算術平均值可用下式表示：

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理③加權算術平均值的標準誤差◆加權算術平均值的標準誤差反映了加權算術平均值的估計精度。計算加權算術平均值的標準誤差時，也要考慮各測量列的權的情況，標準誤差可由下式計算：式中，vi為各測量列的算術平均值與加權算術平均值的差值。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理11.2.2系統(tǒng)誤差的通用處理方法1.從誤差根源上消除系統(tǒng)誤差◆系統(tǒng)誤差是在一定的測量條件下，測量值中含有固定不變或按一定規(guī)律變化的誤差。系統(tǒng)誤差不具有抵償性，重復測量也難以發(fā)現(xiàn)，在工程測量中應特別注意該項誤差?！粲捎谙到y(tǒng)誤差的特殊性，在處理方法上與隨機誤差完全不同。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆有效地找出系統(tǒng)誤差的根源并減小或消除它的關鍵是如何查找誤差根源，這就需要對測量設備、測量對象和測量系統(tǒng)作全面分析，明確其中有無產(chǎn)生明顯系統(tǒng)誤差的因素，并采取相應措施予以修正或消除?！粲捎诰唧w條件不同，在分析查找誤差根源時并無一成不變的方法，這與測量者的經(jīng)驗、水平以及測量技術的發(fā)展密切相關。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理我們可以從以下幾個方面進行分析考慮。●所用傳感器、測量儀表或組成元件是否準確可靠。比如傳感器或儀表靈敏度不足，儀表刻度不準確，變換器、放大器等性能不太優(yōu)良，由這些引起的誤差是常見的誤差?！駵y量方法是否完善。如用電壓表測量電壓，電壓表的內(nèi)阻對測量結果有影響。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理●傳感器或儀表安裝、調(diào)整或放置是否正確合理。例如：沒有調(diào)好儀表水平位置，安裝時儀表指針偏心等都會引起誤差?！駛鞲衅骰騼x表工作場所的環(huán)境條件是否符合規(guī)定條件。●測量者的操作是否正確。例如讀數(shù)時的視差、視力疲勞等都會引起系統(tǒng)誤差。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理2.系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)與判別◆發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差一般比較困難，下面只介紹幾種發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的一般方法。①實驗對比法這種方法是通過改變產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的條件從而進行不同條件的測量，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差。這種方法適用于發(fā)現(xiàn)固定的系統(tǒng)誤差。例如，一臺測量儀表本身存在固定的系統(tǒng)誤差，即使進行多次測量也不能發(fā)現(xiàn)，只有用精度更高一級的測量儀表測量，才能發(fā)現(xiàn)這臺測量儀表的系統(tǒng)誤差。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理②殘余誤差觀察法

這種方法是根據(jù)1

測量值的殘余誤

差的大小和符號

的變化規(guī)律，直

接由誤差數(shù)據(jù)或

圖11–4殘余誤差變化規(guī)律誤差曲線圖形判斷有無變化的系統(tǒng)誤差。圖中把殘余誤差按測量值先后順序排列，圖（a）的殘余誤差排列后有遞減的變值系統(tǒng)誤差；圖（b）則可能有周期性系統(tǒng)誤差。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理③準則檢查法◆目前已有多種準則供人們檢驗測量數(shù)據(jù)中是否含有系統(tǒng)誤差，不過這些準則都有一定的適用范圍?！羧珩R利科夫判據(jù)是將殘余誤差前后各半分兩組，若“Σvi前”與“Σvi后”之差明顯不為零，則可能含有線性系統(tǒng)誤差。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆阿貝檢驗法則檢查殘余誤差是否偏離正態(tài)分布，若偏離，則可能存在變化的系統(tǒng)誤差。將測量值的殘余誤差按測量順序排列，且設:◆若，則可能含有變化的系統(tǒng)誤差。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理3.系統(tǒng)誤差的消除①在測量結果中進行修正◆對于已知的系統(tǒng)誤差，可以用修正值對測量結果進行修正；對于變值系統(tǒng)誤差，設法找出誤差的變化規(guī)律，用修正公式或修正曲線對測量結果進行修正；對未知系統(tǒng)誤差，則按隨機誤差進行處理。②消除系統(tǒng)誤差的根源◆在測量之前，仔細檢查儀表，正確調(diào)整和安裝，使用前一定要調(diào)零；防止外界干擾影響；選好觀測11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理位置，消除視差；選擇環(huán)境條件比較穩(wěn)定時進行讀數(shù)等。③檢測方法上消除或減小◆在實際測量中，采用有效的測量方法對于消除系統(tǒng)誤差也是非常重要的。在現(xiàn)有儀器設備的前提下，改進測量方法可提高測量的精確度。常用的幾種可消除系統(tǒng)誤差的測量方法有：替換法、對照法等。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆替換法是用可調(diào)的標準器具代替被測量接入檢測系統(tǒng)，然后調(diào)整標準器具，使檢測系統(tǒng)的指示與被測量接入時相同，則此時標準器具的數(shù)值等于被測量值?！籼鎿Q法在兩次測量過程中，測量電路及指示器的工作狀態(tài)均保持不變，因此檢測系統(tǒng)的精確度對測量結果基本上沒有影響，從而消除了測量結果中的系統(tǒng)誤差；測量的精確度主要取決于標準已知量，對指示器只要求有足夠高的靈敏度即可。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理精密天平稱量，L1≠L2，調(diào)平后，用標準砝碼代替被測物。叫沃爾德稱重法?！籼鎿Q法不僅適用于精密測量，也常用于一般的技術測量?！魧φ辗ㄒ卜Q交換法，是在一個測量系統(tǒng)中改變一下測量安排，測出兩個結果，將這兩個測量結果相互對照，并通過適當?shù)臄?shù)據(jù)處理，可對測量結果進行修正。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理例11-2：在一個等臂天平稱重實驗中，天平左右兩臂的長度存在微小差別，如何測量能保證足夠高的精確度？解：分析此稱重實驗，由于兩臂長度微小差值的存在，使測量存在恒值系統(tǒng)誤差。我們可采用對照法改進測量。設被測物為X、砝碼為P，改變砝碼重量直到兩臂平衡，記錄測量值p1；將X與P左右交換，改變砝碼重量值使天平再次平衡，記錄測量值p2，取兩次測量的平均值，即得到精確測量值，消除了系統(tǒng)誤差。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理高斯稱量法。Х=PP1（1/2）L2/L1=P1/P（1/2）當P≈P1時，做一階近似展開得X≈1/2（P+P1）

