基于LabVIEW自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量誤差分析及優(yōu)化

褚衍廷 余雨婷 溫占燕

摘要：在靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試中都會(huì)不可避免的產(chǎn)生測(cè)量誤差，由于測(cè)量誤差具有不可避免性，因此，應(yīng)加強(qiáng)誤差控制，保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確與真實(shí)。本文主要針對(duì)基于LabVIEW自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量誤差進(jìn)行分析及優(yōu)化。首先對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行介紹，并對(duì)基于LabVIEW自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的組成及現(xiàn)狀進(jìn)行分析。然后在對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)隨機(jī)誤差及系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因，傳遞過(guò)程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，給出優(yōu)化措施。最后以軌道交通裝備基地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所存在的實(shí)際問(wèn)題為案例，對(duì)測(cè)試線(xiàn)長(zhǎng)度、儀器本身及地線(xiàn)三個(gè)方面對(duì)誤差的影響進(jìn)行分析并給出改進(jìn)措施。

Abstract： Measurement errors are inevitable in both static and dynamic tests. Because of the inevitability of measurement errors， it is necessary to strengthen error control to ensure the accuracy and authenticity of measurement results. This paper mainly analyzes and optimizes the measurement error of automatic test system based on LabVIEW. Firstly， the development of automatic test system is introduced， and the composition and current situation of automatic test system based on LabVIEW are analyzed. Then， based on the analysis of the random error， the cause of system error and the transfer process， the optimization measures are given. Finally， taking the practical problems existing in the field test of rail transit equipment base as an example， the influence of test line length， instrument itself and ground wire on the error is analyzed and improvement measures are given.

關(guān)鍵詞：自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng);隨機(jī)誤差;系統(tǒng)誤差;優(yōu)化措施

Key words： automatic test system;random error;system error;optimizing measures

中圖分類(lèi)號(hào)：P207+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0193-03

0? 引言

在測(cè)量期間，測(cè)量獲得的結(jié)果、真實(shí)參數(shù)之間的差距，稱(chēng)為測(cè)量誤差。真實(shí)參數(shù)在客觀環(huán)境中，具有存在的真實(shí)性，能夠在特定時(shí)空環(huán)境中展現(xiàn)出事物真實(shí)狀態(tài)，在表達(dá)時(shí)存在局限性。在測(cè)量過(guò)程中，想要獲得待測(cè)結(jié)果的真實(shí)情況，減少誤差具有必要性。測(cè)量工作，應(yīng)遵循一定原理、測(cè)量技巧、特定測(cè)量設(shè)備，在受控環(huán)境中，由專(zhuān)業(yè)人士完成測(cè)量工作，以保障測(cè)量準(zhǔn)確。由于測(cè)量操作，在理論認(rèn)知、實(shí)踐活動(dòng)方面，存在著相似性，無(wú)法保障測(cè)量方法的完善性。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)儀器精準(zhǔn)度、測(cè)量精確性方面，存在測(cè)量精度控制的局限性。加之環(huán)境因素作用，在多方干擾條件下，將會(huì)形成測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值之間的差距，統(tǒng)稱(chēng)為誤差。

針對(duì)誤差構(gòu)建的自測(cè)系統(tǒng)，在多年應(yīng)用發(fā)展歷程中，功能逐漸完善，適用于多種誤差檢測(cè)，同時(shí)添加了精度、效率的檢測(cè)項(xiàng)目。基于LabVIEW的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是面向儀器資源管理的代表，雖然自動(dòng)測(cè)試可以去除人工測(cè)試所產(chǎn)生的誤差，但誤差仍不可避免地存在，影響測(cè)試結(jié)果的精度。因此，研究測(cè)量及測(cè)試系統(tǒng)誤差，尤其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中減少和消除誤差的影響非常必要。

1? 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展及現(xiàn)狀分析

1.1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展

以計(jì)算機(jī)為運(yùn)行平臺(tái)，在控制程序作用下，自動(dòng)化運(yùn)作誤差測(cè)定程序的設(shè)備，稱(chēng)作自測(cè)程序。在上世紀(jì)60年代，測(cè)定領(lǐng)域中廣泛開(kāi)展了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，自測(cè)技術(shù)獲得了技術(shù)發(fā)展，在眾多領(lǐng)域中開(kāi)展了廣泛應(yīng)用。自測(cè)程序的發(fā)展歷程，早期側(cè)重于單項(xiàng)專(zhuān)業(yè)檢測(cè)，中期關(guān)注單個(gè)領(lǐng)域檢測(cè)，后期以模塊檢測(cè)程序?yàn)橹?，具有檢測(cè)的適用性。

