虚拟仪器技术在水利测量中的应用发布时间：2023-01-12T01:13:47.955Z 来源：《工程管理前沿》2022年第17期作者：麦麦提依明阿木提[导读] 传统的液压测量工具通常存在长开发周期、单功能和低精度等无法实时测量的问题。
随着麦麦提依明阿木提新疆维吾尔自治区塔里木河流域喀什管理局 844700摘要：传统的液压测量工具通常存在长开发周期、单功能和低精度等无法实时测量的问题。
随着水利工程的发展，传统的水利计量体系再也不能满足水利计量要求。
现代水利计量系统必须在保证计量结果准确性的前提下，提高水利计量系统的系统性、现实性和整合性。
因此，需要进一步完善水利测量工具和技术。
虚拟仪器技术是仪器开发设计领域的一项新技术，可以满足水利测量仪器的开发需要，近年来在水利措施中得到广泛应用。
关键词：虚拟仪器技术；水利测量；应用研究引言随着近年来科技的进步，电子测量技术的创新变得显而易见。
本研究初步探讨了虚拟仪器主结构和虚拟仪器技术对液压工程测量的影响，预测了虚拟仪器技术的发展趋势，为提高虚拟仪器技术在液压工程中的应用水平提供了一定的参考价值。
1虚拟仪器技术1.1虚拟仪器技术的基本理论虚拟仪器是传统仪器的进一步发展，是测试技术与各种仪器系统相关技术的结合。
虚拟工具是基于最新的计算机技术和测试而开发的。
美国国家仪器公司首次开发了基于计算机技术的虚拟仪器的概念，开发了许多领域的基于总线的虚拟仪器。
传统仪器技术往往存在不符合现代仪器技术要求的低精度和实时差异问题，因此虚拟仪器技术[1]应运而生。
虚拟仪器技术建立在具有数据采集设备的通用计算机平台之上，可根据实际需要创建各种系统。
用户无法修改传统工具制造商定义的模板。
虚拟工具使用户能够创建比传统工具技术更准确、更高效的自动化测试系统。
虚拟仪器硬件通用，是一个计算机平台和数据采集装置。
虚拟工具软件由用户根据实际需要设计，可以利用计算机的能力快速处理数据，创建一个更加通用的工具。
2013年第2期仪表技术与传感器InstrumentTechniqueandSensor 2013No.2基金项目：国家自然基金资助项目（50876074）；天津市应用基础研究重点项目资助（09JCZDJC25600）收稿日期：2012－03－02收修改稿日期：2012－11－17基于虚拟双目立体视觉的空间圆柱轴线测量张瑞峰，张肖萌（天津大学电子信息工程系，天津300072）摘要：为了精确获取空间中圆柱的轴向向量，基于虚拟双目立体视觉设计了以摄像机坐标系为测量坐标系的被动式线结构光平移扫描测量系统。
探索出基于光平面旋转相交于圆柱三维点云进而判断圆柱轴向量的计算方法，通过三维点云投影到二维图像平面分析数据避免了求三维曲率，简化了计算量。
通过对柴油机缸盖表面圆孔的测量试验表明该方法具有较高精度，且方法简单。
关键词：虚拟双目立体视觉；线结构光；光平面旋转中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1002－1841（2013）02－0049－03Measuring Cylindrical Axis Based on virtual Binocular Stereo VisionZHANG Rui-feng ，ZHANG Xiao-meng（Department of Electronic Information Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072，China ）Abstract ：In order to accurately obtain the cylinder axis ，a passive line structured light system based camera measurement co-ordinate system was designed based on Virtual binocular stereo vision．The paper explored a measure of calculating cylinder axis that light plane rotated and intersected the cylinder to get the three-dimensional points．By analyzing the projection of three-dimen-sional points in two-dimensional image plane ，it can avoid calculating the three-dimensional curvature ，which simplified the compu-tation．The measurement results of the engine cylinder head surface hole show that the method has higher accuracy ，more simple procedure and less calculation．Key words ：virtual binocular stereo vision ；line structured light ；light plane rotation 0引言大多数实物特别是机械零件的表面常常是由球面、圆柱面、圆锥面以及圆环面等二次曲面构成，或者是其重要的组成部分，其中圆柱形工件不仅美观、省材，而且圆环截面能均匀承受内部或外部径向压力，故很多机械工程中都采用了正截面是圆的机械零件。