④在測量系統(tǒng)中采用補償措施◆找出系統(tǒng)誤差的規(guī)律，在測量過程中自動消除系統(tǒng)誤差。如用熱電偶測量溫度時，熱電偶參考端溫度變化會引起系統(tǒng)誤差，消除此誤差的辦法之一是在熱電偶回路中加一個冷端補償器，從而實現(xiàn)自動補償。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理⑤實時反饋修正◆由于自動化測量技術及微機的應用，可用實時反饋修正的辦法來消除復雜的變化系統(tǒng)誤差?！舢敳槊髂撤N誤差因素的變化對測量結果有明顯的復雜影響時，應盡可能找出其影響測量結果的函數(shù)關系或近似的函數(shù)關系?！粼跍y量過程中，用傳感器將這些誤差因素的變化轉(zhuǎn)換成某種物理量形式（一般為電量），及時按照其函數(shù)關系，通過計算機算出影響測量結果的誤差值，對測量結果作實時的自動修正。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理11.2.3粗大誤差◆如前所述，在對重復測量所得一組測量值進行數(shù)據(jù)處理之前，首先應將具有粗大誤差的可疑數(shù)據(jù)找出來加以剔除?！羧藗兘^對不能憑主觀意愿對數(shù)據(jù)任意進行取舍，而是要有一定的根據(jù)。原則就是要看這個可疑值的誤差是否仍處于隨機誤差的范圍之內(nèi)，是則留，不是則棄。因此要對測量數(shù)據(jù)進行必要的檢驗?！粝旅婢统Ｓ玫膸追N準則介紹如下。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理3σ準則（拉依達準則）◆如果一組測量數(shù)據(jù)中某個測量值的殘余誤差的絕對值|vi|>3σ時，則該測量值為可疑值（壞值），應剔除。2.肖維勒準則◆肖維勒準則以正態(tài)分布為前提，假設多次重復測量所得n個測量值中，某個測量值的殘余誤差|vi|>Zcσ，則剔除此數(shù)據(jù)。實用中Zc<3，所以在一定程度上彌補了3σ準則的不足。Zc值見書中表11-3。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理格拉布斯準則◆某個測量值的殘余誤差的

絕對值|vi|＞Gσ，則判斷

此值中含有粗大誤差，應

予剔除，此即格拉布斯準

則，它被認為是比較好的

準則。G值與重復測量次數(shù)

n和置信概率Pa有關，見表

11-4。表11-4格拉布斯準則中的G值11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆以上準則是以數(shù)據(jù)按正態(tài)分布為前提的，當偏離正態(tài)分布，特別是測量次數(shù)很少時，則判斷的可靠性就差。因此，對粗大誤差除用剔除準則外，更重要的是要提高工作人員的技術水平和工作責任心。另外，要保證測量條件穩(wěn)定，防止因環(huán)境條件劇烈變化而產(chǎn)生的突變影響。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理11.2.4測量數(shù)據(jù)處理中的幾個問題測量誤差的合成◆一個測量系統(tǒng)或一個傳感器都是由若干部分組成。設各環(huán)節(jié)為x1，x2，…，xn，系統(tǒng)總的輸入輸出關系為y=f（x1，x2，…，xn），而各部分又都存在測量誤差。各局部誤差對整個測量系統(tǒng)或傳感器測量誤差的影響就是誤差的合成問題?！羧粢阎鳝h(huán)節(jié)的誤差而求總的誤差，叫做誤差的合成；反之，總的誤差確定后，要確定各環(huán)節(jié)具有多大誤差才能保證總的誤差值不超過規(guī)定值，這一過程叫做誤差的分配。