①專(zhuān)業(yè)型：早期的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)多為針對(duì)具體測(cè)試任務(wù)而研制的專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)，隨著單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)以計(jì)算機(jī)總線(xiàn)技術(shù)的飛速發(fā)展，這類(lèi)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)已具有新的測(cè)試思路和技術(shù)支持。第一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，在多個(gè)領(lǐng)域中，性能顯著超越人工測(cè)試，比如測(cè)試時(shí)間，測(cè)試精準(zhǔn)性等。

②單個(gè)領(lǐng)域檢測(cè)：中期檢測(cè)程序，此系統(tǒng)的建設(shè)，是以接口總線(xiàn)為平臺(tái)，采取組件搭建形式，形成了全新的自測(cè)程序。添加此種自測(cè)程序的設(shè)備有多種類(lèi)型，比如萬(wàn)用表。此種自測(cè)程序，具有獨(dú)立的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，可作為備用設(shè)備。現(xiàn)階段此種類(lèi)型的自測(cè)程序，添加的接口總線(xiàn)，具有可編譯、功能通用等特性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、航空航天等多種領(lǐng)域。

③模塊化集成型：后期自測(cè)程序，其程序組成以模塊化設(shè)備為主，測(cè)試項(xiàng)目具有通用性，在數(shù)據(jù)傳輸、組建配置等方面，表現(xiàn)出較高靈活性、功能拓展性等測(cè)試優(yōu)勢(shì)，作為當(dāng)前測(cè)試程序的主要應(yīng)用。

1.2 自測(cè)程序的現(xiàn)實(shí)發(fā)展情況

自測(cè)程序一般由五部分組成。第一是控制器（計(jì)算機(jī)、微處理器、單片機(jī)等），它是整個(gè)系統(tǒng)的核心;第二是被程控的測(cè)量?jī)x器或設(shè)備，稱(chēng)為可程控儀器;第三是總線(xiàn)與接口，連接控制器和可程控儀器，完成信息交換;第四是測(cè)試軟件，為了完成測(cè)試任務(wù)而編制的應(yīng)用軟件;第五是適配器，連接被測(cè)設(shè)備和可程控儀器。

自動(dòng)測(cè)試臺(tái)具有優(yōu)越的測(cè)試特性，其核心在于用軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試，雖然可以消除因?yàn)槿斯y(cè)試所帶來(lái)的誤差，但是誤差具有發(fā)生的必然性，對(duì)于測(cè)試結(jié)果真實(shí)性產(chǎn)生干擾作用。以測(cè)量精度為視角，應(yīng)加強(qiáng)誤差問(wèn)題回避。針對(duì)誤差形成類(lèi)型、誤差形成原因等方面做進(jìn)一步分析。

2? 測(cè)量誤差的有效控制

依據(jù)誤差形成特點(diǎn)，測(cè)試程序中的誤差類(lèi)型，主要包括隨機(jī)類(lèi)、粗放類(lèi)、程序類(lèi)三種。粗放類(lèi)型的誤差表現(xiàn)，主要表現(xiàn)為測(cè)試結(jié)果與真實(shí)理論參數(shù)之間形成了較大差異表現(xiàn)，可使用3σ法則回避此種誤差問(wèn)題。然而，事實(shí)上，此類(lèi)誤差問(wèn)題，普遍歸結(jié)于人為測(cè)量不規(guī)范。因此，在操作自測(cè)程序時(shí)，應(yīng)規(guī)范操作，保障連接的準(zhǔn)確性，能夠有效回避粗放類(lèi)誤差問(wèn)題。

2.1 隨機(jī)誤差分析及優(yōu)化

當(dāng)對(duì)同一個(gè)量測(cè)量多次時(shí)，得到一系列不同的測(cè)量值，每個(gè)值都有誤差，這些誤差出現(xiàn)沒(méi)有特定的規(guī)律。

