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    測量系統領域中精確度、準確度、分辨率和靈敏度之間有什么區別

    時間:2021-03-04
    摘要:目的 本文對測量系統領域中精確度、準確度、分辨率和靈敏度之間的區別作出解釋。 適用人群 本文檔適用于需要處理并解釋DAQ測量系統結果的用戶。 概述 儀器制造商通常都會提供設備規格,其中標注了精確度、準確度、分辨率與靈敏度。不幸的是,并不是所有規格都互相統

      目的

      本文對測量系統領域中精確度、準確度、分辨率和靈敏度之間的區別作出解釋。
     

      適用人群

      本文檔適用于需要處理并解釋DAQ測量系統結果的用戶。
     

      概述

      儀器制造商通常都會提供設備規格,其中標注了精確度、準確度、分辨率與靈敏度。不幸的是,并不是所有規格都互相統一或擁有相同術語表達方式。此外,即使這些參數已經被標注,您知道如何將其應用于您的系統或者正在測量的變量嗎?有些規格僅給出了最壞情況下的參數,而有些則考慮了您的真實測量情況。


     

      精確度

      精確度可被定義為測量中相對于絕對標準的不確定數值。精確度規格通常包括由增益和偏移參數引起的誤差影響。偏移誤差以測量單位(如V或Ω)的形式給出,且與被測輸入信號幅值無關。例如指定偏移誤差為1.0毫伏(mV),這與幅值范圍和增益設置毫不相關。相反,增益誤差則依賴于輸入信號幅值,并以讀數的百分比形式表示,如。因此,總精確度等于以上二者之和:表1給出一個示例:
     
      表1,作為精確度函數的讀數
    輸入電壓 精確度規格下的讀數范圍
    0V -1mV 至 +1mV
    5V 4.994V 至 5.006V (±6 mV)
    10V 9.989 V to 10.011 V (±11 mV)
      條件:輸入為0-10V,精確度=±(輸入的0.1%+1mV)
     

      準確度

      準確度描述了測量的可重復性。例如,多次測量某一穩態信號。在此情況下如果測量值十分接近,那么其準確度或可重復性就很高。測量值并不需要是真實值,只需彼此接近。測量結果的平均值與真實值之間的差就是精確度。
     

      分辨率

      分辨率可用兩種方式表示:
     
      1、可測量最大信號與可被分辨最小電壓的比值---常見于模數(A/D)轉換器。
     
      2、理論上可檢測的最小變化程度,通常表示為比特數。這將分辨率的比特數與實際電壓測量關聯起來。
     
      為確定系統的電壓分辨率,我們需要做一些計算。首先,假設一個測量系統(使用16位A/D轉換器)可以測量±10V范圍內(20V量程)的電壓。然后,確定我們在16位可檢測的最小電壓增量,即216=65536,或者65536中的1份,所以20V/65536=305µV/A/D比較次數。因此,理論上可檢測的最小電壓變化是305µV。
     
      不幸的是,噪聲之類的因素會混入公式中,導致可被使用的理論分辨率位數有所下降。一個擁有16位分辨率的數據采集系統可能也包含16種噪聲情況?紤]到此,16種情況等于4比特(24=16);因此測量系統標定的16位分辨率減少了4位,所以A/D轉換器的真實分辨率只有12位,并非16位。
     
      一種“取平均值”的方法可以提高分辨率,但會犧牲速度。這種方法可減少的噪聲幅度為樣點數的平方根大小,因此它需將多次采樣的數據相加,再除以總樣點數。例如,一個包含3比特噪聲的系統存在8種噪聲情況,可取64個采樣點的平均值來降低噪聲的影響。但這種方法并不能減少非線性噪聲的影響,且噪聲必須服從高斯分布。
     

      靈敏度

      靈敏度是一個絕對數值,即測量系統可檢測的最小絕對變化量?紤]一個電壓輸入范圍為1.0V,噪聲為4個樣本點的測量設備,如果A/D轉換器的分辨率為212,那么靈敏度的峰峰值為p-p。這表明了傳感器的響應性能。例如,某傳感器在0–1伏特(V)的輸出電壓內劃分1000個單元,這意味著1V的等價測量為1000個單元或1mV等價為1個單元。然而由于靈敏度為1.9mV p-p,所以傳感器的輸出需變化兩個單位,輸入端才能檢測到變化。
     
      以MCC的USB-1608G系列產品為例
      我們以USB-1608G DAQ設備為例,確定其分辨率、精確度與靈敏度(其規格詳見以下表2和表3)?紤]某傳感器輸出信號在0至3V,其與USB-1608G的模擬輸入通道連接。我們分別在兩種條件下確定精確度,條件1:傳感器輸出200mV;條件2:傳感器輸出3V。
      精確度:USB-1608G使用16位A/D轉換器

      條件1:采用單端輸入,在±1V的量程下測量200mV的信號

      溫度=25°C
      分辨率=2V 216=30.5µV
      靈敏度=30.5µV×1.36 LSB rms=41.5µV rms
      增益誤差=0.024%×200mV=±48µV
      偏移誤差=±245µV
      線性誤差=量程的0.0076%=76µV
      總誤差=48µV+245µV+76µV=369µV
     
      因此,對于200mV的輸入,其讀數在199.631mV至200.369mV之間波動。
     

      條件2:采用單端輸入,在±5V的量程下測量3V

      溫度=25°C
      分辨率=10V 216=152.6µV
      靈敏度=152.6µV×0.91 LSB rms=138.8µV rms
      增益誤差=0.024%×3.0V=720µV
      偏移誤差=686µV
      線性誤差=量程的0.0076%=380µV
      總誤差=720µV+686µV+380µV=1.786mV
     
      因此,對于3.0V的輸入,其讀數將在2.9982V至3.0018V之間波動。
     

      綜合分析


      精確度:考慮條件1,總精確度為369µV÷2V×100=0.0184%
      精確度:考慮條件2,總精確度為1.786mV÷10V×100=0.0177%
      有效分辨率:USB-1608G擁有16位理論分辨率的規格。而有效分辨率是被測量的最大信號和可被分辨的最小電壓(即靈敏度)的比例。例如,如果我們考慮條件2,用測量信號電壓值除以靈敏度或計算(138.8µV÷3.0V)=46.5e-6,再將轉換成等價數字量:(1V÷46.5e-6)=21660,或14.4比特的有效分辨率?煽紤]采用以上提到的取平均值法提高有效分辨率。
      靈敏度:相較于5V量程下138.8µV rms的靈敏度,量程為±1V且噪聲僅為41.5µV rms時的測量靈敏性最強?傊,選擇傳感器時,應使設備利用最好的靈敏度捕獲最高輸出電壓。例如0至3V的輸出信號應選擇5V的量程,而不是10V。
     
      以上就是測量系統領域中精確度、準確度、分辨率和靈敏度之間有什么區別的全部內容,如果您對測量系統解決方案有興趣,歡迎致電長沙艾克賽普儀器設備有限公司:0731-84284278,我們的工程師將為你提供最佳的測試方案。Accexp是一家專注于儀器工控設備、測試方案系統集成的科技企業。作為專業的儀器儀表公司及測控集成ATE提供商,多年來堅持自主研發創新,結合引進代理各大知名品牌的優質儀器設備,致力于提供更科學智能的軟硬件測試方案。

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