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆由于隨機誤差和系統(tǒng)誤差的規(guī)律和特點不同，誤差的合成與分配的處理方法也不同，下面分別介紹。①系統(tǒng)誤差的合成由前面可知，系統(tǒng)總輸出與各環(huán)節(jié)之間的函數(shù)關系為各部分定值系統(tǒng)誤差分別為Δx1，Δx2，…，Δxn，因為系統(tǒng)誤差一般均很小，其誤差可用微分來表示，故其合成表達式為:

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆實際計算誤差時，是以各環(huán)節(jié)的定值系統(tǒng)誤差Δx1，Δx2，…，Δxn代替上式中的dx1，dx2，…，dxn，即:

式中Δy即合成后的總的定值系統(tǒng)誤差。②隨機誤差的合成設測量系統(tǒng)或傳感器有n個環(huán)節(jié)組成，各部分的均方根偏差為，，…，，則隨機誤差的合成表達式為:11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理若y=f（x1，x2，…，xn）為線性函數(shù)，即則如果a1=a2=…=an=1，則：

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理③總合成誤差設測量系統(tǒng)和傳感器的系統(tǒng)誤差和隨機誤差均為相互獨立的，則總的合成誤差ε表示為：11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理2.最小二乘法的應用◆最小二乘法原理是誤差的數(shù)據(jù)處理中的一種數(shù)據(jù)處理手段?！糇钚《朔ㄔ砭褪且@得最可信賴的測量結果，使各測量值的殘余誤差平方和為最小?！糇钚《朔ㄔ诮M合測量的數(shù)據(jù)處理、實驗曲線的擬合及其它多種學科等方面，均獲得了廣泛的應用?！粼诘染葴y量和不等精度測量中，用算術平均值或加權算術平均值作為多次測量的結果，符合最小二乘法?！粝旅媾e個組合測量的例子。鉑電阻電阻值R與溫度t之間函數(shù)關系式為式中：

R0，Rt——分別為鉑電阻在溫度0℃和t℃時的電阻值；α，β——電阻溫度系數(shù)?！羧粼诓煌瑴囟萾條件下測得一系列電阻值Rt，求電阻溫度系數(shù)α和β。由于在測量中不可避免地引入誤差，如何求11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理得一組最佳的或最恰當?shù)慕猓筊t=R0（1+αt+βt2）具有最小的誤差呢？◆通常的做法是使測量次數(shù)n大于所求未知量個數(shù)m（n>m），然后采用最小二乘法原理進行計算。◆為了討論方便起見，我們用線性函數(shù)通式表示。設X1，X2，…，Xm為待求量，Y1，Y2，…，Ym為直接測量值，它們相應的函數(shù)關系為:11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理

若x1，x2，…，xm是待求量X1，X2，…，Xm最可信賴的值，又稱最佳估計值，則相應的估計值亦有下列函數(shù)關系：11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆相應的誤差方程為:

式中：l1，l2，…，ln——帶有誤差的實際直接測量值?！舭醋钚《朔ㄔ?，要獲取最可信賴的結果x1，x2，…，xm，應按上述方程組的殘余誤差平方和為最小，即：11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆根據(jù)求極值條件，應使：◆將上述偏微分方程式整理，最后可寫成：11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆上式即為等精度測量的線性函數(shù)最小二乘估計的正規(guī)方程，式中：以后項以此類推。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆正規(guī)方程是一個m元線性方程組，當其系數(shù)行列式不為零時，有唯一確定的解，由此可解得欲求的估計值x1，x2，…，xm即為符合最小二乘原理的最佳解。◆線性函數(shù)的最小二乘法處理應用矩陣這一工具進行討論有許多便利之處。將誤差方程式用矩陣表示：11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆式中：系數(shù)矩陣：◆估計值矩陣：11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆實際測量值矩陣：◆殘余誤差矩陣11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆殘余誤差平方和最小這一條件的矩陣形式為：即：◆將上述線性函數(shù)的正規(guī)方程式（11-28）用殘余誤差表示，可改寫成：11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理◆寫成矩陣形式為:即：又有：

∴

上式即為最小二乘估計的矩陣解。

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理例11–3銅的電阻值R與溫度t之間關系為Rt=R0(1+αt)，在不同溫度下，測定銅電阻的電阻值表11-3所示。試估計0℃時的銅電阻電阻值R0和銅電阻的電阻溫度系數(shù)α。表11-3

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理解：列出誤差方程：

式中，

Rti是在溫度ti下測得的銅電阻的電阻值。令x=R0，y=aR0，則誤差方程可寫為:

76.3-（x+19.1y）=

77.8-（x+25.0y）=

79.75-（x+30.1y）=

80.80-（x+36.0y）=

82.35-（x+40.0y）=11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理83.9-（x+45.1y）=

