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测量系统领域中精确度、准确度、分辨率和灵敏度之间有什么区别

时间:2021-03-04
摘要:目的 本文对测量系统领域中精确度、准确度、分辨率和灵敏度之间的区别作出解释。 适用人群 本文档适用于需要处理并解释DAQ测量系统结果的用户。 概述 仪器制造商通常都会提供设备规格,其中标注了精确度、准确度、分辨率与灵敏度。不幸的是,并不是所有规格都互相统

  目的

  本文对测量系统领域中精确度、准确度、分辨率和灵敏度之间的区别作出解释。
 

  适用人群

  本文档适用于需要处理并解释DAQ测量系统结果的用户。
 

  概述

  仪器制造商通常都会提供设备规格,其中标注了精确度、准确度、分辨率与灵敏度。不幸的是,并不是所有规格都互相统一或拥有相同术语表达方式。此外,即使这些参数已经被标注,您知道如何将其应用于您的系统或者正在测量的变量吗?有些规格仅给出了最坏情况下的参数,而有些则考虑了您的真实测量情况。


 

  精确度

  精确度可被定义为测量中相对于绝对标准的不确定数值。精确度规格通常包括由增益和偏移参数引起的误差影响。偏移误差以测量单位(如V或Ω)的形式给出,且与被测输入信号幅值无关。例如指定偏移误差为1.0毫伏(mV),这与幅值范围和增益设置毫不相关。相反,增益误差则依赖于输入信号幅值,并以读数的百分比形式表示,如。因此,总精确度等于以上二者之和:表1给出一个示例:
 
  表1,作为精确度函数的读数
输入电压 精确度规格下的读数范围
0V -1mV 至 +1mV
5V 4.994V 至 5.006V (±6 mV)
10V 9.989 V to 10.011 V (±11 mV)
  条件:输入为0-10V,精确度=±(输入的0.1%+1mV)
 

  准确度

  准确度描述了测量的可重复性。例如,多次测量某一稳态信号。在此情况下如果测量值十分接近,那么其准确度或可重复性就很高。测量值并不需要是真实值,只需彼此接近。测量结果的平均值与真实值之间的差就是精确度。
 

  分辨率

  分辨率可用两种方式表示:
 
  1、可测量最大信号与可被分辨最小电压的比值---常见于模数(A/D)转换器。
 
  2、理论上可检测的最小变化程度,通常表示为比特数。这将分辨率的比特数与实际电压测量关联起来。
 
  为确定系统的电压分辨率,我们需要做一些计算。首先,假设一个测量系统(使用16位A/D转换器)可以测量±10V范围内(20V量程)的电压。然后,确定我们在16位可检测的最小电压增量,即216=65536,或者65536中的1份,所以20V/65536=305µV/A/D比较次数。因此,理论上可检测的最小电压变化是305µV。
 
  不幸的是,噪声之类的因素会混入公式中,导致可被使用的理论分辨率位数有所下降。一个拥有16位分辨率的数据采集系统可能也包含16种噪声情况。考虑到此,16种情况等于4比特(24=16);因此测量系统标定的16位分辨率减少了4位,所以A/D转换器的真实分辨率只有12位,并非16位。
 
  一种“取平均值”的方法可以提高分辨率,但会牺牲速度。这种方法可减少的噪声幅度为样点数的平方根大小,因此它需将多次采样的数据相加,再除以总样点数。例如,一个包含3比特噪声的系统存在8种噪声情况,可取64个采样点的平均值来降低噪声的影响。但这种方法并不能减少非线性噪声的影响,且噪声必须服从高斯分布。
 

  灵敏度

  灵敏度是一个绝对数值,即测量系统可检测的最小绝对变化量。考虑一个电压输入范围为1.0V,噪声为4个样本点的测量设备,如果A/D转换器的分辨率为212,那么灵敏度的峰峰值为p-p。这表明了传感器的响应性能。例如,某传感器在0–1伏特(V)的输出电压内划分1000个单元,这意味着1V的等价测量为1000个单元或1mV等价为1个单元。然而由于灵敏度为1.9mV p-p,所以传感器的输出需变化两个单位,输入端才能检测到变化。
 
  以MCC的USB-1608G系列产品为例
  我们以USB-1608G DAQ设备为例,确定其分辨率、精确度与灵敏度(其规格详见以下表2和表3)。考虑某传感器输出信号在0至3V,其与USB-1608G的模拟输入通道连接。我们分别在两种条件下确定精确度,条件1:传感器输出200mV;条件2:传感器输出3V。
  精确度:USB-1608G使用16位A/D转换器

  条件1:采用单端输入,在±1V的量程下测量200mV的信号

  温度=25°C
  分辨率=2V 216=30.5µV
  灵敏度=30.5µV×1.36 LSB rms=41.5µV rms
  增益误差=0.024%×200mV=±48µV
  偏移误差=±245µV
  线性误差=量程的0.0076%=76µV
  总误差=48µV+245µV+76µV=369µV
 
  因此,对于200mV的输入,其读数在199.631mV至200.369mV之间波动。
 

  条件2:采用单端输入,在±5V的量程下测量3V

  温度=25°C
  分辨率=10V 216=152.6µV
  灵敏度=152.6µV×0.91 LSB rms=138.8µV rms
  增益误差=0.024%×3.0V=720µV
  偏移误差=686µV
  线性误差=量程的0.0076%=380µV
  总误差=720µV+686µV+380µV=1.786mV
 
  因此,对于3.0V的输入,其读数将在2.9982V至3.0018V之间波动。
 

  综合分析


  精确度:考虑条件1,总精确度为369µV÷2V×100=0.0184%
  精确度:考虑条件2,总精确度为1.786mV÷10V×100=0.0177%
  有效分辨率:USB-1608G拥有16位理论分辨率的规格。而有效分辨率是被测量的最大信号和可被分辨的最小电压(即灵敏度)的比例。例如,如果我们考虑条件2,用测量信号电压值除以灵敏度或计算(138.8µV÷3.0V)=46.5e-6,再将转换成等价数字量:(1V÷46.5e-6)=21660,或14.4比特的有效分辨率。可考虑采用以上提到的取平均值法提高有效分辨率。
  灵敏度:相较于5V量程下138.8µV rms的灵敏度,量程为±1V且噪声仅为41.5µV rms时的测量灵敏性最强。总之,选择传感器时,应使设备利用最好的灵敏度捕获最高输出电压。例如0至3V的输出信号应选择5V的量程,而不是10V。
 
  以上就是测量系统领域中精确度、准确度、分辨率和灵敏度之间有什么区别的全部内容,如果您对测量系统解决方案有兴趣,欢迎致电长沙艾克赛普仪器设备有限公司:0731-84284278,我们的工程师将为你提供最佳的测试方案。Accexp是一家专注于仪器工控设备、测试方案系统集成的科技企业。作为专业的仪器仪表公司及测控集成ATE提供商,多年来坚持自主研发创新,结合引进代理各大知名品牌的优质仪器设备,致力于提供更科学智能的软硬件测试方案。

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