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測量系統(tǒng)領(lǐng)域中精確度、準(zhǔn)確度、分辨率和靈敏度之間有什么區(qū)別
2021-03-04
目的
本文對(duì)測量系統(tǒng)領(lǐng)域中精確度、準(zhǔn)確度、分辨率和靈敏度之間的區(qū)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(tǒng)結(jié)果的用戶。
概述
儀器制造商通常都會(huì)提供設(shè)備規(guī)格，其中標(biāo)注了精確度、準(zhǔn)確度、分辨率與靈敏度。不幸的是，并不是所有規(guī)格都互相統(tǒng)一或擁有相同術(shù)語表達(dá)方式。此外，即使這些參數(shù)已經(jīng)被標(biāo)注，您知道如何將其應(yīng)用于您的系統(tǒng)或者正在測量的變量嗎？有些規(guī)格僅給出了最壞情況下的參數(shù)，而有些則考慮了您的真實(shí)測量情況。
精確度
精確度可被定義為測量中相對(duì)于絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的不確定數(shù)值。精確度規(guī)格通常包括由增益和偏移參數(shù)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(hào)幅值無關(guān)。例如指定偏移誤差為1.0毫伏（mV），這與幅值范圍和增益設(shè)置毫不相關(guān)。相反，增益誤差則依賴于輸入信號(hào)幅值，并以讀數(shù)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(gè)示例：
表1，作為精確度函數(shù)的讀數(shù)
| 輸入電壓 | 精確度規(guī)格下的讀數(shù)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(zhǔn)確度
準(zhǔn)確度描述了測量的可重復(fù)性。例如，多次測量某一穩(wěn)態(tài)信號(hào)。在此情況下如果測量值十分接近，那么其準(zhǔn)確度或可重復(fù)性就很高。測量值并不需要是真實(shí)值，只需彼此接近。測量結(jié)果的平均值與真實(shí)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(hào)與可被分辨最小電壓的比值---常見于模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器。
2、理論上可檢測的最小變化程度，通常表示為比特?cái)?shù)。這將分辨率的比特?cái)?shù)與實(shí)際電壓測量關(guān)聯(lián)起來。
為確定系統(tǒng)的電壓分辨率，我們需要做一些計(jì)算。首先，假設(shè)一個(gè)測量系統(tǒng)（使用16位A/D轉(zhuǎn)換器）可以測量±10V范圍內(nèi)（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(shù)。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(huì)混入公式中，導(dǎo)致可被使用的理論分辨率位數(shù)有所下降。一個(gè)擁有16位分辨率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可能也包含16種噪聲情況。考慮到此，16種情況等于4比特（24=16）；因此測量系統(tǒng)標(biāo)定的16位分辨率減少了4位，所以A/D轉(zhuǎn)換器的真實(shí)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(huì)犧牲速度。這種方法可減少的噪聲幅度為樣點(diǎn)數(shù)的平方根大小，因此它需將多次采樣的數(shù)據(jù)相加，再除以總樣點(diǎn)數(shù)。例如，一個(gè)包含3比特噪聲的系統(tǒng)存在8種噪聲情況，可取64個(gè)采樣點(diǎn)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(gè)絕對(duì)數(shù)值，即測量系統(tǒng)可檢測的最小絕對(duì)變化量。考慮一個(gè)電壓輸入范圍為1.0V，噪聲為4個(gè)樣本點(diǎn)的測量設(shè)備，如果A/D轉(zhuǎn)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(yīng)性能。例如，某傳感器在0–1伏特（V）的輸出電壓內(nèi)劃分1000個(gè)單元，這意味著1V的等價(jià)測量為1000個(gè)單元或1mV等價(jià)為1個(gè)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(gè)單位，輸入端才能檢測到變化。
以MCC的USB-1608G系列產(chǎn)品為例
我們以USB-1608G DAQ設(shè)備為例，確定其分辨率、精確度與靈敏度（其規(guī)格詳見以下表2和表3）。考慮某傳感器輸出信號(hào)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(zhuǎn)換器
條件1：采用單端輸入，在±1V的量程下測量200mV的信號(hào)
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(duì)于200mV的輸入，其讀數(shù)在199.631mV至200.369mV之間波動(dòng)。
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(duì)于3.0V的輸入，其讀數(shù)將在2.9982V至3.0018V之間波動(dòng)。
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(guī)格。而有效分辨率是被測量的最大信號(hào)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(hào)電壓值除以靈敏度或計(jì)算(138.8µV÷3.0V)=46.5e-6，再將轉(zhuǎn)換成等價(jià)數(shù)字量：(1V÷46.5e-6)=21660，或14.4比特的有效分辨率。可考慮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(shí)的測量靈敏性最強(qiáng)。總之，選擇傳感器時(shí)，應(yīng)使設(shè)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(hào)應(yīng)選擇5V的量程，而不是10V。
以上就是測量系統(tǒng)領(lǐng)域中精確度、準(zhǔn)確度、分辨率和靈敏度之間有什么區(qū)別的全部內(nèi)容，如果您對(duì)測量系統(tǒng)解決方案有興趣，歡迎致電長沙艾克賽普儀器設(shè)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(shè)備、測試方案系統(tǒng)集成的科技企業(yè)。作為專業(yè)的儀器儀表公司及測控集成ATE提供商，多年來堅(jiān)持自主研發(fā)創(chuàng)新，結(jié)合引進(jìn)代理各大知名品牌的優(yōu)質(zhì)儀器設(shè)備，致力于提供更科學(xué)智能的軟硬件測試方案。
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