85.10-（x+50.0y）=其正規(guī)方程按式（11-28）為：

于是有：11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理將各值代入上式，得到：

7x+245.3y=566245.3x+9325.38y=20044.5解得x=70.8，y=0.288，即：

R0=70.8Ω

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理3.用經(jīng)驗公式擬合實驗數(shù)據(jù)——回歸分析◆在工程實踐和科學實驗中，經(jīng)常遇到對于一批實驗數(shù)據(jù)，需要把它們進一步整理成曲線圖或經(jīng)驗公式。用經(jīng)驗公式擬合實驗數(shù)據(jù)，工程上把這種方法稱為回歸分析。◆回歸分析就是應用數(shù)理統(tǒng)計的方法，對實驗數(shù)據(jù)進行分析和處理，從而得出反映變量間相互關系的經(jīng)驗公式，也稱回歸方程。當經(jīng)驗公式為線性函數(shù)時，例如:11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理稱這種回歸分析為線性回歸分析，它在工程中的應用價值較高。在線性回歸中，當獨立變量只有一個時，即函數(shù)關系為:(11-33）◆這種回歸稱為一元線性回歸，這就是工程上和科研中常遇到的直線擬合問題?！粼O有n對測量數(shù)據(jù)（Xi，Yi），用一元線性回歸方程式（11-33）擬合，根據(jù)測量數(shù)據(jù)值，求方程中系數(shù)b0、b的最佳估計值?？蓱米钚《朔ㄔ恚垢鳒y量數(shù)據(jù)點與回歸直線的偏差平方和為最小，見圖11-5。

11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理圖11–5用最小二乘法求回歸直線式中：…，為在x1，…xn

點上y的估計值。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理可用最小二乘法求出系數(shù)b0,b?！粼谇蠼?jīng)驗公式時，有時用圖解法分析顯得更方便、直觀，將測量數(shù)據(jù)值（xi，yi）繪制在坐標紙上，把這些測量點直接聯(lián)接起來，根據(jù)曲線（包括直線）的形狀、特征以及變化趨勢，可以設法給出它們的數(shù)學模型（即經(jīng)驗公式）。這不僅可把一條形象化的曲線與各種分析方法聯(lián)系起來，而且還在相當程度上擴展了原有曲線的應用范圍。11.2測量數(shù)據(jù)的估計和處理11.3測量系統(tǒng)11.3.1測量系統(tǒng)構成

圖11-6測量系統(tǒng)原理結構框圖測量系統(tǒng)是傳感器與測量儀表、變換裝置等的有機組合。它是傳感技術發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，隨著計算機技術及信息處理技術的發(fā)展，測量系統(tǒng)所涉及的內(nèi)容也不斷得以充實。圖11-6表示測量系統(tǒng)原理結構框圖。◆系統(tǒng)中的傳感器是感受被測量的大小并輸出相對應的可用輸出信號的器件或裝置。數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)用來傳輸數(shù)據(jù)?！舢敎y量系統(tǒng)的幾個功能環(huán)節(jié)獨立地分隔開的時候，則必須由一個地方向另一個地方傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)就是完成這種傳輸功能?！魯?shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)是將傳感器輸出信號進行處理和變換。如對信號進行放大、運算、線性化、數(shù)-?；蚰?數(shù)轉(zhuǎn)換，變成另一種參數(shù)的信號或變成某11.3測量系統(tǒng)種標準化的統(tǒng)一信號等，使其輸出信號便于顯示、記錄，既可用于自動控制系統(tǒng)，也可與計算機系統(tǒng)聯(lián)接，以便對測量信號進行信息處理。◆數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)將被測量信息變成人感官能接受的形式，以完成監(jiān)視、控制或分析的目的。◆測量結果可以采用模擬顯示，也可采用數(shù)字顯示或虛擬儀器顯示，也可以由記錄裝置進行自動記錄或由打印機將數(shù)據(jù)打印出來。11.3測量系統(tǒng)11.3.2開環(huán)測量系統(tǒng)與閉環(huán)測量系統(tǒng)1.開環(huán)測量系統(tǒng)：◆開環(huán)測量系統(tǒng)全部信息變換只沿著一個方向進行，如圖11-7所示。圖11-7開環(huán)測量系統(tǒng)框圖其中x為輸入量，y為輸出量，k1、k2、k3為各個環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)。輸入、輸出關系為：

11.3測量系統(tǒng)2.閉環(huán)測量系統(tǒng)閉環(huán)測量系統(tǒng)有兩個通道，一為正向通道，二為反饋通道，其結構如圖11-8所示。圖11-8閉環(huán)測量系統(tǒng)框圖

其中Δx為正向通道的輸入量，β為反饋環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)，正向通道的總傳遞系數(shù)k=k2k3。

11.3測量系統(tǒng)◆由圖11-8可知：

所以：

◆當k>>1時，則：11.3測量系統(tǒng)◆顯然，這時整個系統(tǒng)的輸入輸出關系由反饋環(huán)節(jié)的特性決定，放大器等環(huán)節(jié)特性的變化不會造成測量誤差，或者說造成的誤差很小?！舾鶕?jù)以上分析可知，在構成測量系統(tǒng)時，應將開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)巧妙地組合在一起加以應用，才能達到所期望的目的。11.3測量系統(tǒng)11.3.3測量系統(tǒng)組建原則◆檢測系統(tǒng)的結構和規(guī)模隨對象的特性、被測參數(shù)的數(shù)量、精度要求的高低而不同，組建系統(tǒng)時應遵循如下原則：