№.1 陕西科技大学学报 F eb .2011V ol .29 JO U RN A L O F SH AA N XI UN IV ERSIT Y OF SCI EN CE &T ECH NO L OG Y ·121·＊文章编号:1000-5811(2011)01-0121-04一种卧式圆柱度测量虚拟仪器的不确定度评估荆学东1,2,吉 涛2,何 凯2,杨 亮2(1.上海应用技术学院机械工程学院,上海 204189;2.陕西科技大学机电工程学院,陕西西安 710021)摘 要:基于涡流效应开发了一种圆柱度测量虚拟仪器,分析了传感器、A /D 的不确定度来源及分布规律,应用GUM 中的B 类方法研究了上述各个环节的合成测量不确定度,最后应用Gram -Charile r 级数研究了该仪器的合成测量不确定度.关键词:测量不确定度;圆柱度;虚拟仪器中图法分类号:T H 701 文献标识码:A图1 虚拟仪器的典型结构0 引 言虚拟仪器的典型结构如图1所示.虚拟仪器是基于计算机的仪器,仪器工作时通过操纵位于计算机屏幕虚拟面板上的“按钮”来完成检测或者控制任务.与以硬件为主的传统仪器不同,在虚拟仪器中数据采集和信号调理控制、信号处理以及结果显示等主要通过软件实现.目前虚拟仪器虽然得以普遍应用,但虚拟仪器的测量不确定度评估由于涉及的因素多、非线性及强耦合等原因,迄今仍然没有公认的评估手段.本文将依据GUM [1]的B 类型评估方法,研究一种圆柱度测量虚拟仪器的不确定度评估问题.1 圆柱度测量虚拟仪器组成图2 虚拟仪器测量装置1.1 圆柱度测量原理及虚拟仪器的组成圆柱度测量装置示意图如图2所示,其测量原理是将高灵敏度电涡流传感器的检测探头沿工件直径方向安装,利用工件的旋转运动以及探头沿工件轴向运动检测出工件外径沿径向及轴向的变化,再利用最小二乘法求出工件的圆柱度.图2中测量装置除工控机RK -40610外,1为X 轴电机,2为工作台箱体,3为工件轴向固定装置,4为水平导轨,5为被测工件,6为Z 轴电机,7为垂直导轨,8为传感器夹持装置,9为传感器测头,10为三爪卡盘,11为主轴电机.该装置为测量圆柱度提供3种运动:工件旋转运动,它由主电机11通过带动主轴运动实现;传感器沿工件表面的轴向运动,它由X 轴电机1驱动丝杠副实现;传感器沿工件表面的径向运动,它由Z 轴电机6驱动丝杠副实现.＊收稿日期:2010-12-20作者简介:荆学东(1968-),男,安徽省颖上县人,教授,博士,研究方向:测控技术及机器人学基金项目:上海应用技术学院引进人才科研启动项目(J Y2011-06),陕西省科学技术研究发展计划项目(形位公差和表面粗糙度检测虚拟仪器研制,2008k05-11)陕西科技大学学报第29卷1.2 测量环节的不确定度影响因素分析整个测量环节包括电涡流传感器、数据采集装置、检测软件和计算机以及机械装置,因此该仪器测量的不确定度来自上述5个方面,本文只讨论传感器、数据采集、DS P以及测量装置的不确定度.1.2.1 标准不确定度及合成分布的不确定度假定某一测量环节j的量程为A j,它有n个相互独立的不确定度来源.对于每一个不确定度来源i,产品生产厂家保证了其误差范围为±e ji.依据G UM,其相应的标准不确定度u ji(标准偏差的估计值σji)为:σji=u ji=e ji/kαji(1)式中kαji为置信系数,它可以依据误差在区间±e ji的概率分布规律确定.令:σ2cj=∑ni=1σ2ji(2)从而合成分布的偏峰系数γcj为[2]:γcj=∑ni=1γjiσ4ji/σ4cj(3)式中:γji是第i个不确定度来源的偏锋系数,它与置信水平αji以及置信系数kαcj的关系如表1所示.