一种卧式圆柱度测量虚拟仪器的不确定度评估

　　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

　　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.

　　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、DSP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Aj,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±eji.依据GUM,其相应的标准不确定度uji(标准偏差的估计值σji)为:

　　式中kAji为置信系数,它可以依据误差在区间±eji的概率分布规律确定.令:

　　从而合成分布的偏峰系数γcj为[2]:

　　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kAcj的关系如表1所示.

　　因此测量环节j的合成分布的置信系数kAcj可以依据偏峰系数Ccj和显著水平A由表1得以近似确定,从而该环节的合成分布的不确定度ucj为:

　　该测量环节的相对不确定度urj为: