● 摘要
动态测量系统的新理论与新方法正成为仪器科学的研究热点之一。动态测量在测量原理上与静态测量有着较大的区别。由于动态测量受到实际测量条件的限制，以及动态测量噪声的引入，测量过程参数或测量结果的各种统计量的计算或评定存在着某些误差或不确定性。系统建模、误差分析、不确定度评定和参数辨识等动态测量系统分析问题常常不能用统计学的方法进行研究。本文主要阐述动态测量系统的非统计分析新方法和新理论，以及使用非统计原理解决一些典型的动态测量系统分析的关键技术问题。 本论文的主要研究内容如下： （1）动态测量系统的非统计分析理论研究通过多项式高阶拟合，克服最小二乘法在高阶回归分析时的病态缺陷，得到精确的动态测量的期望函数，来分析有限的随机误差序列的特征，实现动态测量系统的非统计建模。 提出动态测量不确定度的非统计评定方法。即应用蒙特卡洛方法来模拟动态测量各离散采样点的随机误差，计算各离散采样点的伪动态测量数据的标准差；另外还可在各离散采样点对随机误差序列做累加生成处理，按照灰色评定方法得到各采样点的测量不确定度；最后通过曲线拟合得到动态测量不确定度结果。 提出一种实现乏信息测量误差预报新方法。首先对乏信息测量数据中各误差源进行标定，计算各误差源对测量结果的误差传递系数，并对各误差源标定所得数据序列进行自助法抽样，通过灰自助融合建模获得误差源标定预测值；然后按照误差合成的方法实现乏信息测量误差的灰自助预报。 对动态测量系统做离散Z域分析，应用最小二乘法实现动态测量系统参数辨识。鉴于应用最小二乘法进行系统参数辨识时常存在矩阵求逆困难，不适于在线实时参数评定，本文还探讨并验证了一种新的递推改进方法来弥补最小二乘法的不足。 利用定性分析股票期货交易的MACD指标和KDJ指标，分析已有数据的数值变化，预测数据的变化趋势，利用任意分布彩影发生器实现随机问题的彩影描述，通过所产生的给定区间符合随机性检验的伪随机数的加权值来仿真未来数据的变化规律，所提议的彩影算法可应用于动态测量系统的工程技术指标分析，动态测量数据处理相关评价指标有相应的彩影映射。 （2）典型动态测量系统非统计分析应用中的关键技术研究 在分析虚拟仪器测量链测量误差源的基础上，提出一种虚拟仪器测量不确定度的蒙特卡洛评定方法，即产生服从特定分布的随机数来模拟虚拟仪器测量链中的传感器和信号调理卡引入的随机误差源，模拟随机误差与采样测量数据一同进入虚拟仪器的信号处理模块，获得一系列伪测量结果，用伪测量结果标准差表征虚拟仪器测量不确定度。 另外本文还采用神经网络建立了虚拟仪器测量的非参数测量模型，推导出测量模型的解析表达式、不确定度传播系数、不确定度源相关系数的计算公式，实现了测量不确定度评定。 利用虚拟仪器研制了一种新型的车轮状态检测仪。即对所检测的车轮声音信号进行数字信号处理，滤去低频信号后计算高频信号的能量，据此判断车轮损坏状态。 分析了布氏硬度的测量原理，研究了被测材料布氏硬度值与材料力学性能的关系、布氏硬度测量误差产生的根源和布氏硬度测量的力加载特性，利用ANSYS对测量条件进行初始化后，再对整个测量过程进行有限元分析。在Labview软件平台上，编制不确定度自动评定软件，依据蒙特卡洛方法进行大样本量的材料布氏硬度测量仿真，分析计算后获得材料布氏硬度测量结果和测量不确定度。 应用CAXA进行新型高精度布氏硬度计的机械结构的三维实体建模，并通过CAXA与ANSYS之间的接口，将模型导入ANSYS中，对新型高精度布氏硬度计的重要机械部件以及内置电子产品封装进行有限元分析，设计出压痕测量装置、力加载装置、微位移控制装置和测量软件，实现新型高精度布氏硬度计的优化设计。 利用所研制的车轮状态检测仪和新型布氏硬度计进行了一系列的实验，论证了本文所述的动态测量系统的非统计分析方法的正确性，检验了所研制仪器的测量功能。