表1 置信系数kα和偏峰系数γ的关系γkαα=0.00α=0.27α=0.01α=0.050.0∞3.002.581.96 0.1-2.892.521.95 0.2-2.772.451.94 0.3-2.662.391.93 0.4-2.552.331.92 0.5-2.432.261.91 0.62.452.322.201.90 0.72.342.242.141.86 0.82.222.152.081.830.92.112.062.011.801.02.001.981.951.76 1.11.861.861.831.70 1.21.731.731.711.65 1.31.621.621.611.57 1.41.521.521.511.49 1.51.411.411.411.41 1.61.331.331.331.33 1.71.251.251.251.25 1.81.161.161.161.161.91.081.081.081.082.01.001.001.001.00因此测量环节j的合成分布的置信系数kαcj 可以依据偏峰系数γcj和显著水平α由表1得以近似确定,从而该环节的合成分布的不确定度u cj为:u cj=kαcjσj(4)该测量环节的相对不确定度u rj为:u rj=u cjA j(5)1.2.2 电涡流传感器的不确定度传感器不确定度主要包括非线性、噪音、长期稳定性、滞后、重复性、温度漂移、灵敏度、偏移、分辨率以及其它干扰[2].本文使用的电涡流传感器型号为CWY-D0-502,由技术规范可知该传感器的不确定度的主要来源如表2所示.利用式(1)可确定每一不确定度来源的标准不确定度u i,再按照单一环节的测量不确定度评估方法[2,3],由式(2)～(5)确定该传感器技术规范并求出每一影响因素的不确定度及合成不确定度,如表2所示.表2 涡流传感器的不确定度不确定度来源技术规范标准不确定度/μm 分辨率1μm0.58线性度<2%23.12温度漂移0.1%/℃23.12结 果(∑σi2)1/2=32.70γc=0.86kαc=2.09合成不确定度u cT R341.72m V 合成相对不确定度u rT R3.42%·122·第1期荆学东等:一种卧式圆柱度测量虚拟仪器的不确定度评估1.2.3 A/D转换的不确定度A/D转换的不确定度来源主要包括非线性、长期稳定性、温度漂移、偏移以及分辨率、噪音、量化误差、凝固时间、通道干扰、时标抖动等[2].本文采用了16位的N I PCI-6010数据集采集卡,由其技术规范可知该传感器的不确定度的主要来源如表3所示.采用与1.2.2节相同的方法,可确定数据采集卡中每一影响因素的不确定度及合成不确定度以及相对不确定度,如表3所示.表3 DAQ的不确定度不确定度来源技术规范标准不确定度(μV)增益误差550ppm o f Reading1589偏置误差458ppm of range1300噪音不确定度37量化±0.5LSB22通道干扰-70dB913置位时间30μs to100ppm;50μs to40ppm289结 果(∑σi2)1/2=2265γ=0.35kα=2.75合成不确定度u cAD5238μV 合成相对不确定度u rAD0.10%1.2.4 DSP引起的不确定度和DSP相关的不确定度来源主要有两种,即DSP算法偏差和舍入误差.算法偏差也称为截断误差,是由于检测算法的有限次运行导致的.如对于时域无限长的信号需要进行加窗处理,因为对信号进行截断,其频谱不再连续;还有对函数利用有限项逼近进行计算等,这些都势必带来计算误差.舍入是由于计算机微处理器的字长有限造成的,它可能发生于浮点数的加法和乘法运算,此时其不确定度可分别由式(6)和(7)计算[4],也可能发生在定点数的乘法运算,此时其不确定度可由式(8)计算[5].u float,add=p·0.18·2-2B m(6)u float,mu ltip l=0.18·2-2B m(7)u flo at,multip l=2-2B x/12(8)式中:B m代表尾数的位数;p是一个在加法运算中与舍入发生概率相关的因子;B x是计算机的固定字长.由于采用的计算机字长为B m=32位,代入式(6)～(8)可得:u f loat,add≈0;u flo a t,multipl≈0;u fixedt,multip l ≈0.因此,DSP的不确定度u DS≈0.2 圆柱度测量不确定度分析传感器和工件之间的位置误差对测量结果也有影响.由图1可知,这些误差主要包括主轴的回转轴线与被测工件的回转轴线不重合度误差以及主轴的回转轴线与被测工件的回转轴线倾斜误差.但是,由于采用了误差分离技术而极大地降低了这些误差对测量结果的影响,因此本文不考虑这些误差对测量结果的影响.由上述分析可知,传感器、A/D转换以及DSP的相对不确定度分别为:u rTR=3.4%,u rAD=0.1%, u rDS=0,因而圆柱度测量虚拟仪器的相对不确定度u sr为u s r=u2rTR+u2rAD+u2r DS=3.42%.由上述计算可知,在整个测量环节中,传感器的不确定度对测量结果的影响占据绝对优势,因此作为保守的估计,可以将其测量不确定度作为整个仪器的测量不确定度度u s,因而根据传感器的量程及输出,结合表2可求出测量系统的不确定度u s=u cTR×210×103=68.34μm.·123·陕西科技大学学报第29卷3 结论(1)在几何量测量虚拟仪器中,A /D 转换以及DSP 的不确定度极小,而传感器的不确定度对整个仪器的测量不确定度影响最大,因此选择不确定度较小的传感器要比选择高精度数据采集装置更容易提高仪器测量精度.