1.開放式系統(tǒng)和規(guī)范化設計：盡可能選用符合國家標準的傳感器；盡可能采用符合國際工業(yè)標準的總線機構和通信協(xié)議，并選用符合這些總線標準的功能模板組成開放式、可擴展的系統(tǒng)。

11.3測量系統(tǒng)2.先總體后局部：根據(jù)系統(tǒng)的性能指標與功能要求，經(jīng)過比較綜合然后制定出總體方案。總體方案中要確定個參量的檢測方法和系統(tǒng)結構，將系統(tǒng)要實現(xiàn)的任務和功能合理地分配給硬件和軟件，然后繪制系統(tǒng)硬件和軟件總框圖，再逐層向下分解成若干個相對獨立的模塊，并定義各模塊間的硬件和軟件接口。11.3測量系統(tǒng)

3.指標分解留有余地：將系統(tǒng)的主要指標，如精度、能耗、可靠性等合理地分配給各個模塊。考慮到系統(tǒng)集成后各模塊的相互影響以及現(xiàn)場運行環(huán)境，總體指標的分解要留有充分的余地，以利系統(tǒng)日后的擴展。

4.性價比高：一般都希望系統(tǒng)性能好、成本低。要根據(jù)設計要求及成本綜合考慮來設計系統(tǒng)。11.3測量系統(tǒng)習題與思考題1．用測量范圍為-50～150KPa的壓力傳感器測量140KPa壓力時，傳感器測得示值為142KPa，求該示值的絕對誤差、實際相對誤差、標稱相對誤差和引用誤差。2．試問下列測量數(shù)據(jù)中，哪些表示不正確：100℃±0.1℃，100℃±1℃，100℃±1%，100℃±0.1%?3．壓力傳感器測量砝碼數(shù)據(jù)如題表11-1，試解釋這是一種什么誤差，產(chǎn)生這種誤差的原因是什么。習題與思考題4．什么是粗大誤差？如何判斷測量系統(tǒng)中含有粗大誤差？5．在對量程為10MPa的壓力傳感器進行標定時，傳感器輸出電壓值與壓力值之間的關系如題表11-2所示，簡述最小二乘法準則的幾何意義，并討論下列電壓-壓力直線中哪一條最符合最小二乘法準則？習題與思考題（1）y=5.00x-1.05（2）y=7.00x+0.09（3）y=50.00x-10.50（4）y=-5.00x-1.05（5）y=5.00x+0.07習題與思考題6．測得某檢測裝置的一組輸

入輸出數(shù)據(jù)如題表11-3，試

用最小二乘法擬合直線，

求其線性度和靈敏度。7．設5次測量某物體的長度，其測量的結果分別為：9.8，10.0，10.1，9.9，10.2厘米，若忽略粗大誤差和系統(tǒng)誤差，試求在99.73％的置信概率下，對被測物體的最小估計區(qū)間。

習題與思考題第12章虛擬儀器技術12.1LabVIEW軟件的特點112.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合32虛擬儀器是在20世紀后期隨計算機水平和軟件技術的迅速進步而出現(xiàn)并發(fā)展起來的有別于傳統(tǒng)儀器的新概念。虛擬儀器技術突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式，具有用簡單硬件將被測量采集到上位機，然后通過軟件設計即可方便靈活地完成對被測試量的分析、判斷、顯示及數(shù)據(jù)存儲等功能的特點。軟件設計的靈活易變、成本低等特點使虛擬儀器在測試測量技術中越來越發(fā)揮出其優(yōu)勢。目前，虛擬儀器的開發(fā)工具有LabVIEW、Lab-WINDOWS、VB等，下面我們主要介紹用NI公司的Lab-VIEW軟件開發(fā)虛擬儀器的方法。本章后面將介紹用LabVIEW同NI公司的另一款電路仿真軟件Multisim進行聯(lián)合仿真的方法。概述12.1LabVIEW軟件的特點

◆LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineerWorkbench,實驗室虛擬儀器工作平臺）是美國NI公司推出的一種基于G語言(GraphicsLanguage，圖形化編程語言)的具有革命性的圖形化虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，是業(yè)界領先的測試、測量和控制系統(tǒng)的開發(fā)工具。◆虛擬儀器的概念是用戶在通用計算機平臺上，在必要的數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，根據(jù)測試任務的需要，通過軟件設計來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能?！籼摂M儀器的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式，使得用戶可以根據(jù)自己的需求，設計自己的儀器系統(tǒng)，并可通過修改軟件來改變或增減儀器的功能，真正體現(xiàn)了“軟件就是儀器”這一新概念。12.1LabVIEW軟件的特點作為虛擬儀器的開發(fā)軟件，LabVIEW的特點如下：⑴具有圖形化的編程方式，設計者無需編寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師語言。⑵提供豐富的數(shù)據(jù)采集，分析及存儲的庫函數(shù)。⑶提供傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)試手段，如設置斷點，單步運行，同時提供獨具特色的執(zhí)行工具，使程序動畫式進行，利于設計者觀察到程序運行的細節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。12.1LabVIEW軟件的特點⑷囊括了PCI,GPIB,PXI,VXI,RS-232/485,USB等各種儀器通信總線標準的所有功能函數(shù)，使得不懂得總線標準的開發(fā)者也能驅(qū)動不同總線標準接口設備與儀器。⑸提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，如DLL（動態(tài)鏈接庫），DDE（共享庫），Activex等。⑹具有強大的Internet功能，支持常用的網(wǎng)絡協(xié)議，方便網(wǎng)絡，遠程測控儀器開發(fā)。12.1LabVIEW軟件的特點◆在測試和測量方面，LabVIEW已經(jīng)變成了一種工業(yè)的標準開發(fā)工具；在過程控制和工廠自動化應用方面，LabVIEW軟件非常適用于過程監(jiān)測和控制；而在研究和分析方面，LabVIEW軟件有力的軟件分析庫提供了幾乎所有經(jīng)典的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級信號的分析?！羲哂行盘柌杉?、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，集開發(fā)、調(diào)試、運行于一體