①測(cè)量設(shè)備形成的隨機(jī)誤差表現(xiàn)，表現(xiàn)在設(shè)備測(cè)量偏差，供電頻率浮動(dòng)，零部件結(jié)構(gòu)異常，線(xiàn)束的老化等;

②環(huán)境方面的因素，包括溫度、濕度微弱的變化，電磁場(chǎng)的干擾等。

隨機(jī)誤差特點(diǎn)如下：

①正負(fù)誤差發(fā)生次數(shù)一致性：當(dāng)正誤差=負(fù)誤差絕對(duì)值時(shí)，兩種誤差發(fā)生次數(shù)相似;

②小誤差數(shù)量多：誤差數(shù)量集中在絕對(duì)值較小的范圍;

③誤差均值趨零性：在測(cè)量次數(shù)累加作用下，誤差均值約等于零。

由此確定：如若針對(duì)特定參數(shù)，進(jìn)行不少于兩次的測(cè)量，將會(huì)回避隨機(jī)誤差問(wèn)題的干擾，由此獲取較為真實(shí)的測(cè)量結(jié)果。多次測(cè)量活動(dòng)中，獲得了誤差均值趨近于零，此種特性能夠限制測(cè)量次數(shù)，減少隨機(jī)誤差干擾。

2.2 系統(tǒng)誤差成因與回避方法

2.2.1 系統(tǒng)誤差成因

測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，干擾條件包括誤差、系統(tǒng)兩類(lèi)因素。由于系統(tǒng)形成的測(cè)量偏差問(wèn)題，不容易被發(fā)現(xiàn)，而且多次測(cè)量也不能減小它的測(cè)量結(jié)果，這種誤差對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的精度影響更大。

系統(tǒng)誤差的形成，具體指在等同測(cè)量條件下，對(duì)相同參數(shù)開(kāi)展多次測(cè)量活動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)形成的誤差，具有固定性?；蛘咴跍y(cè)量條件有變化的情況下，誤差呈現(xiàn)出規(guī)律性。結(jié)合誤差表現(xiàn)特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)誤差區(qū)別于隨機(jī)誤差，無(wú)法在多次測(cè)量活動(dòng)中，回避誤差問(wèn)題;系統(tǒng)誤差的形成，以函數(shù)規(guī)律為主。在誤差分析期間，能夠獲取誤差成因，可采取系統(tǒng)調(diào)試、修正等方式，減少誤差影響。結(jié)合自測(cè)程序的組成情況，能夠發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)誤差滲透在信號(hào)處理的各系統(tǒng)程序中，包括采樣誤差、放大器誤差、A/D轉(zhuǎn)換誤差以及軟件運(yùn)算中的誤差等。

如圖1所示，為系統(tǒng)誤差傳遞過(guò)程。

自測(cè)程序在任意測(cè)試環(huán)節(jié)中，均會(huì)形成誤差問(wèn)題，此類(lèi)具有傳遞性的誤差問(wèn)題，將會(huì)在誤差輸出時(shí)，形成積累誤差。如若將被測(cè)信號(hào)與傳感器的傳輸環(huán)節(jié)，誤差設(shè)定為a1、將傳感器與信號(hào)處理之間的環(huán)節(jié)誤差，設(shè)定為a2，以此類(lèi)推。由于各程序相互關(guān)系為串聯(lián)，則有關(guān)系式：

a= a1×a2×a3×…×an

系統(tǒng)誤差的傳遞過(guò)程可以表示如下：

Δy=a（1+e%）Δx

其中Δy是信號(hào)輸出時(shí)形成的誤差值，a作為測(cè)試程序中信號(hào)傳輸各環(huán)節(jié)的誤差系數(shù)總值，e%表示測(cè)試程序運(yùn)行帶有的誤差表現(xiàn)，Δx是指在測(cè)試程序中，被測(cè)信號(hào)傳遞時(shí)攜帶的傳遞誤差。由Δy計(jì)算方法可知：測(cè)試程序形成的誤差總數(shù)，是受到了系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞誤差、系統(tǒng)自身誤差等多項(xiàng)因素的共同作用。