(2)尽管可以利用误差分离技术减小传感器相对于工件的位置误差对测量结果的影响,但是难以减小传感器本身的不确定度对测量结果的影响.参考文献[1]ISO .Guide to the expres sion of uncertain ty in measu rement [S ].Geneva ,Sw itzerland (ISBN 92-67-10188-9),1993.[2]Jing Xuedong .Evaluation of meas urem ent un certainties of virtual instruments [J ].In ternational Journal of Advanced M anufacturingTech nology (UK ),2005,27(11-12):1202-1210.[3]荆学东.基于虚拟仪器的纳米颗粒复合电刷镀工艺过程自动化研究[D ].上海:上海交通大学博士学位论文,2005.[4]I .Pitas ,M .S trintzis .Floating -point error analysis of tw o dimensional fast Fou rier transform alg orith ms [J ].IEE Trans .On Cir -cuits and S ystem s ,1988,35(1):112-115.[5]K .Kalliojarvi ,J .Astola .Rou ndoff errors in block -floating -poin t sys tem [J ].IEEE T ran s .On Signal Processing ,1996,44(4):783-790.UNCERTAINTY EVALUATION OF A VIRTUAL INSTRUMENTFOR MEASUREMENT OF CYLINDRIC AL ERRORJING Xue -do ng 1,2,JI Tao 2,H E Kai 2,YANG Liang 2(1.School of M echanical Enginee ring ,Shang hai I nstitute of Technology ,Shang hai 201418,China ;2.Schoo l of M echanica l &Electrical Eng inee ring ,Shaanx i Univ ersity of Science &T echno log y ,Xi ′an 710021,China )Abstract :A virtual instrum ent for measuring cylindrical erro r has been develo ped .Further -more ,the uncertainty sources o f the main parts o f the instrument ,including the transducer ,A /D co nvertor ,and DSP have been analy zed respectively in detail .Their co mbined measure -ment uncertainties have been estimated respectively according to Ty pe B evaluation of “g uide to the ex pression of uncertainty in measurem ent (GUM )”based on Gram -Chariler series ,w hile their cor responding relative measurement uncer tainties have also been calculated .Fi -nally ,the ove rall relative uncer tainty and the com bined unce rtainty of the instrument have also been estimated .Key words :measurement unce rtainty ;cylindrical error ;vir tual instrument 教育部致信祝贺我校成果获国家科学技术奖 日前,教育部发来贺信,对我校“环保增强增韧型皮革鞣制整饰化学品的关键制备技术”成果荣获2010年度国家科学技术奖表示热烈祝贺,对广大科研人员为此付出的辛勤劳动致以崇高敬意.贺信希望我校及广大科研人员继续发扬求真务实、勇于创新的科学精神,不畏艰险、勇攀高峰的探索精神,团结协作、淡泊名利的团队精神,报效祖国、服务社会的奉献精神,坚定不移走中国特色自主创新道路,不断提高自主创新能力,积极投身于科教兴国战略的实践中,为建设创新型国家、促进科学发展做出新的更大的贡献.·124·。