，而且LabVIEW虛擬儀器程序(VirtualInstrument，簡稱VI)可以非常容易的與各種數(shù)據(jù)采集硬件、以太網(wǎng)系統(tǒng)無縫集成，與各種主流的現(xiàn)場總線通信以及與大多數(shù)通用數(shù)據(jù)庫鏈接。12.1LabVIEW軟件的特點◆“軟件就是儀器”反映了其虛擬儀器技術的本質(zhì)特征。用LabVIEW設計的虛擬儀器可脫離LabVIEW開發(fā)環(huán)境，用戶最終看見的是和實際硬件儀器相似的操作界面。如今虛擬儀器已是現(xiàn)代檢測系統(tǒng)中非常重要的一部分。12.1LabVIEW軟件的特點12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法

LabVIEW與虛擬儀器有著緊密聯(lián)系，在LabVIEW中開發(fā)的程序都被稱為VI（虛擬儀器），其擴展名默認為vi。所有的VI都包括前面板（Frontpanel）、框圖（Blockdiagram）以及圖標和連接器窗格（Iconandconnectorpane）三部分?！鬖abVIEW提供了三個模板來編輯虛擬儀器：工具模板（Tools

Palettes）、控制模板（Controls

Palettes）、功能模板（Functions

Palettes）。

具體創(chuàng)建一個VI的步驟如下：①從開始菜單中運行已安裝的“NationalInstrumentsLabview2019”，在計算機屏幕上將出現(xiàn)如圖12-1所示的“LabVIEW”窗口。

圖12-1為GettingStarted窗口

12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法②在“LabVIEW”窗口左邊的“File”控件里，樹形控件用于選擇新建文檔類型。“BlankVI”用于建立一個新程序；“VIfromTemplate”按類型列出LabVIEW系統(tǒng)提供的程序模板，用戶可以以這些模板為基礎，建立自己的程序。當選中一個模板VI時，“Fro-ntpanelpreview”和“Blockdiagrampreview”子窗口給出其前面板和框圖預覽。建立一個新的LabVIEW程序，框圖面板和前面板分別如圖12-2（a）和（b）所示。12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法圖12-2（a）框圖面板及函數(shù)模板圖12-2（a）框圖面板及函數(shù)模板12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法圖12-2（b）前面板及控件模板圖12-2（b）前面板及控件模板12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法③在前面板上放置設計要求的儀器圖形。前面板上有交互式的輸入和輸出兩類圖形，分別稱為Contr-ol（控制器）和Indicator（指示器）。Control包括開關、旋鈕、按鈕和其他各種輸入設備；Indic-ator包括圖形（Graph和Chart）、LED和其他顯示輸出對象。④在框圖窗口中放置編程需要的功能函數(shù)模塊，并根據(jù)編程要求連接前面板控件、指示器在框圖窗口中的相應圖標和功能函數(shù)模塊圖標。在框圖中對VI編程的主要工作就是從前面板上的輸入控件獲得12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法用戶輸入信息，然后進行計算和處理，最后在輸出控件中把處理結果反饋給用戶?？驁D上的編程元素除了包括于前面板上的Control和Indicator對應的連線端子（Terminal）外，還有函數(shù)、子VI、常量、結構和連線等。⑤當框圖程序編譯通過后，在前面板調(diào)節(jié)各控件與指示器位置，并使界面美化。圖12-3為控制模板下“Mo-dern\Decorations”子模板。該模板提供制作美觀界面的裝飾元素。同時可點右鍵打開前面板各模塊的屬性，修改顏色及其他設置。12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法圖12-3修飾子模塊圖12-3修飾子模塊

12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法⑥定義圖標與連接器完成子程序流程框圖的編程后，需要定義連接器，以便在子VI調(diào)用時方便連接端口。圖標和連接器指定了數(shù)據(jù)流入流出VI的路徑。VI是分層次和模塊化的，可將作為頂層程序，也可將其作為其他程序的子程序。圖標是子VI在程序圖上的圖形化表示，而連接器定義了子VI和主調(diào)程序之間的參數(shù)形式和接口。12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法◆VI圖標的修改可通過雙擊圖標，在圖12-4的編輯窗口下自定義圖標。圖12-4圖標編輯圖12-4圖標編輯12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法◆圖標下拉菜單圖如12-5所示，連接器窗格并排在圖標左側，如圖12-6所示。圖12-5定義連接器下拉菜單圖

