LabVIEW在误差理论与数据处理实验中的应用

蒋彦[1]，朱慧玲，谢静，王玉林



LabVIEW在误差理论与数据处理实验中的应用

蒋彦[1]，朱慧玲，谢静，王玉林

（南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳 421001）

误差理论与数据处理是测控技术与仪器专业的一门专业基础课，课程的理论性强，公式多并且较复杂，给学生学习该门课程造成了一定的困难．利用图形化编程语言LabVIEW进行实验软件的开发，将该课程实验的数据处理部分利用软件完成，使学生有更多的时间专注于误差理论和数据处理方法的理解．

误差理论；数据处理；LabVIEW；实验教学

误差理论与数据处理是测控技术与仪器专业一门必修的专业基础课，该课程为其它专业课提供了必备知识．但是误差理论与数据处理这门课程内容较枯燥单调，有很多抽象概念和理论公式，数据处理计算量非常大，影响学生的学习兴趣和教学质量．从测控技术与仪器专业往届本科生的毕业论文中也能够看出，很多学生对误差理论知识没有深刻理解，数据处理及仪器精度分析不当，影响了论文的整体水平[1]．

在误差理论与数据处理传统的实验教学过程中，学生在完成数据的测量后，通常采用手工加简单的计算器的方法来进行最后的数据处理，工作量大且计算过程繁琐，非常容易出错．随着LabVIEW，Matlab，Mathematica，Origin等优秀软件的出现，很多复杂的计算过程利用软件通常只需要几条语句就能实现，因为这些软件拥有较强的数学计算工具．将这些软件工具应用于误差理论与数据处理的实验教学中，可以提高学生数据处理的效率，使学生有更多的时间专注于误差理论和数据处理方法的理解[2-3]．

1 LabVIEW编程开发环境介绍

对于误差理论与数据处理的实验软件，因为涉及的数据计算比较多，如果用传统的编程语言来开发则效率比较低．LabVIEW是由美国国家仪器公司研发的程序开发环境，类似于VC和VB开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编程语言G语言来编写程序，产生的程序是框图的形式．

LabVIEW有一个庞大的函数库，包括数据采集、GPIB、串口控制、数据显示及数据存储等，LabVIEW在数值分析、科学计算及建模仿真等方面具有独特优势．LabVIEW有传统的程序调试工具，如设置断点、以动态方式显示数据及其子程序的结果、单步执行等，便于程序的调试．LabVIEW提供很多外观与传统仪器类似的控件，可用来方便快速的创建用户交互界面．采用LabVIEW编写程序比一般文本语言编写程序的效率高3~5倍[4]．

2 软件设计实例

根据误差理论与数据处理这门课程的教学内容，软件设计了2个典型实验供学生操作．通过该软件，学生可以录入测量数据，了解数据处理过程，选择处理方法进行结果对比验证，进行精度估计等．

2.1 实验原理

以一元线性回归内容为例，设计差动电感式传感器输出电压随位移变化的回归分析实验，实验原理可参阅文献[5]第6章的相关内容．

2.2 前面板设计

借助实验室已有的传感器实验台和万用表等测量工具，学生可以实测在给定某个位移时，差动电感式传感器的输出电压，然后利用程序中的2个一维数组分别输入位移与电压的测量数据（见图1），根据测量数据，建立一元线性回归模型，并通过XY图控件在前面板绘制出测量原始曲线、一元线性回归曲线和误差分布图（见图2），给出置信区间和统计参量（这部分的计算可以留给学生自行编程补充完成）．

图1 测量数据输入界面

图2 测量结果显示界面

2.3 程序框图设计

程序设计的流程图见图3．

图3 流程图

程序框图主要采用了条件结构、For循环结构、数组函数、簇函数以及线性拟合函数来实现实验的各项功能和相关计算（见图4）．采用LabVIEW进行数据处理程序的编写，不管是前面板还是程序框图的设计，都能快速地完成，提高了效率．

图4 主要程序框图

2.4 线性拟合函数介绍

程序中完成拟合运算的函数是线性拟合函数（Linear Fit.vi），该函数位于函数模板-数学-拟合子模板下．功能是通过最小二乘法、最小绝对残差或Bisquare（双平方）方法返回数据集（X，Y）的线性拟合．函数图标及输入输出端口见图5．

图5 线性拟合函数

该函数通过循环调用广义最小二乘方法和Levenberg-Marq-uardt（列文伯格-马夸尔特）方法使实验数据拟合为通用形式由描述的直线，其中：是输入序列；是斜率；是截距．该函数可得到观测点的最佳拟合和的值．如使用最小二乘法，该函数可依据等式=最小，来最小化残差得到对线性模型的斜率和截距，其中：是的长度；是权重的第个元素；是最佳线性拟合的第个元素；是的第个元素．

3 结语

本文讨论了基于LabVIEW编程环境进行误差理论与数据处理实验软件设计的方法，这一思路也可以扩展应用到其它工程软件的设计中，对于那些需要复杂计算的场合，LabVIEW提供了一种高效快速解决问题的途径．应用LabVIEW所设计的实验软件，为误差理论与数据处理这门课程的实验教学提供了有力工具．

[1] 许景波，陆继桥，刘波，等．基于COM组件混合编程的误差理论教学实验软件设计[J]．高师理科学刊，2015，35（6）：82-85

[2] 汪凤林，汪秀丽，温秀兰．误差理论与数据处理课程改革探索[J]．中国现代教育装备，2008（11）：60-62

[3] 李伟红，龚卫国，姚红，等．误差理论与数据处理教学改革及实验课的设立[J]．实验技术与管理，2003，20（2）：125-128

[4] 黄松岭，王珅，赵伟．虚拟仪器设计教程[M]．北京：清华大学出版社，2015

[5] 费业泰．误差理论与数据处理[M]．7版．北京：机械工业出版社，2015

Application of LabVIEW in the experiment of error theory and data processing

JIANG Yan，ZHU Hui-ling，XIE Jing，WANG Yu-lin

（School of Mechanical Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China）

Error theory and data processing is a professional basic course of measurement and control technology and instrument，the course has deeper theory and more complicated formulas，which brings some difficulties for students to learn the course. Using graphical programming language LabVIEW to development experiment software，using software to complete the data processing part of experiment，so that the students have more time to focus on the understanding of the error theory and data processing method.

error theory；data processing；LabVIEW；experimental teaching

1007-9831（2016）02-0087-03

TP311.1∶G642.423

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.02.025

2015-12-30

2015年南华大学高等教育研究与改革项目（2015XJG-ZZ01）

蒋彦（1980-），男，广西全州人，讲师，硕士，从事测试计量技术及仪器研究．E-mail：nhdxjy@163.com