2.2.2 系統(tǒng)誤差回避方法

此種誤差問(wèn)題，可借助修正系統(tǒng)予以回避，以消除系統(tǒng)誤差問(wèn)題。

3? 案例分析

本文根據(jù)某軌道交通裝備基地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所存在的實(shí)際問(wèn)題，對(duì)測(cè)試線(xiàn)長(zhǎng)度、儀器本身及地線(xiàn)三個(gè)方面分別對(duì)誤差的影響進(jìn)行分析并給出改進(jìn)措施。

3.1 線(xiàn)長(zhǎng)對(duì)誤差的影響及改進(jìn)措施

3.1.1 線(xiàn)長(zhǎng)對(duì)誤差的影響

現(xiàn)場(chǎng)在使用自動(dòng)測(cè)試臺(tái)測(cè)量精度要求較高的插件時(shí)，需要特別考慮線(xiàn)長(zhǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。例如在某測(cè)試臺(tái)上測(cè)量時(shí)，供電電壓為24V，工作電流為0.3A，此時(shí)可確定選擇0.5mm2的銅導(dǎo)線(xiàn)，根據(jù)電阻的計(jì)算公式R=ρL/S，在20℃時(shí)，銅導(dǎo)線(xiàn)的電阻率為0.0175Ωmm2/m，若一米長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)，可知電阻為0.035Ω，當(dāng)工作電流為0.3A時(shí)，此時(shí)在導(dǎo)線(xiàn)上的壓降為0.0105V，即10.5mV，由此可見(jiàn)對(duì)于測(cè)量要求高的插件來(lái)說(shuō)，線(xiàn)損造成的誤差是相當(dāng)大的。

由于線(xiàn)束自身帶來(lái)的電阻導(dǎo)致產(chǎn)生壓降，因此我們必須保證測(cè)量點(diǎn)和電源給過(guò)來(lái)的點(diǎn)位是等電勢(shì)的，此時(shí)就引入了電源里的sense端的概念。具體如圖2所示。

3.1.2 線(xiàn)長(zhǎng)測(cè)量誤差問(wèn)題的改進(jìn)方法

由圖2可知，在測(cè)量電阻R時(shí)，如果不加上S+和S-，那么由于線(xiàn)損R1的影響，會(huì)導(dǎo)致A點(diǎn)的電壓不等于電源電壓，這樣就會(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。但是加上S+和S-時(shí)，起到一個(gè)補(bǔ)償?shù)淖饔?，A點(diǎn)的電壓為S+，B點(diǎn)的電壓為S-，即在測(cè)量被測(cè)品R時(shí)，兩端的電壓為標(biāo)準(zhǔn)的電源電壓，這樣就消除了線(xiàn)損，減小了誤差，達(dá)到了精確測(cè)量的目的。

3.2 儀器對(duì)測(cè)量誤差的影響及改進(jìn)措施

3.2.1 儀器對(duì)測(cè)量誤差的影響

當(dāng)使用100MHz探頭和100MHz示波器組成的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量上升時(shí)間為3.5ns的方波信號(hào)時(shí)，其誤差會(huì)有多少呢？示波器的上升時(shí)間是指一個(gè)示波器從理論上來(lái)說(shuō)能夠顯示的最快的瞬變的時(shí)間，它與示波器的帶寬有關(guān)。對(duì)于頻率低于1GHz的示波器，有：

（1）

（2）

（3）

根據(jù)公式（1）可分別求出示波器和探頭的上升時(shí)間：

根據(jù)公式（2）可求出測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間：

再根據(jù)公式（1）反推得出整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的帶寬：

故100MHz的示波器和100MHz的探頭組成的系統(tǒng)帶寬為70MHz?，F(xiàn)在可根據(jù)公式（3）計(jì)算出測(cè)量所得的上升時(shí)間：

即如果使用100MHz的示波器和100MHz的探頭組成的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試3.5ns上升沿的方波信號(hào)，其測(cè)量所得的值應(yīng)為6.08ns。相應(yīng)的測(cè)量誤差可計(jì)算出：

由此可得出使用100MHz的示波器和100MHz的探頭組成的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試3.5ns上升沿的方波信號(hào)測(cè)量誤差達(dá)到了73%。這種誤差肯定是不允許存在的。