圖12-6連接器窗格圖

12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法◆在第一次打開一個VI連接器窗格時，LabVIEW將自動根據(jù)當前前面板上控制器和指示器的個數(shù)和選擇一個合適的連接器模式，自動選擇的連接器模式中表示連接端子的格子數(shù)目數(shù)不小于控制器和指示器的總數(shù)目。當然，也可以根據(jù)LabVIEW2019自帶的一些模型（patterns）手動增加連接的端子，在右上角右鍵點擊連接器，在彈出的窗口中即可選擇模型。12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法◆接下來是建立前面板上的控件和連接器窗口的端子關聯(lián)。若把鼠標指針放在連接器的某個未連接的端子（白色）上，則鼠標指針自動變換為連接工具樣式。單擊選中端子，端子變?yōu)楹谏?。然后單擊前面板的控件，控件周圍出現(xiàn)的虛線框表示控件處于選中狀態(tài)，同時連接器端子變?yōu)檫x中數(shù)據(jù)類型對應的顏色，表示關聯(lián)過程完成，如圖12-7。圖12-7連接器和顯示器件關聯(lián)圖12-7連接器和顯示器件關聯(lián)12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法◆如果白色連接器的端子沒有變?yōu)樗P聯(lián)控件數(shù)據(jù)類型對應的顏色，則表明關聯(lián)失敗，可重復以上過程，直至關聯(lián)成功。如果關聯(lián)了錯誤的控件，可以在連接器端子上單擊鼠標右鍵，選擇斷開連接，然后重新指定。一般習慣把控制器連接到連接器窗口左邊的端子上，把指示器連接到連接器窗口有邊的端子上。12.2LabVIEW虛擬儀器的創(chuàng)建方法12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合12.4.1Multisim和LabVIEW的輸入接口研究

Multisim和LabVIEW的接口電路是由Mutisim所提供的模板，你可以在Multisim目錄下的“Samples”/LabVIEWInstruments/Templates/Input(Output)中獲得。它有輸入輸出兩個接口模塊。導入Multisim中的LabVIEW儀器，它只能是單獨的輸入或單獨的輸出形式，而不能既有輸入又有輸出。在輸入接口模塊中，它允許應用者對從Multisim采樣數(shù)據(jù)到LabVIEW中的采樣率進行按需設置。輸入接口模塊的后面板可分為兩大部分：窗口操作部分和數(shù)據(jù)傳送部分，下面進行詳細的說明。1．窗口操作部分在LabVIEW中窗口操作部分后面板電路如圖12-8所示：圖12-8窗口操作

12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合◆從圖中可以知道，窗口操作部分是利用ObtainQueue這個節(jié)點來獲取MultisimCallbackQueue中關于Multi-sim對LabVIEW的操作信息（包含關掉界面、停止運行、啟動運行、暫停等）和設備在Multisim中的ID號，并且將所獲得的數(shù)據(jù)送入While循環(huán)中進行處理。在While循環(huán)中有一個EventStructure結構，這個結構就好像是具有“WaitOnOccurrence”（等待事件發(fā)生）能力的選擇結構（CaseStructure），但是這個選擇結構能夠同時相應多個選擇。當沒有任何事件發(fā)生時，EventStructure就會處于睡眠狀態(tài)，直到有一個或多個預先設定的動作。12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合2.數(shù)據(jù)傳輸部分

數(shù)據(jù)傳輸可分為三個部分：通知和隊列的獲取部分數(shù)據(jù)的處理部分、通知和隊列的銷毀部分，下面對這三部分進行說明。1）通知和隊列的獲取部分:12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合圖12-9獲取通知和隊列◆該部分的電路圖如圖12-9所示。由圖可知當LabVIEW被Multisim調(diào)用時，CallChain會獲取Multisim調(diào)用LabVIEW的路徑，經(jīng)過IndexArray對數(shù)組進行索引后，把信號送到OpenVIReference中。OpenVIReference節(jié)點的功能是打開并返回一個運行在指定的VI應用程序的Reference，所以到這里前面這一系列的工作的主要目的是把Multisim調(diào)用LabVIEW的路徑的Reference找到，為的是在后面正確的把Multisim中的數(shù)據(jù)傳輸給LabVIEW。12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合◆InstrumentOccurrence是一個產(chǎn)生通告的節(jié)點，當LabVIEW被調(diào)用的同時它就產(chǎn)生一個通告，后面的等待通告的節(jié)點接到通告后就開始工作。此后利用ObtainQueue和ObtainNotifier這兩個節(jié)點獲取指定的隊列和通告后，把相應的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)處理部分。這時在MultismCommandElement節(jié)點中獲得的信息包括控制LabVIEW運行的控制代碼和Multisim中的電路運行時的產(chǎn)生數(shù)據(jù)也將被送進數(shù)據(jù)處理部分。12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合2）數(shù)據(jù)的處理部分◆該部分的電路圖如圖12-10所示。12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合12-10數(shù)據(jù)的處理

12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合◆該部分是在一個While循環(huán)中完成其全部的數(shù)據(jù)處理功能的。在While循環(huán)中嵌套著一個“CaseStructure”選框。這個選框中有6個子選框。這個情況選框中所擁有的所有功能的執(zhí)行與機執(zhí)行順序都是由ControlCode節(jié)點來控制的。當ControlCode選中了哪個情況的子選框后，才執(zhí)行哪個子選框中相應的內(nèi)容。子選框執(zhí)行的先后順序也由該控制節(jié)點發(fā)出控制信號的先后來決定的。如果需要對數(shù)據(jù)進行平滑化，可在“SerializeData”選項框中進行設計；要加入處理信號的子VI，可在“UpdateData”中進行。◆這里只介紹在CaseStructure中的三個常用的情況選框中進行設計的方法。①“UpdateData”情況子選框該選框如圖12-11所示，它要完成的主要工作是調(diào)用已經(jīng)做好的子VI，調(diào)用的方式是：在后面板空白處單擊右健，選擇“Functions”/“SelectaVI”/選擇要調(diào)用的子VI的存放路徑，然后單擊“確定”按鈕，子VI就被調(diào)進來了?！癠pdateData”情況子選框的功能是實現(xiàn)對信號的處理與輸出。12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合圖12-11“UpdateData”子選框12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合圖12-12“SerializeData”子選框②“SerializeData”情況子選框該子選框的連線如圖12-12所示。12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合

◆在這里SamplingRate[Hz]這個節(jié)點是通過右健單擊原有的SamplingRate[HZ]節(jié)點/“Create”/“PropertyNode”/“Value”而建立的屬性節(jié)點。在這個子選框中的主要工作是對數(shù)據(jù)進行平滑化。在LabVIEW保存數(shù)據(jù)之前需要將數(shù)據(jù)平化為一個單個的字符串。因為這里的數(shù)據(jù)只是在LabVIEW中保存的，所以只用FlattentoString節(jié)點就可以實現(xiàn)平滑數(shù)據(jù)了。12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合③“DeserializeData”情況選框該框的連線如圖12-13所示，它的功能是將數(shù)據(jù)反平滑化，使數(shù)據(jù)便于讀取。圖12-13“DeserializeData”子選框12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合3）通知和隊列的銷毀部分該電路的電路圖如圖12-14所示。因為隊列和通知是在每一次調(diào)用時動態(tài)產(chǎn)生的，每一次產(chǎn)生的都不一樣，所以每一次產(chǎn)生的隊列和通知在用完之后必須銷毀，因為Reference也是動態(tài)產(chǎn)生的，所以也要把它銷毀。圖12-14通知和隊列的銷毀

12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合◆綜合上面的三個部分，可得到數(shù)據(jù)傳輸部分的整體電路圖如圖12-15所示。這部分的整體電路協(xié)調(diào)起來一起完成Multisim和LabVIEW之間的數(shù)據(jù)交換與處理。圖12-15數(shù)據(jù)傳輸部分的整體電路12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合12.3.2向Multisim設計中導入LabVIEW虛擬儀器的方法

1.系統(tǒng)要求

◆如果想要在Multisim中啟動和運行LabVIEW儀器，在你的電腦中必須裝有LabVIEW2019或更高版本的LabVIEW軟件。所安裝的Multisim軟件中必須包括LabVIEWRun-TimeEngine這個模塊，且這個模塊的版本與你創(chuàng)建導入Multisim中的VI時所使用的LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)版本要一致。12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合2．創(chuàng)建導入Multisim的LabVIEW虛擬儀器

◆導入Multisim的原始LabVIEWVI是一種標準的與Multisim交換數(shù)據(jù)的模板。Multisim提供了兩種的形式的模板：輸入模板和輸出模板。這些標準原始模板包含了一個LabVIEW工程（這個工程里包含了一些在編譯時的一些必需的設置）和一個VI模塊（這個VI模塊包含了與Multisim通信的前面板和后面板）。12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合◆原始模板可以在你所安裝Multisim的根目錄下的Samples/LabVIEWInstruments/Templates/Input(Output)中獲得。Input這個模塊用于創(chuàng)建從Multisim中接收數(shù)據(jù)并分析這些數(shù)據(jù)的VI儀器。Output模塊用于創(chuàng)建一個產(chǎn)生數(shù)據(jù)并傳送給Multisim進行處理的儀器。在原始模板中的原始LabVIEW工程StarterInputInstrument.lvproj和StarterOutputInstrument.lvproj,它們都包含兩個文件SourceDistribution和BuildSpectifications。下面將以輸入（Input）儀器為例來詳細地介紹創(chuàng)建導入Multisim的LabVIEW虛擬儀器的方法。12.3LabVIEW和Multisim軟件的聯(lián)合(1)把Multisim安裝目錄下Samples/LabVIEWInstru-ments/Templates/Input中的內(nèi)容拷貝到一個空的文件夾下。這樣做的目的是避免更改了原始模板。Input目錄中的內(nèi)容如圖12