3.2.2 儀器測(cè)量誤差問(wèn)題的改進(jìn)方法

通過(guò)前面的介紹了解到了示波器和探頭的帶寬對(duì)被測(cè)信號(hào)的影響。那么在已知測(cè)量上升沿的情況時(shí)，我們?cè)撊绾芜x擇測(cè)量系統(tǒng)的帶寬。測(cè)量系統(tǒng)的上升時(shí)間與被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間的比例對(duì)應(yīng)上升時(shí)間的測(cè)量誤差如表1所示。

由此可知，示波器帶寬（示波器和探頭組成的系統(tǒng)帶寬）一般選擇被測(cè)信號(hào)頻率的5倍以上才能達(dá)到較高的精度要求。

3.3 在測(cè)量誤差中地線(xiàn)的作用及優(yōu)化方法

3.3.1 在測(cè)量誤差中地線(xiàn)的作用

在波形測(cè)量程序中，以波形上升沿和下降沿為測(cè)量方向時(shí)，地線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致波形失真，從而影響測(cè)量的結(jié)果。地線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)即在測(cè)試程序中，信號(hào)反饋所經(jīng)過(guò)的路徑較長(zhǎng)，在信號(hào)發(fā)送器位置輸送的信號(hào)，將會(huì)反饋回流至發(fā)送器。反饋路徑，具體指單一信號(hào)的傳輸回流路線(xiàn)。同時(shí)，差分信號(hào)在反饋時(shí)，表現(xiàn)出多種路線(xiàn)特點(diǎn)。因此，在測(cè)量誤差期間，如若存在單端探頭連接不規(guī)范，或者差分探頭任意端口并未完成有效連接，信號(hào)回流信號(hào)就無(wú)法通過(guò)正常的路徑回流，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣后，導(dǎo)致測(cè)量誤差偏大。

3.3.2 地線(xiàn)不利作用的回避方法

在信號(hào)測(cè)量時(shí)使信號(hào)回路盡可能的短，在經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣時(shí)就要考慮布線(xiàn)的長(zhǎng)度等因素，或者采取地線(xiàn)與信號(hào)線(xiàn)閉合處理形式，在閉合處理形成的區(qū)域，將予以有效控制，減少閉合區(qū)域過(guò)大問(wèn)題。同時(shí)，在測(cè)量期間，在使用單端探頭測(cè)試活動(dòng)時(shí)，可憑借接地線(xiàn)，完成被測(cè)信號(hào)的參考點(diǎn)和示波器的地連接起來(lái)，差分探頭測(cè)試時(shí)應(yīng)該將示波器和被測(cè)設(shè)備共地，這樣就能減小測(cè)量中的誤差，特別是在測(cè)量精度要求比較高的數(shù)值時(shí)（納秒級(jí)別），會(huì)有很明顯的效果。

4? 結(jié)論

本文主要針對(duì)基于LabVIEW自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量誤差進(jìn)行分析及優(yōu)化。在對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)隨機(jī)誤差及系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因，傳遞過(guò)程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，給出優(yōu)化措施。重點(diǎn)以軌道交通裝備基地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所存在的實(shí)際問(wèn)題為案例，對(duì)具有代表性的測(cè)試線(xiàn)長(zhǎng)度、儀器本身及地線(xiàn)三個(gè)方面對(duì)誤差的影響進(jìn)行分析并給出改進(jìn)措施。儀表的測(cè)量誤差是不可能絕對(duì)消除的，但是要盡可能減小誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使其減小到允許的范圍，所以要根據(jù)測(cè)量的要求和對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度來(lái)選擇消除方法。在測(cè)量準(zhǔn)確度和精密度要求較高的測(cè)量中，必須全方面的考慮誤差來(lái)源及對(duì)應(yīng)減小誤差的措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]田旭光，蔡金燕，張大偉.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程中測(cè)量通道的誤差修正[J].電測(cè)與儀表，2007，44（10）：57-60.

[2]梁皖貴，楊世武，陳建譯，等.基于虛擬儀器的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)誤差分析及處理[J].鐵道通信信號(hào)，2007，43（4）：9-10.

[3]電動(dòng)機(jī)微機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試誤差分析及改進(jìn)方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2014，34（6）：67-71.

[4]佚名.基于PXI總線(xiàn)的空間站對(duì)接機(jī)構(gòu)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].載人航天，2018，24（5）：122-126.

[5]陳關(guān)君.基于虛擬儀器的多通道濕敏電容自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（1）：108-109.